能夠提供正弦波輸出交流電壓的不斷電電源供應(yīng)器的制作方法

專利名稱：能夠提供正弦波輸出交流電壓的不斷電電源供應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種不斷電電源供應(yīng)器，特別涉及一種能夠提供正弦波輸出交流電壓的不斷電電源供應(yīng)器。
背景技術(shù)：
隨著信息工業(yè)的迅速發(fā)展及高科技產(chǎn)業(yè)的高速擴(kuò)張，不斷電電源供應(yīng)器(uninterruptible power supply，UPS)已經(jīng)成為大量電子裝置使用的緊急電源供應(yīng)裝置。大部分的精密電子儀器與通訊設(shè)備需要依賴高品質(zhì)的電源供應(yīng)來維持正常的運作情形。目前，不斷電電源供應(yīng)器已經(jīng)成為在斷電情況下確保最佳供電品質(zhì)的一個最佳化方案。
圖1顯示公知不斷電電源供應(yīng)器的部分系統(tǒng)方框圖，其圖例說明公知不斷電電源供應(yīng)器在市電異?；蛑袛鄷r的操作。當(dāng)市電異?；蛑袛鄷r，直流-直流轉(zhuǎn)換器(DC-DC converter)21將電池23所提供的電壓轉(zhuǎn)換成升壓的直流電壓。逆變器22將這個升壓的直流電壓轉(zhuǎn)換成輸出交流電壓以便提供給負(fù)載(未顯示)。一般而言不斷電電源供應(yīng)器的輸出交流電壓是一個方波交流電壓(square-wave AC voltage)，其會對電感性負(fù)載(inductive load)，如變壓器(transformer)或電動馬達(dá)(electromotor)等造成損害。因此，高級的不斷電電源供應(yīng)器通常必須提供正弦波輸出交流電壓(sinusoidal-wave output AC voltage)輸出以確保在市電異常或中斷時負(fù)載的正常運作。然而，若要使不斷電電源供應(yīng)器能夠輸出正弦波交流電壓，不斷電電源供應(yīng)器需要復(fù)雜的線路設(shè)計才能達(dá)到，從而導(dǎo)致不斷電電源供應(yīng)器的成本增加。同時，復(fù)雜的線路設(shè)計也會增加不斷電電源供應(yīng)器的功率損耗(power loss)。
因此便需要改進(jìn)公知不斷電電源供應(yīng)器的電路設(shè)計，使其能夠在簡單的線路結(jié)構(gòu)下提供正弦波輸出交流電壓。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種不斷電電源供應(yīng)器，其能夠在市電異常或中斷時，提供正弦波輸出交流電壓。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種能夠提供正弦波輸出交流電壓的不斷電電源供應(yīng)器，其能夠以簡化的線路設(shè)計以及較佳的電源效率來提供正弦波輸出交流電壓。
本發(fā)明的一優(yōu)選實施例提出一種不斷電電源供應(yīng)器，其包含電池組；直流-直流轉(zhuǎn)換器單元，耦接至該電池組，其設(shè)定為將該電池組所提供的直流電壓轉(zhuǎn)換成全波整流的直流電壓；以及逆變器，耦接至該直流-直流轉(zhuǎn)換器單元，其設(shè)定為將該全波整流的直流電壓轉(zhuǎn)換成正弦波輸出交流電壓，其中該直流-直流轉(zhuǎn)換器單元由多個直流-直流轉(zhuǎn)換器組成，其中所述多個直流-直流轉(zhuǎn)換器的多個輸入端互相并聯(lián)后連接至該電池組，并且所述多個直流-直流轉(zhuǎn)換器的多個輸出端互相串聯(lián)后連接至該逆變器，每個直流-直流轉(zhuǎn)換器設(shè)定為將該電池組所提供的一直流電壓轉(zhuǎn)換成輸出直流電壓，其中將所述多個直流-直流轉(zhuǎn)換器的輸出直流電壓相加以形成該全波整流的直流電壓。
本發(fā)明所述的不斷電電源供應(yīng)器，還包含能量回收轉(zhuǎn)換器，耦接于該直流-直流轉(zhuǎn)換器單元的輸出端與該電池組之間，其設(shè)定為將該不斷電電源供應(yīng)器的多余能量回收至該電池組。
本發(fā)明所述的不斷電電源供應(yīng)器，其中該能量回收轉(zhuǎn)換器由直流-直流轉(zhuǎn)換器組成。
本發(fā)明所述的不斷電電源供應(yīng)器，其中該能量回收轉(zhuǎn)換器設(shè)定為在該不斷電電源供應(yīng)器以市電供應(yīng)電源時，對該電池組充電。
本發(fā)明所述的不斷電電源供應(yīng)器，還包含控制器，其設(shè)定為將該直流-直流轉(zhuǎn)換器單元所輸出的該全波整流的直流電壓與參考電壓作比較，并根據(jù)比較結(jié)果來控制該直流-直流轉(zhuǎn)換器單元、該逆變器以及該能量回收轉(zhuǎn)換器的開關(guān)切換。
本發(fā)明所述的不斷電電源供應(yīng)器，還包含能量回收轉(zhuǎn)換器，耦接于該逆變器的輸入端，其設(shè)定為將該不斷電電源供應(yīng)器的多余能量回收至該電池組。
本發(fā)明所述的不斷電電源供應(yīng)器，其中該能量回收轉(zhuǎn)換器設(shè)定為在該不斷電電源供應(yīng)器以市電供應(yīng)電源時，對該電池組充電。
本發(fā)明所述的不斷電電源供應(yīng)器，還包含數(shù)字控制器，其設(shè)定為將該直流-直流轉(zhuǎn)換器單元所輸出的該全波整流的直流電壓與參考電壓作比較，并根據(jù)比較結(jié)果來控制該直流-直流轉(zhuǎn)換器單元、該逆變器以及該能量回收轉(zhuǎn)換器的開關(guān)切換。
本發(fā)明所述的不斷電電源供應(yīng)器，其中該直流-直流轉(zhuǎn)換器單元由第一直流-直流轉(zhuǎn)換器以及第二直流-直流轉(zhuǎn)換器組成，并且在該直流-直流轉(zhuǎn)換器單元的輸出電壓的整個周期內(nèi)，該第一直流-直流轉(zhuǎn)換器和該第二直流-直流轉(zhuǎn)換器的其中之一以可變的任務(wù)周期來進(jìn)行開關(guān)切換，而另外一個直流-直流轉(zhuǎn)換器以固定的任務(wù)周期來進(jìn)行開關(guān)切換。
本發(fā)明所述的不斷電電源供應(yīng)器，其中該直流-直流轉(zhuǎn)換器單元由第一直流-直流轉(zhuǎn)換器和第二直流-直流轉(zhuǎn)換器組成，并且在該直流-直流轉(zhuǎn)換器單元的輸出電壓的整個周期內(nèi)，該第一直流-直流轉(zhuǎn)換器和該第二直流-直流轉(zhuǎn)換器都以可變的任務(wù)周期來進(jìn)行開關(guān)切換。
本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例提出一種使不斷電電源供應(yīng)器提供正弦波輸出交流電壓的方法，該方法包含下列步驟提供電池組、直流-直流轉(zhuǎn)換器單元以及逆變器，其中該直流-直流轉(zhuǎn)換器單元由多個直流-直流轉(zhuǎn)換器所組成。接著，借由該電池組提供電池電壓至該直流-直流轉(zhuǎn)換器單元。接著，將該電池電壓經(jīng)由所述多個直流-直流轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成多個輸出直流電壓。接著，將多個輸出直流電壓相加成為全波整流的直流電壓。最后，該全波整流的直流電壓經(jīng)由該逆變器轉(zhuǎn)換成正弦波輸出交流電壓。
本發(fā)明所述的方法，其中該直流-直流轉(zhuǎn)換器單元由第一直流-直流轉(zhuǎn)換器和第二直流-直流轉(zhuǎn)換器組成，該第一直流-直流轉(zhuǎn)換器經(jīng)由第一開關(guān)裝置調(diào)節(jié)作用將該電池電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，并且第二直流-直流轉(zhuǎn)換器經(jīng)由第二開關(guān)裝置調(diào)節(jié)作用將該電池電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，其中該第一開關(guān)裝置調(diào)節(jié)作用借由可變的任務(wù)周期來達(dá)到，而該第二開關(guān)裝置調(diào)節(jié)作用借由固定的任務(wù)周期來達(dá)到。
本發(fā)明所述的方法，其中該直流-直流轉(zhuǎn)換器單元由第一直流-直流轉(zhuǎn)換器和第二直流-直流轉(zhuǎn)換器組成，該第一直流-直流轉(zhuǎn)換器經(jīng)由第一開關(guān)裝置調(diào)節(jié)作用將該電池電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，并且該第二直流-直流轉(zhuǎn)換器經(jīng)由第二開關(guān)裝置調(diào)節(jié)作用將該電池電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，其中該第一開關(guān)裝置調(diào)節(jié)作用與該第二開關(guān)裝置調(diào)節(jié)作用都借由可變的任務(wù)周期來達(dá)到。
本發(fā)明所述的方法，還包含以下步驟提供能量回收裝置；以及借由該能量回收裝置將該不斷電電源供應(yīng)器的多余能量回收至該電池組。


圖1顯示公知不斷電電源供應(yīng)器的部分系統(tǒng)方框圖；圖2顯示根據(jù)本發(fā)明的不斷電電源供應(yīng)器的系統(tǒng)方框圖；圖3顯示根據(jù)本發(fā)明的不斷電電源供應(yīng)器的直流-直流轉(zhuǎn)換器單元的電路示意圖；圖4顯示根據(jù)本發(fā)明的不斷電電源供應(yīng)器的直流-直流轉(zhuǎn)換器單元與逆變器以及能量回收轉(zhuǎn)換器的第一優(yōu)選實施例的電路示意圖；圖5顯示根據(jù)本發(fā)明的不斷電電源供應(yīng)器的直流-直流轉(zhuǎn)換器單元與逆變器及能量回收轉(zhuǎn)換器的第二優(yōu)選實施例的電路示意圖；圖6顯示根據(jù)本發(fā)明的不斷電電源供應(yīng)器的直流-直流轉(zhuǎn)換器單元與逆變器以及能量回收轉(zhuǎn)換器的第三優(yōu)選實施例的電路示意圖；圖7顯示根據(jù)本發(fā)明的不斷電電源供應(yīng)器的直流-直流轉(zhuǎn)換器單元與逆變器以及能量回收轉(zhuǎn)換器的一種變形的電路示意圖；圖8(A)顯示第一直流-直流轉(zhuǎn)換器、第二直流-直流轉(zhuǎn)換器以及直流-直流轉(zhuǎn)換器單元的輸出電壓波形圖；以及圖8(B)顯示第一直流-直流轉(zhuǎn)換器、第二直流-直流轉(zhuǎn)換器以及直流-直流轉(zhuǎn)換器單元的輸出電壓波形圖。
其中，附圖標(biāo)記說明如下21直流-直流轉(zhuǎn)換器 22逆變器23電池100不斷電電源供應(yīng)器10電池組11直流-直流轉(zhuǎn)換器單元12逆變器 13能量回收轉(zhuǎn)換器14數(shù)字控制器15繼電器 16輸入濾波器111第一直流-直流轉(zhuǎn)換器112第二直流-直流轉(zhuǎn)換器 411，421，132，712，713開關(guān)裝置412高頻變壓器 413整流器電路 131變壓器133整流二極管
具體實施例方式
本發(fā)明的優(yōu)點與特征借由下面實施例配合附圖詳細(xì)說明，得到更深入的了解。
體現(xiàn)本發(fā)明的特征與優(yōu)點的優(yōu)選實施例將在后面的說明中詳細(xì)敘述。須注意的是相同的元件標(biāo)號代表相同的元件。應(yīng)理解的是本發(fā)明能夠在不同的實施例上具有各種的變化，其都不脫離本發(fā)明的范圍，并且其中的說明以及附圖標(biāo)記在本質(zhì)上用作說明，而并非用以限制本發(fā)明。
本發(fā)明的不斷電電源供應(yīng)器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)顯示于圖2。如圖2所示，本發(fā)明的不斷電電源供應(yīng)器100包含輸入濾波器(input filter)16、繼電器(relay)15、電池組(battery pack)10、直流-直流轉(zhuǎn)換器單元(DC-DC converter unit)11、逆變器(inverter)12、數(shù)字控制器(digital controller)14以及能量回收轉(zhuǎn)換器(energyrecycle converter)13。輸入濾波器16設(shè)定為將市電所供應(yīng)的輸入交流電壓的電磁干擾消除。繼電器15耦接于輸入濾波器16的輸出端，其接受數(shù)字控制器14的控制于輸入交流電壓正常時關(guān)閉以便將輸入交流電壓傳送至負(fù)載，而在輸入交流電壓中斷或異常時開啟以便將電源供應(yīng)切換至由逆變器12來提供。電池組10設(shè)定為當(dāng)輸入交流電源正常時儲存能量，而當(dāng)輸入交流電源異常或中斷時釋放其所儲存的能量。直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11由多個直流-直流轉(zhuǎn)換器組成，其耦接至電池組10并且設(shè)定為接收電池組10所輸出的電流，以便將電池組10的直流電壓轉(zhuǎn)換成全波整流的直流電壓(full-waverectified DC voltage)。逆變器12耦接至直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11的輸出端，其將直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11所輸出的全波整流的直流電壓轉(zhuǎn)換成正弦波輸出交流電壓。能量回收轉(zhuǎn)換器13耦接于逆變器12的輸入端，其設(shè)定為將不斷電電源供應(yīng)器100的多余能量回收至電池組10。數(shù)字控制器14設(shè)定為控制繼電器15的開關(guān)切換，以及控制直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11、逆變器12以及能量回收轉(zhuǎn)換器13內(nèi)部的開關(guān)切換。須注意的是在整份說明書中，相同的元件編號表示相同的電路元件。
圖3顯示直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，在本實施例中直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11由第一直流-直流轉(zhuǎn)換器111與第二直流-直流轉(zhuǎn)換器112組成，其中第一直流-直流轉(zhuǎn)換器111與第二直流-直流轉(zhuǎn)換器112的電壓輸入端為互相并聯(lián)后連接至電池10，而其電壓輸出端為互相串聯(lián)后連接至逆變器12的輸入端。第一直流-直流轉(zhuǎn)換器111設(shè)定為接收圖1所示的電池組10的直流電壓，并將電池組10的直流電壓轉(zhuǎn)換成第一輸出直流電壓Vd1。第二直流-直流轉(zhuǎn)換器112設(shè)定為接收圖1所示的電池組10的直流電壓，并將電池組10的直流電壓轉(zhuǎn)換成第二輸出直流電壓Vd2。將第一直流-直流轉(zhuǎn)換器111的第一輸出直流電壓與第二直流-直流轉(zhuǎn)換器112的第二輸出直流電壓設(shè)定為在直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11的輸出端上相加，而其總和為全波整流的直流電壓Vd。
圖4顯示根據(jù)本發(fā)明的不斷電電源供應(yīng)器的直流-直流轉(zhuǎn)換器單元與逆變器以及能量回收轉(zhuǎn)換器的第一優(yōu)選實施例的電路示意圖。如圖4所示，第一直流-直流轉(zhuǎn)換器111為電流饋入全橋直流-直流轉(zhuǎn)換器(current-fedfull-bridge DC-DC converter)，其由開關(guān)裝置411、高頻變壓器412以及整流器電路413組成。在圖4中，第一直流-直流轉(zhuǎn)換器111設(shè)定為接收電池組10所提供的直流電壓，并借由開關(guān)裝置411的重復(fù)開關(guān)操作將電池組10所提供的直流電壓轉(zhuǎn)換成一個方波交流電壓。該方波交流電壓借由使用高頻變壓器412而轉(zhuǎn)變成一個具有所想要的電壓值的交流電壓，并且借由使用整流器電路413轉(zhuǎn)換成第一輸出直流電壓Vd1。第二直流-直流轉(zhuǎn)換器112由降壓轉(zhuǎn)換器(buck converter)組成，其借由開關(guān)裝置421將電池組10的直流電壓調(diào)降為第二輸出直流電壓Vd2。開關(guān)裝置411與開關(guān)裝置421的開關(guān)切換由圖1所示的數(shù)字控制器14控制。
本發(fā)明的不斷電電源供應(yīng)器的最顯著的特征為直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11由兩個直流-直流轉(zhuǎn)換器111、112組成，其中每個直流-直流轉(zhuǎn)換器設(shè)定為提供一部分的直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11的輸出直流電壓Vd。借由將直流-直流轉(zhuǎn)換器111與直流-直流轉(zhuǎn)換器112的輸出端串聯(lián)，直流-直流轉(zhuǎn)換器111與直流-直流轉(zhuǎn)換器112的輸出直流電壓便可組合成一個全波整流的直流電壓。借此，逆變器12可將直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11所提供的全波整流的直流電壓轉(zhuǎn)換成正弦波交流電壓以便輸出。
第一直流-直流轉(zhuǎn)換器111與直流-直流轉(zhuǎn)換器112的輸出電壓波形有多種組合。第一種可能的組合為第一直流-直流轉(zhuǎn)換器111所輸出的第一輸出直流電壓Vd1與第二直流-直流轉(zhuǎn)換器112所輸出的第二輸出直流電壓Vd2均為波形相同的全波整流的直流電壓，其中這些全波整流的直流電壓的總和等于直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11的輸出直流電壓Vd的電壓值。第二種可能的組合為第一直流-直流轉(zhuǎn)換器111所輸出的第一輸出直流電壓Vd1的波形為類似半波整流的波形，而第二直流-直流轉(zhuǎn)換器112所輸出的第二輸出直流電壓Vd2的波形為梯形波(trapezoid wave)，如圖8(A)所示。第三種可能的組合為第一直流-直流轉(zhuǎn)換器111所輸出的第一輸出直流電壓Vd1的波形為類似半波整流的波形與類似鋸齒波(sawtooth wave)的混合波形(composite)，而第二直流-直流轉(zhuǎn)換器112所輸出的第二輸出直流電壓Vd2的波形為方波(squarewave)，如圖8(B)所示。
請參見圖4與圖8(A)，現(xiàn)在以圖4的電路結(jié)構(gòu)以及圖8(A)的電壓波形來說明本發(fā)明的不斷電電源供應(yīng)器的優(yōu)點。假設(shè)圖1所示的電池組10的電壓為直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11的輸出電壓Vd的電壓峰值的一半。由于第一直流-直流轉(zhuǎn)換器111與第二直流-直流轉(zhuǎn)換器112的輸出端為串聯(lián)，第一直流-直流轉(zhuǎn)換器111與第二直流-直流轉(zhuǎn)換器112的輸出電流均等于負(fù)載電流。因此第一直流-直流轉(zhuǎn)換器111與第二直流-直流轉(zhuǎn)換器112的輸出功率便可借由比較第一輸出直流電壓Vd1在時間軸上的面積與第二輸出直流電壓Vd2在時間軸上的面積而得到。由圖8(A)的電壓波形圖可知，第一直流-直流轉(zhuǎn)換器111的輸出功率超過直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11的總輸出功率的60％，而第二直流-直流轉(zhuǎn)換器112的輸出功率小于直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11的總輸出功率的40％。這樣一來，直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11的變壓器體積將大幅減小。此外，在時間周期t1-t3內(nèi)，第二直流-直流轉(zhuǎn)換器112不進(jìn)行斬波處理(chopping)，因此第二直流-直流轉(zhuǎn)換器112內(nèi)部不會產(chǎn)生開關(guān)損耗(switchingloss)。此外，由于第二直流-直流轉(zhuǎn)換器112在時間周期t1-t3內(nèi)的輸出功率超過直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11的總輸出功率的50％，借此可以大幅度降低直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11的功率損耗(power loss)。
由上述說明可知，第一直流-直流轉(zhuǎn)換器111與第二直流-直流轉(zhuǎn)換器112的輸出電壓與輸出功率的分配是相當(dāng)彈性的。因此，直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11的開關(guān)調(diào)節(jié)(switching regulation)可采用多種控制技巧來達(dá)到。舉例來說，可設(shè)定當(dāng)直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11的輸出電壓Vd小于特定值時，由第一直流-直流轉(zhuǎn)換器111與第二直流-直流轉(zhuǎn)換器112的的其中一個直流-直流轉(zhuǎn)換器，如第一直流-直流轉(zhuǎn)換器111來完全提供直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11的輸出電壓Vd。因此，在這段時間內(nèi)，另一個直流-直流轉(zhuǎn)換器便不會產(chǎn)生任何開關(guān)損耗，從而也會提高直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11的轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11的輸出電壓Vd等于或大于該特定值時，第一直流-直流轉(zhuǎn)換器111與第二直流-直流轉(zhuǎn)換器112的其中一個直流-直流轉(zhuǎn)換器以固定的任務(wù)周期(duty cycle)來進(jìn)行開關(guān)切換，而另外一個直流-直流轉(zhuǎn)換器則提供輸出電壓的波形補償，使得直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11能夠輸出所想要的全波整流的直流電壓。也就是說，在輸出電壓的整個周期內(nèi)，一個直流-直流轉(zhuǎn)換器設(shè)定為以可變的任務(wù)周期來進(jìn)行高頻的開關(guān)切換，而另外一個直流-直流轉(zhuǎn)換器設(shè)定為以固定的任務(wù)周期來進(jìn)行開關(guān)切換。
請參見圖4與圖8(B)，現(xiàn)在以圖4的電路結(jié)構(gòu)以及圖8(B)的電壓波形來說明上述直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11的開關(guān)調(diào)節(jié)的控制技巧。在這個例子中，第二直流-直流轉(zhuǎn)換器112的開關(guān)421只會進(jìn)行低頻斬波(low-frequencychopping)，因此開關(guān)421的開關(guān)損耗便可忽略不計，同時對開關(guān)421的高頻特性的要求也可以降低。在時間周期t0-t1以及時間周期t3-t4內(nèi)，第二直流-直流轉(zhuǎn)換器112設(shè)定為以固定的任務(wù)周期(任務(wù)周期為0)來進(jìn)行開關(guān)切換，而由第一直流-直流轉(zhuǎn)換器111來完全提供直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11的輸出電壓Vd。在時間周期t1-t3內(nèi)，第二直流-直流轉(zhuǎn)換器112設(shè)定為以固定的任務(wù)周期(任務(wù)周期為1)來進(jìn)行開關(guān)切換，而第一直流-直流轉(zhuǎn)換器111設(shè)定為以可變的任務(wù)周期來進(jìn)行開關(guān)切換，以向直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11的輸出電壓Vd提供波形補償。
另外一種可供選擇的直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11的開關(guān)調(diào)節(jié)的控制技巧說明如下。當(dāng)直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11的輸出電壓Vd小于特定值時，由第一直流-直流轉(zhuǎn)換器111與第二直流-直流轉(zhuǎn)換器112的其中一個直流-直流轉(zhuǎn)換器來完全提供直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11的輸出電壓Vd。當(dāng)這個直流-直流轉(zhuǎn)換器的輸出電壓達(dá)到最大值時保持最大電壓輸出，而另一個直流-直流轉(zhuǎn)換器開始工作以向直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11的輸出電壓Vd提供波形控制。也就是說，在輸出電壓的整個周期內(nèi)，第一直流-直流轉(zhuǎn)換器111與第二直流-直流轉(zhuǎn)換器112都是以可變的任務(wù)周期來進(jìn)行開關(guān)切換。這種控制技巧可參照圖8(A)來獲得更進(jìn)一步的了解。
上述控制技巧的優(yōu)點在于只需要一個控制器便可控制直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11的所有直流-直流轉(zhuǎn)換器，并且可確保在任何時刻以最少數(shù)目的轉(zhuǎn)換器在工作。利用這種控制技巧，直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11的開關(guān)損耗得以降低，并且直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11的轉(zhuǎn)換效率(conversion efficiency)得以提升。
須注意的是，第二直流-直流轉(zhuǎn)換器112可由非隔離式直流轉(zhuǎn)換器(non-isolated DC-DC converter)來實現(xiàn)，例如降壓轉(zhuǎn)換器(buck converter)、升壓轉(zhuǎn)換器(boost converter)、降壓-升壓轉(zhuǎn)換器(buck-boost converter)、邱克轉(zhuǎn)換器(cuk converter)。此外，第二直流-直流轉(zhuǎn)換器112也可由隔離式直流轉(zhuǎn)換器(isolated DC-DC converter)來實現(xiàn)，例如電流饋入半橋直流-直流轉(zhuǎn)換器(current-fed half-bridge DC-DC converter)、電流饋入全橋直流-直流轉(zhuǎn)換器(current-fed full-bridge DC-DC converter)、電流饋入推挽式直流-直流轉(zhuǎn)換器(current-fed push-pull DC-DC converter)、前向轉(zhuǎn)換器(forward converter)、反馳式轉(zhuǎn)換器(flyback converter)。如圖5所示，在本發(fā)明的第二優(yōu)選實施例中，第二直流-直流轉(zhuǎn)換器112由電流饋入全橋直流-直流轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)。
在圖4中，直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11由第一直流-直流轉(zhuǎn)換器111與第二直流-直流轉(zhuǎn)換器112組成，并且第一直流-直流轉(zhuǎn)換器111與第二直流-直流轉(zhuǎn)換器112的電壓輸入端為互相并聯(lián)而電壓輸出端為互相串聯(lián)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于可降低直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11的輸出端上的電壓應(yīng)力(voltagestress)。請參見圖6，其顯示根據(jù)本發(fā)明的不斷電電源供應(yīng)器的直流-直流轉(zhuǎn)換器單元與逆變器以及能量回收轉(zhuǎn)換器的第三優(yōu)選實施例的電路示意圖，其中第一直流-直流轉(zhuǎn)換器111以降壓式電流饋入全橋直流-直流轉(zhuǎn)換器(buckcurrent-fed full-bridge DC-DC converter)來實現(xiàn)，而第二直流-直流轉(zhuǎn)換器112以降壓轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)。如果采用一個單一的電流饋入式直流-直流轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11，在逆變器12輸出220V的輸出交流電壓的情形下，設(shè)置于電流饋入式直流-直流轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的變壓器的次級側(cè)(secondaryside)上的整流器電路所受到的電壓應(yīng)力至少會等于輸出交流電壓的峰值311V。在實際電路實施的情形下，整流器電路所受到的電壓應(yīng)力會更大。但是若選擇采用本發(fā)明的拓仆結(jié)構(gòu)以兩個直流-直流轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11，所述兩個直流-直流轉(zhuǎn)換器所提供的輸出電壓峰值可以均為155.5V。這樣一來，設(shè)置于變壓器的次級側(cè)上的整流二極管所受到的電壓應(yīng)力便可減少，同時也可減少直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11的功率損耗。
能量回收轉(zhuǎn)換器13設(shè)定為回收不斷電電源供應(yīng)器100的多余能量(redundant energy)至電池組10。假設(shè)不斷電電源供應(yīng)器100的輸出端連接至輕負(fù)載(light load)，并且該負(fù)載為電阻性負(fù)載。如圖4所示，位于直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11的輸出端上的輸出電容的放電特性使得即使直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11不提供任何能量給輸出電容，該輸出電容上的電壓波形也不能保持與全波整流的直流電壓Vd的給定波形一致，從而導(dǎo)致最小的直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11的輸出電壓Vd不為零。此外，假設(shè)不斷電電源供應(yīng)器100向電感性負(fù)載(inductive load)供電時，由于不斷電電源供應(yīng)器100的輸出電壓和輸出電流相位的不一致，導(dǎo)致輸出電壓換相時，輸出電流會反向流入逆變器12。這時即使直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11不提供任何能量給輸出電容，該輸出電容上的電壓也會因為電感性電流的反向流入而上升，從而導(dǎo)致電壓波形的改變。在這些例子中，直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11的輸出端上的輸出電容上的電壓等于在一個全波整流的直流電壓上疊加了一個直流電壓，這個直流電壓代表了不斷電電源供應(yīng)器100的多余能量。為了避免能量的閑置并且提供高性能的輸出電壓，本發(fā)明的不斷電電源供應(yīng)器100采用能量回收轉(zhuǎn)換器13將這些多余能量回收給電池組10充電。
由分析可知，由于輕負(fù)載所產(chǎn)生的多余能量會發(fā)生在直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11所輸出的全波整流的直流電壓Vd的下降段(trailing edge)，例如圖8(A)的時間周期t2～t4，而由于電感性負(fù)載所產(chǎn)生的多余能量則通常發(fā)生在該直流電壓Vd的上升階段(rising edge)，例如圖8(A)的時間周期t0～t2。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，能量回收轉(zhuǎn)換器13是一個降壓-升壓轉(zhuǎn)換器(buck-boost converter)，如圖4與圖6所示?，F(xiàn)在以圖6的例子來說明能量回收轉(zhuǎn)換器13的工作原理。如果圖1所示的數(shù)字控制器14檢測到需要回收多余能量時，數(shù)字控制器14將檢測此時直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11的輸出電壓的瞬時值。如果該瞬時值高于電池電壓，能量回收轉(zhuǎn)換器13將啟動降壓模式。反之，則啟動升壓模式，將多余能量從直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11的輸出端轉(zhuǎn)移到電池組10上。
除此之外，能量回收轉(zhuǎn)換器13還可以充當(dāng)電池組10的充電器。當(dāng)市電正常而電池組10需要充電時，逆變器12將作用為一個沒有穩(wěn)壓控制(unregulated)的整流橋式電路(rectifying bridge circuit)，從而在直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11的輸出端形成一個固定的直流電壓。該直流電壓借由能量回收轉(zhuǎn)換器13以降壓模式對電池組10進(jìn)行充電。
圖7顯示了根據(jù)本發(fā)明的不斷電電源供應(yīng)器的直流-直流轉(zhuǎn)換器單元與逆變器以及能量回收轉(zhuǎn)換器的一種變形的電路示意圖，其中能量回收轉(zhuǎn)換器13的一部分會與第二直流-直流轉(zhuǎn)換器112合并。在這個例子中，第二直流-直流轉(zhuǎn)換器112由降壓轉(zhuǎn)換器組成而能量回收轉(zhuǎn)換器13由降壓-升壓轉(zhuǎn)換器組成，其中能量回收轉(zhuǎn)換器13耦接于逆變器12的輸入端與第二直流-直流轉(zhuǎn)換器112之間。第二直流-直流轉(zhuǎn)換器112在MOSFET晶體管開關(guān)712的源極端(source terminal)與接地端之間耦接了一個額外的晶體管開關(guān)713，其由雙極結(jié)型晶體管(bipolar junction transistor)組成，并且能量回收轉(zhuǎn)換器13的輸出端連接至MOSFET晶體管開關(guān)712與輸出端之間。第二直流-直流轉(zhuǎn)換器112將構(gòu)成一個同步整流電路，其可對第二直流-直流轉(zhuǎn)換器112的輸出電容上的多余能量進(jìn)行自動回收。同時，該額外晶體管開關(guān)713還可作用為能量回收轉(zhuǎn)換器13在升壓模式工作時的開關(guān)裝置。
須注意的是能量回收轉(zhuǎn)換器13也可由任何一種直流-直流轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)。如圖5所示，能量回收轉(zhuǎn)換器13由前向轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)，其包含變壓器131與耦接至變壓器的初級側(cè)(primary side)的晶體管開關(guān)132，以及耦接至變壓器的次級側(cè)(secondary side)的整流二極管(rectifying diode)133，其中變壓器131的初級繞組(primary winding)設(shè)定為在晶體管開關(guān)132導(dǎo)通(turn on)時將不斷電電源供應(yīng)器100的多余能量儲存起來，并且在晶體管開關(guān)132截止(turn off)時將初級繞組所儲存的能量傳送至變壓131器的次級側(cè)，以便經(jīng)由整流二極管133向電池組10充電。
為了實現(xiàn)上述的電路操作，數(shù)字控制器14設(shè)定為用來檢測直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11的輸出電壓Vd并將輸出電壓Vd與參考電壓作比較，以便根據(jù)比較的結(jié)果輸出脈沖寬度調(diào)變信號(PWM signals)來控制直流-直流轉(zhuǎn)換器單元11、逆變器12以及能量回收轉(zhuǎn)換器13的開關(guān)切換。
綜合以上所述，本發(fā)明提出一種不斷電電源供應(yīng)器，其能夠在市電異常或中斷的時候，提供正弦波輸出交流電壓給負(fù)載。本發(fā)明的不斷電電源供應(yīng)器的主要特征在于內(nèi)部的直流-直流轉(zhuǎn)換器單元由第一直流-直流轉(zhuǎn)換器與第二直流-直流轉(zhuǎn)換器組成，其中第一直流-直流轉(zhuǎn)換器與第二直流-直流轉(zhuǎn)換器的電壓輸入端互相并聯(lián)后耦接至電池組，而其電壓輸出端互相串聯(lián)后耦接至逆變器的輸入端。借由不斷電電源供應(yīng)器的數(shù)字控制器來控制所述兩個直流-直流轉(zhuǎn)換器的開關(guān)切換，第一直流-直流轉(zhuǎn)換器與第二直流-直流轉(zhuǎn)換器可分別輸出第一輸出直流電壓與第二輸出直流電壓。由于第一直流-直流轉(zhuǎn)換器與第二直流-直流轉(zhuǎn)換器的電壓輸出端互相串聯(lián)的關(guān)系，第一直流-直流轉(zhuǎn)換器所輸出的第一輸出直流電壓與第二直流-直流轉(zhuǎn)換器所輸出的第二輸出直流電壓能夠相加成為全波整流的直流電壓，以便借由逆變器將該全波整流的直流電壓轉(zhuǎn)換成正弦波輸出交流電壓。此外，第一直流-直流轉(zhuǎn)換器的輸出功率與第二直流-直流轉(zhuǎn)換器的輸出功率以及直流-直流轉(zhuǎn)換器單元的總輸出功率之間的比例值可以彈性調(diào)整，并且第一直流-直流轉(zhuǎn)換器的電路系統(tǒng)與第二直流-直流轉(zhuǎn)換器的電路系統(tǒng)可根據(jù)實際應(yīng)用上的需求來設(shè)計，借此可大幅度減少直流-直流轉(zhuǎn)換器單元的開關(guān)損耗并提升直流-直流轉(zhuǎn)換器單元的轉(zhuǎn)換效率。除此之外，本發(fā)明的不斷電電源供應(yīng)器還提供一個能量回收轉(zhuǎn)換器，其可將不斷電電源供應(yīng)器的多余能量回收給電池組，也可作為電池組的充電器來使用。
本發(fā)明可以由熟知本領(lǐng)域的技術(shù)人員做出各種修改，然而都不脫離所附權(quán)利要求書所要保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1.一種不斷電電源供應(yīng)器，其包含電池組；直流-直流轉(zhuǎn)換器單元，耦接至該電池組，其設(shè)定為將該電池組所提供的直流電壓轉(zhuǎn)換成全波整流的直流電壓；以及逆變器，耦接至該直流-直流轉(zhuǎn)換器單元，其設(shè)定為將該全波整流的直流電壓轉(zhuǎn)換成正弦波輸出交流電壓；其中該直流-直流轉(zhuǎn)換器單元由多個直流-直流轉(zhuǎn)換器組成，其中所述多個直流-直流轉(zhuǎn)換器的多個輸入端互相并聯(lián)后連接至該電池組，并且所述多個直流-直流轉(zhuǎn)換器的多個輸出端互相串聯(lián)后連接至該逆變器，每個直流-直流轉(zhuǎn)換器設(shè)定為將該電池組所提供的直流電壓轉(zhuǎn)換成輸出直流電壓，并且將所述多個直流-直流轉(zhuǎn)換器的輸出直流電壓相加成為該全波整流的直流電壓。
2.如權(quán)利要求1所述的不斷電電源供應(yīng)器，還包含能量回收轉(zhuǎn)換器，耦接于該直流-直流轉(zhuǎn)換器單元的輸出端與該電池組之間，其設(shè)定為將該不斷電電源供應(yīng)器的多余能量回收至該電池組。
3.如權(quán)利要求2所述的不斷電電源供應(yīng)器，其中該能量回收轉(zhuǎn)換器由直流-直流轉(zhuǎn)換器組成。
4.如權(quán)利要求3所述的不斷電電源供應(yīng)器，其中該能量回收轉(zhuǎn)換器設(shè)定為在該不斷電電源供應(yīng)器以市電供應(yīng)電源時，對該電池組充電。
5.如權(quán)利要求4所述的不斷電電源供應(yīng)器，還包含控制器，其設(shè)定為將該直流-直流轉(zhuǎn)換器單元所輸出的該全波整流的直流電壓與參考電壓作比較，并根據(jù)比較結(jié)果來控制該直流-直流轉(zhuǎn)換器單元、該逆變器以及該能量回收轉(zhuǎn)換器的開關(guān)切換。
6.如權(quán)利要求2所述的不斷電電源供應(yīng)器，還包含能量回收轉(zhuǎn)換器，耦接于該逆變器的輸入端，其設(shè)定為將該不斷電電源供應(yīng)器的多余能量回收至該電池組。
7.如權(quán)利要求6所述的不斷電電源供應(yīng)器，其中該能量回收轉(zhuǎn)換器設(shè)定為在該不斷電電源供應(yīng)器以市電供應(yīng)電源時，對該電池組充電。
8.如權(quán)利要求7所述的不斷電電源供應(yīng)器，還包含數(shù)字控制器，其設(shè)定為將該直流-直流轉(zhuǎn)換器單元所輸出的該全波整流的直流電壓與參考電壓作比較，并根據(jù)比較結(jié)果來控制該直流-直流轉(zhuǎn)換器單元、該逆變器以及該能量回收轉(zhuǎn)換器的開關(guān)切換。
9.如權(quán)利要求1所述的不斷電電源供應(yīng)器，其中該直流-直流轉(zhuǎn)換器單元由第一直流-直流轉(zhuǎn)換器以及第二直流-直流轉(zhuǎn)換器組成，并且在該直流-直流轉(zhuǎn)換器單元的輸出電壓的整個周期內(nèi)，該第一直流-直流轉(zhuǎn)換器以及該第二直流-直流轉(zhuǎn)換器的其中之一以可變的任務(wù)周期來進(jìn)行開關(guān)切換，而另外一個直流-直流轉(zhuǎn)換器以固定的任務(wù)周期來進(jìn)行開關(guān)切換。
10.如權(quán)利要求1所述的不斷電電源供應(yīng)器，其中該直流-直流轉(zhuǎn)換器單元由第一直流-直流轉(zhuǎn)換器和第二直流-直流轉(zhuǎn)換器組成，并且在該直流-直流轉(zhuǎn)換器單元的輸出電壓的整個周期內(nèi)，該第一直流-直流轉(zhuǎn)換器和該第二直流-直流轉(zhuǎn)換器都以可變的任務(wù)周期來進(jìn)行開關(guān)切換。
11.一種使不斷電電源供應(yīng)器提供正弦波輸出交流電壓的方法，該方法包含下列步驟提供電池組、直流-直流轉(zhuǎn)換器單元以及逆變器，其中該直流-直流轉(zhuǎn)換器單元由多個直流-直流轉(zhuǎn)換器組成；借由該電池組提供電池電壓至該直流-直流轉(zhuǎn)換器單元；借由所述多個直流-直流轉(zhuǎn)換器將該電池電壓轉(zhuǎn)換成多個直流電壓；將所述多個直流電壓相加成為全波整流的直流電壓；以及將該全波整流的直流電壓經(jīng)由該逆變器轉(zhuǎn)換成正弦波輸出交流電壓。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中該直流-直流轉(zhuǎn)換器單元由第一直流-直流轉(zhuǎn)換器和第二直流-直流轉(zhuǎn)換器組成，該第一直流-直流轉(zhuǎn)換器經(jīng)由第一開關(guān)裝置調(diào)節(jié)作用將該電池電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，并且第二直流-直流轉(zhuǎn)換器經(jīng)由第二開關(guān)裝置調(diào)節(jié)作用將該電池電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，其中該第一開關(guān)裝置調(diào)節(jié)作用借由可變的任務(wù)周期來達(dá)到，而該第二開關(guān)裝置調(diào)節(jié)作用借由固定的任務(wù)周期來達(dá)到。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其中該直流-直流轉(zhuǎn)換器單元由第一直流-直流轉(zhuǎn)換器和第二直流-直流轉(zhuǎn)換器組成，該第一直流-直流轉(zhuǎn)換器經(jīng)由第一開關(guān)裝置調(diào)節(jié)作用將該電池電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，并且該第二直流-直流轉(zhuǎn)換器經(jīng)由第二開關(guān)裝置調(diào)節(jié)作用將該電池電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，其中該第一開關(guān)裝置調(diào)節(jié)作用與該第二開關(guān)裝置調(diào)節(jié)作用都借由可變的任務(wù)周期來達(dá)到。
14.如權(quán)利要求11項所述的方法，還包含以下步驟提供能量回收裝置；以及借由該能量回收裝置將該不斷電電源供應(yīng)器的多余能量回收至該電池組。
全文摘要
本發(fā)明提出一種能夠提供正弦波輸出交流電壓的不斷電電源供應(yīng)器，用以提供正弦波輸出交流電壓。其中直流－直流轉(zhuǎn)換器單元由多個直流－直流轉(zhuǎn)換器組成，所述多個直流－直流轉(zhuǎn)換器的多個輸入端互相并聯(lián)而所述多個直流－直流轉(zhuǎn)換器的多個輸出端互相串聯(lián)。將所述多個直流－直流轉(zhuǎn)換器的輸出直流電壓相加以形成全波整流的直流電壓，該全波整流的直流電壓經(jīng)由逆變器轉(zhuǎn)換成正弦波輸出交流電壓。此外，本發(fā)明的不斷電電源供應(yīng)器提供能量回收轉(zhuǎn)換器，將不斷電電源供應(yīng)器的多余能量回收來對電池組充電。本發(fā)明能夠在市電異常或中斷時，以簡化的線路設(shè)計以及較佳的電源效率來提供正弦波輸出交流電壓。
文檔編號H02M7/48GK101064438SQ20061007770
公開日2007年10月31日 申請日期2006年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月26日
發(fā)明者譚驚濤, 馬昌贊, 吳衛(wèi)民, 姜志強, 應(yīng)建平 申請人:臺達(dá)電子工業(yè)股份有限公司