專利名稱：在線交互式不斷電裝置及充電器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種在線交互式不斷電裝置及充電器，尤指一種
利用一共享切換開關受控于高頻PWM信號與低頻消隱信號，以達到充 電與突波消除的在線交互式不斷電裝置及充電器。
背景技術：
近年來隨著信息產業的蓬勃發展，個人計算機、通訊設備、工作 站等各式各樣的硬件設備正廣泛地運用在社會各階層。由于信息本身
即是一種具有高附加價值的產物，因此人們無不想盡辦法以確保信息 的安全與計算機系統的正常運作，因此對電源質量的要求也越來越嚴 格。由于電力電子設備大量地被使用，其所產生的諧波導致電力質量 不良及天災等等因素，造成公用電力無法保證提供高質量的穩定電源， 不斷電電源供應系統(UPS)隨即成為計算機或通訊系統所不可或缺的
必要配備。
UPS依動作形式可分成離線式(Off-Line)、在線式(On-Line)及在線 交互式(Line-Interactive)三種。其中，離線式UPS價格低，但是無法改 善電力質量不良的問題，而在線式UPS雖可以提供純凈的交流電輸出， 但其價格相當昂貴，另外，在線交互式UPS綜合了兩者優點，其價格 低且可以改善電力質量不良的問題，而被廣為使用。
請參考圖1，為傳統在線交互式UPS架構示意圖。此種在線交互 式UPS包括一EMI單元IO、 一自耦變壓器ll、 一整流器13、 一電 池17、 一充電器15、 一換流器16。 EMI單元IO接收一交流市電AC， 用以防止交流市電AC產生的電磁干擾。自耦變壓器11具有第一繞組 (未標示)、第二繞組(未標示)及第三繞組(未標示)，其中自耦變壓器11 的第一繞組經由一主要繼電器101與一升壓繼電器102耦接于EMI單 元10，同時，自耦變壓器11的第一繞組經由一降壓繼電器103耦接于 一負載2。
另外，整流器13耦接于自耦變壓器11的第三繞組。充電器15耦 接于整流器13與電池17，且在交流市電AC正常供電時，對該電池17 充電。換流器16耦接于自耦變壓器11的第二繞組與電池17，在交流 市電AC斷電時，換流器16轉換電池17的電壓成為一交流備援電壓 AC1給自耦變壓器11的第二繞組。請參考圖2，為傳統在線交互式UPS的充電器電路示意圖。充電 器15包括了一切換開關Q1、 一穩壓器150、 一輸出電容CO及一輸出 二極管DO。切換開關Q1的一端耦接于該整流器13，另一端則耦接于 一參考端G。穩壓器150的輸入端耦接于整流器13，輸出穩定的一充 電電壓VO。輸出電容CO的一端耦接于穩壓器150的輸出端，輸出電 容CO另一端則耦接于該參考端G。輸出二極管DO的陽極耦接于穩壓 器150的輸出端，輸出二極管DO的陰極耦接于電池17。借此，在交 流市電AC正常供電時，穩壓器150輸出穩定的充電電壓VO對電池 17充電。并且，在交流市電AC斷電時，切換開關Q1受控于一低頻消 隱信號Sl，以消除該換流器16動作所產生的突波(spike)。
傳統的在線交互式UPS使用穩壓器150在交流市電AC正常供電 時對電池17充電。傳統的在線交互式UPS使用的穩壓器150其型號為 LM317，其工作在低頻且充電效率大致在40%到50%。由于穩壓器150 工作在低頻，并且工作中會產生較高的熱量，因而導致整體充電的效 率與功率因素大大的降低。同時，傳統的在線交互式UPS受限于穩壓 器150的規格，而無法適時的提高電流對電池17充電，導致電池17 無法取得適當的充電量。
實用新型內容
有鑒于此，本實用新型提供一種在線交互式不斷電裝置及充電器。 其中在線交互式不斷電裝置在交流市電正常供電時，利用高頻PWM控 制充電器中的切換開關，以對電池進行充電，而達到高充電效率、高 功率因素、成本下降、充電量范圍大且穩定等優點。
本實用新型的在線交互式不斷電裝置包括一市電供應單元、 一整 流器、 一電池、 一充電器及一換流器。市電供應單元在第一操作模式 時，將一交流市電供應給一負載。整流器耦接于該市電供應單元，整 流該交流市電成為一直流電壓。充電器耦接于該整流器與該電池，利 用高頻PWM切換該直流電壓，以輸出一充電電壓對該電池充電。換流 器耦接于該市電供應單元與該電池，換流器在第二操作模式時，轉換 該電池的電壓成為一交流備援電壓給該市電供應單元。
本實用新型的充電器耦接于一整流器、 一電池及一換流器，該充 電器從該整流器接收一直流電壓，以及輸出一充電電壓給該電池，該 充電器包括一切換開關、 一順向二極管、 一輸出電容及一輸出二極管。 其中，切換開關的一端耦接于該整流器，切換開關的另一端耦接于一 參考端。順向二極管的陽極耦接于該切換開關。輸出電容的一端耦接 于該順向二極管的陰極，輸出電容的另一端耦接于該參考端。輸出二 極管的陽極耦接于該順向二極管的陰極，輸出二極管的陰極耦接于該
5電池。借此，該切換開關在第一操作模式時，受控于一高頻PWM信號， 以對該電池充電，以及，該切換開關在第二操作模式時，受控于一低
頻消隱信號，以消除該換流器動作所產生的突波(spike)。
綜上，本實用新型提供的在線交互式不斷電裝置乃利用充電器中 共享的切換開關，借其受控于高頻PWM信號與低頻消沒信號，以對電 池充電與突波的消除，而不需使用穩壓器。如此，將可以省去穩壓器 的成本。同時，利用高頻PWM控制充電器中共享的切換開關，以對電 池充電，將達到高的充電效率、高的功率因素、范圍大的充電量，以 解決傳統的在線交互式UPS的問題。
以上的概述與接下來的詳細說明皆為示范性質，是為了進一步說 明本實用新型的權利要求。而有關本實用新型的其它目的與優點，將
在后續的說明與附圖中加以闡述。
圖1為傳統在線交互式UPS架構示意圖2為傳統在線交互式UPS的充電器電路示意圖3為本實用新型的在線交互式不斷電裝置功能方塊示意圖4為本實用新型的在線交互式不斷電裝置電路架構示意圖；及
圖5為本實用新型的充電器電路示意圖。
附圖標記說明 公知
EMI單元10 自耦變壓器11 整流器13 充電器15 換流器16 電池17 交流市電AC 主要繼電器101 升壓繼電器102 降壓繼電器103 負載2
交流備援電壓AC1 切換開關Q1 穩壓器150 輸出電容CO輸出二極管DO
參考端G
低頻消隱信號S1
本實用新型
在線交互式不斷電裝置3
市電供應單元30
斷路器300
涌浪電壓保護器301
EMI單元302
主要繼電器303
升壓繼電器304
自耦變壓器305
第一繞組P1
第二繞組P2
第三繞組P3
降壓繼電器306
輸出繼電器307
整流器32
控制器33
充電器34
電池36
換流器38
交流市電AC
直流電壓VI
充電電壓V2
交流備援電壓AC1
負載4
切換開關Q
順向二極管D1
輸出電容C1
輸出二極管D2
參考端G
低頻消隱信號S1
高頻PWM信號S具體實施方式
請參考圖3，為本實用新型的在線交互式不斷電裝置功能方塊示意圖。本實用新型的在線交互式不斷電裝置3耦接一負載4，其在交流 市電AC正常時，執行一第一操作模式供應負載4所需的電力，并于交 流市電AC中斷時，執行一第二操作模式供應負載4所需的電力，以維 持供應電力給負載4使用。
本實用新型的在線交互式不斷電裝置3包括一市電供應單元30、 一整流器32、 一控制器33、 一充電器34、 一電池36及一換流器38。 其中，控制器33耦接于充電器34，控制器33在第一操作模式時，輸 出一高頻PWM信號S2，以及在第二操作模式時，輸出一低頻消隱信 號S1。市電供應單元30在第一操作模式時，將交流市電AC供應給負 載4使用，同時，耦接于市電供應單元30的整流器32整流該交流市 電AC成為一直流電壓VI。而充電器34還耦接于該整流器32與該電 池36，充電器34受控于高頻PWM信號S2，進而將該直流電壓V1轉 換成一充電電壓V2以對該電池36充電。
另外，換流器38耦接于該市電供應單元30與該電池36，換流器 38在第二操作模式時，轉換該電池36的電壓成為一交流備援電壓AC1 給該市電供應單元30。如此，當交流市電AC中斷時，市電供應單元 30接收交流備援電壓AC1以供應負載4所需的電力，進而維持供應電 力給負載4使用。其中，換流器38可以為一推挽式換流器(push pull inverter),或其它具有相同功能的換流器。此時，充電器34受控于低 頻消隱信號Sl，用以消除換流器38動作所產生的突波(spike)。
配合圖3，請參考圖4。圖4為本實用新型的在線交互式不斷電裝 置電路架構示意圖。本實用新型的在線交互式不斷電裝置3的市電供 應單元30由一斷路器300、 一涌浪電壓保護器301、 一EMI單元302、 一主要繼電器303、 一升壓繼電器304、 一自耦變壓器305、 一降壓繼 電器306及一輸出繼電器307耦接組成。其中，斷路器300于在線交 互式不斷電裝置3過載下動作，以作為過載保護。涌浪電壓保護器301 作為在線交互式不斷電裝置3起動時涌浪電壓的消除，以防止過大的 電壓所造成電路的燒毀。EMI單元302用以防止交流市電AC所產生 的電磁干擾。主要繼電器303作為交流市電AC導入自耦變壓器305 的主要開關。升壓繼電器304的切換，是將交流市電AC升壓后導入自 耦變壓器11的第一繞組P1。另外，降壓繼電器306的切換，是對交流 市電AC進行降壓。而輸出繼電器307則將降壓后的交流市電AC導入 負載4，進而提供負載4所需的用電。
再配合圖3，參考圖4。自耦變壓器305的第三繞組P3耦接于整 流器32，且在交流市電AC正常供電時，提供交流市電AC給整流器 32。整流器32整流該交流市電AC成為直流電壓VI，且將直流電壓 VI送至充電器34。充電器34受控于從控制器33送出的高頻PWM信號S2，利用高頻PWM切換直流電壓VI，以輸出充電電壓V2至電池 36以對其充電。另外，自耦變壓器305的第二繞組P2耦接于換流器 38，當交流市電AC中斷時，自耦變壓器305的第二繞組P2從換流器 38取得交流備援電壓AC1，進而根據交流備援電壓AC1由自耦變壓器 305的第一繞組P1輸出供應負載4所需的電力，進而維持供應電力給 負載4使用，此時，充電器34受控于從控制器33送出的低頻消隱信 號Sl，用以消除換流器38動作所產生的突波(spike)。
配合圖4，請參考圖5。圖5為本實用新型的充電器電路示意圖。 充電器34耦接于整流器32與電池36，充電器34從整流器32取得直 流電壓VI，并根據直流電壓VI以輸出充電電壓V2至電池36以對電 池36進行充電。充電器34包括了一切換開關Q、 一順向二極管D1、 一輸出電容C1及一輸出二極管D2。其中，切換開關Q的一端耦接于 該整流器32，切換開關Q的另一端耦接于一參考端G。順向二極管Dl 的陽極耦接于切換開關Q。輸出電容C1的一端耦接于順向二極管Dl 的陰極，輸出電容C1的另一端耦接于參考端G。輸出二極管D2的陽 極耦接于順向二極管D1的陰極，輸出二極管D2的陰極耦接于電池36。
再配合圖4，參考圖5。在交流市電AC正常供電時，切換開關Q、 順向二極管Dl及自耦變壓器305的第三繞組P3形成一升壓轉換器 (Boost Converter)。此時，切換開關Q受控于高頻PWM信號S2以將直 流電壓VI轉換成充電電壓V2。充電電壓V2經由輸出電容Cl與輸出 二極管D2送至電池36以對電池36充電。
另外，在交流市電AC斷電時，電池36隨即送電給換流器38,進 而換流器38提供交流備援電壓AC1給自耦變壓器305的第二繞組P2。 而自耦變壓器305的第一繞組P1將輸出供應負載4所需的電力，進而 維持供應電力給負載4使用。此時，自耦變壓器305的第三繞組P3將 會隨著送至自耦變壓器305的第二繞組P2的交流備援電壓AC1而產生 嚴重的突波(spike)。因此，切換開關Q在交流市電AC斷電時，受控于 低頻消隱信號Sl，以消除該換流器38動作所產生的突波(spike)。如此， 在交流市電AC斷電時，充電器34作為一虛擬負載，用以消除換流器 38動作所產生的突波(spike)。
綜上所述，本實用新型提供的在線交互式不斷電裝置及充電器， 在交流市電正常供電時，利用高頻PWM控制充電器中的切換開關，以 對電池進行充電，而達到高充電效率、高功率因素、成本下降、充電 量范圍大且穩定等優點。同時，在交流市電斷電時，利用低頻消隱信 號控制充電器中的切換開關，以消除換流器動作所產生的突波。
如此，本實用新型提供的在線交互式不斷電裝置乃利用充電器中 共享的切換開關，借其受控于高頻PWM信號與低頻消沒信號，以對電池充電與突波的消除，而不需額外的穩壓器，以達降低成本的目的。
同時，利用高頻PWM控制充電器中共享的切換開關以對電池充電，將
達到高的充電效率、高的功率因素、范圍大的充電量，以解決傳統的
在線交互式UPS的問題。
但是，以上所述，僅為本實用新型最佳之一的具體實施例的詳細 說明與附圖，本實用新型技術領域內任何普通技術人員可輕易思及的 變化或修飾皆可涵蓋在本案的專利保護范圍中。
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權利要求1. 一種在線交互式不斷電裝置，其特征在于，具有一第一操作模式與一第二操作模式，包括一在第一操作模式時供應一交流市電給一負載的市電供應單元；一整流器，耦接于該市電供應單元，該整流器整流該交流市電成為一直流電壓；一電池；及一利用高頻PWM切換該直流電壓的充電器，耦接于該整流器與該電池，輸出一充電電壓對該電池充電；及一在第二操作模式時轉換該電池的電壓成為一交流備援電壓給該市電供應單元的換流器，該換流器耦接于該市電供應單元與該電池。
2. 如權利要求1所述的在線交互式不斷電裝置，其特征在于，該 充電器為一用以消除該換流器動作所產生的突波的虛擬負載。
3. 如權利要求1所述的在線交互式不斷電裝置，其特征在于，該 市電供應單元包括-一用以防止電磁的干擾的EMI單元，接收該交流市電；及一自耦變壓器，具有第一繞組、第二繞組及第三繞組，其中該自 耦變壓器的第一繞組經過一主要繼電器與一升壓繼電器耦接于EMI單 元，同時，該自耦變壓器的第一繞組經過一降壓繼電器耦接于該負載。
4. 如權利要求3所述的在線交互式不斷電裝置，其特征在于，該 整流器耦接于該自耦變壓器的第三繞組。
5. 如權利要求4所述的在線交互式不斷電裝置，其特征在于，該 充電器包括一切換開關，其一端耦接于該整流器，另一端耦接于一參考端； 一順向二極管，其陽極耦接于該切換開關；一輸出電容，其一端耦接于該順向二極管的陰極，另一端耦接于 該參考端；及一輸出二極管，其陽極耦接于該順向二極管的陰極，其陰極耦接 于該電池；其中，該切換開關在第一操作模式時，受控于一高頻PWM信號， 以及，該切換開關在第二操作模式時，受控于一低頻消隱信號。
6. 如權利要求5所述的在線交互式不斷電裝置，其特征在于，還 包括一控制器，該控制器耦接于該切換開關，該控制器在第一操作模 式時，輸出該高頻PWM信號，以及，在第二操作模式時，輸出該低頻 消隱信號。
7. 如權利要求3所述的在線交互式不斷電裝置，其特征在于，該 換流器耦接于該自耦變壓器的第二繞組。
8. 如權利要求7所述的在線交互式不斷電裝置，其特征在于，該 換流器為一推挽式換流器。
9. 一種充電器，其特征在于，耦接于一整流器、 一電池及一換流 器，該充電器從該整流器接收一直流電壓，以及輸出一充電電壓給該 電池，該充電器包括一切換開關，其一端耦接于該整流器，另一端耦接于一參考端；一順向二極管，其陽極耦接于該切換開關；一輸出電容，其一端耦接于該順向二極管的陰極，另一端耦接于 該參考端；及一輸出二極管，其陽極耦接于該順向二極管的陰極，其陰極耦接 于該電池；借此，該切換開關受控于一高頻PWM信號，以對該負載充電， 以及，該切換開關受控于一低頻消隱信號，以消除該換流器動作所產 生的突波。
專利摘要一種在線交互式不斷電裝置及充電器，所述在線交互式不斷電裝置包括一在第一操作模式時供應一交流市電給一負載的市電供應單元；一整流器，整流該交流市電成為一直流電壓；一電池；及一利用高頻PWM切換該直流電壓的充電器，輸出一充電電壓對該電池充電；及一在第二操作模式時轉換該電池的電壓成為一交流備援電壓給該市電供應單元的換流器，該換流器耦接于該市電供應單元與該電池。所述充電器包括一切換開關。利用充電器中共享的切換開關在交流市電正常時受控于高頻PWM信號，以對電池進行充電。并在交流市電斷電時，充電器中共享的切換開關，受控于低頻消隱信號，以消除換流器動作所產生的突波(Spike)。
文檔編號H02J7/10GK201247966SQ20082011830
公開日2009年5月27日 申請日期2008年6月2日 優先權日2008年6月2日
發明者謝卓明 申請人:旭隼科技股份有限公司