專利名稱：用于不間斷電源的功率因數(shù)校正電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電源技術(shù)，具體地說(shuō)，涉及對(duì)不間斷電源(UPS)中功率因數(shù)較正(PFC)電路的改進(jìn)。
近幾年，已有幾種用于UPS的PFC電路被提出，例如在專利號(hào)為US419550的美國(guó)專利“具有能量變換及增強(qiáng)功能的UPS”(UninterruptiblePower Supply with Energy Conversion and Enhancement)中，公開(kāi)了一種半橋式高頻整流電路，其原理如圖2所示。其中，通過(guò)控制Q21和Q22的開(kāi)通和關(guān)斷，可以在電容C21和C22上得到正負(fù)電壓，同時(shí)使輸入電流與輸入電壓的波形和相位一致。這種電路的其中一個(gè)缺點(diǎn)是Q21和Q22不能同時(shí)開(kāi)通，否則Q21和Q22將把電容C1和C2直接短路，在系統(tǒng)中形成很大的短路電流。另一個(gè)缺點(diǎn)是電池掛接必須使用另一套變換電路，如圖4所示，如此一來(lái)會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)的體積和重量，而且系統(tǒng)的可靠性也降低了。
在專利號(hào)為US6069412的另一個(gè)美國(guó)專利“帶有改良電池連接的功率因數(shù)較正UPS”(Power Factor Corrected UPS with Improved Connection ofBattery to Neutral)中，公開(kāi)了一種BOOST電路式PFC電路，其電路原理如圖3所示。該P(yáng)FC電路的基本拓?fù)涫荁OOST電路，通過(guò)控制Q31和Q32的開(kāi)通和關(guān)斷來(lái)完成升壓和PFC的功能。
這種電路的電池掛接方法較多，較簡(jiǎn)單的一種如圖5所示，通過(guò)開(kāi)關(guān)S51和二極管D55、D56、D57將電池掛接到PFC電路，用兩個(gè)變換器將電池電壓分別升壓為正母線電壓和負(fù)母線電壓。這種電路的缺點(diǎn)在于電池掛接用到功率二極管比較多，電路比較復(fù)雜。
本發(fā)明的上述技術(shù)問(wèn)題這樣解決，構(gòu)造一種用于不間斷電源的功率因數(shù)校正電路，其特征在于，包括由儲(chǔ)能電感、開(kāi)關(guān)管和整流器件組成的第一變換器和第二變換器，由兩個(gè)電容串聯(lián)所組成的儲(chǔ)能支路，以及控制器；所述第一變換器可將給定正的直流電壓轉(zhuǎn)換成所需正的直流電壓，所述第二變換器可將給定負(fù)的直流電壓轉(zhuǎn)換成所需負(fù)的直流電壓；所述第一、第二變換器各有一個(gè)輸入端及兩個(gè)輸出端，其輸入端接市電交流火線，每一變換器的兩個(gè)輸出端與所述儲(chǔ)能支路的兩端并聯(lián)，三者的并聯(lián)接點(diǎn)分別作為正、負(fù)電壓輸出端；所述兩個(gè)串聯(lián)電容的公共點(diǎn)作為正、負(fù)電壓的公共輸出端，并同時(shí)接市電交流零線；所述控制器通過(guò)控制所述第一、第二變換器中開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，可在所述兩個(gè)電容上得到穩(wěn)定電壓，并使市電交流火線的輸入電壓與輸入電流相位及波形一致。
本發(fā)明的PFC電路中，還包括一個(gè)可防止電池直流向市電交流方向釋放能量的隔離器，所述市電交流火線經(jīng)所述隔離器分成第一支路和第二支路，所述第一支路接所述第一變換器的輸入端，所述第二支路接所述第二變換器的輸入端。
本發(fā)明的PFC電路中，所述第一變換器由電感L1、開(kāi)關(guān)管Q2和二極管D1組成，其中D1的負(fù)極接所述正電壓輸出端，D1的正極經(jīng)開(kāi)關(guān)管Q2接所述負(fù)電壓輸出端，同時(shí)經(jīng)電感L1接所述第一支路；所述第二變換器由電感L2、開(kāi)關(guān)管Q1和二極管D2組成，其中D2的正極接所述負(fù)電壓輸出端，D2的負(fù)極經(jīng)開(kāi)關(guān)管Q1接所述正電壓輸出端，同時(shí)經(jīng)電感L2接所述第二支路；所述控制器根據(jù)信號(hào)采集裝置T1、T2分別采集的所述電感L1、L2的輸入電壓和電流，輸出相應(yīng)控制信號(hào)到所述開(kāi)關(guān)管Q1、Q2的控制極。
本發(fā)明的PFC電路中，可掛接單個(gè)電池B1，所述電池B1的正極經(jīng)開(kāi)關(guān)S1接所述L1的輸入端、負(fù)極接所述零線輸入端；還設(shè)有一個(gè)負(fù)極接所述零線輸入端、正極經(jīng)開(kāi)關(guān)S2接所述L2的輸入端的二極管D5。還可將電池B1與二極管D5反向后互換位置。
本發(fā)明的PFC電路中，還可掛接兩個(gè)電池B1、B2，所述電池的正極經(jīng)開(kāi)關(guān)S1接所述L1的輸入端、負(fù)極接所述零線輸入端；所述電池B2的負(fù)極經(jīng)開(kāi)關(guān)S2接所述L2的輸入端、正極接所述零線輸入端。
本發(fā)明的PFC電路中，所述隔離器采用二極管D3、D4作為隔離器件，包括串聯(lián)在所述市電交流火線與所述電感L1輸入端之間的正向二極管D3，以及串聯(lián)在所市電交流火線與所述電感L2輸入端之間的反向二極管D4。
實(shí)施本發(fā)明提供的用于不間斷電源的功率因數(shù)校正電路，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠比較方便地掛接電池，能實(shí)現(xiàn)AC-DC變換、DC-DC變換和功率因數(shù)校正功能，尤其適用于在線式UPS使用。
圖7是在圖6所示PFC電路上掛接單個(gè)電池時(shí)的原理圖；圖8是圖7所示電路的簡(jiǎn)化示意圖；圖9是在圖6所示PFC電路上掛接兩個(gè)電池時(shí)的原理圖。
本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的PFC電路的原理如圖6所示，該電路的輸入端分別連接在市電的火線和零線上；輸出可以輸出兩個(gè)幅值近似相等的直流電壓，其中的公共端直接連在輸入的零線上。
一般情況下，輸入端的輸入電壓是頻率較低的正弦波交流信號(hào)，如50Hz或60Hz。而開(kāi)關(guān)的工作頻率相對(duì)較高，一般為20kHz。二極管D3和D4將市電整流后得到正負(fù)兩個(gè)脈動(dòng)的直流電壓。
當(dāng)市電處于正半周時(shí)，控制開(kāi)關(guān)管Q2的開(kāi)通和關(guān)斷可以在電容C1上得到穩(wěn)定的電壓，典型的電壓值為380V。具體的工作過(guò)程如下當(dāng)開(kāi)通Q2時(shí)，市電電壓和負(fù)母線電壓疊加后給電感L1充電，電感L1中的電流增加，市電電源和負(fù)母線電容將能量?jī)?chǔ)存在電感L1中；當(dāng)開(kāi)關(guān)Q2關(guān)斷后，電感L1通過(guò)二極管D1續(xù)流。由于電容C1上的電壓高于輸入交流電源的電壓，電感L1中的電流會(huì)減少，電感中的能量向電容C1中轉(zhuǎn)移。在這個(gè)過(guò)程中，市電也繼續(xù)向電容C1中傳遞能量。
當(dāng)市電電壓處于負(fù)半周時(shí)，控制開(kāi)關(guān)管Q1的開(kāi)通和關(guān)斷可以在電容C2上得到穩(wěn)定的電壓，其典型值也是380V，具體的工作過(guò)程如下當(dāng)開(kāi)通Q1時(shí)，市電電壓和正母線電壓疊加后給電感L2充電，電感L2中的電流增加，市電電源和正母線電容將能量?jī)?chǔ)存在電感L2中；當(dāng)開(kāi)關(guān)Q1關(guān)斷后，電感L2通過(guò)二極管D2續(xù)流。由于電容C2上的電壓絕對(duì)值高于輸入交流電源的電壓絕對(duì)值，電感L2中的電流會(huì)減少，電感中的能量向電容C2中轉(zhuǎn)移。在這個(gè)過(guò)程中，市電也繼續(xù)向電容C2中傳遞能量。
可見(jiàn)，市電電壓經(jīng)過(guò)D3和D4整流后得到正負(fù)兩個(gè)脈動(dòng)的直流電壓。正電壓經(jīng)過(guò)L1、D1、Q2升壓后得到穩(wěn)壓的正母線電壓；負(fù)電壓經(jīng)過(guò)L2、D2、Q1升壓后得到穩(wěn)壓的負(fù)母線電壓。兩個(gè)穩(wěn)壓后的母線電壓供給逆變器進(jìn)行DC-AC變換。
將母線電壓+V和-V采集到控制器，用信號(hào)采集裝置將電感L1和L2的電流和電感輸入電壓采集到控制器，對(duì)這幾個(gè)采集量進(jìn)行控制，可以在得到穩(wěn)定的正負(fù)母線電壓的同時(shí)將輸入火線上的電流校正為與輸入電壓的波形和相位一致，從而實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正的功能。
其中二極管D3和D4在PFC電路中并不是必須存在，但這兩個(gè)二極管對(duì)電池掛接有好處。在實(shí)際應(yīng)用中也可以用可控硅代替。
如圖7所示是本發(fā)明的其中一種電池掛接方法，其中電池B7的正極通過(guò)開(kāi)關(guān)S1掛接到火線第一支路的D3與L1之間，負(fù)極連接到零線；火線第二支路的D4與L2之間經(jīng)過(guò)串聯(lián)的開(kāi)關(guān)S2和二極管D5連接到零線。這里的開(kāi)關(guān)S2和二極管D5也可以用一個(gè)可控硅來(lái)代替。當(dāng)市電條件不滿足預(yù)定范圍或者市電消失時(shí)，將市電輸入從變換器輸入斷開(kāi)，將開(kāi)關(guān)S1和S2合上，電池就掛接到電路中，電池可以繼續(xù)供給變換器能量，給負(fù)載供電。其工作過(guò)程如下當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q2導(dǎo)通時(shí)，電池電壓與電容C2上的負(fù)母線電壓疊加，給L1充電，電感L1上電流增加，電感L1中儲(chǔ)存能量；當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q2關(guān)斷后，電感L1通過(guò)二極管D1續(xù)流。由于電容C1上的正母線電容電壓高于電池電壓，電感L1中的電流會(huì)減少，電感中的能量向電容C1中轉(zhuǎn)移。在這個(gè)過(guò)程中，電池也繼續(xù)向電容C1中傳遞能量。電池電壓可以通過(guò)這個(gè)變換器給正母線提供能量。
另外，當(dāng)開(kāi)關(guān)S2合上后，Q1，D2，D5組成了一個(gè)BUCK-BOOST電路。當(dāng)Q1開(kāi)通時(shí)，電容C1通過(guò)Q1給電感L2充電，給電感L2儲(chǔ)存能量，電感L2中的電流上升。當(dāng)Q1關(guān)斷后，電感L2通過(guò)二極管D2，D5續(xù)流，電感中的能量向C2中轉(zhuǎn)移，給C2充電?？刂崎_(kāi)關(guān)管Q1的導(dǎo)通占空比就可以將C2上的電壓穩(wěn)定在預(yù)定范圍內(nèi)。該變換器可以將正母線電壓轉(zhuǎn)換成負(fù)母線電壓。
從圖7中可以看出，二極管D3和D4的作用在于可以阻止電池向另一個(gè)方向釋放能量。其中的電池B1也可以掛接在負(fù)升壓電路的電感輸入側(cè)，同時(shí)正升壓電路與增加的二極管組成BUCK-BOOST電路。
圖8是圖7的簡(jiǎn)化圖，可以較清晰的看到兩個(gè)變換電路方框810內(nèi)為正母線的升壓變換電路；方框820內(nèi)為負(fù)母線的變換電路。
圖9是本發(fā)明的另外一種電池掛接方法，一組電池掛接在正升壓電路的輸入電感側(cè)，將電池電壓升壓為正母線電壓。另一組電池掛接在負(fù)升壓電路的輸入電感側(cè)，將負(fù)電池電壓升壓為負(fù)母線電壓。具體的工作過(guò)程與圖7中類似，此處不再贅述。
權(quán)利要求
1.一種用于不間斷電源的功率因數(shù)校正電路，其特征在于，包括由儲(chǔ)能電感、開(kāi)關(guān)管和整流器件組成的第一變換器和第二變換器，所述第一變換器可將給定正的直流電壓轉(zhuǎn)換成所需正的直流電壓，所述第二變換器可將給定負(fù)的直流電壓轉(zhuǎn)換成所需負(fù)的直流電壓；由兩個(gè)電容串聯(lián)所組成的儲(chǔ)能支路；所述第一、第二變換器各有一個(gè)輸入端及兩個(gè)輸出端，其輸入端接市電交流火線，每一變換器的兩個(gè)輸出端與所述儲(chǔ)能支路的兩端并聯(lián)，三者的并聯(lián)接點(diǎn)分別作為正、負(fù)電壓輸出端；所述兩個(gè)串聯(lián)電容的公共點(diǎn)作為正、負(fù)電壓的公共輸出端，并同時(shí)接市電交流零線；以及控制器，所述控制器控制所述第一、第二變換器中開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，使得火線中的輸入電流與輸入電壓的相位和波形一致。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于不間斷電源的功率因數(shù)校正電路，其特征在于，還包括一個(gè)可防止電池直流向市電交流方向釋放能量的隔離器，所述市電交流火線經(jīng)所述隔離器分成第一支路和第二支路，所述第一支路接所述第一變換器的輸入端，所述第二支路接所述第二變換器的輸入端。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于不間斷電源的功率因數(shù)校正電路，其特征在于，所述第一變換器由電感L1、開(kāi)關(guān)管Q2和二極管D1組成，其中D1的負(fù)極接所述正電壓輸出端，D1的正極經(jīng)開(kāi)關(guān)管Q2接所述負(fù)電壓輸出端，同時(shí)經(jīng)電感L1接所述第一支路；所述第二變換器由電感L2、開(kāi)關(guān)管Q1和二極管D2組成，其中D2的正極接所述負(fù)電壓輸出端，D2的負(fù)極經(jīng)開(kāi)關(guān)管Q1接所述正電壓輸出端，同時(shí)經(jīng)電感L2接所述第二支路。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于不間斷電源的功率因數(shù)校正電路，其特征在于，所述控制器根據(jù)信號(hào)采集裝置T1、T2分別采集的所述電感L1、L2的輸入電壓和電流，輸出相應(yīng)控制信號(hào)到所述開(kāi)關(guān)管Q1、Q2的控制極。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于不間斷電源的功率因數(shù)校正電路，其特征在于，所述電池為單個(gè)電池B1，電池的正極經(jīng)開(kāi)關(guān)S1接所述L1的輸入端、負(fù)極接所述零線輸入端；還設(shè)有一個(gè)負(fù)極接所述零線輸入端、正極經(jīng)開(kāi)關(guān)S2接所述L2的輸入端的二極管D5。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于不間斷電源的功率因數(shù)校正電路，其特征在于，所述電池為單個(gè)電池B2，所述電池B2的負(fù)極經(jīng)開(kāi)關(guān)S2接所述L2的輸入端、正極接所述零線輸入端；還設(shè)有一個(gè)正極接所述零線輸入端、負(fù)極經(jīng)開(kāi)關(guān)S1接所述L1的輸入端的二極管。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于不間斷電源的功率因數(shù)校正電路，其特征在于，所述電池為兩個(gè)電池B1、B2，所述電池B1的正極經(jīng)開(kāi)關(guān)S1接所述L1的輸入端、負(fù)極接所述零線輸入端；所述電池B2的負(fù)極經(jīng)開(kāi)關(guān)S2接所述L2的輸入端、正極接所述零線輸入端。
8.根據(jù)權(quán)利要求2-7中任一項(xiàng)所述的用于不間斷電源的功率因數(shù)校正電路，其特征在于，所述隔離器中采用二極管D3、D4作為隔離器件，包括串聯(lián)在所述市電交流火線與所述電感L1輸入端之間的正向二極管D3，以及串聯(lián)在所市電交流火線與所述電感L2輸入端之間的反向二極管D4。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于UPS電源的PFC電路,包括第一變換器、第二變換器、兩個(gè)電容串聯(lián)所組成的儲(chǔ)能支路、以及控制器,其特征在于,所述第一、第二變換器各有一個(gè)輸入端及兩個(gè)輸出端,其輸入端接市電交流火線,每一變換器的兩個(gè)輸出端與所述儲(chǔ)能支路的兩端并聯(lián),三者的并聯(lián)接點(diǎn)分別作為正、負(fù)電壓輸出端;所述兩個(gè)串聯(lián)電容的公共點(diǎn)作為正、負(fù)電壓的公共輸出端,并同時(shí)接市電交流零線。所述控制器通過(guò)控制所述第一、第二變換器中開(kāi)關(guān)管,使第一、第二變換器分別輸出正、負(fù)的直流電壓,并使市電輸入電壓與電流的相位及波形一致。本發(fā)明的PFC電路可方便地掛接單個(gè)電池、也可以掛接兩個(gè)電池。
文檔編號(hào)H02M1/00GK1363977SQ0211483
公開(kāi)日2002年8月14日 申請(qǐng)日期2002年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月1日
發(fā)明者楊勇, 黃傳東, 李建飛 申請(qǐng)人:深圳安圣電氣有限公司