專利名稱：在線互動式不斷電電源的供電方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明系一種在線互動式不斷電電源的供電方法及裝置，尤指一種利用高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器，配合交流控制的DELTA觀念進行市電的降壓、升壓處理，以提供負載一穩(wěn)定的工作電源。
2.離線式不斷電系統(tǒng)當(dāng)市電正常供電時，直接供應(yīng)予負載使用而不經(jīng)過不斷電系統(tǒng)，在此同時市電亦會經(jīng)由一充電回路對蓄電池組充電，當(dāng)市電發(fā)生供電不穩(wěn)定或異常時，則藉由一靜態(tài)開關(guān)(static switch)將供電回路切換成由該蓄電池組供電，而仍是藉由一變流器將蓄電池組的直流電源切換成交流供應(yīng)予負載。
3.在線互動式不斷電系統(tǒng)其原理與前述離線式不斷電系統(tǒng)相去不遠，主要不同點在于此類產(chǎn)品在市電電壓偏低或偏高的一定范圍內(nèi)，可對市電電壓進行升、降壓變換處理，爾后提供給負載而無須切換到電池模式。
而前述在線互動式不斷電系統(tǒng)系配備有一低頻自耦變壓器(Automaticvoltage regulation Transformer，AVR TX)，AVR即電壓自動調(diào)整，系將輸入的市電電壓通過一切換自耦變壓器的不同端點輸出后，使UPS系統(tǒng)能容許較寬廣的市電輸入范圍，如此即可減少蓄電池組必須放電的可能性，延長電池的壽命。而這種架構(gòu)的缺點在于(1)AVR TX之體積笨重且龐大。
(2)AVR TX之調(diào)壓采分段調(diào)壓，故精確度較低。
(3)AVR TX調(diào)壓時的效率不高。
(4)為了達到更寬廣的市電輸入范圍，或更好的穩(wěn)壓效果，必須增加調(diào)壓分段數(shù)，而不得不使用更多的切換開關(guān)，如繼電器(Relay)，還要增加自耦變壓器的輸入或輸出端點(tap)，造成變壓器復(fù)雜，UPS控制繁復(fù)，整體的成本也跟著上升。
為達成前述目的，本發(fā)明的在線互動式不斷電電供電方法，其系依據(jù)市電的穩(wěn)定度判斷進入旁路模式、市電穩(wěn)壓模式或電池模式；其中在市電穩(wěn)壓模式下，若市電值過高，則提供一與市電反相位的補償電壓并與市電串加后供應(yīng)予負載；若市電值過低，則提供一與市電同相位的補償電壓且與市電串加后供應(yīng)予負載。
而實施前述方法之具體裝置包括有一開關(guān)單元，系設(shè)于市電與一高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器之間，其中開關(guān)單元之第一輸出端與第二輸出端均系連接至第一、第二切換單元；前述高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器之兩輸入端系分別連接前述開關(guān)單元之第一輸出端與第二輸出端，又該高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器之輸出端系連接至前述第二切換單元；于前述第一、第二切換單元之輸出端系供連接一負載；當(dāng)市電供電不穩(wěn)定時，該高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器系工作于市電穩(wěn)壓模式下，進行AC-AC之操作模式，利用該高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器輸出一有效值較小、且與市電呈同相位或反相位的交流補償電源，此交流補償電源經(jīng)前述第一、第二切換單元控制而與市電相串聯(lián)后，即可達到升壓或降壓目的，以供應(yīng)負載穩(wěn)定的工作電壓。
圖2系本發(fā)明降壓模式(BUCK MODE)之原理示意圖。
圖3系本發(fā)明升壓模式(BO0ST MODE)之原理示意圖。
圖4系本發(fā)明高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器之第一實施例。
圖5系本發(fā)明高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器之第二實施例。
圖6系本發(fā)明高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器之第三實施例。
圖7系本發(fā)明高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器之第一實施例于市電穩(wěn)壓模式下的電路動作圖。
圖8系于升壓模式下之電壓、電流動作示意圖。
圖9系于降壓模式下之電壓、電流動作示意圖。


圖10系本發(fā)明高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器之第一實施例于升壓模式下之各電晶體開關(guān)之驅(qū)動波形圖。
圖11系本發(fā)明高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器之第一實施例于升壓模式下之電壓、電流波形圖。
圖12系本發(fā)明高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器之第一實施例于降壓模式下之各電晶體開關(guān)之驅(qū)動波形圖。
圖13系本發(fā)明高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器之第一實施例于降壓模式下之電壓、電流波形圖。
圖14以高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器之第一實施例，結(jié)合至少一蓄電池后操作于電池模式之第一實施例。
圖15以高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器之第一實施例，結(jié)合至少一蓄電池后操作于電池模式之第二實施例。
圖16以高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器之第二實施例，結(jié)合至少一蓄電池后操作于電池模式之實施例。
圖17系本發(fā)明另一實施例之電路方塊圖。
圖18系本發(fā)明又一實施例之電路方塊圖。
(二)圖號10開關(guān)單元 20第一切換單元30第二切換單元 40直流供應(yīng)單元50高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器51第一電晶體組52第二電晶體組 53第三電晶體組L1～L4電感O/P-1～O/P-3輸出點在UPS的市電穩(wěn)壓模式的交流控制上，本發(fā)明系利用交流電壓的″DELTA″控制觀念加以實施，即兩個同頻率之交流電壓可依據(jù)兩者之相位差進行均方根值(Vrms)的相加或相減。例如兩電壓均方根值分別為A、ΔA進行加減時Asinx+ΔAsin(x+ω)＝Bsinx，當(dāng)A與ΔA兩者之相位差ω＝0時，則B＝A+ΔA，兩電壓即進行相加；反之當(dāng)A與ΔA兩者之相位差ω＝π時，則B＝A-ΔA，兩電壓即進行相減。
將上述觀念導(dǎo)入本發(fā)明的在線互動式不斷電電源時，在交流電壓的控制方面，系視市電輸入電壓為Asinx，而電壓轉(zhuǎn)換器之輸出電壓為ΔAsin(x+ω)，而兩者串聯(lián)相加后Bsinx即為供應(yīng)予負載的輸出電壓。
在一定的電壓、頻率之容許范圍內(nèi)，系可計算出輸出電壓(Bsinx)與市電輸入電壓Asinx之差值，此差值即代表轉(zhuǎn)換器之輸出電壓ΔAsin(x+ω)，進而決定ΔAsin(x+ω)應(yīng)為升壓模式(BOOST MODE)或降壓模式(BUCKMODE)。
請參考圖1所示，為本發(fā)明之電路方塊圖，市電的兩輸入端為I/P-N(Neutral線)與I/P-L(Line線)，市電通過一開關(guān)單元10后進入一高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器50。該開關(guān)單元10之一輸出端點連接至第一切換單元20作為第一輸出點O/P-1，且另一輸出端則連接至第二切換單元30作為第三輸出端點(O/P-3)，而前述高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器50之輸出端系連接至第二切換單元30。
若輸入的市電電源經(jīng)過高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器50變壓轉(zhuǎn)換后，系由第二輸出節(jié)點O/P-2輸出一相對于第三輸出點O/P-3之交流電壓值。
三個輸出點O/P-1～O/P-3系依據(jù)不同的工作模式下，利用前述第一、第二切換單元20、30適當(dāng)切換選擇后，可供應(yīng)負載穩(wěn)定的工作電壓，計有三種工作模式
1.旁路(BY-PASS)模式在輸入的市電電壓正常時，市電系不經(jīng)過任何電壓轉(zhuǎn)換而直接供應(yīng)予負載，第一切換單元20系切換至第一輸出點O/P-1，而第二切換單元30則切換至第三輸出點O/P-3，故市電直接由兩輸出點O/P-1、O/P-3供予負載。
2.市電穩(wěn)壓模式在市電電壓偏高或偏低時，第一切換單元20系切換至第一輸出點O/P-1，而第二切換單元30則切換至第二輸出點O/P-2，故市電進入該高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器50后，經(jīng)由控制該轉(zhuǎn)換器輸出電壓的相位與大小，即可與市電進行串聯(lián)補償，以達成升壓、降壓目的。
3.電池模式當(dāng)市電異?；驍嚯姇r，改由蓄電池組供電，藉由一變流器將蓄電池之直流電源切換成交流型態(tài)輸出，而輸出節(jié)點即采用第二輸出點O/P-2與第三輸出點O/P-3，此電池模式可根據(jù)不同實施例，結(jié)合前述高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器50而實施。
請參閱圖2與圖3，系分別于市電穩(wěn)壓模式下進行降壓與升壓之原理示意圖。如圖2所示，在市電電壓V1較高時，系期望得到一比市電電壓V1較低的輸出電壓V3，故串接一與市電反相位的電壓源V2在市電與負載之間，而操作于降壓模式(BUCK MODE)。反之，如圖3所示，在市電電壓V1較低時，輸出予負載的電壓必須較市電電壓V1來得高，故串接一個與市電同相位的電壓源V2于市電與負載之間，使之進入升壓模式(BOOST MODE)。
請參閱圖4所示，為本發(fā)明高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器50之第一實施例，主要由三組呈并聯(lián)連接之電晶體組51～53(即電晶體M1-M6)、電感L1、L2及電容C1、C2組成，其中市電系由兩輸入端A、B送入高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器50，經(jīng)轉(zhuǎn)換后由輸出端C送予負載。
市電一端經(jīng)過第一電感器L2后，連接至第一電晶體組51之串接節(jié)點，而市電之另端，則另外連接至第二電晶體組52之中央串接節(jié)點。
于第三電晶體組53兩電晶體之串接節(jié)點，系再通過第二電感器L1而接至前述第二切換單元30(見圖1)。
請參閱圖5所示，該高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器50第二實施例的架構(gòu)大致上系與第一實施例相同，惟其中第二電晶體組52改由兩串接電容器C2、C2A取代。
圖6系為高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器50之第三實施例，其中原電感器L2已移除，而兩電感器L3、L4則分別連接于第一電晶體組51與第二電晶體組52之間。第二電晶體組52與第三電晶體組53之間則再并接一組串聯(lián)電容C2A、C2，且于第二電晶體組52與串聯(lián)電容組C2A、C2之間系再連接有兩電晶體M9、M10。
請參閱圖7所示，以前述圖4所示高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器50為例，工作于市電穩(wěn)壓模式下之電路動作圖，圖示中標(biāo)示為V1者代表市電輸入，而V2即表示高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器50所輸出的調(diào)變電壓，而最終供應(yīng)予負載使用的輸出電壓V3＝V1+V2。
舉例而言，無論于升、降壓模式下，若定義該高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器50可調(diào)整的電壓大小為額定輸出電壓的15％(即所需處理的能量僅為15％的輸出功率)，且該高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器50之轉(zhuǎn)換效率為90％，則本在線互動式不斷電系統(tǒng)效率將高達98.5％。其計算方式如下85％+(15％×0.9)＝98.5％請參考圖8、圖9所示，分別為升壓模式與降壓模式下之電壓、電流動作示意圖。
升壓模式(Boost Mode)如圖8中所示，若市電輸入V1僅為額定輸出電壓VO的85％，則該高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器50之輸出電壓V2必須提供15％的額定輸出電壓VO，即V2＝15％×VO，且必須為與市電輸入之電壓電流同相位，使得最終供應(yīng)予負載的工作電壓V3能維持于額定輸出電壓VO。其中藉由適當(dāng)?shù)目刂魄笆龈哳lAC/AC雙向轉(zhuǎn)換器50之各個電晶體M1～M6的開關(guān)時間，即可控制轉(zhuǎn)換器50輸出的電壓大小及相位，各個電晶體之驅(qū)動波形如圖10所示，而各主要節(jié)點之電壓及電流波形則請參考圖11所示。
降壓模式(Bust Mode)若市電之輸入V1為115％的額定輸出電壓VO時，則高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器50即扮演降壓角色。如圖9中所示，該高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器50系輸出一與市電V1反相的電壓V2，其僅為額定輸出電壓VO的15％，各個電晶體M1～M6之驅(qū)動波形即如圖12所示，而各節(jié)點及電壓電流波形如圖13中所示。于圖13中可得知電壓V2相位系與市電V1輸入反相，故最終供給予負載的輸出電壓V3仍可維持在額定電壓值VO。
請參閱圖14所示，系以前述圖4所示高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器50為例，配合一直流供應(yīng)單元40而工作于電池模式，其中該直流供應(yīng)單元40系并接于第一組電晶體M5、M6與第三組電晶體M1、M3之間，由一DC/DC轉(zhuǎn)換器及至少一蓄電池所組成。
圖15所示仍以前述圖4所示高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器50為例，配合一直流供應(yīng)單元40之另一配接方式，其中蓄電池系通過一開關(guān)元件與電感L2相連接。圖16所示，系為圖5所示之高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器50搭配一直流供應(yīng)單元40工作于電池模式之下。
本發(fā)明之特點系以高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器50對市電進行升、降壓補償，故其實施結(jié)構(gòu)具有多種變化的可能性，如圖17所示，為本發(fā)明之另一實施例。其與圖1所示之電路方塊圖大致相同，惟僅保留第二切換單元30，而負載之一端系連接至開關(guān)單元10。其中，旁路(BY-PASS)模式仍是以輸出點O/P-1、O/P-3直接提供市電予負載，而市電穩(wěn)壓模式同樣以輸出點O/P-1、O/P-2供電，電池模式即以輸出點O/P-2、O/P-3供電，故仍是與圖1所示之輸出方式相同。
而在圖18中所示為本發(fā)明之再一實施例，其與圖1所示之差異在于第一切換單元20之一端系直接連接至開關(guān)單元10，而無與第二切換單元30相接。
綜上所述，系為本發(fā)明較佳實施例之具體說明，而非用以限制本發(fā)明之申請專利范圍，再者本發(fā)明確已具備前述優(yōu)點，且相較于既有亦具備顯著之功效增進。
權(quán)利要求
1.一種在線互動式不斷電電源的供電方法，其系依據(jù)市電的穩(wěn)定度判斷進入旁路模式、市電穩(wěn)壓模式或電池模式；其中在市電穩(wěn)壓模式下，若市電值過高，則提供一與市電反相位的補償電壓并與市電串加后供應(yīng)予負載；若市電值過低，則提供一與市電同相位之補償電壓且與市電串加后供應(yīng)予負載。
2.如權(quán)利要求1所述的在線互動式不斷電電源的供電方法，其特征在于前述補償電壓的頻率系與市電電壓的頻率相同。
3.如權(quán)利要求2所述的在線互動式不斷電電源的供電方法，其特征在于前述補償電壓系以一高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生。
4.一種在線互動式不斷電電源的供電裝置，其包括有一開關(guān)單元，其具有兩切換輸出端，該開關(guān)單元系設(shè)于市電輸入與一高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器之間，又開關(guān)單元之兩輸出端系均連接至一第一切換單元與一第二切換單元；前述高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器之兩輸入端系分別連接前述開關(guān)單元之兩輸出端，又該高頻雙向AC/AC轉(zhuǎn)換器之一輸出端系連接至前述第二切換單元；于前述第一、第二切換單元之輸出端系供連接一負載；當(dāng)市電供電不穩(wěn)定時，該高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器系工作于市電穩(wěn)壓模式下，進行AC-AC之操作模式，利用該高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器輸出一有效值較小、且與市電呈同相位或反相位的交流補償電源，此交流補償電源經(jīng)前述第一、第二切換單元控制而與市電相串聯(lián)后，即可達到升壓或降壓目的，以供應(yīng)負載穩(wěn)定的工作電壓。
5.如權(quán)利要求4所述的在線互動式不斷電電源的供電裝置，其特征在于該高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器系包括有三組呈并聯(lián)連接的電晶體組，其中各電晶體組均以兩電晶體串接組成，第一電晶體組連接開關(guān)單元之一輸出端，第二電晶體組系連接開關(guān)單元之另一輸出端，第三電晶體組系連接至前述第二切換單元。
6.如權(quán)利要求4所述的在線互動式不斷電電源的供電裝置，其特征在于該高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器系包括有二組呈并聯(lián)連接的電晶體組，其中各電晶體組均以兩電晶體串接組成；一串接電容組，系并接于前述二電晶體組之間；其中，第一電晶體組連接開關(guān)單元之一輸出端，該串接電容組系連接開關(guān)單元之另一輸出端，第二電晶體組系連接至前述第二切換單元。
7.如權(quán)利要求4所述的在線互動式不斷電電源的供電裝置，其特征在于該高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器包括有三組呈并聯(lián)連接的電晶體組，其中各電晶體組均以兩電晶體串接組成，第一電晶體組連接開關(guān)單元之一輸出端，第二電晶體組系連接開關(guān)單元之另一輸出端，第三電晶體組系連接至前述第二切換單元；于前述第一電晶體組與第二電晶體組之間系連接有兩電感；于前述第二電晶體組與第三電晶體組之間系并接有一串聯(lián)電容組；于前述第二電晶體組與該串聯(lián)電容組之間系連接有兩電晶體。
8.如權(quán)利要求5所述的在線互動式不斷電電源的供電裝置，其特征在于于第一電晶體組與第二電晶體之間系并接有一直流供應(yīng)電源。
9.如權(quán)利要求6所述的在線互動式不斷電電源的供電裝置，其特征在于于第一電晶體組與該串接電容組之間系并接有一直流供應(yīng)電源。
10.如權(quán)利要求5所述的在線互動式不斷電電源的供電裝置，其特征在于于第一電晶體組之串接節(jié)點系再連接一直流供應(yīng)電源。
全文摘要
本發(fā)明系一種在線互動式(Line Interactive)不斷電電源的供電方法及裝置，于市電輸入端系通過一高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器進行升、降壓轉(zhuǎn)換，當(dāng)市電電壓偏高或偏低時，該高頻AC/AC雙向轉(zhuǎn)換器將輸出一補償電壓與市電電壓串聯(lián)疊加，而于市電模式下完成升壓或降壓動作，藉此可輸出一穩(wěn)定的額定電壓予負載端。
文檔編號H02J7/34GK1469525SQ0214074
公開日2004年1月21日 申請日期2002年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月16日
發(fā)明者戴志展, 戴國峰 申請人:飛瑞股份有限公司