專利名稱：雙輸入不間斷電壓變換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電壓變換技術(shù)，特別是一種雙輸入不間斷電壓變換裝置。
背景技術(shù)：
節(jié)能是全世界產(chǎn)業(yè)最重要的政策。隨著IT產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，應(yīng)用IT設(shè)備所消耗的能源 占世界能源消耗的比例越來越高。其中為了確保信息設(shè)備(例如IDC、銀行、保險(xiǎn)、股市、無 線電信的基站、直放站、EPON的各設(shè)備、安防設(shè)備、消防監(jiān)視系統(tǒng)，等等)的可靠不間斷的運(yùn) 行，大量的UPS被串接到敏感設(shè)備與供電網(wǎng)絡(luò)之間。在從供電電網(wǎng)一UPS—敏感設(shè)備(負(fù) 載)的串聯(lián)系統(tǒng)中，為了保護(hù)敏感設(shè)備的的掉電可能性，UPS必須100%地進(jìn)行兩次主 能量轉(zhuǎn)換，設(shè)電網(wǎng)可靠性為L(zhǎng)%，UPS可靠性為，系統(tǒng)的供電總可靠性為貝Ij PV0= U%本式說明，只有UPS正常，才能夠保護(hù)系統(tǒng)供電安全。因此=UPS的“功能利用率(Function Efficiency) ”為 F%= (1-L% )-(l-U% ) = L% -U%綜合資源利用率(TotalResources Efficiency)公式
綜合資源利用率=_功能利用率_
采購(gòu)成本X年折舊率+年能耗成本+維護(hù)成本我們不難看到UPS的資源利用率是所有電力轉(zhuǎn)換設(shè)備中最低的。而且從AC經(jīng)過UPS到設(shè)備的SMPS到該設(shè)備的最終負(fù)載，由于UPS的本身效率小于 100%，以及其空載待機(jī)功耗，將會(huì)耗費(fèi)5%或以上的能源。由于傳統(tǒng)UPS的供電保護(hù)模式具有與生俱來的上述弊端，因此，目前在電信行業(yè)、 IDC機(jī)房等等地方，已經(jīng)在采用240Vdc供電方案和48Vdc供電方案，以及某些AC/DC-DC/DC 方案。但是所有這些方法，都是在敏感設(shè)備的前面串聯(lián)一個(gè)能量轉(zhuǎn)換單元，同樣存在能量損 耗和資源浪費(fèi)的缺陷。專利號(hào)為ZL021344558的中國(guó)發(fā)明專利公開了一種自耦互感式不間斷開關(guān)電源， 其核心技術(shù)是第二能源低壓DC的引入，根據(jù)初次級(jí)的匝比關(guān)系，找出一個(gè)最佳切入點(diǎn)。但 是，在高壓工作期間，在低壓DC回路存在 3%的能源損耗。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種更為簡(jiǎn)捷的雙輸入在線不間斷開關(guān)式電壓變換裝 置，以能夠可靠地對(duì)敏感設(shè)備提供自我掉電保護(hù)，并在高壓DC正常工作時(shí)，避免低壓DC回 路自身能源損耗。為達(dá)上述目的，本實(shí)用新型采用對(duì)傳統(tǒng)供電保護(hù)方式的逆向思考，從最接近需要
3保護(hù)的最終負(fù)載的地方來尋求最佳解決辦法，采用更加接近終端的線路拓?fù)鋪斫鉀Q斷電保 護(hù)。其具體技術(shù)方案如下一種雙輸入不間斷電壓變換裝置，包括第一轉(zhuǎn)換回路，含高壓直流源、主功率變壓器、連接在主功率變壓器初級(jí)繞組的 上開關(guān)管和下開關(guān)管、連接在主功率變壓器次級(jí)繞組的整流管，整流管的輸出端作為交匯占.
^ \\\ 第二轉(zhuǎn)換回路，由低壓直流源、隔離二極管、低壓開關(guān)管依次連接組成，輸出接至 所述交匯點(diǎn)；所述低壓直流源的最小允許電壓大于本裝置的額定輸出電壓，最大電壓小于 高壓DC為最小允許值時(shí)主功率變壓器次級(jí)繞組的電壓峰值；由電感和電容構(gòu)成的儲(chǔ)能單元，連接在所述交匯點(diǎn)和負(fù)載端之間；續(xù)流開關(guān)管，連接于所述交匯點(diǎn)與地之間；及控制單元，用于輸出同相的第一、第二和第四PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)所述上開關(guān)管、下開關(guān) 管和低壓開關(guān)管同步工作，以及輸出與第一 PWM信號(hào)反相互補(bǔ)的第五PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)所述續(xù) 流開關(guān)管工作。整流管優(yōu)選M0SFET，它可以在所述控制單元輸出的第三PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)下與所述上 開關(guān)管和下開關(guān)管同步工作，也可以在所述主功率變壓器的自舉繞組驅(qū)動(dòng)下與所述上開關(guān) 管和下開關(guān)管同步工作。整流管還可以采用肖特基二極管等。本實(shí)用新型用高壓DC和低壓DC變換成同相的兩路脈沖電壓，直接交匯后自適應(yīng) 地選擇其中脈沖幅值較大的一路經(jīng)過后級(jí)的儲(chǔ)能單元和續(xù)流回路為負(fù)載供電，不需要精確 設(shè)計(jì)主功率變壓器的匝數(shù)比來確定低壓DC的切入點(diǎn)，不需要對(duì)高壓DC的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)即 可達(dá)到高壓DC和低壓DC在線互補(bǔ)不間斷供電的功能。由于采用高壓源和低壓源并聯(lián)后與后級(jí)儲(chǔ)能單元連接，以互補(bǔ)方式不間斷向后級(jí) 后級(jí)儲(chǔ)能單元供電，因此與傳統(tǒng)的在敏感設(shè)備與供電網(wǎng)絡(luò)之間串聯(lián)UPS的方法相比，本雙 輸入不間斷電壓變換裝置能夠更加可靠地對(duì)敏感設(shè)備提供掉電保護(hù)。而且，在高壓DC正常供電期間，第二轉(zhuǎn)換回路中沒有電流，低壓直流源沒有能源 損耗，再加上進(jìn)一步還采用了同步整流技術(shù)，能夠有效節(jié)省能源，符合當(dāng)今節(jié)能減排的大形 勢(shì)。此外，本裝置電路簡(jiǎn)捷，轉(zhuǎn)換效率高，可靠性高，自身能耗小，可廣泛應(yīng)用于AC/DC 或DC/DC供電狀況下的各種對(duì)供電敏感的設(shè)備，例如通信設(shè)備、軌道交通監(jiān)控系統(tǒng)、安防系 統(tǒng)、IDC設(shè)備、太陽(yáng)能和交流雙輸入LED照明、軍用雙能源系統(tǒng)等等。
圖1為實(shí)施例1的原理圖；圖2為實(shí)施例2的原理圖；圖3為實(shí)施例3的原理圖； 圖4為實(shí)施例4的原理圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。
4[0033]實(shí)施例1 參照?qǐng)D1，本雙輸入不間斷電壓變換裝置包括第一轉(zhuǎn)換回路100，第二轉(zhuǎn)換回路 200，儲(chǔ)能單元300，控制單元400。第一轉(zhuǎn)換回路100含高壓直流源VH、主功率變壓器Tl、連接在主功率變壓器Tl初 級(jí)繞組的上開關(guān)管Ql和下開關(guān)管Q2、連接在主功率變壓器Tl次級(jí)繞組的整流管Q3，整流 管Q3的輸出端作為交匯點(diǎn)J ；第二轉(zhuǎn)換回路200由低壓直流源VB、隔離二極管D7、低壓開關(guān)管Q4依次連接組 成，輸出接至所述交匯點(diǎn)J ；所述低壓直流源VB的最小允許電壓大于本裝置的額定輸出電 壓，最大電壓小于高壓DC為最小允許值時(shí)主功率變壓器Tl次級(jí)繞組的電壓峰值；儲(chǔ)能單元300由電感Lo和電容Co構(gòu)成，連接在所述交匯點(diǎn)J和負(fù)載端之間；在所述交匯點(diǎn)J與地之間連接續(xù)流開關(guān)管Q5 ；控制單元400包括中心控制單元、脈寬調(diào)制器和一個(gè)脈沖變壓器Td，脈寬調(diào)制器 集成在中心控制單元內(nèi)，脈寬調(diào)制器的輸出端接脈沖變壓器Td的初級(jí)繞組，脈沖變壓器Td 的次級(jí)繞組aa’、bb’、CC’、dd’和e’ e分別與上開關(guān)管Q1、下開關(guān)管Q2、整流管Q3、低壓開 關(guān)管Q4和續(xù)流開關(guān)管Q5連接。脈寬調(diào)制器輸出的PWM信號(hào)通過脈沖變壓器Td隔離并轉(zhuǎn) 換后，從次級(jí)繞組aa’、bb’、CC’和dd’分別輸出同相的第一、第二、第三和第四PWM信號(hào)驅(qū) 動(dòng)上開關(guān)管Q1、下開關(guān)管Q2、整流管Q3、低壓開關(guān)管Q4同步工作，從次級(jí)繞組e’ e輸出與 第一 PWM信號(hào)反相的第五PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)續(xù)流開關(guān)管Q5工作。脈寬調(diào)制器也可以采用獨(dú)立 于中心控制單元的獨(dú)立器件。第一轉(zhuǎn)換回路100中的上開關(guān)管Ql、下開關(guān)管Q2和整流管Q3均采用MOSFET。續(xù) 流開關(guān)管Q5和第二轉(zhuǎn)換回路200中的低壓開關(guān)管Q4也采用MOSFET。主功率變壓器Tl的初級(jí)繞組的上端接上開關(guān)管Ql的源極，下端接下開關(guān)管Q2的 漏極，上開關(guān)管Ql的漏極接高壓直流源VH的正極，下開關(guān)管Q2的源極接高壓直流源VH的 負(fù)極，上開關(guān)管Ql的源極和漏極之間接第一電容Cl，下開關(guān)管Q2的源極和漏極之間接第二 電容C2。本裝置負(fù)載端Vo經(jīng)過一個(gè)采樣電阻Rs接到中心控制單元的采樣輸入端，中心控 制單元通過分析、判斷該電壓采樣信號(hào)，控制脈寬調(diào)制器輸出的PWM信號(hào)的脈寬，保證本裝 置輸出端Vo輸出穩(wěn)定的直流電壓。中心控制單元還可用于接收由輸出分組監(jiān)控保護(hù)功能 單元接入的保護(hù)動(dòng)作信號(hào)，遠(yuǎn)程監(jiān)控信號(hào)，低壓直流源VB的電壓采樣信號(hào)，高壓直流源VH 的電壓采樣信號(hào)，等等，并可用于控制本裝置開機(jī)或者關(guān)機(jī)。中心控制單元可以在主功率變 壓器Tl高壓側(cè)工作，也可以在低壓側(cè)工作。上述雙輸入不間斷電壓變換裝置的電壓變換方法，包括以下步驟用一個(gè)脈沖變壓器Td將脈寬調(diào)制器輸出的PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換成同相的第一、第二、第 三和第四PWM信號(hào)，分別驅(qū)動(dòng)第一轉(zhuǎn)換回路100中主功率變壓器Tl初級(jí)側(cè)的上開關(guān)管Ql和 下開關(guān)管Q2、次級(jí)側(cè)的整流管Q3、以及第二轉(zhuǎn)換回路200中的低壓開關(guān)管Q4同步工作，從 而將高壓DC和低壓DC轉(zhuǎn)換成同相的兩路脈沖電壓，在所述整流管Q3的輸出端(即所述交 匯點(diǎn)J)交匯后自適應(yīng)地選擇其中脈沖幅值較大的一路向后級(jí)的儲(chǔ)能單元300提供電流；同時(shí)，脈沖變壓器Td的次級(jí)繞組e’e輸出與第一 PWM信號(hào)反相的互補(bǔ)脈寬的第五 PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)一個(gè)續(xù)流開關(guān)管Q5工作，在上開關(guān)管Ql、下開關(guān)管Q2和低壓開關(guān)管Q4關(guān)斷期間為所述儲(chǔ)能單元300中電感Lo上的反向電動(dòng)勢(shì)提供續(xù)流通道；中心控制單元采樣負(fù)載端Vo的電壓，分析判斷后控制所述脈寬調(diào)制器輸出的PWM 信號(hào)的脈寬，進(jìn)而控制上開關(guān)管Q1、下開關(guān)管Q2、整流管Q3和低壓開關(guān)管Q4的導(dǎo)通時(shí)間， 使負(fù)載端Vo輸出的直流電壓保持穩(wěn)定。在第二轉(zhuǎn)換回路200向后級(jí)的儲(chǔ)能單元300提供電能期間，第二轉(zhuǎn)換回路200同 時(shí)向所述整流管Q3提供能量，該能量依次通過主功率變壓器Tl反向耦合、二極管Dl和D8 整流后產(chǎn)生一個(gè)非調(diào)壓的高頻電壓在高壓總線的電容C5上形成直流高壓，可以為高壓工 作的負(fù)載提供能量。實(shí)施例2 參照?qǐng)D2，實(shí)施例2雙輸入不間斷電壓變換裝置與實(shí)施例1基本相同，其區(qū)別在于 實(shí)施例1中整流器Q3由脈沖變壓器Td的次級(jí)繞組cc’驅(qū)動(dòng)，與上開關(guān)管Q1、下開關(guān)管Q2 和低壓開關(guān)管Q4同步導(dǎo)通同步截止。而在實(shí)施例2中，整流器Q3采用自舉驅(qū)動(dòng)方式，即由所述主功率變壓器Tl的另 一個(gè)次級(jí)繞組(即自舉繞組)輸出的脈沖電壓驅(qū)動(dòng)整流器Q3，與上開關(guān)管Q1、下開關(guān)管Q2 和低壓開關(guān)管Q4同步導(dǎo)通同步截止。應(yīng)用中，需要將該自舉繞組產(chǎn)生的脈沖電壓幅度鉗位 于MOSFET門極規(guī)定的范圍內(nèi)。實(shí)施例3:參照?qǐng)D3，實(shí)施例3雙輸入不間斷電壓變換裝置與實(shí)施例1基本相同，其區(qū)別在于 實(shí)施例1中整流器Q3采用M0SFET，且與上開關(guān)管Q1、下開關(guān)管Q2同步導(dǎo)通同步截止，即采 用同步整流技術(shù)。而在實(shí)施例3中，整流器Q3采用一個(gè)肖特基二極管，使得實(shí)施例3雙輸 入不間斷電壓變換裝置線路更加簡(jiǎn)捷，成本更低。實(shí)施例3適合于在小功率，和無須逆變高 壓輸出的應(yīng)用。實(shí)施例4 參照?qǐng)D4，實(shí)施例4雙輸入不間斷電壓變換裝置與實(shí)施例3基本相同，其區(qū)別在于 實(shí)施例3中，續(xù)流開關(guān)管Q5采用M0SFET，由脈沖變壓器Td的次級(jí)繞組e，e驅(qū)動(dòng)工作。而 在實(shí)施例4中，續(xù)流開關(guān)管Q5采用肖特基二極管，以進(jìn)一步簡(jiǎn)化線路，節(jié)省成本，提高可靠 性。實(shí)施例4適合于在小功率的場(chǎng)合。
權(quán)利要求一種雙輸入不間斷電壓變換裝置，其特征在于包括第一轉(zhuǎn)換回路，含高壓直流源、主功率變壓器、連接在主功率變壓器初級(jí)繞組的上開關(guān)管和下開關(guān)管、連接在主功率變壓器次級(jí)繞組的整流管，整流管的輸出端作為交匯點(diǎn)；第二轉(zhuǎn)換回路，由低壓直流源、隔離二極管、低壓開關(guān)管依次連接組成，輸出接至所述交匯點(diǎn)；所述低壓直流源的最小允許電壓大于本裝置的額定輸出電壓，最大電壓小于高壓DC為最小允許值時(shí)主功率變壓器次級(jí)繞組的電壓峰值；由電感和電容構(gòu)成的儲(chǔ)能單元，連接在所述交匯點(diǎn)和負(fù)載端之間；續(xù)流開關(guān)管，連接于所述交匯點(diǎn)與地之間；及控制單元，用于輸出同相的第一、第二、和第四PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)所述上開關(guān)管、下開關(guān)管和低壓開關(guān)管同步工作，以及輸出與第一PWM信號(hào)反相的第五PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)所述續(xù)流開關(guān)管工作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述第一轉(zhuǎn)換回路中的整流管為M0SFET， 該整流管在所述控制單元輸出的第三PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)下與所述上開關(guān)管和下開關(guān)管同步工 作。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述第一轉(zhuǎn)換回路中的整流管為M0SFET， 該整流管在所述主功率變壓器的自舉繞組驅(qū)動(dòng)下與所述上開關(guān)管和下開關(guān)管同步工作。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述第一轉(zhuǎn)換回路中的整流管為肖特基二極管。
5.根據(jù)權(quán)利要求2-4任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于所述第一轉(zhuǎn)換回路中，主功率變 壓器的初級(jí)繞組的上端接上開關(guān)管的源極，下端接下開關(guān)管的漏極，上開關(guān)管的漏極接高 壓直流源的正極，下開關(guān)管的源極接高壓直流源的負(fù)極，上開關(guān)管的源極和漏極之間接第 一電容，下開關(guān)管的源極和漏極之間接第二電容。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于所述控制單元包括中心控制單元、脈寬調(diào) 制器和一個(gè)脈沖變壓器，脈寬調(diào)制器輸出的PWM信號(hào)通過脈沖變壓器隔離并轉(zhuǎn)換成所述第 一、第二、第三、第四和第五PWM信號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述續(xù)流開關(guān)管為肖特基二極管或 MOSFET。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述續(xù)流開關(guān)管為肖特基二極管或 M0SFET，第一轉(zhuǎn)換回路中的整流管為另一個(gè)肖特基二極管。
專利摘要一種雙輸入不間斷電壓變換裝置，包括第一轉(zhuǎn)換回路、第二轉(zhuǎn)換回路、儲(chǔ)能單元、續(xù)流開關(guān)管及控制單元，控制單元用一個(gè)脈沖變壓器將脈寬調(diào)制器輸出的PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換成同相的第一、第二和第四PWM信號(hào)，分別驅(qū)動(dòng)第一轉(zhuǎn)換回路和第二轉(zhuǎn)換回路同步工作，將高壓直流和低壓直流轉(zhuǎn)換成同相的兩路脈沖電壓，通過一個(gè)交匯節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)地進(jìn)行能量交互補(bǔ)充，經(jīng)過后級(jí)的儲(chǔ)能單元和續(xù)流回路為負(fù)載提供不間斷的穩(wěn)定電壓。本裝置轉(zhuǎn)換效率高，可靠性高，自身能耗小。
文檔編號(hào)H02J9/06GK201742151SQ20102020621
公開日2011年2月9日 申請(qǐng)日期2010年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月27日
發(fā)明者冉茂鑫 申請(qǐng)人:杰興電子科技(深圳)有限公司;冉茂鑫