專利名稱：不斷電電源供應(yīng)器的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)一種不斷電電源供應(yīng)器的控制方法，特別是關(guān)于使用具有三個(gè)橋臂的單相交流-交流轉(zhuǎn)換器的在線互動(dòng)式(Line-Interactive)不斷電電源供應(yīng)器。
技術(shù)背景請參閱圖l，其為現(xiàn)有的在線互動(dòng)式不斷電電源供應(yīng)器的電路圖。在圖1中， 在線互動(dòng)式不斷電電源供應(yīng)器1主要包含一交流輸入電壓AC、由二極管Dl和D2 構(gòu)成的一開關(guān)組、 一單相交流-交流轉(zhuǎn)換器11、由濾波電感Lo及濾波電容Co構(gòu) 成的一交流濾波器12、以及一負(fù)載R所構(gòu)成。在單相交流-交流轉(zhuǎn)換器11中，包含有交流電感Li、母線電容Cs以及三個(gè) 橋臂，其中由開關(guān)Sl和S2所組成的橋臂稱為升壓(boos1:)橋臂，由開關(guān)S3和S4 所組成的橋臂稱為公共(com)橋臂，而由開關(guān)S5和S6所組成的橋臂稱為降壓(buck) 橋臂。作為圖1所示的在線互動(dòng)式不斷電電源供應(yīng)器1，在交流輸入電壓AC(市電) 正常的情況下，由交流輸入電壓AC直接提供負(fù)載R能量，此時(shí)，該升壓橋臂和該 公共橋臂實(shí)現(xiàn)整流功能。而當(dāng)交流輸入電壓AC出現(xiàn)異常時(shí)，則由一儲(chǔ)存電池(未 示出)提供負(fù)載R能量，此時(shí)，該公共橋臂和該降壓橋臂則實(shí)現(xiàn)逆變功能。事實(shí)上，該公共橋臂的開關(guān)S3及S4是以電網(wǎng)頻率進(jìn)行控制，也即其開關(guān)頻 率為低頻切換，所以只能用該升壓橋臂作為整流裝置，而僅用該降壓橋臂作為逆 變裝置。在現(xiàn)有技術(shù)中，為了實(shí)現(xiàn)對交流輸入電壓AC的調(diào)節(jié)，可以采用許多種控制 方法，該控制方法的區(qū)別在于它們會(huì)產(chǎn)生不同波形的母線電壓，以下就二種常用 的控制方法的母線電壓波形進(jìn)行說明。請參閱圖2，其為圖1的不斷電電源供應(yīng)器在不同控制方法下、母線電壓的 波形圖，其中，圖2(a)及圖2(b)分別顯示了不同母線電壓的波形；圖2(a)中所 顯示的母線電壓具有直流電壓波形，而圖2(b)中的母線電壓則具有全波整流電壓 波形。當(dāng)然，不同的控制模式下所產(chǎn)生的不同母線電壓各具有優(yōu)缺點(diǎn)。為了得到如圖2(a)所示的直流母線電壓，該降壓橋臂和該升壓橋臂必須同時(shí) 工作在高頻脈波寬度調(diào)變(PWM)模式，而該公共橋臂則須工作在低頻切換狀態(tài)。當(dāng) 交流輸入電壓AC為正半波時(shí)，開關(guān)S4關(guān)閉，而當(dāng)交流輸入電壓AC為負(fù)半波時(shí)， 開關(guān)S3關(guān)閉。單相交流-交流轉(zhuǎn)換器ll的降壓橋臂的占空比(Duty Cycle)采用輸 入電流跟隨輸入電壓的方法，而得到一單位輸入功率因數(shù)，因此，可以通過控制 輸入?yún)⒖茧娏鞯姆祦砜刂浦绷麟妷?。這種控制方法的主要優(yōu)點(diǎn)在于輸入電流可以被控制為正弦波形且得到一單位 輸入功率因數(shù)，對輸出電壓可以進(jìn)行精確度高的調(diào)節(jié)，且輸入的空載電流會(huì)降低。 相反地，其主要缺點(diǎn)則是開關(guān)損耗較大，效率也不佳(特別是在滿載時(shí))。為了得到如圖2(b)所示的全波整流母線電壓，在該交流輸入電壓AC不正常 的情況下，當(dāng)轉(zhuǎn)換器ll工作在升壓狀態(tài)時(shí)，只有該升壓橋臂的開關(guān)S1和S2工作 在高頻脈波寬度調(diào)變模式；而當(dāng)轉(zhuǎn)換器ll工作在降壓狀態(tài)時(shí)，只有該降壓橋臂的 開關(guān)S5和S6工作在高頻脈波寬度調(diào)變模式。除此之外，母線電容Cs的容值相當(dāng) 小，因此能夠得到如圖2(b)那樣全波整流電壓波形的母線電壓。這種控制方法的主要優(yōu)點(diǎn)在于運(yùn)用高頻的薄膜電容作為母線電容Cs，因此能 夠減小體積、提升電路的可靠性和延長電路的使用壽命。此外，開關(guān)的損耗較小， 同時(shí)也簡化了控制單元的設(shè)計(jì)。相反地，其主要缺點(diǎn)則是動(dòng)態(tài)特性差、輸入的無功電流較大、母線電容Cs 上的漣波電流大。由于在輕載和空載時(shí)流向負(fù)載R的電流很小，因此為了維持母 線電容Cs上的全波整流電壓波形，必須對母線電容Cs進(jìn)行無效的充放電，然而 這卻會(huì)造成轉(zhuǎn)換器11在輕載或空載的時(shí)產(chǎn)生很大的損耗。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的主要目的為提出一種不斷電電源供應(yīng)器的控制方法，應(yīng)用于該 不斷電電源供應(yīng)器中具有三個(gè)橋臂的單相交流-交流轉(zhuǎn)換器。前面已經(jīng)提出的 二種現(xiàn)有的控制模式分別為(l)母線上的電壓波形為直流電壓的控制模式、(2)
母線上的電壓波形為全波整流的波形的控制模式，本發(fā)明所提出的控制方法 意欲保留該二種現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)并克服它們的缺點(diǎn)，以達(dá)到更好的效果。本發(fā)明的主要構(gòu)想為提出一種不斷電電源供應(yīng)器的控制方法，應(yīng)用于該 不斷電電源供應(yīng)器中具有三個(gè)橋臂的單相交流-交流轉(zhuǎn)換器。根據(jù)對轉(zhuǎn)換器的 運(yùn)作狀態(tài)的分析，以分段控制母線電容上的電壓波形，使得系統(tǒng)(不斷電電源 供應(yīng)器)能夠在保持高效率運(yùn)作的前提下，減小由母線電容所產(chǎn)生的無功電流 以及母線電容上的高頻漣波電流，同時(shí)使得系統(tǒng)不論在輕載或重載的狀態(tài)下， 皆能得到全輸入范圍的高效率。根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)想，提出一種不斷電電源供應(yīng)器的控制方法，該不斷電 電源供應(yīng)器至少包括一交流輸入電壓、 一直流輸入電壓及一單相交流-交流轉(zhuǎn) 換器，該單相交流-交流轉(zhuǎn)換器是由一交流電感、 一母線電容、 一升壓橋臂、一公共橋臂、及一降壓橋臂所構(gòu)成，該控制方法包括步驟如下(a)控制母線電 壓使其具有一直流成份以及一全波整流成份；及(b)設(shè)定一母線電壓參數(shù)K，其 中0^KS1，使得當(dāng)K趨近于0時(shí)、母線電壓趨近于一直流電壓，且當(dāng)K趨 近于1時(shí)、母線電壓趨近于一全波整流電壓；其中，當(dāng)該交流輸入電壓正常時(shí)， 利用該母線電壓經(jīng)由該單相交流-交流轉(zhuǎn)換器的整流而輸出，且當(dāng)該交流輸入 電壓異常時(shí)，利用該直流輸入電壓經(jīng)由該單相交流-交流轉(zhuǎn)換器的逆變而輸出。 較佳者，該不斷電電源供應(yīng)器還包括一開關(guān)組、 一交流濾波器、及一負(fù)載。較佳者，步驟(b)是于該負(fù)載為輕載時(shí)、增大該母線電壓參數(shù)K使其趨近 于l，且于該負(fù)載為重載時(shí)、減小該母線電壓參數(shù)K使其趨近于O。較佳者，控制方法還包括一步驟設(shè)定該降壓橋臂的占空比d3相對于該 升壓橋臂的占空比dl的倍數(shù)是等于該單相交流-交流轉(zhuǎn)換器的電壓增益M。較佳者，控制方法還包括一步驟定義母線電壓的波形函數(shù)為F，則F滿足當(dāng) I sin(wt) I 〈 K ，貝!j F= I sin(wt) |;且 當(dāng)I sin(wt) I ^ K ，貝IJF-K; 其中w為角速率，t為經(jīng)過時(shí)間。 較佳者，其中該升壓橋臂的占空比dl、該單相交流-交流轉(zhuǎn)換器的電壓增 益M、該母線電壓參數(shù)K、以及母線電壓的波形函數(shù)F滿足dl=(2-M)KF。較佳者，控制方法還包括一步驟當(dāng)sin(wt)〉 1/K時(shí)，僅控制該升壓橋臂 及該降壓橋臂其中的一工作于高頻脈波寬度調(diào)變(PWM)模式，而當(dāng)sin(wt)〈l/K 時(shí)，需控制該升壓橋臂及該降壓橋臂皆工作于高頻脈波寬度調(diào)變(PWM)模式。本發(fā)明得通過下列圖式及詳細(xì)說明，俾得更深入的了解


圖1是現(xiàn)有的在線互動(dòng)式不斷電電源供應(yīng)器的電路圖；圖2(a) 、 (b)是圖1的不斷電電源供應(yīng)器在不同控制方法下、母線電壓的波形圖；圖2(c)是應(yīng)用本發(fā)明的不斷電電源供應(yīng)器的控制方法時(shí)的母線電壓波形圖； 圖3 (a)是本發(fā)明的控制方法所應(yīng)用的在線互動(dòng)式不斷電電源供應(yīng)器的電路圖；圖3(b)是圖3(a)的各主要開關(guān)在不同運(yùn)作模式下的開關(guān)狀態(tài)表； 圖4(a)是本發(fā)明的控制方法在升壓模式時(shí)、升壓橋臂的占空比的時(shí)序圖； 圖4(b)是本發(fā)明的控制方法在升壓模式時(shí)、降壓橋臂的占空比的時(shí)序圖； 圖5(a)是本發(fā)明的控制方法在降壓模式時(shí)、升壓橋臂的占空比的時(shí)序圖；及 圖5(b)是本發(fā)明的控制方法在降壓模式時(shí)、降壓橋臂的占空比的時(shí)序圖。
具體實(shí)施方式
請參閱圖3(a)，其為本發(fā)明的控制方法所應(yīng)用的在線互動(dòng)式不斷電電源 供應(yīng)器的電路圖，與圖1相同的元件皆標(biāo)示相同的標(biāo)號。在線互動(dòng)式不斷電 電源供應(yīng)器3主要包含一直流輸入電壓DC、 一交流輸入電壓AC、由二極管D1 和D2構(gòu)成的一開關(guān)組、 一單相交流-交流轉(zhuǎn)換器31、由濾波電感Lo及濾波電 容Co構(gòu)成的一交流濾波器32、以及一負(fù)載R所構(gòu)成。在單相交流-交流轉(zhuǎn)換器31中，包含有交流電感Li、母線電容Cs以及三 個(gè)橋臂，其中由開關(guān)Sl和S2所組成的橋臂稱為升壓(boost)橋臂，由開關(guān)S3 和S4所組成的橋臂稱為公共(com)橋臂，而由開關(guān)S5和S6所組成的橋臂稱 為降壓(buck)橋臂。另外，開關(guān)SW1、 SW2及SW3則分別用以控制交流輸入電 壓AC、直流輸入電壓DC、及旁路(Bypass)模式等三種運(yùn)作。請參閱圖3(b)，其為圖3(a)的各主要開關(guān)在不同運(yùn)作模式下的開關(guān)狀態(tài) 表。配合圖3(b)可知，作為圖3(a) 、 3(b)所示的在線互動(dòng)式不斷電電源供應(yīng) 器31，在交流輸入電壓AC(市電)正常的情況下，此時(shí)開關(guān)SW1為0N，開關(guān)SW2 及SW3則切換為OFF，利用母線電壓經(jīng)由單相交流-交流轉(zhuǎn)換器31的整流而輸 出至負(fù)載R。而當(dāng)交流輸入電壓AC出現(xiàn)異常時(shí)，此時(shí)開關(guān)SW2為0N，開關(guān)SW1 及SW3則切換為OFF,利用直流輸入電壓DC經(jīng)由單相交流-交流轉(zhuǎn)換器31的 逆變而輸出。另外，當(dāng)在線互動(dòng)式不斷電電源供應(yīng)器31故障，此時(shí)開關(guān)SW3 為0N，開關(guān)SW1及SW2則切換為0FF，以提供人員進(jìn)行維修之用。本發(fā)明的控制方法的主要目的在于得到如圖2(c)所示的母線電壓，與現(xiàn) 有技術(shù)相同的是，母線電容Cs的電容值應(yīng)該夠小，才能得到具有全波整流成 份的波形的電壓。本發(fā)明控制母線電壓使其具有直流成份和全波整流成份的 方法如下。如圖2(c)所示，首先，設(shè)定一母線電壓波形參數(shù)K在0和1之間變化， 其中，當(dāng)K值越接近0，母線電壓中的全波整流成份也越高，則母線電壓的 波形越趨近于全波整流電壓的波形；而當(dāng)K值越接近1，母線電壓中的直流 成份也越高，則母線電壓的波形也越趨近于直流電壓的波形。當(dāng)在線互動(dòng)式不斷電電源供應(yīng)器3在運(yùn)作，負(fù)載R為輕載時(shí)，轉(zhuǎn)換器31 的無功電流所占的比例較大，因此可以相應(yīng)地增大K值來把該無功電流降至 最低。另一方面，在負(fù)載R加重時(shí)，轉(zhuǎn)換器31的效率才是我們所關(guān)心的，因 此可以相應(yīng)地降低K值，而把各開關(guān)損耗降至最小，使得轉(zhuǎn)換器31的整體效 率提升。在上述的控制方法中，K值的變化模式是與負(fù)載電流相關(guān)，而電壓增益M 則直接決定了降壓橋臂各開關(guān)的占空比d3以及升壓橋臂各開關(guān)的占空比dl。 此外，公共橋臂的開關(guān)S3、 S4僅與交流輸入電壓AC的極性相關(guān)。當(dāng)電壓增 益M小于1時(shí)，轉(zhuǎn)換器31是工作在降壓模式；而當(dāng)電壓增益M大于1時(shí)，轉(zhuǎn) 換器31是工作在升壓模式。本發(fā)明的控制方是定義母線電壓的波形函數(shù)為F，則F滿足 當(dāng)I sin(wt) I 〈 K ，貝UF二 I sin(wt) |;且
當(dāng)I sin(wt) I 〉= K ，則F= K; (1) 其中w為角速率，t為經(jīng)過時(shí)間。 此外，該降壓橋臂的占空比d3、該升壓橋臂的占空比dl、該單相交流-交流轉(zhuǎn)換器的電壓增益M、該母線電壓參數(shù)K、以及母線電壓的波形函數(shù)為F 滿足d3二M(1-dl); (2) dl=(2-M)KF (3)當(dāng)市電輸入的電壓(交流輸入電壓AC)低于要求值時(shí)，需要提升輸入電壓， 而系統(tǒng)處于升壓模式，電壓增益M的值在1到1.3之間，從前述公式(2)及(3) 可以看出，此時(shí)需要控制降壓橋臂的開關(guān)的占空比，如圖4(b)所示，至于圖 4(a)則顯示同時(shí)期的升壓橋臂的開關(guān)的占空比。而當(dāng)市電輸入的電壓高于要求值時(shí)，需要降低輸入電壓，而系統(tǒng)處于降 壓模式，電壓增益M的值在0.7到1之間，從前述公式(2)及(3)可以看出， 此時(shí)需要控制升壓橋臂的開關(guān)的占空比，如圖5(a)所示，至于圖5(b)則顯示 同時(shí)期的降壓橋臂的開關(guān)的占空比。值得一提的是，就時(shí)間上來說，在同一個(gè)周期之內(nèi)，當(dāng)sin(wt) 〉1/k時(shí) 只有升壓橋臂與降壓橋臂的其中之一是工作在高頻脈波寬度調(diào)變模式，而當(dāng) sin(wt) a/k時(shí)，升壓橋臂和降壓橋臂則都工作在高頻脈波寬度調(diào)變模式。值得注意的是，雖然本發(fā)明所舉的前述實(shí)施例皆為直流波形與全波整流 波形的組合，但對于本發(fā)明的目的而言，只要在輕載時(shí)降低電壓波形變化的 斜率，就能夠相對于原有全波整流波形而提高其效率。綜上所述，本發(fā)明是提供一種不斷電電源供應(yīng)器的控制方法以應(yīng)用于該 不斷電電源供應(yīng)器中具有三個(gè)橋臂的單相交流-交流轉(zhuǎn)換器，通過分段控制母 線電容上的電壓波形，使得系統(tǒng)不斷電電源供應(yīng)器能夠減小由母線電容所產(chǎn)生的無功電流以及母線電容上的高頻漣波電流，并且不論在輕載或重載的狀 態(tài)下，皆能得到全輸入范圍的高效率。
權(quán)利要求
1. 一種不斷電電源供應(yīng)器的控制方法，該不斷電電源供應(yīng)器至少包括一 交流輸入電壓、 一直流輸入電壓及一單相交流-交流轉(zhuǎn)換器，該單相交流-交流 轉(zhuǎn)換器是由一交流電感、 一母線電容、 一升壓橋臂、 一公共橋臂、及一降壓橋臂所構(gòu)成，該控制方法包括如下步驟(a) 控制母線電壓使其具有一直流成份以及一全波整流成份；及(b) 設(shè)定一母線電壓參數(shù)K，其中0^KS1，使得當(dāng)K趨近于O時(shí)、母線 電壓趨近于一直流電壓，且當(dāng)K趨近于1時(shí)、母線電壓趨近于一全波整流電 壓；其中，當(dāng)該交流輸入電壓正常時(shí)，利用該母線電壓經(jīng)由該單相交流-交流 轉(zhuǎn)換器的整流而輸出，且當(dāng)該交流輸入電壓異常時(shí)，利用該直流輸入電壓經(jīng) 由該單相交流-交流轉(zhuǎn)換器的逆變而輸出。
2. 如權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于該不斷電電源供應(yīng)器還包括 一開關(guān)組、 一交流濾波器、及一負(fù)載。
3. 如權(quán)利要求2所述的控制方法，其特征在于步驟(b)是于該負(fù)載為輕載 時(shí)、增大該母線電壓參數(shù)K使其趨近于1，且于該負(fù)載為重載時(shí)、減小該母線 電壓參數(shù)K使其趨近于O。
4. 如權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于還包括一步驟:設(shè)定該降壓 橋臂的占空比d3、該升壓橋臂的占空比dl、以及該單相交流-交流轉(zhuǎn)換器的電 壓增益M滿足d3=M(l-dl)。
5. 如權(quán)利要求4所述的控制方法，其特征在于還包括一步驟定義母線電 壓的波形函數(shù)為F，則F滿足當(dāng)I sin(wt) I 〈 K ，貝lj F= I sin(wt) |;且 當(dāng)I sin(wt) I ^ K ，貝U F= K; 其中w為角速率，t為經(jīng)過時(shí)間。
6. 如權(quán)利要求5所述的控制方法，其特征在于該升壓橋臂的占空比dl、 該單相交流-交流轉(zhuǎn)換器的電壓增益M、該母線電壓參數(shù)K、以及母線電壓的 波形函數(shù)F滿足dl=(2-M)KF。
7. 如權(quán)利要求6所述的控制方法，其特征在于還包括一步驟當(dāng)sin(wt)〉 1/K時(shí)，僅控制該升壓橋臂及該降壓橋臂其中的一工作于高頻脈波寬度調(diào)變 (PWM)模式，而當(dāng)sin(wt) 〈1/K時(shí)，需控制該升壓橋臂及該降壓橋臂皆工作于 高頻脈波寬度調(diào)變(PWM)模式。
8. —種不斷電電源供應(yīng)器的控制方法，該不斷電電源供應(yīng)器至少包括一交 流輸入電壓、 一直流輸入電壓及一單相交流-交流轉(zhuǎn)換器，該單相交流-交流轉(zhuǎn) 換器是由一交流電感、 一母線電容、 一升壓橋臂、 一公共橋臂、及一降壓橋 臂所構(gòu)成，該控制方法包括如下步驟(a) 控制母線電壓使其波形具有一低斜率階段以及一全波整流階段；(b) 設(shè)定一母線電壓參數(shù)K代表輸出功率大小，其中0蕓K^1;及(c) 根據(jù)該母線電壓參數(shù)K值的變化調(diào)節(jié)該低斜率階段與該全波整流階段 在整個(gè)周期中的比例，處于該低斜率階段中的母線電壓波形具有一斜率，且 該斜率是低于處于該全波整流階段中對應(yīng)時(shí)刻的另一斜率；其中，當(dāng)該交流輸入電壓正常時(shí)，利用該母線電壓經(jīng)由該單相交流-交流 轉(zhuǎn)換器的整流而輸出，且當(dāng)該交流輸入電壓異常時(shí)，利用該直流輸入電壓經(jīng) 由該單相交流-交流轉(zhuǎn)換器的逆變而輸出。
9. 如權(quán)利要求8所述的控制方法，其特征在于該全波整流階段的電壓平均 值是大于該低斜率階段的電壓平均值。
10. 如權(quán)利要求8所述的控制方法，其特征在于還包括一步驟:在輸出功率 減小時(shí)增加該低斜率階段的時(shí)間長度并減少該全波整流階段的時(shí)間長度。
11. 如權(quán)利要求8所述的控制方法，其特征在于母線電壓的波形是通過調(diào) 節(jié)該升壓橋臂及該降壓橋臂的占空比而實(shí)現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明是指一種不斷電電源供應(yīng)器的控制方法，該不斷電電源供應(yīng)器至少包括一交流輸入電壓、一直流輸入電壓及一單相交流-交流轉(zhuǎn)換器，該單相交流-交流轉(zhuǎn)換器是由一交流電感、一母線電容、一升壓橋臂、一公共橋臂、及一降壓橋臂所構(gòu)成，該控制方法包括步驟如下控制母線電壓使其具有一直流成份以及一全波整流成份；及設(shè)定一母線電壓參數(shù)K，其中0≤K≤1，使得當(dāng)K趨近于0時(shí)、母線電壓趨近于一直流電壓，且當(dāng)K趨近于1時(shí)、母線電壓趨近于一全波整流電壓。
文檔編號H02J9/06GK101123367SQ200610111169
公開日2008年2月13日 申請日期2006年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月9日
發(fā)明者應(yīng)建平, 楊劍平, 譚驚濤, 陸巖松 申請人:臺達(dá)電子工業(yè)股份有限公司