一种充电器以及包括其的复用电流变换电路和不间断电源的制作方法

本发明涉及电子电力领域，具体涉及一种充电器以及包括其的复用电流变换电路和不间断电源。

背景技术：

1、不间断电源用于在市电供电非正常状态下瞬时地切换到由电池对负载提供持续电力，以保护负载免受市电供电中断的损害，因此被广泛地应用于工业、商业及消费领域。目前不间断电源一个具有较高关注度的发展方向是使得电池数量减少(例如设计为单电池)、电池电压降低并且在电池电路中避免引入中线。这类不间断电源中一般包括将交流输入端输入的交流电转换为直流电的ac-dc功率因数控制(pfc)电路，对电池进行充电的电路以及从电池放电的dc-dc电路。针对单电池的不间断电源，需要设计对电池的充电电路。现有技术中的一种常用充电电路是采用ac-dc电路的正负直流母线双边(双母线)同时对电池提供能量，对于单相市电输入的不间断电源，其较大的纹波导致需要更大的母线电容，增加了控制直流母线的难度。对于5-11kva功率段内的不间断电源，正负直流母线电压一般为700v，单电池所期望的充电电压在200v左右，两者电压范围有着明显差距，充电电路效率低下。而另一种充电电路采用正负直流母线单边交替对电池提供能量，充电效率较前者有所增加。

2、图1示出了现有技术中的一种双母线交替降压(buck)充电电路12。其中，正直流母线101通过开关管q13和电感l13连接到充电电路的正输出端103而形成正半边，负直流母线102通过开关管q14和电感l14连接到充电电路的负输出端104而形成负半边，正输出端103和负输出端104之间连接有电容c10；二极管d15的正极连接到二极管d16的负极，二极管d15负极连接到开关管q13和电感l13之间的节点，二极管d16的正极连接到开关管q14和电感l14之间的节点，二极管d15和二极管d16之间的节点与直流母线电容c11、c12之间的节点均连接到中性点n。该降压电路拓扑为正负半边交替工作，因此在该降压电路拓扑中，同样存在正输出端103或负输出端104的电位高频跳变问题。下面以充电电路12为例，示例性说明这种高频跳变的原因。

3、图2示出了图1所示充电电路的双母线交替充电时，q13和q14栅极所接受的脉宽调制控制信号、对应的电流波形以及负输出端104的电位相对于中性点跳变的示意图。根据图2所示，由正直流母线101充电时，q13受控进行脉宽调制，q14保持为关断状态。其中电感l14的一端通过二极管d16接中性点n，当开关管q13导通时为电感充电过程，电流方向为：正直流母线101→开关管q13→电感l13→电容c10→电感l14→二极管d16→中性点n,此时由于电感l14被充电，其连接中性点n一端的电压相对于另一端更低，即负输出端104的电位相对于中性点n为正；当开关管q13关断时为电感续流过程，电流方向为：电感l13→电容c10→电感l14→二极管d16→二极管d15→电感l13，此时由于电感l14续流放电，其连接中性点n一端的电压相对于另一端更高，即负输出端104的电位相对于中性点n为负。可见负输出端104的电压是随着开关管q13脉宽调制开关动作，在以中性点n为基准的正负两侧高频跳变，由于正输出端103和负输出端104之间电压恒定，因此正输出端103同样高频跳变。该跳变频率等于q1脉宽调制频率，因此该电路拓扑的电磁兼容特性(emc)较差。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的上述技术问题，本发明的第一方面提供了一种充电器，其包括正边臂、中间臂、负边臂、单向导通电路，其中所述正边臂或所述负边臂其中之一具有第一电感；

2、所述正边臂的连接在正直流母线和电池正极之间；所述负边臂连接在负直流母线和所述电池负极之间；所述中间臂连接到中性点，所述单向导通电路连接在所述正边臂、中间臂和所述负边臂之间以使得电流只能由所述负边臂流向所述正边臂和/或所述中间臂；以及

3、所述充电器由正、负直流母线交替供电以对所述电池充电，其中所述充电器使得所述电池的正极或负极中的一个电极交替连接到所述中性点和所述正、负直流母线之中与所述电极同极性的一个，从而使得所述电池的所述电极的电平跟随所述正、负直流母线交替供电而同步交替升降。

4、优选地，所述正边臂包括第一开关管、所述负边臂包括第二开关管，所述中间臂包括第三开关管，所述单向导通电路包括同向串联的第一二极管和第二二极管；

5、所述正边臂的第一端连接到正直流母线以接收电力，其第二端连接到电池正极以降压输出电力；所述负边臂的第一端连接到负直流母线以接收电力，其第二端连接到电池负极以降压输出电力；

6、所述充电器还包括串联在所述正边臂的第二端和所述负边臂的第二端之间的第一电容。

7、优选地，所述第一开关管、第二开关管和第三开关管的每一个受其控制端控制以使得电流能够由其第一端流向第二端或者截止；以及所述第一开关管、第二开关管和第三开关管的每一个由所述第一端到所述第二端反向并联有二极管。

8、优选地，所述正边臂包括所述第一电感，其中所述第一开关管的第一端作为所述正边臂的第一端，所述第一开关管的第二端连接到所述第一电感的第一端，所述第一电感的第二端作为所述正边臂的第二端；

9、所述第二开关管的第二端作为所述负边臂的第一端，所述第二开关管的第一端作为所述负边臂的第二端；

10、所述第三开关管的第一端连接到所述中性点，其第二端连接到所述第一二极管的阳极和第二二极管的阴极连接形成的节点，所述第一二极管的阴极连接到所述第一开关管的第二端和所述第一电感的第一端之间连接形成的节点，所述第二二极管的阳极连接到所述第二开关管的第一端。

11、优选地，当所述正直流母线对所述充电器供电时，所述第一开关管执行脉宽调制以降压输出电力，其中所述负边臂通过所述第三开关管连接到所述中性点；

12、当所述负直流母线对所述充电器供电时，所述第三开关管执行脉宽调制以降压输出电力，其中所述负边臂通过所述第二开关管连接到所述负直流母线。

13、优选地，所述正直流母线供电时：当所述第一开关管导通以使得所述正直流母线、第一电感、第一电容与中性点形成回路时，所述第一电感储能，当所述第一开关管关断以使得所述第一电感和第一电容形成回路时，所述第一电感对所述正边臂和负边臂各自的第二端供电；以及

14、所述负直流母线供电时：当所述第三开关管导通以使得所述中性点、第一电感、第一电容与负直流母线形成回路时，所述第一电感储能，当所述第三开关管关断以使得所述第一电感和第一电容形成回路时，所述第一电感对所述正边臂和负边臂各自的第二端供电。

15、优选地，所述第一开关管的第一端作为所述正边臂的第一端，其第二端作为所述正边臂的第二端；

16、所述负边臂包括所述第一电感，其中所述第二开关管的第二端作为所述负边臂的第一端，所述第二开关管的第一端连接到所述第一电感的第一端，所述第一电感的第二端作为所述负边臂的第二端；

17、所述第三开关管的第二端连接到所述中性点，其第一端连接到所述第一二极管的阳极和第二二极管的阴极连接形成的节点，所述第一二极管的阴极连接到所述第一开关管的第二端和所述第一电感的第一端之间连接形成的节点，所述第二二极管的阳极连接到所述第二开关管的第一端。

18、优选地，当所述正直流母线对所述充电器供电时，所述第三开关管执行脉宽调制以降压输出电力，其中所述正边臂通过所述第一开关管连接到所述正直流母线；

19、当所述负直流母线对所述充电器供电时，所述第二开关管执行脉宽调制以降压输出电力，其中所述正边臂通过所述第三开关管连接到所述中性点。

20、优选地，所述正直流母线供电时：当所述第三开关管导通以使得所述正直流母线、第一电容、第一电感与中性点形成回路时，所述第一电感储能，当所述第三开关管关断以使得所述第一电感和第一电容形成回路时，所述第一电感对所述正边臂和负边臂各自的第二端供电；以及

21、所述负直流母线供电时：当所述第二开关管导通以使得所述中性点、第一电容、第一电感与负直流母线形成回路时，所述第一电感储能，当所述第二开关管关断以使得所述第一电感和第一电容形成回路时，所述第一电感对所述正边臂和负边臂各自的第二端供电。

22、优选地，第一至第三开关管为绝缘栅双极型晶体管，其中所述第一至第三开关管的所述第一端为集电极，所述第二端为发射极。

23、优选地，第一至第三开关管为金氧半场效晶体管或可控硅。

24、本发明的第二方面提供一种复用电流变换电路，所述复用电流变换电路包括功率因数修正与dc-dc复用变换器以及如本发明第一方面所述的充电器。

25、优选地，所述复用电流变换电路的所述功率因数修正与dc-dc复用变换器包括复用桥臂、电池挂接桥臂和控制模块，所述复用桥臂包括：

26、第二电感，其中所述第二电感的第一端选择性地连接到市电或所述电池；

27、连接在所述第二电感的第二端和所述中性点之间的反向串联的第四开关管和第五开关管；

28、连接在所述正直流母线和所述中性点之间的第二电容以及连接在所述中性点和所述负直流母线之间的第三电容；

29、第三二极管和第六开关管，所述第三二极管的阳极和所述第六开关管的第一端一同连接到所述第二电感的第二端，所述第三二极管的阴极连接到所述正直流母线，以及所述第六开关管的第二端连接到所述负直流母线；

30、所述电池挂接桥臂连接在所述电池和所述复用桥臂之间以控制所述电池交替供电到所述正、负直流母线，其中所述充电器的所述中间桥臂与所述功率因数修正与dc-dc复用变换器的所述电池挂接桥臂复用；

31、所述控制模块用于控制所述功率因数修正与dc-dc复用变换器或所述的充电器中的各个开关管或开关；以及

32、其中，所述功率因数修正与dc-dc复用变换器控制所述电池的正极或负极中的一个电极交替连接到所述中性点和所述正、负直流母线之中与所述电极同极性的一个，从而使得所述电池的所述电极的电平跟随所述正、负直流母线交替供电而同步交替升降；或者控制所述电池的正极或负极中的一个电极恒定连接所述中性点。

33、优选地，所述复用电流变换电路仅包括如权利要求4-6所述的充电器，其中所述充电器的所述中间桥臂与所述功率因数修正与dc-dc复用变换器的所述电池挂接桥臂复用包括：

34、所述第三开关管的第二端还连接到所述电池的负极以作为所述电池挂接桥臂的一部分。

35、优选地，所述充电器的所述中间桥臂与所述功率因数修正与dc-dc复用变换器的所述电池挂接桥臂复用还包括：

36、所述充电器的所述单向导通电路的所述第二二极管还连接在所述负直流母线和所述电池的负极之间以作为所述电池挂接桥臂的一部分。

37、本发明的第三方面提供一种不间断电源，其包括：

38、如本发明第二方面任一项所述的复用电流变换电路，其中所述电池为单个可充电电池。

39、本发明的充电器、电流变换器及包括其的不间断电源采用电池充放电电位跳变更少的复用电路设计，集成度更高，成本更低，电磁兼容特性更好，更适用于单电池不间断电源系统。