專利名稱：用于不間斷電源的充電電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及一種改進的不間斷電源(UPS)，其中包括新型電池充電器和緩沖器電路。
背景技術(shù)：
不間斷電源被用于在主公用電源不可用的“緊急”狀態(tài)下向負載提供電能，例如，由于線路故障。UPS拓撲結(jié)構(gòu)是眾所周知的。它們一般采用60Hz的變壓器并且需要大容量蓄電器。由于這些部件的實際尺寸和成本較大，因此本發(fā)明的一個目的是消除對這種60Hz變壓器和大容量蓄電器的需求。本發(fā)明的另一個目的是提供一種UPS拓撲結(jié)構(gòu)，其中主開關(guān)元件連接到中性點，因為這種參考開關(guān)容易由該信號所控制，而不采用變壓器或者其他隔離裝置。另外，門驅(qū)動電路僅僅需要單個電源，從而減小復(fù)雜性和成本。另外，本發(fā)明的一個目的是提供一種具有最小部件數(shù)的UPS拓撲結(jié)構(gòu)。
發(fā)明概要根據(jù)本發(fā)明一個優(yōu)選實施例的不間斷電源(UPS)包括變壓器；低壓轉(zhuǎn)換器(02)，其中包括提供直流電壓的電池、第一開關(guān)器件(Q3)、第二開關(guān)器件(Q4)、以及用于把該開關(guān)器件在導(dǎo)通狀態(tài)與不導(dǎo)通狀態(tài)之間變換的第一驅(qū)動裝置(41、42)；整流器，用于把在次級線圈上的第一交流電壓轉(zhuǎn)換為在第一輸出端的第一高直流電壓(V，其中V是所需的輸出電壓)和在第二輸出端的第二高直流電壓(-V)；耦合電感器，其包括通過二極管(D2)有效連接到電池的第一線圈(63)、有效連接到整流器的第一輸出端的第二線圈(61)、以及有效連接到整流器的第二輸出端的第三線圈(62)；緩沖器電路；以及已有產(chǎn)生輸出電壓波形的高壓變換器(01)。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，該緩沖器電路包括與電阻器(R3)和二極管(D1)的并聯(lián)組合相串聯(lián)的電容器(C3)。第一驅(qū)動裝置以在10倍基頻和約100kHz之間的范圍內(nèi)的某一頻率交替驅(qū)動第一和第二開關(guān)器件在導(dǎo)通狀態(tài)與不導(dǎo)通狀態(tài)之間變換，該頻率最好是大約20kHz(重要的是更高的頻率能夠減小變壓器的尺寸)。另外，輸出電壓波形是準(zhǔn)方波，并且具有大約60Hz的頻率，并且電池電壓是大約12伏直流電，而輸出電壓在+160和-160伏之間變化。
本發(fā)明的其他特征在下文中描述。
附圖簡述

圖1簡要示出改進的UPS拓撲結(jié)構(gòu)，其中包括根據(jù)本發(fā)明的充電器和緩沖器。
圖2示出在節(jié)點70和72的電壓波形和在UPS的Q1和Q2中的電流波形。
圖3示出在UPS的電池轉(zhuǎn)換器的節(jié)點31和32上的電壓波形。
圖4示出在電池“空載時間”中在Q1和D2中的電流波形。
優(yōu)選實施例詳述在此描述本發(fā)明的充電器和緩沖器電路，其實施于上述共同未決專利申請第＿號，“頻率轉(zhuǎn)換器和采用該轉(zhuǎn)換器的改進不間斷電源”(代理人摘要EXEL-0366)中所述的UPS拓撲結(jié)構(gòu)中。圖1是改進電路的電路圖。在此有兩種工作模式，在下文中具體描述。第一模式是作為充電器，第二模式是作為緩沖器。添加到公開于上述共同未決專利申請中的UPS拓撲結(jié)構(gòu)的元件是電容器C2和C3、二極管D1和D2、電阻器R3、和具有耦合線圈61、62和63(即，線圈61、62和63繞在公共鐵芯上)的電感器60。緩沖器電路包括二極管D1、電阻器R3和電容器C3。該充電器電路包括具有耦合線圈61、62和63的電感器60和二極管D2。(該二極管跨接晶體管Q1和Q2，允許感應(yīng)電流反向流動。這種反并聯(lián)二極管是眾所周知的)。
下面對UPS拓撲結(jié)構(gòu)作一般描述，然后具體描述充電器和緩沖器的操作。
UPS拓撲結(jié)構(gòu)本發(fā)明的UPS拓撲結(jié)構(gòu)在幾個方面脫離以往的設(shè)計。首先，變壓器(T)不直接連接到“恒”電壓源，如圖1中所示。該電路除了充電器和緩沖器之外包括三個主要部分。第一部分01是高電壓輸出部分，也稱為高壓變換器，并且包括晶體管Q1、Q2；電阻器R1、R2；和由微處理器100所控制的門驅(qū)動電路43、44。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中的門驅(qū)動電路43、44包括連接到微處理器的分立部件。(這種門驅(qū)動電路在本領(lǐng)域內(nèi)是眾所周知的，因此不在本說明書中具體描述。)第二部分02是低壓電池轉(zhuǎn)換器部分，其包括電池(B)(例如，12V電池)；一對晶體管Q3、Q4；以及相應(yīng)門驅(qū)動電路41、42(例如，Unitrode UCC 3806集成電路)。電池轉(zhuǎn)換器部分02通過轉(zhuǎn)換器和橋路整流器連接到高壓變換器01，如圖所示。第三部分50是在正常和緊急操作之間切換的轉(zhuǎn)換裝置。在正常操作過程中，負載連接到公用線路，并且在緊急操作過程中該負載連接到UPS。轉(zhuǎn)換裝置檢測緊急(線路電能缺失)和把負載切換到UPS的方式是眾所周知的，從而不在此描述。
電池轉(zhuǎn)換器01被調(diào)制于近似低線路頻率的第一頻率。該調(diào)制使得電池轉(zhuǎn)換器在周期部分時間中工作，而在其該周期的其他時間中停止電池轉(zhuǎn)換器，如圖3中所示。為了在負載上產(chǎn)生60Hz的輸出波形，該調(diào)制將以120Hz的頻率進行。當(dāng)該電池轉(zhuǎn)換器工作時，晶體管Q3和Q4在導(dǎo)通(ON)部分中以推挽式結(jié)構(gòu)工作，并具有50％的占空比。該第二頻率遠高于線路頻率。一個典型的工作頻率是在15kHz和100kHz之間，并且最好為20kHz。當(dāng)電池轉(zhuǎn)換器工作是，變壓器的次級線圈和整流器將在節(jié)點12和14之間產(chǎn)生一直流電壓。該直流電壓是所需輸出電壓“V”的兩倍。例如，節(jié)點12和14之間的電壓差可以是320V直流電壓(其中所需輸出電壓是160伏)。
在高壓輸出部分01中，晶體管Q1和Q2交替導(dǎo)通，以把直流電壓施加到該負載。當(dāng)Q1導(dǎo)通時，正直流電壓端12通過電阻器R1連接到中性點。高壓的中央抽頭現(xiàn)在處于-V。該負電壓在電池轉(zhuǎn)換器工作的導(dǎo)通周期中施加到該負載節(jié)點16。當(dāng)電池轉(zhuǎn)換器停止時，通過同時導(dǎo)通Q1和Q2，使得電壓-V有效地從該負載上消除。這有效地短路該負載并產(chǎn)生低阻抗0。對于電感性負載需要防止在節(jié)點16處的負載電壓不受控制地變化。剛好在電池轉(zhuǎn)換器重新開始工作之前，晶體管Q1切換到不導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)電池轉(zhuǎn)換器在此時工作時，在節(jié)點14上的負電壓連接到中性點，并且在高壓線圈的中央抽頭處的電壓處于+V電勢。如上文所述，該電壓在電池轉(zhuǎn)換器工作過程中施加到該負載。另外，當(dāng)電壓轉(zhuǎn)換器停止時，電壓+V被有效地消除，以產(chǎn)生低阻抗零電壓。該事件序列以第一頻率重復(fù)進行，從而在負載上產(chǎn)生幅度V的準(zhǔn)方波電壓。所述的電壓如圖3中所示。
電阻器R1和R2對晶體管Q1和Q2提供電流保護。在低阻抗0和輸出電容器C的充電過程中，電流可以流過，這有可能損壞晶體管。插入在Q1和Q2的源極連接中的電阻器R1和R2將在破壞電流流過之前減小柵極電壓。減小的柵極電壓將使得晶體管工作在線性區(qū)域，從而限制晶體管中的電流。
當(dāng)線路電壓足以直接驅(qū)動負載時，電池轉(zhuǎn)換器部分和高壓輸出部分停止工作，并且公用電線直接通過轉(zhuǎn)接裝置50連接到負載。
充電器的操作(參見圖1和2)在正常工作中，線路電壓通過轉(zhuǎn)接裝置50施加到負載。晶體管Q3和Q4截止。在線路電壓的正向部分過程中，Q1導(dǎo)通。線路電壓施加到電感器60的線圈61上。與此同時，等于線圈61上的電壓的一個電壓出現(xiàn)在電感器60的線圈62上，這使得電流流過晶體管Q1和Q2來對電容器C2進行充電。在電容器C2充電之后，電流開始在電感器60的線圈61中增加。在增加電流的周期中，二極管D2反向偏置。電流將增加直到到達所需的峰值電流。在所需電流中，晶體管Q1切換為截止。當(dāng)晶體管切換為截止時，電感器上的電壓反向，使得電感器60的線圈63正向偏置二極管D2。通過把其耦合到電池，這使得所存儲的能量得到恢復(fù)。一旦電感器電流達到最小電流，晶體管Q1再次導(dǎo)通，并且只要線路電壓為正則該循環(huán)重復(fù)進行。當(dāng)線路電壓為負時，通過使用晶體管Q2可以使充電器操作繼續(xù)進行，以增加電感器60的線圈62中的電流。另外，一旦達到所需峰值電流，晶體管Q2截止，并且電感器60的線圈63通過二極管D2傳導(dǎo)電流，以恢復(fù)所存儲的電感器能量。應(yīng)當(dāng)注意，由于沒有使鐵芯重置的裝置，因此高頻變壓器在重復(fù)使晶體管導(dǎo)通之后變?yōu)轱柡?。這有效地從該電路中取消變壓器，本質(zhì)上把電感器60直接連接到公用電線上。
如圖2中所示，開關(guān)設(shè)備Q1在t0時導(dǎo)通，在節(jié)點12上具有線路電壓。線路電壓被施加到電感器60的線圈61上。當(dāng)C2通過電感器60的互耦合線圈62充電時，電流出現(xiàn)在Q2中。在C2充電之后(t1)，我們可以看見在線圈61中的電流增加，直到Q1在t2截止。存儲在電感器60中的能量通過線圈63和二極管D2釋放到電池。
緩沖器的操作如上文所述，在緊急情況中，該線路被轉(zhuǎn)接裝置50從負載上除去，并且電池轉(zhuǎn)換器02開始工作。當(dāng)電池轉(zhuǎn)換器工作時，變壓器的一些不耦合泄漏電感將存儲能量。該能量必須被消耗或者恢復(fù)，否則它趨向于使得電容器C上的電壓增加到不允許的電平，特別是在小負載的情況下。把電感器60導(dǎo)入到該電路中將恢復(fù)存儲在泄漏電感中的大部分能量。為了使得該電路恢復(fù)該能量，電容器C3將比電容器C2大得多，C2將被選擇以與泄漏電感諧振，并且應(yīng)當(dāng)選擇該頻率使得能量在晶體管Q3和Q4不導(dǎo)通的空載時間中恢復(fù)。在Q3導(dǎo)通過程中，能量存儲在高頻變壓器(T)的泄漏電感中。當(dāng)晶體管Q3截止時，在Q4導(dǎo)通之前具有小的延遲。在此時，電流將流入電容器C2，增加電感器60的線圈61上的電壓。如上文所述，隨著正電壓施加在線圈61上，電流將在電感器60的線圈61中產(chǎn)生。在變壓器中的泄漏將轉(zhuǎn)移到電感器60。當(dāng)電壓開始下降時電感器60的線圈上的正電壓減小，用于電感器60的線圈63將正向偏置二極管D2，并且能量將返回到該電池。在電池轉(zhuǎn)換器工作時，充電和放電的循環(huán)對輸入電壓的正半周期重復(fù)進行。利用線圈62取代線圈61，在輸出電壓的負半周期過程中出現(xiàn)類似的循環(huán)。圖4以在電池轉(zhuǎn)換器“空載時間”過程中Q1和D2中的電流波形示出緩沖器的操作。實際波形具有電流振蕩，這沒有在圖中示出。
本發(fā)明和隨后權(quán)利要求書的保護范圍不限于上述的特定優(yōu)選實施例。例如(1)電池的負極連接到線路中性點，這樣我們可以使所需提供的功率數(shù)最小?？梢园央姵剡B接到“地”，并且提供隔離的電池控制。還可以把電池的一端連接到中性點，以實現(xiàn)減小控制復(fù)雜度的目的(優(yōu)選實施例)。
(2)對于上述晶體管，我們采用具有內(nèi)部反并聯(lián)二極管的MOSFET?？梢允褂闷渌骷缇哂蟹床⒙?lián)二極管的IGBT。
(3)除了在說明書中描述的推挽式電池轉(zhuǎn)換器，還可以采用橋路轉(zhuǎn)換器，其特征在于四個開關(guān)元件和單個初級線圈取代所述的中央抽頭線圈。
(4)輸出可以被設(shè)置和濾波以產(chǎn)生一個正弦波輸出波形。
(5)電池可以在線路電壓波形的正、負部分或者兩個部分中充電。
(6)可以采用具有多個次級線圈的變壓器來產(chǎn)生多于一相的高壓。
權(quán)利要求
1．一種不間斷電源(UPS)，包括(a)具有初級線圈和次級線圈的變壓器；(b)低壓轉(zhuǎn)換器(02)，包括提供有效耦合到所述變壓器的初級線圈的直流電壓的電池，從而在所述變壓器的次級線圈兩端產(chǎn)生第一交流電壓差；(c)高壓變壓器(01)，包括適合于在緊急狀態(tài)下連接在負載兩端的第一和第二負載端；晶體管Q1和另一個晶體管Q2，其中所述晶體管Q1和Q2可從導(dǎo)電狀態(tài)切換到非導(dǎo)電狀態(tài)，反之亦然，以在連接負載時，在所述負載端上產(chǎn)生輸出電壓波形，所述輸出電壓的特征在于其幅度在正峰值(V)與負峰值(-V)之間變化；以及(d)耦合電感裝置(60)包括有效連接到所述電池上的第一線圈(63)，以及至少一個有效連接到所述高壓變換器上的第二線圈(61，62)，其中所述第一和第二線圈繞在公共鐵芯上。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的不間斷電源，其中還包括有效耦合到所述第二和第三電感器的緩沖器電路。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的不間斷電源，其特征在于，晶體管Q3、另一個晶體管Q4、以及第一驅(qū)動裝置(41、42)，其用于驅(qū)動所述晶體管Q3和Q4在導(dǎo)通狀態(tài)與不導(dǎo)通狀態(tài)之間變換；其中Q3有效連接到所述變壓器的所述初級線圈的第一端，Q4有效連接到所述初級線圈的第二端，并且所述電池有效連接到所述初級線圈的第三端。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的不間斷電源，其中還包括整流器，其具有第一和第二輸出端(12、14)，用于把次級線圈上的所述第一交流電壓轉(zhuǎn)換為在所述第一輸出端的第一高直流電壓(V)和在所述第二輸出端的第二高直流電壓(-V)。
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的不間斷電源，其中還包括有效連接到所述負載端的輸出電容(C)。
6．根據(jù)權(quán)利要求1所述的不間斷電源，其特征在于，所述輸出電壓是準(zhǔn)方波。
7．根據(jù)權(quán)利要求1所述的不間斷電源，其特征在于，所述晶體管Q3和Q4被以大約20kHz的頻率交替從所述導(dǎo)通狀態(tài)驅(qū)動到不導(dǎo)通狀態(tài)；其中所述輸出電壓是具有約60Hz的頻率的準(zhǔn)方波；并且該電池電壓約為12伏直流電壓，并且該準(zhǔn)方波輸出電壓在+160伏和-160伏之間。
8．一種不間斷電源(UPS)，其中包括(a)具有初級線圈和次級線圈的變壓器；(b)低壓轉(zhuǎn)換器(02)，其包括提供直流電壓的電池、第一開關(guān)器件(Q3)、第二開關(guān)器件(Q4)、以及第一驅(qū)動裝置(41、42)，其用于驅(qū)動所述開關(guān)器件在導(dǎo)通狀態(tài)與不導(dǎo)通狀態(tài)之間變換，反之亦然；其中所述第一開關(guān)器件有效連接到所述變壓器的所述初級線圈的第一端，所述第二開關(guān)器件有效連接到所述初級線圈的第二端，所述電池有效地連接在所述初級線圈的第三端，從而在所述變壓器的次級線圈上產(chǎn)生第一交流電壓差；(c)整流器，其具有第一和第二輸出端(12,14)，用于把第二線圈上的所述第一交流電壓轉(zhuǎn)換為在所述第一輸出端的第一高直流電壓(V)和在所述第二輸出端上的第二高直流電壓(-V)；(d)耦合電感裝置(60)，其包括有效連接到所述電池的第一線圈(63)，有效連接到所述整流器的所述第一輸出端的第二線圈(61)，以及有效連接到所述整流器的第二輸出端的第三線圈(62)，其中所述第一、第二和第三線圈繞在公共鐵芯上；(e)有效連接到所述第二和第三電感器的緩沖器電路；以及(f)高壓轉(zhuǎn)換器(01)，其包括適合于在緊急情況下連接到負載兩端的第一和第二負載端；第三開關(guān)器件(Q1)和第四開關(guān)器件(Q2)，以及第二驅(qū)動裝置(43,44)，其用于驅(qū)動所述第三和第四開關(guān)器件在導(dǎo)通狀態(tài)與不導(dǎo)通狀態(tài)之間變換，以便于在連接負載時在所述負載端上產(chǎn)生準(zhǔn)方波輸出電壓波形，所述輸出電壓特征在于其幅度在正峰值(V)和負峰值(-V)之間變化。
9．根據(jù)權(quán)利要求8所述的不間斷電源，其特征在于，所述緩沖器電路包括與電阻器(R3)和二極管(D1)的并聯(lián)組合相串聯(lián)的電容器(C3)。
10．根據(jù)權(quán)利要求8所述的不間斷電源，其特征在于，所述第一驅(qū)動裝置以在10倍基頻到大約100kHz的之間的范圍內(nèi)的某一工作頻率交替驅(qū)動所述第一和第二開關(guān)器件從所述導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)樗霾粚?dǎo)通狀態(tài)。
11．根據(jù)權(quán)利要求10所述的不間斷電源，其特征在于，所述工作頻率約為20kHz。
12．根據(jù)權(quán)利要求8所述的不間斷電源，其特征在于，所述準(zhǔn)方波輸出電壓波形具有大約50-60Hz的頻率。
13．根據(jù)權(quán)利要求8所述的不間斷電源，其特征在于，所述第一、第二、第三和第四開關(guān)器件中的每一個由晶體管構(gòu)成。
14．根據(jù)權(quán)利要求8所述的不間斷電源，其特征在于，該電池電壓是約為12伏的直流電，并且該準(zhǔn)方波輸出電壓在+160伏和-160伏之間變化。
15．根據(jù)權(quán)利要求8所述的不間斷電源，其特征在于，所述第一驅(qū)動裝置以大約60Hz的頻率交替驅(qū)動所述第一和第二開關(guān)器件從所述導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)樗霾粚?dǎo)通狀態(tài)；其中所述第一、第二、第三和第四開關(guān)器件中的每一個包括一個晶體管；并且其中該電池電壓是大約12伏的直流電，以及該準(zhǔn)方波輸出電壓在+160伏和-160伏之間變化。
16．根據(jù)權(quán)利要求8所述的不間斷電源，其特征在于，其中還包括連接在所述第一電感器和所述電池的正端之間的二極管。
17．根據(jù)權(quán)利要求8所述的不間斷電源，其特征在于，其中還包括，與所述第三和第四開關(guān)器件(Q1、Q2)中的每一個相連接的二極管。
18．根據(jù)權(quán)利要求15所述的不間斷電源，其特征在于，所述緩沖器電路包括與電阻器(R3)和二極管(D1)的并聯(lián)組合相串聯(lián)的電容器(C3)；還包括連接在所述第一電感器和所述電池的正端之間的二極管；并且還包括與所述第三和第四開關(guān)器件(Q1、Q2)的每一個反并聯(lián)的二極管。
全文摘要
一種不間斷電源(UPS)包括低壓轉(zhuǎn)換器(02);耦合電感器(60),其中包含連接到電池的第一電感器(63)、連接到整流器的第一輸出端的第二電感器(61)、以及連接到該整流器的第二輸出端的第三電感器(62);緩沖器電路;以及高壓變換器(01)。
文檔編號H02J9/06GK1302468SQ98813304
公開日2001年7月4日 申請日期1998年11月18日 優(yōu)先權(quán)日1997年11月25日
發(fā)明者小R·W·約翰森, S·R·韋德納, J·C·保拉科尼斯, J·古塞斯基 申請人:帕爾威電力器具公司