1.公開的領(lǐng)域

本公開的實施例總體涉及用于提供電力的系統(tǒng)和方法。

2.背景描述

通常將電源(諸如不間斷電源(UPS))用于向電氣設(shè)備或者負(fù)載提供電力。在主電源或者電源不可用時，UPS可以提供電力。傳統(tǒng)的在線式UPS使用功率因數(shù)校正電路(PFC)來整流由電氣設(shè)施提供的輸入功率，以向DC總線提供電力。整流的DC電壓在電源電力可用時通常用于為電池充電，并且向DC總線提供電力。在不存在電源電力的情況下，電池向DC總線提供電力。逆變器從DC總線生成到負(fù)載的AC輸出電壓。由于DC總線由電源或者電池供電，因此在電源出現(xiàn)故障并且電池充分充電時，UPS的輸出功率是不間斷的。

概述

本發(fā)明的至少一些方面和實施例針對供電系統(tǒng)，該供電系統(tǒng)包括：輸入端，該輸入端被配置成接收來自輸入電源的輸入AC電力；輸出端，該輸出端被配置成向負(fù)載提供輸出AC電力；變換器，該變換器耦合于輸入端并且被配置成將輸入AC電力變換成經(jīng)變換的DC電力；第一DC總線，該第一DC總線耦合于變換器并且被配置成接收經(jīng)變換的DC電力；逆變器，該逆變器耦合于第一DC總線和輸出端，并且該逆變器被配置成將來自第一DC總線的DC電力變換成輸出AC電力；第一DC開關(guān)電路，該第一DC開關(guān)電路耦合在第一DC總線和中性點之間；以及控制器，該控制器耦合于第一DC開關(guān)電路，并且被配置成操作第一DC開關(guān)電路，使得在第一DC總線上的電壓在變換器和逆變器的切換操作期間是零。

根據(jù)一個實施例，變換器包括耦合在輸入端和中性點之間的至少一個第一開關(guān)，逆變器包括耦合在第一DC總線和輸出端之間的至少一個第二開關(guān)，并且控制器耦合于至少一個第一開關(guān)和至少一個第二開關(guān)，并且控制器還被配置成：操作至少一個第一開關(guān)的切換以生成DC電力；操作至少一個第二開關(guān)的切換以生成輸出AC電力；并且操作第一DC開關(guān)電路使得在至少一個第一開關(guān)兩端的電壓在接通切換期間是零，并且在至少一個第二開關(guān)兩端的電壓在關(guān)斷切換期間是零。

根據(jù)另一個實施例，第一DC開關(guān)電路包括：DC開關(guān)，該DC開關(guān)耦合在第一DC總線和中性點之間；以及二極管，該二極管在第一DC總線和中性點之間并聯(lián)耦合于DC開關(guān)；其中，在操作第一DC開關(guān)電路使得在第一DC總線上的電壓是零時，控制器還被配置成操作DC開關(guān)以關(guān)斷。在一個實施例中，控制器還被配置成：在同步切換時期上使至少一個第一開關(guān)的接通切換和至少一個第二開關(guān)的關(guān)斷切換同步。在另一個實施例中，控制器還被配置成在同步切換時期之前的第一時間處關(guān)斷DC開關(guān)。

根據(jù)一個實施例，供電系統(tǒng)被配置成操作使得在同步切換時期之前的第一時間處，在輸出端處的電流大于在輸入端處的電流。在一個實施例中，供電系統(tǒng)還包括耦合于中性點的電容器、以及耦合于電容器和第一DC開關(guān)電路之間的第二DC總線，其中，在同步切換時期之前的第一時間處，由逆變器變換成輸出AC電力的DC電力源自經(jīng)變換的DC電力和來自第二DC總線的DC電力。

根據(jù)另一個實施例，供電系統(tǒng)還包括：至少一個DC輸入線路，該至少一個DC輸入線路被配置成耦合于DC源；以及DC/DC變換器，該DC/DC變換器耦合在至少一個DC輸入線路和第一DC總線之間，并且DC/DC變換器被配置成接收來自DC源的備用DC電力，并且向第一DC總線提供經(jīng)調(diào)節(jié)的DC電力；其中，由逆變器變換成輸出AC電力的DC電力源自在經(jīng)變換的DC電力和備用DC電力中的至少一者。

根據(jù)一個實施例，DC/DC變換器包括至少一個第一DC/DC開關(guān)，該至少一個第一DC/DC開關(guān)耦合在至少一個DC輸入線路和中性點之間；其中，控制器還耦合于至少一個第一DC/DC開關(guān)，并且控制器還被配置成：在由逆變器變換成輸出AC電力的DC電力源自備用DC電力的情況下，控制器操作至少一個第一DC/DC開關(guān)以生成經(jīng)調(diào)節(jié)的DC電力，并且操作第一DC開關(guān)電路使得在至少一個第一DC/DC開關(guān)兩端的電壓在接通期間是零。

根據(jù)另一個實施例，DC/DC變換器包括至少一個第二DC/DC開關(guān)，該至少一個第二DC/DC開關(guān)耦合在至少一個DC輸入線路和第一DC總線之間；其中，控制器還耦合于至少一個第二DC/DC開關(guān)，并且控制器還被配置成：在由逆變器變換成輸出AC電力的DC電力源自經(jīng)變換的DC電力的時候，控制器操作至少一個第二DC/DC開關(guān)以從經(jīng)變換的DC電力生成電池充電電力，并且操作第一DC開關(guān)電路使得在至少一個第二DC/DC開關(guān)兩端的電壓在關(guān)斷期間是零。

根據(jù)一個實施例，供電系統(tǒng)是包括多個部分的三相供電系統(tǒng)，每個部分被配置成對從輸入電源接收的3相電力中的一相進(jìn)行操作；第一DC開關(guān)電路由三相供電系統(tǒng)的多個部分共享，并且控制器還被配置成使在供電系統(tǒng)的每一部分上的變換器和逆變器的切換操作同步。在一個實施例中，供電系統(tǒng)還包括：第二DC總線，該第二DC總線耦合于變換器，并且該第二DC總線被配置成接收經(jīng)變換的DC電力；以及第二DC開關(guān)電路，該第二DC開關(guān)電路耦合在第二DC總線和中性點之間；其中，控制器還耦合于第二DC開關(guān)電路，并且控制器還被配置成操作第二DC開關(guān)電路，使得第二DC總線上的電壓在變換器和逆變器的切換操作期間是零。

本發(fā)明的另一方面針對用于操作供電系統(tǒng)的方法，該供電系統(tǒng)包括輸入端、耦合于輸入端的變換器、耦合于變換器的第一DC總線、耦合于第一DC總線的逆變器以及輸出端，該方法包括：在輸入端處接收來自電源的輸入AC電力；利用變換器將輸入AC電力變換成經(jīng)變換的DC電力；向第一DC總線提供經(jīng)變換的DC電力；利用逆變器將來自第一DC總線的DC電力變換成輸出AC電力；向輸出端提供輸出AC電力；以及控制供電系統(tǒng)，使得在第一DC總線上的電壓變?yōu)榱?，以在變換器和逆變器中提供零電壓切換(ZVS)。

根據(jù)一個實施例，變換輸入AC電力包括切換變換器的至少一個第一開關(guān)以生成經(jīng)變換的DC電力；變換來自第一DC總線的DC電力包括切換變換器的至少一個第二開關(guān)以生成輸出AC電力；并且控制供電系統(tǒng)使得在第一DC總線上的電壓變?yōu)榱惆ǎ涸诮油ㄇ袚Q期間，將至少一個第一開關(guān)兩端的電壓驅(qū)動到零；并且在關(guān)斷切換期間，將至少一個第二開關(guān)兩端的電壓驅(qū)動到零。

根據(jù)另一個實施例，供電系統(tǒng)還包括耦合在中性點和第一DC總線之間的第一DC開關(guān)，并且將至少一個第一開關(guān)兩端的電壓驅(qū)動到零以及將至少一個第二開關(guān)兩端的電壓驅(qū)動到零包括關(guān)斷第一DC開關(guān)。在一個實施例中，該方法還包括：在同步切換時期上使至少一個第一開關(guān)的接通切換和至少一個第二開關(guān)的關(guān)斷切換同步。在另一個實施例中，關(guān)斷第一DC開關(guān)包括：在同步切換時期之前的在輸出端處的電流大于在輸入端處的電流時的第一時間處關(guān)斷第一DC開關(guān)。

根據(jù)一個實施例，供電系統(tǒng)還包括耦合于變換器的第二DC總線，并且該方法還包括：控制供電系統(tǒng)使得在第二DC總線上的電壓變?yōu)榱悖栽谧儞Q器和逆變器中提供ZVS。在一個實施例中，供電系統(tǒng)是三相供電系統(tǒng)，控制供電系統(tǒng)使得在第一DC總線上的電壓變?yōu)榱惆ǎ哼x擇性地將第一DC總線上的電壓驅(qū)動到零，以在供電系統(tǒng)的多個相上的變換器和逆變器中提供ZVS，并且該方法還包括使供電系統(tǒng)的多個相上的變換器和逆變器的切換操作同步。

本發(fā)明的至少一個方面針對三相供電系統(tǒng)，該三相供電系統(tǒng)包括：多個輸入端，每個輸入端被配置成接收來自輸入電源的輸入3相電力中的一相；多個輸出端，每個輸出端被配置成向負(fù)載提供輸出3相電力中的一相；變換器，該變換器耦合于多個輸入端，并且該變換器被配置成將接收的輸入3相電力變換成經(jīng)變換的DC電力；至少一個DC總線，該至少一個DC總線耦合于變換器，并且該至少一個DC總線被配置成接收經(jīng)變換的DC電力；逆變器，該逆變器耦合于至少一個DC總線和多個輸出端，并且該逆變器被配置成將來自至少一個DC總線的DC電力變換成輸出3相電力；以及用于在三相供電系統(tǒng)中的每個相上的變換器和逆變器中提供零電壓切換(ZVS)的裝置。

附圖簡述

以下參考并不旨在按比例繪制的附圖來討論至少一個實施例的各個方面。附圖被包括以提供各個方面和實施例的說明以及進(jìn)一步的理解，并且附圖被并入以及構(gòu)成本說明書的一部分，但不旨在作為對公開內(nèi)容的限制的定義。在附圖中，在各個圖中示出的每個相同的或者幾乎相同的部件用相似的數(shù)字來標(biāo)示。出于清楚的目的，并非每個部件都可在每個圖中被標(biāo)記出。在附圖中：

圖1是根據(jù)本公開的方面的3相3級UPS拓?fù)涞氖疽鈭D；

圖2包括示出根據(jù)本公開的方面的UPS系統(tǒng)的切換循環(huán)的圖；

圖3是根據(jù)本公開的方面的包括DC-DC變換器的3相3級UPS拓?fù)涞氖疽鈭D；

圖4是示出根據(jù)本公開的方面的PWM信號生成的圖示；以及

圖5為在其之上可實施本發(fā)明的各個實施例的系統(tǒng)的框圖。

詳細(xì)描述

本文討論的方法和系統(tǒng)的示例在應(yīng)用中并不限于在以下描述中闡述的或者在附圖中示出的部件的構(gòu)造和布置的細(xì)節(jié)。在其他實施例中能夠?qū)崿F(xiàn)方法和系統(tǒng)，并且能夠以各種方式實踐或執(zhí)行方法和系統(tǒng)。本文提供的具體實現(xiàn)的示例僅用于說明性目的且并不旨在限制。具體來說，結(jié)合任何一個或者多個示例討論的動作、部件、元件以及特征不旨在排除任何其他的示例中的類似角色。

并且，本文所用的措辭和術(shù)語也是出于說明的目的，且不應(yīng)視為具有限制性。對于本文的系統(tǒng)和方法的示例、實施例、部件、元件或者動作的指的是單數(shù)的任何引用，也可以包含包括復(fù)數(shù)的實施例，并且對于本文的任何實施例、部件、元件或者動作復(fù)數(shù)的任何引用，也可以包含僅包括單數(shù)的實施例。單數(shù)形式或者復(fù)數(shù)形式的引用并不旨在限制當(dāng)前公開的系統(tǒng)或者方法、它們的部件、動作或者元件。本文使用“包括”、“包括”、“具有”、“包含”、“涉及”及其變型意在包括其后列舉的項目和其等價物以及額外的項目?！盎颉钡囊每山忉尀榘ㄒ磺械?，使得使用“或”所描述的任何術(shù)語可以指示所描述的術(shù)語的單個、多于一個以及全部中的任何一種。另外，在本文件和通過引用并入的文件之間用法不一致的情況下，在并入的文件中的術(shù)語用法作為對本文件中的術(shù)語用法的補(bǔ)充；對于不可協(xié)調(diào)的不一致，以本文件中的術(shù)語用法為準(zhǔn)。

如以上討論的，UPS系統(tǒng)通常被用于向負(fù)載提供電力。高效率已變成在UPS設(shè)計中的最重要的參數(shù)之一，并且各個解決方案和/或拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已經(jīng)被開發(fā)以提高UPS的效率。在一些UPS系統(tǒng)中，只要電源電壓可用，那么節(jié)能模式在UPS處于旁路操作或者離線模式的情況下是可用的。這種方法具有諸如差勁的浪涌處理能力、未濾波和未調(diào)節(jié)的輸出電壓以及沒有功率因數(shù)校正的缺點。其他UPS系統(tǒng)包括delta變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其提供了輸出電壓調(diào)節(jié)和功率因數(shù)校正；然而，浪涌處理能力和濾波仍然受限，并且需要相對大的變壓器。在其他UPS系統(tǒng)中，通過使用多級變換器和/或新興的氮化鎵(GaN)或者碳化硅(SiC)半導(dǎo)體達(dá)到高效率水平；然而，這種變換器和半導(dǎo)體通常增加UPS的的超過可接受水平的成本和/或復(fù)雜性。另一些UPS系統(tǒng)包括混合PFC和逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；然而，由于PFC調(diào)節(jié)和逆變器調(diào)節(jié)相互影響，混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很難控制。另外，混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常僅在以正常操作條件下(例如，在輸入和輸出同相位時)操作時具有高效率。

本文描述了新的3級UPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其降低了整體切換損耗(即，提供了更高的效率)。3級UPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在PFC開關(guān)接通并且逆變器開關(guān)關(guān)斷時引入零電壓切換(ZVS)，這樣降低了切換損耗并且實現(xiàn)更高的整體效率。

圖1是3級UPS 100的示意圖。UPS 100是3相UPS，其包括三個部分102、104、106。每個部分102、104、106被配置成耦合于3相電源中的一相。每個部分102、104、106基本相同，并且以基本相同的方式對其對應(yīng)的相起作用。正因如此，下面關(guān)于第一部分102來更詳細(xì)地討論UPS100。

UPS 100包括PFC變換器101、逆變器103、正DC總線136、負(fù)DC總線138、正“浮動”DC總線140、負(fù)“浮動”DC總線142、第一DC開關(guān)電路105、第一電容器132、第二DC開關(guān)電路109、第二電容器134、中性點144和控制器152。PFC變換器101包括第一電感器108、第一開關(guān)112、第二開關(guān)114、第三開關(guān)116和第四開關(guān)118。逆變器103包括第五開關(guān)120、第六開關(guān)122、第七開關(guān)124、第八開關(guān)126和第二電感器146。第一DC開關(guān)電路105包括第九開關(guān)128和體二極管150。第二DC開關(guān)電路109包括第十開關(guān)130和體二極管151。

根據(jù)一個實施例，第一開關(guān)112和第二開關(guān)114是1200V絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)；然而，在其他實施例中，IGBT 112、114的額定值可以不同，或者可以采用不同類型的開關(guān)(例如，如果在PFC變換器101中單向功率變換是足夠的，那么可以以二極管代替IGBT 112、114)。在一個實施例中，第五開關(guān)120和第六開關(guān)122是1200V絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)；然而，在其他實施例中，IGBT 120、122的額定值可以不同，或者可以采用不同類型的開關(guān)。在一個實施例中，第三開關(guān)116、第四開關(guān)118、第七開關(guān)124和第八開關(guān)126是600V IGBT；然而，在其他實施例中，IGBT 116、118、124、126的額定值可以不同，或者可以采用不同類型的開關(guān)。每個IGBT 112-126還包括在其集電極和發(fā)射極之間的內(nèi)部二極管148。根據(jù)一個實施例，第九開關(guān)128和第十開關(guān)130是600V金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)；然而，在其他實施例中，MOSFET128、130的額定值可以不同，或者可以采用不同類型的開關(guān)。第一DC開關(guān)電路105的體二極管150耦合在MOSFET 128的源極和漏極之間。第二DC開關(guān)電路109的體二極管151耦合在MOSFET 130的源極和漏極之間。

第一電感器108的第一端子耦合于UPS 100的輸入端107。輸出端107被配置成耦合于3相電源。第一電感器108的第二端子耦合于第一開關(guān)112的發(fā)射極。第一開關(guān)112的集電極耦合于正“浮動”DC總線140。第五開關(guān)120的集電極耦合于正“浮動”DC總線140。第五開關(guān)120的發(fā)射極耦合于第二電感器146的第一端子。第二電感器146的第二端子耦合于UPS100的輸出端147。第二開關(guān)114的集電極還耦合于第一電感器108的第二端子。第二開關(guān)114的發(fā)射極耦合于負(fù)“浮動”DC總線142。第六開關(guān)122的發(fā)射極還耦合于負(fù)“浮動”DC總線142。第六開關(guān)122的集電極還耦合于第二電感器146的第一端子。

第三開關(guān)116的集電極還耦合于第一電感器108的第二端子。第三開關(guān)116的發(fā)射極耦合于第四開關(guān)118的發(fā)射極。第四開關(guān)118的集電極耦合于中性點144。第八開關(guān)126的集電極耦合于中性點144。第八開關(guān)126的發(fā)射極耦合于第七開關(guān)124的發(fā)射極。第七開關(guān)124的集電極還耦合于第二電感器146的第一端子。第九開關(guān)128的源極耦合于正“浮動”DC總線140。第九開關(guān)128的漏極耦合于正DC總線136。第一電容器132的第一端子耦合于正DC總線136，并且第一電容器132的第二端子耦合于中性點。第二電容器134的第一端子耦合于中性點144，并且第二電容器134的第二端子耦合于負(fù)DC總線138。第十開關(guān)130的源極還耦合于負(fù)DC總線138。第十開關(guān)130的漏極耦合于負(fù)“浮動”DC總線142?？刂破?52耦合于每個開關(guān)112-130的柵極。

現(xiàn)將關(guān)于在第一部分102處的輸入相線的正部分描述UPS 100的操作。還在第一部分102處的輸入相線的負(fù)部分產(chǎn)生類似的操作。由3相電源提供的AC3相電力中的一相由輸入端107接收?？刂破?52操作PFC開關(guān)(即，第一開關(guān)112和第三開關(guān)116)作為升壓變換器，以將在AC3相電力中的一相變換成經(jīng)變換的DC電力?？刂破?52還操作PFC開關(guān)(即，第一開關(guān)112和第三開關(guān)116)，以在輸入端107處提供功率因數(shù)校正。經(jīng)變換的DC電力被提供給“浮動”DC總線140。逆變器開關(guān)(即，第五開關(guān)120)由控制器152操作作為降壓變壓器，以將來自正“浮動”DC總線140的DC電力變換成經(jīng)調(diào)節(jié)的AC電力。經(jīng)調(diào)節(jié)的AC電力被提供給輸出端147。

根據(jù)在UPS 100的輸出端147處的電流，從正“浮動”DC總線140提供給逆變器開關(guān)(即，第五開關(guān)120)的DC電力可以源自UPS 100的不同部分。例如，當(dāng)在UPS 100的輸出端147處的電流小于在UPS 100的輸入端107處的電流時，由逆變器開關(guān)(即，第五開關(guān)120)變換的DC電力源自由PFC開關(guān)(即，第一開關(guān)112和第三開關(guān)116)提供給“浮動”DC總線140的經(jīng)變換的DC電力。在這一實施例中，在“浮動”DC總線140上的經(jīng)變換的DC電力的一部分電力經(jīng)由(通常保持接通的)第九開關(guān)128還被提供給DC總線136，以對第一電容器132充電。當(dāng)在UPS 100的輸出端147處的電流大于在UPS 100的輸入端107處的電流時，第一電容器132放電，并且放電的DC電力從DC總線136經(jīng)由第九開關(guān)128被提供給“浮動”DC總線140。源自PFC開關(guān)(即，第一開關(guān)112和第三開關(guān)116)和DC總線136兩者的DC電力被提供給逆變器開關(guān)(即，第五開關(guān)120)，以用于變換成經(jīng)調(diào)節(jié)的AC電力。

控制器152還操作開關(guān)112-130以在PFC零點開關(guān)(即，第三開關(guān)116)接通時以及在逆變器開關(guān)(即，第五開關(guān)120)關(guān)斷時提供ZVS?？刂破?52使PFC零點開關(guān)和逆變器開關(guān)同步，使得在同步切換時期期間，PFC零點開關(guān)(即，第三開關(guān)116)接通，而逆變器開關(guān)(即，第五開關(guān)120)關(guān)斷。在一個實施例中，在同步切換時期期間，PFC零點開關(guān)被接通與逆變器開關(guān)被關(guān)斷基本上在相同時間。在另一實施例中，在同步切換時期期間，PFC零點開關(guān)可以在逆變器開關(guān)被關(guān)斷之前相對短的時間被接通。

DC總線開關(guān)(即，第九開關(guān)128)通常保持接通，但是在PFC零點和逆變器開關(guān)的同步切換時期附近的短持續(xù)時間關(guān)斷。當(dāng)DC總線開關(guān)(即，第九開關(guān)128)關(guān)斷時，無論何時總的正逆變器電流高于總的正PFC變換器電流(即，當(dāng)?shù)诰砰_關(guān)128向正“浮動”DC總線140提供電力時)，在正“浮動”DC總線140上的電壓都將降到零(中性)。

這將允許要接通的PFC零點開關(guān)(即，第三開關(guān)116)具有在PFC零點開關(guān)兩端的零電壓(即，ZVS)，并且允許要關(guān)斷的逆變器開關(guān)(即，第五開關(guān)120)具有在逆變器開關(guān)兩端的零電壓(即，ZVS)。下面參考圖2更詳細(xì)地討論UPS 100提供ZVS的操作。

圖2包括示出根據(jù)至少一個實施例的UPS 100的切換循環(huán)的圖。圖2包括第一圖200和第二圖250，第一圖200示出在UPS 100的多個切換周期上的在UPS 100中的不同電流，并且第二圖250示出UPS 100在UPS 100的多個切換周期上的不同的控制信號。

第一圖200包括第一跡線202、第二跡線204和第三跡線206，第一跡線202示出在PFC開關(guān)的升壓二極管(即，第一開關(guān)112或第二開關(guān)114的內(nèi)部二極管148)中的電流，第二跡線204示出在逆變器開關(guān)(即，第五開關(guān)120或第六開關(guān)122)中的電流，并且第三跡線206示出在DC電容器(即，第一電容器132或第二電容器134)和DC開關(guān)(即，第九開關(guān)128或第十開關(guān)130)中的電流。第二圖250包括第一跡線252、第二跡線254和第三跡線256，第一跡線252示出從控制器152到PFC零點開關(guān)(即，第三開關(guān)116或第四開關(guān)118)的柵極的控制信號，第二跡線254示出從控制器152到逆變器開關(guān)(即，第五開關(guān)120或第六開關(guān)122)的柵極的控制信號，并且第三跡線256示出從控制器152到DC開關(guān)(即，第九開關(guān)128或第十開關(guān)130)的柵極的控制信號。

控制器152在同步切換時期上使PFC零點開關(guān)(即，第三開關(guān)116或第四開關(guān)118)的接通與逆變器開關(guān)(即，第五開關(guān)120或第六開關(guān)122)的關(guān)斷同步。在一個實施例中，控制器152在PFC零點開關(guān)(即，第三開關(guān)116或第四開關(guān)118)的接通與逆變器開關(guān)(即，第五開關(guān)120或第六開關(guān)122)的關(guān)斷之間引入相對小的延遲。例如，如在圖2中的第二圖250中顯示，在第一時間208處，來自控制器152的高控制信號252將PFC零點開關(guān)(即，第三開關(guān)116或第四開關(guān)118)接通。在相對小的延遲后并且在第二時間210處，來自控制器的低控制信號254將逆變器開關(guān)(即，第五開關(guān)120或第六開關(guān)122)關(guān)斷。在一個實施例中，在第一時間208和第二時間210之間的延遲是500ns左右；然而，在其他實施例中，可以不同地限定在第一時間208和第二時間210之間的延遲。

控制器152還將高控制信號256傳輸?shù)紻C開關(guān)(即，第九開關(guān)128或第十開關(guān)130)，以將DC開關(guān)通常保持在接通狀態(tài)。在PFC零點開關(guān)和逆變器開關(guān)的同步切換時期附近(即，在第一時間208和第二時間210附近)，控制器152將DC開關(guān)(即，第九開關(guān)128或第十開關(guān)130)關(guān)斷。例如，如在圖2中的第二圖250中顯示，在第三時間212(發(fā)生在第一時間208之前)處，控制器152將低控制信號256傳輸?shù)紻C開關(guān)(即，第九開關(guān)128或第十開關(guān)130)，以將DC開關(guān)關(guān)斷。根據(jù)一個實施例，第三時間212發(fā)生在第一時間208的500ns之前；然而，在其他實施例中，可以不同地限定在第三時間212和第一時間208之間的延遲。

在第四時間214(發(fā)生在第二時間210之后)處，控制器152將高控制信號256傳輸?shù)紻C開關(guān)，以將DC開關(guān)重新接通。根據(jù)一個實施例，控制器152可以等到在逆變器開關(guān)(即，第五開關(guān)120或第六開關(guān)122)中的一個逆變器開關(guān)接通為止，再重新接通DC開關(guān)(即，保持DC開關(guān)處于斷開狀態(tài))。在第二圖250中通過點線257來顯示這一操作，并且開關(guān)以這種方式的操作可以進(jìn)一步降低切換損耗。

如在第一圖200中所見，歸因于升壓變換器的性質(zhì)，PFC升壓二極管的電流202就在PFC零點開關(guān)(即，第三開關(guān)116或第四開關(guān)118)在第一時間208處接通之前處于低點處。類似地，歸因于降壓變換器的性質(zhì)，逆變器開關(guān)(即，第五開關(guān)120或第六開關(guān)122)中的電流204就在PFC零點開關(guān)(即，第三開關(guān)116或第四開關(guān)118)在第一時間208處接通之前處于高點處(即，大于PFC升壓二極管電流202)。例如，在一個實施例中，就在PFC零點開關(guān)(即，第三開關(guān)116或第四開關(guān)118)在第一時間208處接通之前，逆變器開關(guān)(即，第五開關(guān)120或第六開關(guān)122)中的電流204比PFC升壓二極管的電流202高30A；然而，在其他實施例中，可以不同地限定在逆變器電流和PFC電流之間的差異。因此，就在PFC零點開關(guān)(即，第三開關(guān)116或第四開關(guān)118)在第一時間208處接通之前，電流206從DC總線136、138經(jīng)由DC開關(guān)(即，第九開關(guān)128和第十開關(guān)130)被汲取到“浮動”DC總線140、142。

如以上討論的，DC開關(guān)(即，第九開關(guān)128和第十開關(guān)130)在PFC零點開關(guān)和逆變器開關(guān)的同步切換時期之前(即，在第三時間212處)關(guān)斷，并且在同步切換時期之后(即，在第四時間214處)接通。通過關(guān)斷DC開關(guān)(即，第九開關(guān)128和第十開關(guān)130)，同時DC開關(guān)將電力傳遞到“浮動”DC總線140、142(例如，在第三時間212處)，在“浮動”DC總線140、142上的電壓降到零。

例如，如在第一圖200的第三跡線206中所見，就在同步切換時期之前(即，在第三時間212處)，當(dāng)PFC升壓二極管的電流202處于其最低處并且在逆變器開關(guān)(即，第五開關(guān)120或第六開關(guān)122)中的電流204處于其最高處時，將電力從DC總線136、138傳遞到“浮動”DC總線140、142。一旦DC開關(guān)(即，第九開關(guān)128和第十開關(guān)130)關(guān)斷，PFC變換器101便不能將足夠的電力傳遞到逆變器103，并且由于剩余的逆變器電流在逆變器零點開關(guān)(ZPS)(即，第七開關(guān)124和第八開關(guān)126)中被迫慣性滑動(free-wheel)，所以在“浮動”DC總線140、142上的電壓降到零。

當(dāng)PFC零點開關(guān)(即，第三開關(guān)116或第四開關(guān)118)在第一時間208處接通并且逆變器開關(guān)(即，第五開關(guān)120或第六開關(guān)122)在第二時間210處關(guān)斷時，在每個開關(guān)兩端的電壓是零，造成ZVS和降低的切換損耗。通過在PFC開關(guān)接通并且逆變器開關(guān)關(guān)斷時引入ZVS，降低了UPS 100的切換損耗，實現(xiàn)了UPS 100更高的整體效率。

如以上討論的，在切換時期期間，UPS 100的部分102、104、106的PFC零點開關(guān)(即，第三開關(guān)116或第四開關(guān)118)和逆變器開關(guān)(即，第五開關(guān)120或第六開關(guān)122)的切換是同步的；然而，在UPS 100是3相UPS的情況下，在UPS的所有三相上的PFC零點開關(guān)和逆變器開關(guān)的切換是同步的，使得接通在UPS 100中的所有PFC零點開關(guān)(即，第三開關(guān)116或第四開關(guān)118)與關(guān)斷在UPS 100中的所有逆變器開關(guān)(即，第五開關(guān)120或第六開關(guān)122)同時或者略早于關(guān)斷在UPS 100中的所有逆變器開關(guān)(即，第五開關(guān)120或第六開關(guān)122)。通過在UPS 100上同步每個PFC零點開關(guān)和每個逆變器開關(guān)，由UPS 100的每個部分102、104、106(即，每相)“共享”的DC開關(guān)(即，第九開關(guān)128和第十開關(guān)130)被操作以在UPS 100的每相(即，在每部分中)上的PFC開關(guān)接通并且逆變器開關(guān)關(guān)斷時引入ZVS。

根據(jù)一個實施例，UPS 100包括用于電池操作的DC-DC變換器。例如，根據(jù)在圖3中顯示的一個實施例，其中，類似的參考數(shù)字指的是與圖1的類似的部件，UPS 100包括DC-DC變換器302。

DC-DC變換器302包括第十一開關(guān)310、第十二開關(guān)312、第十三開關(guān)314和第十四開關(guān)316。根據(jù)一個實施例，開關(guān)310-316是600V IGBT；然而，在其他實施例中，IGBT 310-316的額定值可以不同，或者可以采用不同類型的開關(guān)。每個開關(guān)310-316包括在其集電極和發(fā)射極之間的內(nèi)部二極管318。另外，如以上討論的，UPS 100的第一開關(guān)112(例如，如在圖1中顯示的)已由二極管304代替。

第十一開關(guān)310的集電極耦合于正“浮動”DC總線140。第十一開關(guān)310的發(fā)射極耦合于第十二開關(guān)312的集電極。第十二開關(guān)312的發(fā)射極耦合于中性點144。第十三開關(guān)314的集電極還耦合于中性點144。第十三開關(guān)314的發(fā)射極耦合于第十四開關(guān)316的集電極。第十四開關(guān)316的發(fā)射極耦合于負(fù)“浮動”DC總線142。正DC-DC變換器線路306耦合于第十一開關(guān)310的發(fā)射極和第十二開關(guān)312的集電極。正DC-DC變換器線路306還被配置成耦合于電池的正極。負(fù)DC-DC變換器線路308耦合于第十三開關(guān)314的發(fā)射極和第十四開關(guān)316的集電極。負(fù)DC-DC變換器線路308還被配置成耦合于電池的負(fù)極。

在電池操作模式中(例如，當(dāng)從電源接收的AC電力不夠時)，DC-DC變換器302經(jīng)由正DC-DC變換器線路306和負(fù)DC-DC變換器線路308從電池接收備用DC電力，并且向“浮動”DC總線140、142提供經(jīng)調(diào)節(jié)的DC電力?？刂破?52操作DC-DC變換器302的開關(guān)310-316，以向“浮動”DC總線140、142提供理想的DC電力。通過將DC-DC變換器302耦合于具有零電壓的“浮動”DC總線140、142(即，當(dāng)DC開關(guān)128、130關(guān)斷時)，只要在同步切換點處(例如，在時間208處)對于每個DC總線的總的逆變器電流大于DC-DC變換器電流，則有可能在電池操作中的升壓開關(guān)(即，第十二開關(guān)312或第十三開關(guān)314)接通期間獲得ZVS。類似地，在充電操作期間(即，在正常操作同時采用源自AC電源的充電電力為電池充電期間)在第十一開關(guān)310或者第十四開關(guān)316關(guān)斷期間能夠獲得ZVS。

如以上描述的，在系統(tǒng)的每相上PFC零點開關(guān)和逆變器開關(guān)的操作(即，接通和關(guān)斷)是同步的。控制器152向每個開關(guān)的柵極提供脈寬調(diào)制(PWM)信號，以使每個開關(guān)的操作同步。在一個實施例中，通過電流參考信號與固定斜波(ramp)波形的比較來生成PWM信號。例如，圖4是示出根據(jù)至少一個實施例的PWM信號生成的圖400?？刂破?52將電流參考信號402與鋸齒波形404比較，以生成同步關(guān)斷PWM信號405。同步關(guān)斷PWM信號405包括高部406(其對應(yīng)于鋸齒波形404大于電流參考信號402的時候)和低部408(其對應(yīng)于鋸齒波形404小于電流參考信號402的時候)，并且同步關(guān)斷PWM信號405由控制器152傳輸，以同步關(guān)斷某些開關(guān)(例如，每相的逆變器開關(guān))。對應(yīng)的同步接通PWM信號也可以由控制器152通過將鋸齒波形404逆變來生成。這一同步接通PWM信號由控制器152傳輸，以同步打開某些開關(guān)(例如，每相的PFC零點開關(guān))。在其他實施例中，可以采用不同類型的波形或者方法來生成PWM信號。

圖5示出形成可被配置成實施本文公開的一個或多個方面的系統(tǒng)500的計算部件的示例框圖。例如，系統(tǒng)500可以通信性地耦合于控制器或者被包括在控制器內(nèi)，和/或系統(tǒng)500被配置成如以上討論地使耦合于數(shù)據(jù)中心的每相的負(fù)載平衡。

系統(tǒng)500可以包括例如通用計算平臺，諸如，基于英特爾PENTIUM類型處理器的、摩托羅拉PowerPC的、Sun UltraSPARC的、德州儀器-DSP的、惠普PA-RISC處理器的或者任何其他類型處理器的通用計算平臺。系統(tǒng)500可以包括專門編程的專用硬件，例如，專用集成電路(ASIC)?？梢詫⒈竟_的各個方面實施為在系統(tǒng)500(諸如，在圖5中顯示的系統(tǒng))上執(zhí)行的專用軟件。

系統(tǒng)500可以包括連接于一個或多個存儲器設(shè)備510(諸如，磁盤驅(qū)動器、存儲器、閃存或者用于儲存數(shù)據(jù)的其他設(shè)備)的處理器/ASIC 506。例如，在一個實施例中，系統(tǒng)500包括由英國劍橋的ARM Holdings制造的Cortex-M4處理器；然而，在其他實施例中，可以采用其他合適的處理器。

存儲器510可以用于在系統(tǒng)500的操作期間儲存程序和數(shù)據(jù)。計算機(jī)系統(tǒng)500的部件可以通過互連機(jī)構(gòu)508耦合，互連機(jī)構(gòu)508可以包括一個或多個總線(例如，在集成在相同機(jī)器內(nèi)的部件之間的總線)和/或網(wǎng)絡(luò)(例如，在駐留在分離的機(jī)器上的部件之間的網(wǎng)絡(luò))?；ミB機(jī)構(gòu)508實現(xiàn)了在系統(tǒng)500的部件之間交換通信(例如，數(shù)據(jù)、指令)。

系統(tǒng)500還包括一個或多個輸入設(shè)備504，輸入設(shè)備504可以包括例如鍵盤或觸摸屏。系統(tǒng)500還包括一個或多個輸出設(shè)備502，輸出設(shè)備502可以包括例如顯示器。另外，除了互聯(lián)機(jī)構(gòu)508之外或作為互連機(jī)構(gòu)508的替代物，計算機(jī)系統(tǒng)500可以包含可將計算機(jī)系統(tǒng)500連接至通信網(wǎng)絡(luò)的一個或多個接口(未顯示)。

系統(tǒng)500可以包括儲存系統(tǒng)512，儲存系統(tǒng)512可以包括其中可以儲存信號的計算機(jī)可讀的和/或可寫入的非易失性介質(zhì)，以提供將要由處理器執(zhí)行的程序，或者提供將要由程序處理的儲存在介質(zhì)上或者介質(zhì)中的信息。介質(zhì)可以例如是磁盤或者閃存，并且在一些示例中，介質(zhì)可以包括RAM或者其他非易失性存儲器，諸如，EEPROM。在一些實施例中，處理器可以使數(shù)據(jù)從非易失性介質(zhì)中被讀取到允許與介質(zhì)相比通過處理器/ASIC更快地訪問信息的另一個存儲器510。這個存儲器510可以是易失性的隨機(jī)存取存儲器，諸如，動態(tài)隨機(jī)存取存儲器(DRAM)或者靜態(tài)存儲器(SRAM)。其可以位于儲存系統(tǒng)512中，或者位于存儲器系統(tǒng)510中。處理器506可以操縱在集成電路存儲器510內(nèi)的數(shù)據(jù)，并且在處理完成后，隨后將數(shù)據(jù)復(fù)制到儲存器512。用于管理在儲存器512和集成電路存儲器元件510之間的數(shù)據(jù)移動的各個機(jī)構(gòu)是已知的，并且本公開并不限于此。本公開不限于特定的存儲器系統(tǒng)510或者儲存系統(tǒng)512。

系統(tǒng)500可以包括使用高級計算機(jī)編程語言可編程的通用計算機(jī)平臺。系統(tǒng)500還可以使用專門編程的專用硬件(例如，ASIC)來實施。系統(tǒng)500可以包括處理器506，處理器506可以是可商購得到的處理器，諸如，可以從英特爾公司得到的馳名的Pentium類處理器。很多其他的處理器是可用的。處理器506可以執(zhí)行操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)可以是例如可以從微軟公司得到的Windows操作系統(tǒng)、可以從蘋果計算機(jī)得到的MAC OS System X、可以從Sun Microsystems得到的Solaris操作系統(tǒng)、或者可以從各個來源得到的UNIX和/或LINUX。可以使用很多其他操作系統(tǒng)。

處理器和操作系統(tǒng)可以一起形成計算機(jī)平臺，對于該計算機(jī)平臺可以以高級編程語言形式的編寫應(yīng)用程序。應(yīng)理解的是，本公開并不限于特定的計算機(jī)系統(tǒng)平臺、處理器、操作系統(tǒng)或者網(wǎng)絡(luò)。另外，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)明顯的是，本公開并不限于專門編程的語言或者計算機(jī)系統(tǒng)。另外，應(yīng)認(rèn)識到，還可以使用其他合適的編程語言和其他合適的計算機(jī)系統(tǒng)。

除了ZVS之外，UPS 100還可以提供另一個益處。通常，在涉及半橋的電路(諸如，逆變器應(yīng)用)中，有擊穿的風(fēng)險。擊穿通常發(fā)生在互補(bǔ)型逆變器開關(guān)(例如，第五開關(guān)120和第六開關(guān)122)由于故障(例如，諸如，出現(xiàn)故障的柵極驅(qū)動器、非故意的控制信號、出現(xiàn)故障的半導(dǎo)體等)而同時打開的時候。互補(bǔ)型開關(guān)的這個同時的打開可以將DC總線短路，并且造成對部件的損害以及由于產(chǎn)生的高峰值電流和功率損耗而造成的潛在電弧閃光。通常通過實施包括能夠檢測開關(guān)在活動區(qū)中是否被驅(qū)動的去飽和功能的、更先進(jìn)的柵極驅(qū)動器來降低擊穿的風(fēng)險。這種柵極驅(qū)動器更復(fù)雜、具有更多部件、并且更昂貴，并且在標(biāo)準(zhǔn)UPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的情況下，這種柵極驅(qū)動器需要被布置在所有逆變器開關(guān)上，以獲得全擊穿保護(hù)。然而，在UPS 100中，因為有可能通過關(guān)斷DC開關(guān)128、130來切斷DC總線，所有也有可能通過僅將去飽和柵極驅(qū)動器添加到第九開關(guān)128和第十開關(guān)130來實現(xiàn)全擊穿保護(hù)。

如以上描述的，在三相UPS系統(tǒng)中采用UPS 100；然而，在其他實施例中，也可以在單相UPS系統(tǒng)中采用UPS 100。在其他實施例中，UPS 100

如以上描述的，就在PFC零點開關(guān)(即，第三開關(guān)116或第四開關(guān)118)打開之前，逆變器開關(guān)(即，第五開關(guān)120或第六開關(guān)122)中的電流204通常比PFC升壓二極管的電流202更大；然而，在其他實施例中，PFC升壓二極管電流202可以比在逆變器開關(guān)中的電流204更大。在這一實施例中，可以獲得ZVS以用于關(guān)斷逆變器開關(guān)(即，第五開關(guān)120或第六開關(guān)122)。同樣在這一實施例中，PFC升壓二極管(即，第一開關(guān)112的內(nèi)部二極管148)與DC開關(guān)(即，第九開關(guān)128)的體二極管150串聯(lián)同時被整流，這導(dǎo)致降低的反向恢復(fù)損耗。

如以上描述的，UPS 100是基于NPC-2的3級UPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；然而，在其他實施例中，可以在其他類型的UPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(例如，NPC-1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或者2級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(例如，在與圖1中顯示的類似的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，其中，第三開關(guān)116、第四開關(guān)118、第七開關(guān)124和第八開關(guān)126被省略))中采用類似的配置。

本文描述的至少一些實施例提供了3級UPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其降低了整體切換損耗(即，提供了更高的效率)。3級UPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過操作由UPS的所有相“共享”的、與DC總線“串聯(lián)”的DC開關(guān)電路，引入ZVS。“共享”的DC開關(guān)電路被操作以在開關(guān)打開期間將PFC開關(guān)兩端的電壓驅(qū)動為零，并且在開關(guān)關(guān)斷期間將逆變器開關(guān)兩端的電壓驅(qū)動為零，從而采用有限數(shù)量的額外部件降低了切換損耗并且實現(xiàn)了更高的整體效率。

以上已經(jīng)描述了至少一個實施例的幾個方面，應(yīng)認(rèn)識到，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，各種改變、修改和改進(jìn)是容易想到的。這種改變、修改以及改進(jìn)旨在成為本公開的一部分，并且旨在位于本公開的范圍內(nèi)。因此，前述的描述和附圖僅是舉例說明，并且本公開內(nèi)容的范圍應(yīng)當(dāng)從所附的權(quán)利要求及其等價物的正確解釋中確定。