專利名稱：不間斷電源供應裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種不間斷電源供應裝置(uninterruptible power supply，UPS)，尤其涉及一種具有低成本與低功耗的不間斷電源供應裝置。
背景技術：
對于各式各樣的電子裝置而言，一個潔凈且不間斷的電源供應是維持其正常運作的基本條件。為了避免因為市電電源所供應的交流電源發(fā)生中斷或異常而導致電子裝置的錯誤操作，開發(fā)出了不間斷電源供應裝置(UPS)，以便在電子裝置的輸入交流電源無法正常供電時，提供備用電源來維持電子裝置的運作。
圖1顯示公知的在線型不間斷電源供應裝置的電路示意圖，其中輸入交流電壓Vin由公用電源或商用電源所提供。如圖1所示，傳統(tǒng)的在線型不間斷電源供應裝置100由電路斷路器(circuit breaker)110、升壓整流器電路(boost rectifier circuit)120、電瓶(battery)130以及逆變器電路(invertercircuit)140所組成，其中升壓整流器電路120、電瓶130以及逆變器電路140經(jīng)由總線10a、10b連接。電路斷路器110耦合于電壓輸入端101以及升壓整流器電路120之間，用以接收輸入交流電壓Vin。升壓整流器電路120耦接至電路斷路器110以及逆變器電路140的輸入端之間，用以將輸入交流電壓Vin進行整流并且產生升壓的直流電壓于總線10a、10b上。升壓整流器電路120包含整流器121，其由橋式連接的整流二極管所組成，用以對輸入交流電壓Vin進行半波整流或全波整流成具有預定電壓值的整流直流電壓。升壓整流器電路120還包含正升壓轉換器(positive boost converter)122，其由電流監(jiān)測器CTA1、升壓電感L11、晶體管開關Q11以及二極管D11所組成；負升壓轉換器(negative boost converter)123，其由電流監(jiān)測器CTA2、升壓電感L12、晶體管開關Q12以及二極管D12所組成；輸出電容C11與C12；以及電流限制電路124。正升壓轉換器122耦接至整流器121的正電壓輸出端，其中升壓電感L11在輸入交流電壓波形的正半周接收整流器121所輸出的電流，而根據(jù)晶體管開關Q11的開關操作經(jīng)由二極管D11放電至輸出電容C11，借此在輸出電容C11上產生正直流電壓。負升壓轉換器123耦接至整流器121的負電壓輸出端，其中升壓電感L12在輸入交流電壓波形的負半周接收整流器121所輸出的電流，而根據(jù)晶體管開關Q12的開關操作經(jīng)由二極管D12放電至輸出電容C12，借此在輸出電容C12上產生負直流電壓。電流限制電路124由互相并聯(lián)的第一可控硅整流器(SCR)151以及第二可控硅整流器152所組成，其受微控制器(未顯示)所操作而允許在輸入交流電壓Vin中斷或異常時，由電瓶提供電流至升壓電感L11與L12，從而使得電瓶能夠分別提供正直流電壓與負直流電壓至正升壓轉換器122與負升壓轉換器123的輸入端，并通過微控制器的操控來產生穩(wěn)定的輸出電壓于輸出電容C11與C12上。在總線10a與第一可控硅整流器151之間串聯(lián)了一個電阻R11，其可保護電瓶130以避免龐大的浪涌電流(inrush current)對電瓶造成負面的電化效應而縮短電瓶的壽命。
使用電瓶130的目的是在輸入交流電壓Vin中斷或異常時提供備用電源來維持電源供應至負載(未顯示)。在輸入交流電壓Vin正常工作時，電瓶充電器(未顯示)利用總線10a、10b所提供的總線電壓來對電瓶130充電，而在輸入交流電壓Vin中斷或異常時，由電瓶130輸出備用電源。電流監(jiān)測器CTA1與CTA2分別設置于總線10a、10b上且分別與升壓電感L11與升壓電感L12相耦接，由半導體所組成的霍爾效應電流傳感器(Hall effectcurrent sensor)來實現(xiàn)，用來測量總線10a、10b上的輸出電流，提供給為微控制器作為電流分享平衡以及過電流保護啟動的依據(jù)。逆變器電路140耦接至升壓整流器電路120的輸出端且包含開關組(Qa1、Qb1、Qc1、Qd1)、第一輸出濾波器(La1、Ca1)以及第二輸出濾波器(Lb1、Cb1)，其根據(jù)開關組(Qa1、Qb1、Qc1、Qd1)的開關操作將升壓整流器電路120的正輸出電壓與負輸出電壓轉換成交流電壓，并經(jīng)由第一輸出濾波器(La1、Ca1)以及第二輸出濾波器(Lb1、Cb1)調整成穩(wěn)定的多相交流電壓(poly-phase ACvoltage)，以便經(jīng)由輸出端160提供予一負載(未圖標)。
圖2顯示圖1的不間斷電源供應裝置的脈沖示意圖。圖1的不間斷電源供應裝置的操作程序將參照圖2詳細說明如下當輸入交流電壓Vin正常工作時，也就是說不間斷電源供應裝置100在交流模式(AC mode)下工作時，輸入交流電壓Vin由整流器121整流以提供正電壓至正升壓轉換器122的輸入端以及提供負電壓至負升壓轉換器123的輸入端。通過微控制器以40kHz的切換控制信號來驅動晶體管開關Q11與Q12，正升壓轉換器122產生正直流電壓于輸出電容C11上而負升壓轉換器123產生負直流電壓于輸出電容C12上。當輸入交流電壓Vin中斷或異常時，也就是說不間斷電源供應裝置100在備用模式(backup mode)下工作時，第一可控硅整流器151會受到微控制器的控制而先導通，以便由電瓶130分別輸出正直流電壓與負直流電壓至正升壓轉換器122的輸入端與負升壓轉換器123的輸入端。電瓶130所輸出的正直流電壓與負直流電壓分別由升壓電感L11與L12而升壓，借此根據(jù)晶體管開關Q11與Q12的開關切換而產生輸出電壓于輸出電容C11與C12上。由于第一可控硅整流器151與電阻R11相串聯(lián)，電阻R11便可抑制浪涌電流的沖擊，使得升壓整流器電路120能夠達到平順的軟啟動(soft start)。當總線10a、10b上的電壓達到預定值時，第二可控硅整流器152也會導通，而由逆變器電路140將升壓整流器電路120的輸出電壓轉換成穩(wěn)定的交流電壓提供給負載。
然而，上述的不間斷電源供應裝置100存在許多缺點。例如，當不間斷電源供應裝置100在備用模式下工作時，電瓶所輸出的直流電壓會流經(jīng)升壓電感L11與L 12。由于升壓電感L11與L22為磁性元件的原因，會造成相當大的功率損耗(power loss)，進而降低升壓整流器電路120的轉換效率(conversion efficiency)。再者，由于在每個總線上需要安裝一個由半導體元件所組成的電流監(jiān)測器來分別測量總線10a、10b的輸出電流大小，其會造成制造成本增加的問題。
因此需要開發(fā)一種具有低成本與低功耗的不間斷電源供應裝置。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種以較低成本來制造并且能夠達到低功耗的不間斷電源供應裝置。
根據(jù)本發(fā)明的最佳實施形式，其提出一種不間斷電源供應裝置，其特征在于具有輸入電路，耦接于電壓輸入端與整流器電路之間，該輸入電路具有升壓電感，其由來自電壓輸入端的交流電流來充電以提供升壓的輸入交流電壓給整流器電路，而由整流器電路將升壓的交流電壓轉換成過渡直流電壓(intermediate DC voltage)，進而通過逆變器電路將過渡直流電壓轉換成多相的輸出交流電壓給負載。
根據(jù)上述構想，該輸入電路還包含電路斷路器，耦接至該電壓輸入端，用以接收輸入交流電壓，以及電流互感器，串聯(lián)于該電路斷路器以及該升壓電感之間，用以測量來自電壓輸入端的交流電流。
根據(jù)上述構想，該不間斷電源供應裝置還包含電瓶，以及總線，其中該總線耦接至該整流器電路、該電瓶以及該逆變器電路。
根據(jù)上述構想，該整流器電路還包含整流器，用以將該升壓的交流電壓進行整流成具有預定電壓值的整流直流電壓，轉換器，耦接至整流器的輸出端以及該總線，用以從該總線接收該具有預定電壓值的整流直流電壓或該電瓶所提供的直流電壓，并轉換成過渡直流電壓，以及輸出電容，用以提供該過渡直流電壓。其中該整流器由橋式連接的整流二極管、半波整流器或全波整流器所組成，而該轉換器包含晶體管開關以及二極管。
根據(jù)上述構想，該整流器電路還包含電流限制電路，串聯(lián)于該總線與該電瓶之間，以及電瓶監(jiān)測器，其以霍爾效應電流傳感器來實現(xiàn)且串聯(lián)于該電流限制電路以及該電瓶之間，用以檢測該電瓶的輸出電流的電流變化。
根據(jù)上述構想，該整流器電路還包含限流線圈，串聯(lián)于該電瓶監(jiān)測器與電流限制電路之間，用以限制電瓶的輸出電流的變化率。
本發(fā)明還提供一種不間斷電源供應裝置，其包括輸入電路，耦接至電壓輸入端，用以接收輸入交流電壓，其包含升壓電感，其設定從該電壓輸入端接收交流電流來進行充電，以提供升壓的交流電壓，以及電流互感器，串聯(lián)于該電壓輸入端以及該升壓電感之間，用以測量來自電壓輸入端的交流電流；總線；電瓶，耦接至該總線；整流器電路，耦接至該輸入電路的輸出端以及該總線，用以將該升壓的交流電壓或該電瓶所提供的直流電壓轉換成過渡直流電壓；以及逆變器電路，耦接至該整流器的輸出端以及該總線，用以將該過渡直流電壓轉換成輸出交流電壓。
因此，本發(fā)明的不間斷電源供應裝置具有低成本與低功耗的特征。本發(fā)明的優(yōu)點與特征，通過下面實施例參照附圖標記詳細說明，從而得到更深入的了解。


圖1顯示公知的在線型不間斷電源供應裝置的電路示意圖；圖2顯示圖1的不間斷電源供應裝置的脈沖示意圖；圖3顯示本發(fā)明的第實施例的在線型不間斷電源供應裝置的電路示意圖；以及圖4顯示圖3的不間斷電源供應裝置的脈沖示意圖。
其中，附圖標記說明如下100、300不間斷電源供應裝置110、312電路斷路器101、301電壓輸入端160、360電壓輸出端10a、10b、30a、30b總線322、323轉換器130、330電瓶120升壓整流器電路320整流器電路140、340逆變器124、325電流限制電路151、351第一可控硅整流器152、352第二可控硅整流器122、123升壓轉換器121、321整流器L11、L12、L31、L32升壓電感310輸入電路314、316電流互感器324電瓶監(jiān)測器326限流線圈
具體實施例方式
體現(xiàn)本發(fā)明的特征與優(yōu)點的較佳實施例將在后面的說明中詳細敘述。應理解的是本發(fā)明能夠在不同的形式上具有各種的變化，其皆不脫離本發(fā)明的范圍，且其中的說明及附圖標記在本質上當作說明之用，而非用以限制本發(fā)明。
本發(fā)明的第一實施例顯示于圖3。圖3所示為在線型不間斷電源供應裝置300，其包含輸入電路310、整流器電路320、電瓶330以及逆變器電路340，其中整流器電路320、電瓶330以及逆變器電路340經(jīng)由總線30a、30b連接。輸入電路310耦接于電壓輸入端301以及整流器電路320之間，用以接收輸入交流電壓Vin并且將輸入交流變壓Vin轉換成升壓的交流電壓。輸入電路310包含電路斷路器312，用以接收輸入交流電壓Vin，以及升壓電感L31、L32，耦接至該電路斷路器312，其中升壓電感L31在輸入交流電壓波形的正半周接收來自電壓輸入端301的交流電流以進行充電，并且在輸入交流電壓波形的負半周放電至整流器電路320。升壓電感L32在輸入交流電壓波形的負半周接收來自電壓輸入端301的交流電流以進行充電，并且在輸入交流電壓波形的正半周放電至整流器電路320，借以提升輸入交流電壓Vin的電壓值。輸入電路310還包含電流互感器(current transformer)314與316，其分別耦接于電路斷路器312與升壓電感L31、L32之間，其由磁性元件所組成以測量來自電壓輸入端301的交流電流。
整流器電路320耦接于輸入電路310與逆變器電路340的輸入端之間，用以將輸入電路310所提供的升壓的交流電壓進行整流并且產生直流電壓于總線30a、30b上。整流器電路320包含整流器321，其由橋式連接的整流二極管所組成，用以對升壓的輸入交流電壓Vin進行半波整流或全波整流成具有預定電壓值的整流直流電壓。整流器電路320還包含正轉換器(positiveconverter)322，其由晶體管開關Q31以及二極管D31所組成；負轉換器(negative converter)323，其由晶體管開關Q32以及二極管D32所組成；輸出電容C31與C32；電瓶監(jiān)測器(battery monitor)324；以及電流限制電路325。正轉換器322耦接至整流器321的正電壓輸出端，其在輸入交流電壓波形的正半周接收整流器321所輸出的電流，根據(jù)晶體管開關Q31的開關操作經(jīng)由二極管D31向輸出電容C31充電，借此在輸出電容C31上產生正直流電壓。負轉換器323耦接至整流器321的負電壓輸出端，其在輸入交流電壓波形的負半周接收整流器321所輸出的電流，根據(jù)晶體管開關Q32的開關操作經(jīng)由二極管D32向輸出電容C32充電，借此在輸出電容C32上產生負直流電壓。電流限制電路325由互相并聯(lián)的第一可控硅整流器351以及第二可控硅整流器352所組成，其受微控制器(未顯示)所操作而允許在輸入交流電壓Vin中斷或異常時，由電瓶330提供電流，從而使得電瓶能夠分別提供正直流電壓與負直流電壓至正轉換器322與負轉換器323的輸入端，并通過微控制器的操控來產生穩(wěn)定的輸出電壓于輸出電容C31與C32上。在總線30a與第一可控硅整流器351之間串聯(lián)了一個電阻R31，其可保護電瓶330以避免龐大的浪涌電流對電瓶330造成負面的電化效應而縮短電瓶330的壽命。
使用電瓶330的目的為在輸入交流電壓Vin中斷或異常時提供備用電源來維持電源供應至負載(未顯示)。在輸入交流電壓Vin正常工作時，電瓶充電器(未顯示)利用總線30a、30b所提供的總線電壓來對電瓶330充電，而在輸入交流電壓Vin中斷或異常時，由電瓶330輸出備用電源。電瓶監(jiān)測器324串聯(lián)于電流限制電路325與電瓶330之間，其為由半導體所組成的霍爾效應電流傳感器來實現(xiàn)，用以檢測電瓶330的輸出電流變化，并且保護電瓶330的電流輸出路徑上的半導體元件避免遭受電瓶330的峰值電流(peakcurrent)所造成的損害。整流器電路320還包含限流線圈(choke coil)326，其串聯(lián)于電瓶監(jiān)測器324與電流限制電路325之間，用以限制電瓶330的輸出電流的變化率。
逆變器電路340耦接至整流器電路320的輸出端且包含開關組(Qa2、Qb2、Qc2、Qd2)、第一輸出濾波器(La2、Ca2)以及第二輸出濾波器(Lb2、Cb2)，其根據(jù)開關組(Qa2、Qb2、Qc2、Qd2)的開關操作將整流器電路320的正輸出電壓與負輸出電壓轉換成交流電壓，并經(jīng)由第一輸出濾波器(La2、Ca2)以及第二輸出濾波器(Lb2、Cb2)調整成穩(wěn)定的多相交流電壓，以便經(jīng)由輸出端360提供給負載(未圖標)。
圖4顯示圖3的不間斷電源供應裝置的脈沖示意圖。圖3的不間斷電源供應裝置的操作程序將參照圖4詳細說明如下當輸入交流電壓Vin正常工作時，也就是說不間斷電源供應裝置300在交流模式下工作時，輸入交流電壓Vin由整流器321整流以提供正電壓至正轉換器322的輸入端以及提供負電壓至負升壓轉換器323的輸入端。通過微控制器以40kHz的切換控制信號來驅動晶體管開關Q31與Q32，正轉換器322產生正直流電壓于輸出電容C31上而負升壓轉換器323產生負直流電壓于輸出電容C32上。當輸入交流電壓Vin中斷或異常時，微控制器會將不間斷電源供應裝置300的操作模式切換成備用模式，由電瓶330來供應電源。在交流模式轉換到備用模式的瞬間，微控制器會發(fā)出4KHz的切換控制信號來驅動晶體管開關Q31與Q32交互導通。接著第一可控硅整流器351會受到微控制器的控制而先導通，以便由電瓶330分別輸出正直流電壓與負直流電壓至正升壓轉換器322的輸入端與負升壓轉換器323的輸入端。電瓶330所輸出的正直流電壓與負輸出電壓根據(jù)晶體管開關Q31與Q32的開關切換而產生輸出電壓于輸出電容C31與C32上。由于第一可控硅整流器351與電阻R11相串聯(lián)，電阻R11便可抑制浪涌電流的沖擊，使得整流器電路320能夠達到平順的軟啟動(softstart)。當總線30a、30b上的電壓達到預定值時，第二可控硅整流器352也會導通并且微控制器會將晶體管開關Q31與Q32的切換頻率下降至1KHz，而由逆變器電路340將整流器電路320的輸出電壓轉換成穩(wěn)定的交流電壓提供給負載。
與圖1的公知不間斷電源供應裝置的電路結構互相比較，圖3的不間斷電源供應裝置是將圖1的升壓電感L11、L12移動到電路斷路器與整流器電路之間。因此，當圖3的不間斷電源供應裝置在備用模式下操作時，電瓶330的輸出電流不會流經(jīng)升壓電感而造成過多的功率損耗，并且從而可提高整流器電路的轉換效率。此外，限流線圈326只是單純作為限制電瓶330的輸出電流的變化率之用，其本身不具備升壓的功能，因此可在備用模式下大幅減少磁性元件的功率損耗，提升整流器電路320的轉換效率。此外，由于整流器電路320不需要進行升壓操作，而是直接將電瓶330所提供的能量直接傳送至總線30a、30b。因此限流線圈326不需要進行能量儲存的動作，進而可以將整流器電路320的磁性元件體積縮小。再者，在交流模式轉換到備用模式的瞬間，微控制器會先提升晶體管開關Q31與Q32的切換頻率并啟動電流限制電路325，因此可避免磁性元件326飽和以及過電流的情形發(fā)生。在總線30a、30b上的電壓達到預定值時，微控制器再將晶體管開關Q31與Q32的切換頻率下降使得電瓶330能夠輸出更多的能量至30a、30b，從而以減少晶體管開關Q31與Q32的切換損耗(switching loss)。
本發(fā)明由本領域技術人員任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫離所附權利要求所欲保護的范圍。
權利要求
1.一種不間斷電源供應裝置，其包括輸入電路，耦接至電壓輸入端，用以接收輸入交流電壓，其包含升壓電感，其設定從該電壓輸入端接收交流電流來進行充電，以提供升壓的交流電壓；電瓶；整流器電路，耦接至該輸入電路的輸出端，用以將該升壓的交流電壓或該電瓶所提供的直流電壓轉換成過渡直流電壓；以及逆變器電路，耦接至該整流器的輸出端，用以將該過渡直流電壓轉換成輸出交流電壓。
2.根據(jù)權利要求1所述的不間斷電源供應裝置，其中該輸入電路還包含電路斷路器，耦接至該電壓輸入端，用以接收該輸入交流電壓；以及電流互感器，串聯(lián)于該電路斷路器以及該升壓電感之間，用以測量來自電壓輸入端的交流電流。
3.根據(jù)權利要求1所述的不間斷電源供應裝置，還包含總線，耦接至該整流器電路、該電瓶以及該逆變器電路。
4.根據(jù)權利要求3所述的不間斷電源供應裝置，其中該整流器電路還包含整流器，用以將該升壓的交流電壓進行整流成具有預定電壓值的整流直流電壓；轉換器，耦接至整流器的輸出端以及該總線，用以從該總線接收該具有預定電壓值的整流直流電壓或該電瓶所提供的直流電壓，并轉換成過渡直流電壓；以及輸出電容，用以提供該過渡直流電壓。
5.根據(jù)權利要求4所述的不間斷電源供應裝置，其中該整流器由橋式連接的整流二極管、半波整流器或全波整流器所組成，而該轉換器包含晶體管開關以及二極管。
6.根據(jù)權利要求4所述的不間斷電源供應裝置，其中該整流器電路還包括電流限制電路，串聯(lián)于該總線與該電瓶之間；以及電瓶監(jiān)測器，串聯(lián)于該電流限制電路以及該電瓶之間，用以檢測該電瓶的輸出電流的電流變化。
7.根據(jù)權利要求6所述的不間斷電源供應裝置，其中該整流器電路還包含限流線圈，串聯(lián)于該電瓶監(jiān)測器與該電流限制電路之間，用以限制該電瓶的輸出電流的變化率。
8.根據(jù)權利要求7所述的不間斷電源供應裝置，其中該電瓶監(jiān)測器由霍爾效應電流傳感器來實現(xiàn)。
9.一種不間斷電源供應裝置，其包括輸入電路，耦接至電壓輸入端，用以接收輸入交流電壓，其包含升壓電感，其設定從該電壓輸入端接收交流電流來進行充電，以提供升壓的交流電壓，以及電流互感器，串聯(lián)于該電壓輸入端以及該升壓電感之間，用以測量來自電壓輸入端的交流電流；總線；電瓶，耦接至該總線；整流器電路，耦接至該輸入電路的輸出端以及該總線，用以將該升壓的交流電壓或該電瓶所提供的直流電壓轉換成過渡直流電壓；以及逆變器電路，耦接至該整流器的輸出端以及該總線，用以將該過渡直流電壓轉換成輸出交流電壓。
10.根據(jù)權利要求9所述的不間斷電源供應裝置，其中該輸入電路還包含電路斷路器，串聯(lián)于該電壓輸入端以及該電流互感器之間，用以接收該輸入交流電壓。
11.根據(jù)權利要求10所述的不間斷電源供應裝置，其中該整流器電路還包含整流器，用以將該升壓的輸入交流電壓進行整流成具有預定電壓值的整流直流電壓；轉換器，耦接至整流器的輸出端以及該總線，用以從該總線接收該具有預定電壓值的整流直流電壓或該電瓶所提供的直流電壓，并轉換成過渡直流電壓；以及輸出電容，用以提供該過渡直流電壓。
12.根據(jù)權利要求11所述的不間斷電源供應裝置，其中該整流器由橋式連接的整流二極管所組成或為半波整流器或全波整流器，而該轉換器包含晶體管開關以及二極管。
13.根據(jù)權利要求11所述的不間斷電源供應裝置，其中該整流器電路還包含電流限制電路，串聯(lián)于該總線與該電瓶之間；以及電瓶監(jiān)測器，串聯(lián)于該電流限制電路以及該電瓶之間，用以檢測該電瓶的輸出電流的電流變化。
14.根據(jù)權利要求13所述的不間斷電源供應裝置，其中該整流器電路還包含限流線圈，串聯(lián)于該電瓶監(jiān)測器與電流限制電路之間，用以限制電瓶的輸出電流的變化率。
15.根據(jù)權利要求14所述的不間斷電源供應裝置，其中該電瓶監(jiān)測器由霍爾效應電流傳感器來實現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有低成本與低功耗的不間斷電源供應裝置，其具有輸入電路，耦接于電壓輸入端與整流器電路之間，該輸入電路具有升壓電感，其由來自電壓輸入端的交流電流來充電以提供升壓的交流電壓給整流器電路，而由整流器電路將升壓的輸入交流電壓轉換成過渡直流電壓，進而通過逆變器電路將過渡直流電壓轉換成多相的輸出交流電壓給負載。
文檔編號H02J7/02GK101060252SQ200610075579
公開日2007年10月24日 申請日期2006年4月20日 優(yōu)先權日2006年4月20日
發(fā)明者賴淵芳, 張瑛淞 申請人:臺達電子工業(yè)股份有限公司