專利名稱：利用整流的ac和電池為ac負(fù)載產(chǎn)生備用不間斷電源的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到電源，特別是涉及到用來產(chǎn)生備用不間斷電源的系統(tǒng)和方法。
不間斷電源(UPS)被廣泛地用于在交流(AC)公用輸入電壓故障的情況下為電子裝置提供電源。UPS已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)，包括但是不僅限于個(gè)人計(jì)算機(jī)，工作站，微型計(jì)算機(jī)和主機(jī)計(jì)算機(jī)，用來確保重要的數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，即使是暫時(shí)失去AC公用輸入電壓，計(jì)算機(jī)仍然可以連續(xù)工作。
參見

圖1A，圖中表示由AC公用輸入電壓供電的一個(gè)AC負(fù)載的簡化框圖。如圖1所示，AC公用輸入電壓100被提供給例如墻頭插座的第一插頭102，將AC負(fù)載120插入其中。按照這種常規(guī)結(jié)構(gòu)，如果AC公用輸入電源發(fā)生故障，AC負(fù)載120就會(huì)停止工作。
參見圖1B，在AC公用輸入電壓100的第一插頭102和AC負(fù)載120之間插入一個(gè)不間斷供電系統(tǒng)110?？梢岳斫?，UPS可以設(shè)在AC120負(fù)載之外，如圖1B所示用第二插頭112連接UPS110和AC負(fù)載120?；蛘呤强梢詫PS110作為AC負(fù)載120整體中所包括的一部分。
圖1B還表示了包括電子電路在內(nèi)的AC負(fù)載120的細(xì)節(jié)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員都可以理解，可以用UPS提供的AC電流直接操作某些AC負(fù)載例如AC電動(dòng)機(jī)。然而，如果AC負(fù)載包括電子電路140，電子電路往往是由一或多種直流(DC)工作電壓來操作的。如圖1B所示，電子電路140需要三種DC操作電壓138a-138c，分別是-5伏DC，+5伏DC和-12伏DC。也可以使用其它DC操作電壓。不3難理解，這種電子電路140可以是個(gè)人計(jì)算機(jī)，工作站，微型計(jì)算機(jī)和主機(jī)計(jì)算機(jī)，或是其它民用，商用或軍用電子產(chǎn)品。
為了供應(yīng)DC操作電壓138a-138c，電源130將UPS110產(chǎn)生的AC電流變換成用于電子電路140的DC操作電壓138a-138c。相應(yīng)的電源130通常包括輸入整流，例如是通過全波整流二極管132產(chǎn)生整流電壓。也可以采用半波輸入整流或其它形式的輸入整流，這對(duì)于熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說也是完全可以理解的。可以用電容134對(duì)來自全波整流二極管132的整流電壓濾波。濾波的電壓被提供給一個(gè)DC到DC變換器136。DC到DC變換器136可以包括一個(gè)升壓變換器和/或一個(gè)高頻變換器，這都是本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的。包括升壓變換器可以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正并且減少輸入AC線電流中總的諧波畸變。電源130的設(shè)計(jì)是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的技術(shù)，在此無需進(jìn)一步描述。
UPS大致被劃分成在線UPS和備用UPS。在在線UPS中采用電池提供DC到AC逆變器為AC負(fù)載供電。一個(gè)AC到DC變換器(也可以稱為“充電器”)保持電池處在其充電狀態(tài)。由于電池可為AC負(fù)載持續(xù)供電，在AC公用輸入電壓故障時(shí)沒有過渡過程。另外，電池可以濾除AC公用輸入電壓的畸變或是噪聲，從而減少對(duì)AC負(fù)載的“干擾”。遺憾的是，在線UPS需要大電池，AC到DC變換器和DC到AC逆變器。因此，在線UPS即昂貴又笨重。
與此相反，備用UPS從AC公用輸入電壓為AC負(fù)載供電，直到AC公用輸入電壓出現(xiàn)故障。然后切換到用電池和逆變器為AC負(fù)載供電。因此，電池和逆變器僅僅是在備用的基礎(chǔ)上為AC負(fù)載供電。
圖2是一種常規(guī)備用UPS的框圖。如圖2所示，備用UPS110’從第一插頭102接收AC公用輸入電壓100，并且經(jīng)由第一開關(guān)202通過第二插頭112將AC公用輸入電壓提供給AC負(fù)載。第一開關(guān)202可以是一個(gè)繼電器和/或一個(gè)晶閘管(triac)，只要AC公用輸入電壓還在向第一插頭102供電，它就維持閉合。一旦失去AC公用輸入電壓100，第一開關(guān)202就打開。第一開關(guān)202可以依靠其常開結(jié)構(gòu)打開，或者是在控制器214的控制下打開。然后，控制器214使第二開關(guān)204閉合。當(dāng)?shù)诙_關(guān)204閉合時(shí)，DC到AC逆變器212通過第二插頭112從電池210向AC負(fù)載120提供AC電源。當(dāng)?shù)谝徊孱^102上的AC公用輸入電壓恢復(fù)時(shí)，第二開關(guān)204打開，而第一開關(guān)202閉合，從而將電池210斷開。如果通過一條檢測(cè)線路216檢測(cè)AC公用輸入電壓100的丟失和恢復(fù)，就用于控制器214控制第一開關(guān)202和第二開關(guān)204打開和閉合。按照本領(lǐng)域的技術(shù)人員所知還可以采用其它的結(jié)構(gòu)。充電器206使電池210維持在充電狀態(tài)。常規(guī)的備用UPS110’的設(shè)計(jì)和使用是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的技術(shù)，在此無需進(jìn)一步描述。
遺憾地是，常規(guī)的備用UPS110’存在許多缺點(diǎn)。例如，為了避免通過第一插頭102從備用UPS110’到AC公用輸入電壓100的反饋，需要由控制器214提供一種延遲，讓第一開關(guān)202在第二開關(guān)204閉合之前打開。這樣會(huì)給從AC公用輸入電壓100到備用電池210的切換帶來一種“先斷開再接通”的過渡過程。AC負(fù)載120在這一過渡過程中將會(huì)失去電源。另外，開關(guān)204需要采用即能阻塞峰值輸入線浪涌電壓又要阻塞逆變器電壓的高壓雙向開關(guān)。最后，從電池210過渡的DC到AC逆變器212需要滿足持續(xù)工作的全額定容量，并且應(yīng)該能夠在短時(shí)間內(nèi)提供AC負(fù)載所需要的浪涌功率。當(dāng)電池處在以地為參考的低電壓時(shí)，DC到AC逆變器212還需要在電池與負(fù)載之間提供隔離。因此，DC到AC逆變器212可能即昂貴又不可靠。
在本發(fā)明人Oughton的美國專利US5291383中提出了一種包括高頻諧振變換器的在線UPS。此項(xiàng)專利的圖1表示一個(gè)UPS系統(tǒng)的框圖。這一UPS系統(tǒng)包括可以連接到AC公用電源的一個(gè)整流器。整流器向一個(gè)輸入濾波器提供DC電壓，后者向一個(gè)高頻諧振變換器的輸入提供未經(jīng)調(diào)節(jié)的DC電壓。諧振變換器在其輸出端向一個(gè)隔離功率變壓器提供經(jīng)過調(diào)節(jié)的AC電壓。功率變壓器包括原邊繞組和副邊繞組，用原邊繞組和副邊繞組將變換器耦合到整流器，整流器通過一個(gè)輸出濾波器向一個(gè)脈寬調(diào)制(PWM)逆變器提供DC電壓。PWM逆變器通過一個(gè)低通濾波器向連接到UPS系統(tǒng)的負(fù)載提供DC電壓。采用適當(dāng)?shù)目刂齐娐穪砜刂芇WM逆變器和諧振變換器。這一UPS系統(tǒng)還包括可以通過一個(gè)開關(guān)連接到變換器輸入端的電池以及電池的充電器，充電器也連接到AC電源上。參見Oughton的專利第一欄13-36行。也可以參見Widener和本發(fā)明人Oughton的美國專利US5057698。
如上文所述的UPS昂貴，復(fù)雜而且笨重，并且可靠性容易出問題。另外，備用UPS在失去AC公用輸入電壓時(shí)往往不能為AC負(fù)載提供不間斷的過渡。
本發(fā)明的目的之一是提供一種改進(jìn)的備用UPS系統(tǒng)和方法，可以為AC負(fù)載提供備用和不間斷的電源。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是為AC負(fù)載提供用來產(chǎn)生備用不間斷電源的系統(tǒng)和方法，所使用的部件可以降低成本及復(fù)雜性和/或體積。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是為AC負(fù)載提供用來產(chǎn)生備用不間斷電源的系統(tǒng)和方法，在AC公用輸入電壓發(fā)生故障和AC公用輸入電壓恢復(fù)時(shí)向AC負(fù)載不間斷地傳送功率。
按照本發(fā)明的上述和其它目的是通過用來為AC負(fù)載產(chǎn)生備用不間斷電源的系統(tǒng)和方法來實(shí)現(xiàn)的，對(duì)AC輸入電壓整流，產(chǎn)生一個(gè)整流電壓，并且響應(yīng)AC公用輸入電壓的預(yù)定變化接通一個(gè)DC電池電壓，從而產(chǎn)生備用的DC電壓。整流電壓和備用DC電壓被連接到一個(gè)包括輸入整流的AC負(fù)載，從而產(chǎn)生備用不間斷電源，無需使用昂貴，笨重和/或不可靠的逆變器或變換器。在AC公用輸入電壓發(fā)生故障和AC公用輸入電壓恢復(fù)時(shí)可以不間斷地地傳送功率，為AC負(fù)載提供支持。
本發(fā)明的基礎(chǔ)在于許多AC負(fù)載的輸入端都不需要AC電源，這其中包括但是并不僅限于參照?qǐng)D1B所述的包括電子電路和具有輸入整流的電源的那種AC負(fù)載。許多AC負(fù)載都可以用整流的AC電源工作。因此，在AC公用輸入電壓工作時(shí)不是為AC負(fù)載產(chǎn)生AC電源，而是產(chǎn)生整流的AC電源。在AC公用輸入電壓故障時(shí)，由電池提供一個(gè)備用DC電壓。許多包括輸入整流的AC負(fù)載都可以使用整流AC電壓和備用DC電壓。因而就能省略對(duì)笨重和昂貴的逆變器或變換器的需求，從而實(shí)現(xiàn)一種降低成本，縮小體積并且/或者改善可靠性的UPS。
在一個(gè)最佳實(shí)施例中，用一或多個(gè)二極管對(duì)AC公用輸入電壓整流。這些二極管可以防止對(duì)AC公用輸入電壓的反饋，因而能夠立即向AC負(fù)載提供備用DC電壓，從而實(shí)現(xiàn)一種不間斷的過渡。由二極管開關(guān)(也就是單向開關(guān))接通和斷開電池，因此，在確認(rèn)AC公用輸入電壓已經(jīng)完全恢復(fù)之前不需要斷開電池。這樣就能在AC公用輸入電壓恢復(fù)時(shí)為負(fù)載不間斷地供電。
在本發(fā)明的最佳實(shí)施例中，用一個(gè)二極管整流器對(duì)AC公用輸入電壓整流，最好是采用包括至少四個(gè)二極管的全波二極管整流器產(chǎn)生整流的電壓。用一個(gè)二極管開關(guān)響應(yīng)AC公用輸入電壓中預(yù)定的變化而接通來自電池的DC電壓，從而產(chǎn)生備用DC電壓。二極管開關(guān)可以由一個(gè)獨(dú)立的二極管和一個(gè)電子或是機(jī)電式開關(guān)構(gòu)成。二極管開關(guān)也可以是諸如晶閘管那樣的單個(gè)元件。二極管整流器和二極管開關(guān)按照二極管-OR的連接關(guān)系來連接，為UPS的輸出提供備用的不間斷電源。
二極管-OR連接可以隨時(shí)提供最強(qiáng)的電源來支持AC負(fù)載。這樣就能為AC負(fù)載提供先接通后斷開的不間斷電源支持。可以用一個(gè)控制器接通二極管開關(guān)，響應(yīng)AC公用輸入電壓的故障而接通電池，而不是首先從UPS斷開AC公用輸入電壓。這樣就能提供不間斷的過渡。另外，二極管-OR連接可以在AC公用輸入電壓由于供電管制或其它狀態(tài)而降低時(shí)接通電池，而不需要等到AC公用輸入電壓完全丟失。最后，當(dāng)AC公用輸入電壓恢復(fù)時(shí)，二極管-OR連接不需要在重新連接AC公用輸入電壓之前斷開電池，而是可以利用二極管-OR連接同時(shí)連接電池和AC公用輸入電壓。因此，為包括輸入整流的AC負(fù)載產(chǎn)生備用不間斷電源的這種系統(tǒng)(裝置)和方法可以首先不間斷，低成本，緊湊，和/或可靠的備用不間斷電源。
圖1A是一種由AC公用輸入電壓供電的常規(guī)AC負(fù)載的簡化框圖；圖1B是插在AC公用輸入電壓和AC負(fù)載之間的一個(gè)常規(guī)UPS的簡化框圖；圖2是一種常規(guī)UPS的框圖；圖3表示按照本發(fā)明的UPS系統(tǒng)和方法的第一實(shí)施例；圖4表示按照本發(fā)明的UPS系統(tǒng)和方法的第二實(shí)施例；圖5表示圖3和4中電壓和信號(hào)的時(shí)序圖；圖6表示圖3和4中控制器的操作流程圖。
以下要參照附圖更加具體地描述本發(fā)明，在圖中表示了本發(fā)明的最佳實(shí)施例。然而，本發(fā)明可以有許多不同的體現(xiàn)形式，不應(yīng)該被認(rèn)為是僅限于所述的實(shí)施例；提供這些實(shí)施例的作用只是為了透徹和完整的說明，并且向本領(lǐng)域的技術(shù)人員充分地表達(dá)本發(fā)明的范圍。相同的元件始終采用相同的符號(hào)。
以下要參照?qǐng)D3來描述本發(fā)明的UPS系統(tǒng)和方法的第一實(shí)施例。如圖3所述，按照本發(fā)明的UPS310的輸入通過第一插頭102連接到AC公用輸入電壓100。UPS310的輸出通過第二插頭112連接到一個(gè)AC負(fù)載120。如上所述，如果將UPS310集成在AC負(fù)載120中，就不需要第二插頭112。
繼續(xù)對(duì)圖3的描述，UPS310包括一個(gè)二極管整流器，例如是單個(gè)二極管328，它提供AC公用輸入電壓100的半波整流。用二極管-OR連接將電池320和二極管開關(guān)314串聯(lián)地連接到二極管整流器328。電池320產(chǎn)生一個(gè)足以為AC負(fù)載120供電的DC電壓VB。當(dāng)二極管開關(guān)314激活時(shí)，就產(chǎn)生備用DC電壓VS。正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的，二極管-OR連接包括連接到一個(gè)公共節(jié)點(diǎn)上的兩個(gè)或更多二極管，因而僅有一個(gè)二極管的電流可以通過公共節(jié)點(diǎn)，而其它二極管會(huì)阻塞來自公共節(jié)點(diǎn)的電流。換句話說也就是提供了一種單向連接。因此，在圖3中，這種二極管-OR連接能夠阻止來自電池320的電流反饋給AC公用輸入電壓100，并且也能夠阻止來自AC公用輸入電壓的電流反饋給電池320。二極管-OR連接330提供UPS310的輸出。
UPS310還包括一個(gè)線路開關(guān)312。線路開關(guān)312是可以選擇的，因?yàn)槎O管328能夠阻止從電池320到AC公用輸入電壓100的反饋。然而，對(duì)機(jī)械線路開關(guān)312可能需要調(diào)節(jié)。
在圖3的實(shí)施例中，二極管開關(guān)314包括一個(gè)二極管316和一個(gè)開關(guān)318，它們串聯(lián)連接在二極管-OR連接330和電池320之間。開關(guān)318可以是諸如繼電器的一個(gè)機(jī)電式開關(guān)。開關(guān)318也可以是一個(gè)電子開關(guān)，例如是一個(gè)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，功率場效應(yīng)晶體管(FET)，雙極晶體管，或者是任何其它電子開關(guān)。二極管開關(guān)314提供單向的電流。
同樣如圖3所示，還包括一個(gè)為電池320充電的電池充電器322。電池充電器322的設(shè)計(jì)是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的，在此無需解釋。最后，按照下文中的具體描述，控制器324通過一條控制線326控制AC公用輸入電壓100，通過第二控制線334控制線路開關(guān)312，并且通過第一控制線332控制二極管開關(guān)314的開關(guān)318。
然而，一般來說，當(dāng)檢測(cè)線326上檢測(cè)到失去AC公用輸入電壓時(shí)，控制器324可以在線路開關(guān)312打開之前立即閉合二極管開關(guān)314的開關(guān)318，為AC負(fù)載120提供不間斷傳送功率的支持。二極管328提供單向?qū)娏鳎⑶易柚瓜駻C公用輸入電壓100的反饋。然后可以用控制器打開線路開關(guān)312，在后備電池投入使用時(shí)根據(jù)調(diào)節(jié)的需要而實(shí)際打開一個(gè)開關(guān)。當(dāng)AC公用輸入電壓100恢復(fù)時(shí)，控制器324可以閉合線路開關(guān)312。二極管開關(guān)314或314’提供單向?qū)娏?，使AC公用輸入電壓100不會(huì)流入電池320。在等待一個(gè)預(yù)定的時(shí)間之后，可以在供電線路達(dá)到穩(wěn)定時(shí)打開開關(guān)318。不難理解，具體的控制器324可以使用一或多個(gè)模擬或數(shù)字集成電路，離散的模擬或數(shù)字電路，能夠運(yùn)行存儲(chǔ)程序的集成電路微處理器，專用集成電路(ASIC)，或者是硬件和/或軟件的任何其它組合。
圖4表示本發(fā)明的第二實(shí)施例。如圖4所示，UPS410包括一個(gè)由按照本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的方式來連接的四個(gè)二極管428a-428d構(gòu)成的全波二極管整流器。另外二極管開關(guān)314’是一個(gè)集成(單一元件)的二極管開關(guān)，例如是一個(gè)晶閘管，它的單個(gè)半導(dǎo)體器件中包括一個(gè)開關(guān)和一個(gè)二極管。與圖3一樣，控制器324使用第一線路332控制晶閘管314’?？刂破?24使用第二控制線路334控制線路開關(guān)312。
以下參見圖5和6來說明如圖3和4所示的本發(fā)明的UPS的工作原理。圖5表示圖3和4的PUS中各種電壓和信號(hào)的時(shí)序圖。圖6表示控制器324的操作流程圖。不難理解，流程中的各個(gè)框及其在流程中的組合都是可以用計(jì)算機(jī)程序指令來實(shí)現(xiàn)的?？梢詫⑦@些計(jì)算機(jī)程序指令提供給一個(gè)處理器或者是其它可編程數(shù)據(jù)處理裝置而構(gòu)成一個(gè)控制器，由處理器或其它可編程數(shù)據(jù)處理裝置上執(zhí)行的指令構(gòu)成一個(gè)用于執(zhí)行各個(gè)流程框內(nèi)具體功能的裝置。還可以將這些計(jì)算機(jī)程序指令存儲(chǔ)在一個(gè)可由計(jì)算機(jī)讀出的存儲(chǔ)器中，它可以指示處理器或是其他可編程數(shù)據(jù)處理裝置按照特定的方式工作，用存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器中的指令產(chǎn)生一個(gè)制成品，包括用來實(shí)現(xiàn)在流程圖的各個(gè)框中規(guī)定的功能的指令裝置。
流程圖中的框表示用來執(zhí)行特定功能的裝置的支持組合，用來執(zhí)行特定功能的各步驟的組合，以及用來執(zhí)行特定功能的程序指令裝置。可以理解的是，流程圖中表示的每個(gè)框以及這些框在流程圖中的組合都可以由用來執(zhí)行圖6中所示的具體功能或步驟的專用硬件基礎(chǔ)上的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，或者是通過專用硬件和計(jì)算機(jī)指令的組合來實(shí)現(xiàn)。
參見圖3，4，5和6，開始，AC公用輸入電壓100從時(shí)間T0到時(shí)間T1在第一插頭102上提供正常的正弦電壓V100。在此期間，控制器324在框602通過線路326檢測(cè)AC公用輸入電壓，直至框604中在時(shí)間T1發(fā)生變化。如下文所述，這種變化可能是由于斷電造成的AC公用輸入電壓100的故障，或者是由于節(jié)電造成的AC公用輸入電壓100下降。
如圖5所示，從時(shí)間T0到時(shí)間T1，第一控制線332上的控制信號(hào)V332無效。同樣，由電池320提供的備用DC電壓VS是零。UPS410在二極管-OR連接330上的輸出電壓V330是半波整流的AC電壓(圖3)或全波整流的AC電壓(圖4)。
參見圖6，如果在框604中通過線路326檢測(cè)到AC公用輸入電壓的變化，控制器324需要等待一個(gè)時(shí)間間隔T2，確認(rèn)AC公用輸入電壓100已經(jīng)改變而不是僅僅出現(xiàn)了一個(gè)電壓尖峰或漏檢?？梢岳斫獾氖?，時(shí)間間隔T2是很短的，僅僅是AC輸入電壓一個(gè)周期的一個(gè)片段。另外，可以使時(shí)間間隔T2盡量短，僅僅取決于控制器324的最短檢測(cè)時(shí)間。在時(shí)間間隔T2內(nèi)，控制器電壓V332保持無效，備用電壓VS維持在零，而輸出電壓V330也下降到零。
參見圖6，如果AC公用輸入電壓V100的變化在時(shí)間間隔T2內(nèi)持續(xù)，控制器324就在框608接通二極管開關(guān)314或314’。與此相應(yīng)，如圖5所示，在時(shí)間間隔T2結(jié)束時(shí)接通第一控制線332，從而接通二極管開關(guān)314或314’。備用DC電壓VS因而增大到其最大值，而輸出電壓V330提供與AC公用輸入電壓V100的RMS值接近的DC電壓，或者是適合為AC負(fù)載120供電的其他電壓值。在圖6中的框612，控制器324可以用第二控制線334選擇斷開線路開關(guān)312。同樣是可以理解的，通過線路開關(guān)312自身的機(jī)械動(dòng)作也可以打開線路開關(guān)334，無需進(jìn)行控制器干預(yù)。
在框614，控制器連續(xù)檢測(cè)AC公用輸入電壓V100，檢測(cè)AC公用輸入電壓V100是否已經(jīng)恢復(fù)(框616)。參見圖5，AC公用輸入電壓V100在時(shí)間T3已經(jīng)恢復(fù)。響應(yīng)在框616檢測(cè)到的輸入電壓恢復(fù)，控制器324在框618通過第二控制線334接通線路開關(guān)312。同樣是可以理解的，線路開關(guān)312可以在線電壓恢復(fù)時(shí)自動(dòng)接通，無需由控制器324來接通。
繼續(xù)參見圖6，在框622，二極管開關(guān)314或314’不會(huì)立即斷開。而是由控制器324等待一個(gè)時(shí)間間隔T4，確保AC公用輸入電壓V100達(dá)到穩(wěn)定。在時(shí)間間隔T4內(nèi)，由于二極管-OR連接330的作用，當(dāng)AC公用輸入電壓V100超過DC電池電壓VB時(shí)，二極管開關(guān)314或314’變成了反向偏置，從UPS的輸出上斷開來自電池320的DC電壓VB。因此，在時(shí)間間隔T4中，電池320和AC公用輸入電壓V100在二極管-OR連接330處交替地提供UPS輸出電壓，這取決于整流AC公用輸入電壓和DC電池電壓哪一個(gè)更高。上述說明中假設(shè)二極管316或二極管開關(guān)314’上沒有電壓降，這是可以理解的。如果存在電壓降，電池320和AC公用輸入電壓100在二極管-OR連接320處交替地提供輸出電壓，這取決于沒有電壓降的整流AC公用輸入電壓和DC電池電壓哪一個(gè)更高。
在經(jīng)過時(shí)間間隔T4之后并且已經(jīng)確認(rèn)AC公用輸入電壓100穩(wěn)定，在框624斷開二極管開關(guān)314或314’。可以理解的是，在時(shí)間間隔T4內(nèi)可以使恢復(fù)的AC公用輸入電壓與AC負(fù)載達(dá)到同步，在UPS中不需要復(fù)雜的鎖相環(huán)。然后由UPS提供整流的AC公用輸入電壓，并且由電池充電器322為電池320充電。
可以理解的是，如果開關(guān)314’如圖4所示是一個(gè)晶閘管或者可控硅整流器(SCR)，在斷開第一控制線332之后可以采用線路交換來關(guān)斷開關(guān)314’。如果開關(guān)318如圖3所示是一個(gè)與二極管316獨(dú)立的開關(guān)，例如是一個(gè)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)或另外的電子或手動(dòng)開關(guān)，控制器324可以通過斷開第一控制線332而切斷開關(guān)318。這樣就能夠提供低電壓降，防止電池320過度放電，并且線電壓幅值不需要超過電池電壓就能夠切斷開關(guān)314’。
因此，如果檢測(cè)到線電壓降低，二極管開關(guān)314或314’可以立即閉合提供備用電源，不需要等待線路開關(guān)312打開。隨后可以打開線路開關(guān)進(jìn)一步確保不會(huì)出現(xiàn)反饋。這樣就能執(zhí)行一種“先接通再斷開”的過渡，不間斷地傳送功率。電池320可以支持穩(wěn)態(tài)和短時(shí)間的負(fù)載功率需求。當(dāng)AC公用輸入電壓100恢復(fù)時(shí)，線路開關(guān)312閉合，而二極管開關(guān)314或314’變成反向偏置，從而從AC公用輸入電壓100上自動(dòng)斷開電池320。隨后可以在AC公用輸入電壓達(dá)到穩(wěn)定時(shí)斷開二極管開關(guān)314或314’。
由于整流的AC被提供給UPS輸出節(jié)點(diǎn)330，二極管開關(guān)314或314’的定額僅僅需要阻塞電池電壓VB，而不需要阻塞電池電壓VB和峰值A(chǔ)C公用輸入電壓100的定額。這樣，與圖2中的開關(guān)204相比，二極管開關(guān)314或314’不需要是雙向的，并且其額定值僅僅需要阻塞開關(guān)204需要阻塞的電壓的一小部分。如果要求低電壓降，可以用串聯(lián)的一個(gè)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和二極管構(gòu)成二極管開關(guān)314或314’，它可以在備用模式下斷開電池。
另外，電池320最好具有適當(dāng)?shù)母唠妷?，這樣就不需要圖2中的DC到AC逆變器212。電池320本身對(duì)負(fù)載沖擊或其他短時(shí)負(fù)載就具有短時(shí)的過載能力。與此相反，如果在圖2的DC到AC逆變器212中包括一個(gè)DC到DC變換器，它的額定值就不僅僅需要支持穩(wěn)態(tài)供電還要滿足短時(shí)過載要求。
本發(fā)明的DC(單向)輸出與許多電子電路所常用的包括輸入整流的電源是兼容的。由于不需要執(zhí)行電力線頻率濾波，本發(fā)明與低諧波畸變/功率因數(shù)校正的電源沒有沖突。在配合具有功率因數(shù)校正和/或諧波減少技術(shù)的電源使用時(shí)，電源中的功率因數(shù)校正可以用來將中等的電池電壓提升到電源所使用的電壓。這樣，100-120伏電池320就可以支持包括功率因數(shù)校正的100-240V的RMS電源120。如果不包括功率因數(shù)校正，可以使用一個(gè)240V電池320。
值得注意的是，本發(fā)明不會(huì)產(chǎn)生額外的電磁干擾(EMI)，因?yàn)椴恍枰褂酶哳l的逆變器和/或變換器。充電器322可以產(chǎn)生低級(jí)的EMI，它要比逆變器或變換器產(chǎn)生的干擾低得多，并且可以在充電器上濾除，不需要提供用來傳送UPS的全部負(fù)載電流的濾波器。本發(fā)明的高效率和低損失在使用中不需要提供風(fēng)扇或特別的通風(fēng)口。這樣能便于UPS與AAC負(fù)載的集成。
最后，如圖5中的時(shí)間間隔T4所示，按照本發(fā)明可以達(dá)到自然的負(fù)載功率分配。在節(jié)電期間，當(dāng)AC公用輸入電壓仍然處在低電平時(shí)，AC公用輸入電壓在其電壓大于電池電壓VB(減去二極管314或314’的任何電壓降)時(shí)可以提供UPS的輸出。然而，如果電池電壓VB高于AC公用輸入電壓100，電池320就可以提供UPS的輸出電壓。這種方式在持續(xù)節(jié)電狀態(tài)的情況下是有益的，只有在AC公用輸入電壓降低到電池電壓以下的一部分時(shí)間內(nèi)需要消耗電池功率。這樣就能在節(jié)電期間大大延長有效的后備時(shí)間。
本發(fā)明可以在有AC公用輸入電壓時(shí)產(chǎn)生整流AC電壓，為了提供能夠安全地傳送包括DC分量的整流AC的電源線，可能需要修改或更換AC負(fù)載120的輸入電源線。因此，對(duì)于使用額定250V的IEC320電源線的AC負(fù)載，這種線可以傳送AC或DC電源。然而，對(duì)于NEHA電源線來說，需要用普通的AC NEMA電源線替換DC NEMA電源線。這種DC NEHA電源線和按照本發(fā)明的UPS一起可以便利安裝并且滿足調(diào)整的需要。
值得注意的是，由于為電源130提供了整流AC電壓，本發(fā)明有可能僅僅使電源130中的四個(gè)二極管132當(dāng)中的兩個(gè)導(dǎo)通，這樣就有可能增加功率消耗并且縮短這兩個(gè)二極管的平均故障時(shí)間。然而，由于所有四個(gè)二極管132通常是封裝在單個(gè)電子封裝中的，四個(gè)二極管電子封裝的功率消耗和增加和平均故障時(shí)間的縮短都很小。
總而言之，整流電壓被提供給包括輸入整流的AC負(fù)載，按照常規(guī)從一個(gè)AC公用輸入電壓供電。用二極管-OR連接方式連接一個(gè)足夠?yàn)锳C負(fù)載直接供電的電池，在AC公用輸入電壓不足以為AC負(fù)載供電時(shí)將電池功率直接提供給AC負(fù)載。可以為AC負(fù)載提供不間斷電源，并且可以從電池和AC負(fù)載之間去掉傳統(tǒng)的逆變器和/或變換器。按照本發(fā)明的備用UPS和方法因而可以更加堅(jiān)固，可靠性更高，性能更好，并且/或者比慣用的備用UPS便宜。
在附圖和說明書中已經(jīng)描述了本發(fā)明的典型最佳實(shí)施例，盡管采用了具體的描述方式，它們都是通用的，并且僅僅是為了說明而并非用于限制的目的，權(quán)利要求書確定了本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1．一種備用不間斷電源(UPS)包括對(duì)交流(AC)公用輸入電壓整流而產(chǎn)生一個(gè)整流電壓的裝置；產(chǎn)生直流(DC)電壓的電池；響應(yīng)AC公用輸入電壓的預(yù)定變化而接通DC電壓的裝置，從而產(chǎn)生一個(gè)備用DC電壓；以及用來將整流電壓和備用DC電壓連接到一個(gè)包括輸入整流的AC負(fù)載的裝置。
2．按照權(quán)利要求1的備用UPS，其特征是接通裝置包括一個(gè)二極管整流器。
3．按照權(quán)利要求2的備用UPS，其特征是接通裝置包括一個(gè)二極管和一個(gè)開關(guān)。
4．按照權(quán)利要求3的備用UPS，其特征是二極管和開關(guān)是由一個(gè)晶閘管構(gòu)成的．
5．按照權(quán)利要求3的備用UPS，其特征是開關(guān)是由電子開關(guān)或是機(jī)電開關(guān)構(gòu)成的。
6．按照權(quán)利要求1的備用UPS，其特征是接通裝置包括用來響應(yīng)AC公用輸入電壓的故障而接通DC電壓的裝置，從而產(chǎn)生備用DC電壓。
7．按照權(quán)利要求1的備用UPS，其特征是接通裝置包括在預(yù)定時(shí)間內(nèi)響應(yīng)AC公用輸入電壓的故障而接通DC電壓的裝置，從而產(chǎn)生備用DC電壓。
8．按照權(quán)利要求1的備用UPS，其特征是接通裝置包括響應(yīng)AC公用輸入電壓的下降而接通DC電壓的裝置，從而產(chǎn)生備用DC電壓。
9．按照權(quán)利要求1的備用UPS，其特征是連接裝置包括用來將整流電壓和備用DC電壓連接到一個(gè)包括輸入整流的AC電源的裝置。
10．為包括輸入整流的AC負(fù)載產(chǎn)生備用不間斷電源的一種方法包括以下步驟對(duì)交流(AC)公用輸入電壓整流，產(chǎn)生一個(gè)整流電壓；響應(yīng)AC公用輸入電壓的預(yù)定變化而接通直流(DC)電池電壓，從而產(chǎn)生一個(gè)備用DC電壓；以及將整流電壓和備用DC電壓連接到包括輸入整流的AC負(fù)載。
11．按照權(quán)利要求10的方法，其特征是整流步驟中包括用二極管對(duì)AC公用輸入電壓整流的步驟，從而產(chǎn)生整流電壓。
12．按照權(quán)利要求11的方法，其特征是接通步驟中包括響應(yīng)AC公用輸入電壓的變化而單向接通DC電池電壓的步驟，從而產(chǎn)生備用DC電壓。
13．按照權(quán)利要求10的方法，其特征是接通步驟中包括響應(yīng)AC公用輸入電壓的故障而接通DC電池電壓的步驟，從而產(chǎn)生備用DC電壓。
14．按照權(quán)利要求10的方法，其特征是接通步驟中包括在預(yù)定時(shí)間內(nèi)響應(yīng)AC公用輸入電壓的故障而接通DC電池電壓的步驟，從而產(chǎn)生備用DC電壓。
15．按照權(quán)利要求10的方法，其特征是接通步驟中包括響應(yīng)AC公用輸入電壓的下降而接通DC電池電壓的步驟，從而產(chǎn)生備用DC電壓。
16．按照權(quán)利要求10的方法，其特征是連接步驟中包括以下步驟，將整流電壓和備用DC電壓連接到一個(gè)AC電源，在AC電源的輸入端包括整流。
17．一種在輸出端產(chǎn)生不間斷功率的備用不間斷電源(UPS)，其特征是包括一個(gè)整流器，對(duì)交流(AC)公用輸入電壓整流而產(chǎn)生一個(gè)整流電壓；產(chǎn)生直流(DC)電壓的電池；以及連接到電池上的一個(gè)開關(guān)，它響應(yīng)AC公用輸入電壓的預(yù)定變化從電池產(chǎn)生一個(gè)備用DC電壓，整流器和開關(guān)被連接到UPS的輸出，在UPS的輸出上提供直流電壓和備用DC電壓。
18．按照權(quán)利要求17的備用UPS，其特征是整流器包括一個(gè)二極管整流器。
19．按照權(quán)利要求17的備用UPS，其特征是二極管整流器包括一全波二極管整流器。
20．按照權(quán)利要求19的備用UPS，其特征是開關(guān)包括一個(gè)二極管開關(guān)。
21．按照權(quán)利要求20的備用UPS，其特征是二極管開關(guān)包括一個(gè)晶閘管。
22．按照權(quán)利要求20的備用UPS，其特征是二極管開關(guān)包括與一個(gè)電子開關(guān)或機(jī)電開關(guān)串聯(lián)的一個(gè)二極管。
23．按照權(quán)利要求17的備用UPS，其特征是進(jìn)一步包括連接到開關(guān)的一個(gè)控制器，它響應(yīng)AC公用輸入電壓的變化接通開關(guān)，由電池產(chǎn)生備用電壓。
24．按照權(quán)利要求23的備用UPS，其特征是控制器響應(yīng)AC公用輸入電壓的故障而接通開關(guān)，從而產(chǎn)生備用DC電壓。
25．按照權(quán)利要求23的備用UPS，其特征是控制器在預(yù)定時(shí)間內(nèi)響應(yīng)AC公用輸入電壓的故障而接通開關(guān)，從而產(chǎn)生備用DC電壓。
26．按照權(quán)利要求23的備用UPS，其特征是控制器響應(yīng)AC公用輸入電壓的下降而接通開關(guān)，從而產(chǎn)生備用DC電壓。
27．按照權(quán)利要求17的備用UPS，其特征是備用UPS的輸出被連接到一個(gè)包括輸入整流的AC電源。
28．在一個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)上為AC負(fù)載產(chǎn)生備用不間斷電源的一種方法包括以下步驟對(duì)交流(AC)輸入電壓整流，產(chǎn)生一個(gè)整流電壓；響應(yīng)AC公用輸入電壓的預(yù)定變化而接通一個(gè)直流(DC)電池電壓，從而產(chǎn)生一個(gè)備用DC電壓；以及將整流電壓和備用DC電壓連接到輸出節(jié)點(diǎn)。
29．按照權(quán)利要求28的方法，其特征是整流步驟中包括用二極管對(duì)AC公用輸入電壓整流，從而產(chǎn)生整流電壓的步驟。
30．按照權(quán)利要求29的方法，其特征是接通步驟中包括響應(yīng)AC公用輸入電壓的預(yù)定變化而單向接通DC電池電壓的步驟，從而產(chǎn)生備用DC電壓。
31．按照權(quán)利要求28的方法，其特征是接通步驟中包括響應(yīng)AC公用輸入電壓的故障而接通DC電池電壓的步驟，從而產(chǎn)生備用DC電壓。
32．按照權(quán)利要求31的方法，其特征是接通步驟中包括在預(yù)定時(shí)間內(nèi)響應(yīng)AC公用輸入電壓的故障而接通DC電池電壓的步驟，從而產(chǎn)生備用DC電壓。
33．按照權(quán)利要求28的方法，其特征是接通步驟中包括響應(yīng)AC公用輸入電壓的下降而接通DC電池電壓的步驟，從而產(chǎn)生備用DC電壓。
34．按照權(quán)利要求28的方法，其特征是在連接步驟后面是進(jìn)一步將輸出節(jié)點(diǎn)連接到一個(gè)AC電源的步驟，在AC電源的輸入端包括整流。
35．一種備用不間斷電源(UPS)，在其輸出端提供備用的不間斷功率，其特征是包括對(duì)交流(AC)公用輸入電壓整流的二極管整流器；按照二極管-OR連接方式串聯(lián)連接的一個(gè)電池和一個(gè)二極管開關(guān)，二極管開關(guān)響應(yīng)AC公用輸入電壓的預(yù)定變化，二極管-OR連接在其輸出端為UPS提供備用不間斷功率。
36．按照權(quán)利要求35的備用UPS，其特征是二極管整流器包括全波二極管整流器。
37．按照權(quán)利要求35的備用UPS，其特征是二極管開關(guān)包括一個(gè)晶閘管。
38．按照權(quán)利要求35的備用UPS，其特征是二極管開關(guān)包括一個(gè)與電子開關(guān)或機(jī)電開關(guān)串聯(lián)的二極管。
39．按照權(quán)利要求35的備用UPS，其特征是進(jìn)一步包括一個(gè)連接到二極管開關(guān)上的控制器，它響應(yīng)AC公用輸入電壓的預(yù)定變化而接通二極管開關(guān)。
40．按照權(quán)利要求39的備用UPS，其特征是控制器響應(yīng)AC公用輸入電壓的故障而接通二極管開關(guān)。
41．按照權(quán)利要求39的備用UPS，其特征是控制器在預(yù)定時(shí)間內(nèi)響應(yīng)AC公用輸入電壓的故障而接通二極管開關(guān)。
42．按照權(quán)利要求39的備用UPS，其特征是控制器在預(yù)定時(shí)間內(nèi)響應(yīng)AC公用輸入電壓的下降而接通二極管開關(guān)。
43．按照權(quán)利要求35的備用UPS，其特征是備用UPS的輸出被連接到一個(gè)包括輸入整流的AC電源。
44．一種控制備用不間斷電源(UPS)的方法，該UPS包括一個(gè)對(duì)交流(AC)公用輸入電壓整流的二極管整流器，以及按照二極管-OR連接方式串聯(lián)連接到二極管整流器的一個(gè)電池和一個(gè)二極管開關(guān)，所述方法包括以下步驟檢測(cè)AC公用輸入電壓的變化；等待第一預(yù)定時(shí)間；如果在AC公用輸入電壓中檢測(cè)到的變化持續(xù)下去，就在第一預(yù)定時(shí)間之后接通二極管開關(guān)；檢測(cè)AC公用輸入電壓的恢復(fù)；等待第二預(yù)定時(shí)間；以及如果在AC公用輸入電壓中檢測(cè)到的恢復(fù)持續(xù)下去，就在第二預(yù)定時(shí)間之后斷開二極管開關(guān)。
45．按照權(quán)利要求44的方法，其特征是檢測(cè)變化的步驟中包括檢測(cè)AC公用輸入電壓故障的步驟。
46．按照權(quán)利要求44的方法，其特征是檢測(cè)變化的步驟中包括檢測(cè)AC公用輸入電壓下降的步驟。
47．按照權(quán)利要求44的方法，其特征是第一預(yù)定時(shí)間明顯比第二預(yù)定時(shí)間短。
48．按照權(quán)利要求47的方法，其特征是第一預(yù)定時(shí)間是AC公用輸入電壓一個(gè)周期的片段，而第二預(yù)定時(shí)間是AC公用輸入電壓的多個(gè)周期。
49．按照權(quán)利要求44的方法，其特征是UPS進(jìn)一步包括AC公用輸入電壓和二極管整流器之間的線路開關(guān)其中的接通步驟后面是斷開線路開關(guān)的步驟；并且這其中斷開二極管開關(guān)的步驟之前是接通線路開關(guān)的步驟。
50．一種備用不間斷電源(UPS)包括對(duì)交流(AC)公用輸入電壓整流的裝置，用于產(chǎn)生一個(gè)整流電壓；產(chǎn)生直流(DC)電壓的電池；以及響應(yīng)AC公用輸入電壓的預(yù)定變化而接通DC電壓的裝置，從而產(chǎn)生一個(gè)備用DC電壓；以及從整流電壓和備用DC電壓為負(fù)載產(chǎn)生至少一個(gè)DC工作電壓的裝置。
51．按照權(quán)利要求50的備用UPS，其特征是整流裝置包括一個(gè)二極管整流器。
52．按照權(quán)利要求51的備用UPS，其特征是用于接通的裝置包括一個(gè)二極管和一個(gè)開關(guān)。
53．按照權(quán)利要求52的備用UPS，其特征是二極管和開關(guān)由一個(gè)晶閘管構(gòu)成。
54．按照權(quán)利要求52的備用UPS，其特征是開關(guān)包括一個(gè)電子開關(guān)或機(jī)電開關(guān)。
55．按照權(quán)利要求50的備用UPS，其特征是用于接通的裝置中包括響應(yīng)AC公用輸入電壓的故障而接通DC電壓的裝置，從而產(chǎn)生備用DC電壓。
56．按照權(quán)利要求50的備用UPS，其特征是用于接通的裝置中包括在預(yù)定時(shí)間內(nèi)響應(yīng)AC公用輸入電壓的故障而接通DC電壓的裝置，從而產(chǎn)生備用DC電壓。
57．按照權(quán)利要求50的備用UPS，其特征是用于接通的裝置中包括。響應(yīng)AC公用輸入電壓的下降而接通DC電壓的裝置，從而產(chǎn)生備用DC電壓。
58．產(chǎn)生備用不間斷電源的一種方法包括以下步驟對(duì)交流(AC)公用輸入電壓整流，產(chǎn)生一個(gè)整流電壓；響應(yīng)AC公用輸入電壓的預(yù)定變化而接通一個(gè)直流(DC)電池電壓，從而產(chǎn)生一個(gè)備用DC電壓；以及從整流電壓和備用DC電壓為負(fù)載產(chǎn)生至少一個(gè)DC工作電壓。
59．按照權(quán)利要求58的方法，其特征是整流步驟中包括用二極管對(duì)AC公用輸入電壓整流的步驟，產(chǎn)生一個(gè)整流電壓。
60．按照權(quán)利要求59的方法，其特征是接通步驟中包括響應(yīng)AC公用輸入電壓的預(yù)定變化而單向接通DC電池電壓的步驟，從而產(chǎn)生備用DC電壓。
61．按照權(quán)利要求58的方法，其特征是接通步驟中包括響應(yīng)AC公用輸入電壓的故障而接通DC電池電壓的步驟，從而產(chǎn)生備用DC電壓。
62．按照權(quán)利要求61的方法，其特征是接通步驟中包括在預(yù)定時(shí)間內(nèi)響應(yīng)AC公用輸入電壓的故障而接通DC電池電壓的步驟，從而產(chǎn)生備用DC電壓。
63．按照權(quán)利要求58的方法，其特征是接通步驟中包括響應(yīng)AC公用輸入電壓的下降而接通DC電池電壓的步驟，從而產(chǎn)生備用DC電壓。
全文摘要
為AC負(fù)載產(chǎn)生備用不間斷電源的系統(tǒng)和方法,對(duì)AC公用輸入電壓整流,產(chǎn)生一個(gè)整流電壓,并且響應(yīng)AC公用輸入電壓的變化接通一個(gè)DC電池電壓,從而產(chǎn)生備用DC電壓。整流電壓和備用電壓被連接到包括輸入整流的AC負(fù)載,從而產(chǎn)生備用不間斷電源,不需要昂貴,笨重和/或不可靠的逆變器或變換器。為了在AC公用輸入電壓故障和AC公用輸入電壓恢復(fù)時(shí)支持AC負(fù)載,可以不間斷地傳送功率。最好采用一個(gè)二極管整流器對(duì)AC公用輸入電壓整流,最好是由包括四個(gè)二極管的全波二極管整流器來產(chǎn)生整流電壓。用一個(gè)二極管開關(guān)響應(yīng)AC公用輸入電壓的變化而接通來自電池的DC電壓,從而產(chǎn)生備用DC電壓。二極管開關(guān)可以包括獨(dú)立的二極管和一個(gè)電子或機(jī)電開關(guān)。或者是可以采用單一元件例如一個(gè)晶閘管的二極管開關(guān)。二極管整流器和二極管及開關(guān)按照二極管－OR方式連接,為UPS的輸出提供備用不間斷電源。二極管－OR連接方式可以一直用最強(qiáng)的電源來支持AC負(fù)載。
文檔編號(hào)H02J9/06GK1302469SQ9980648
公開日2001年7月4日 申請(qǐng)日期1999年3月16日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月21日
發(fā)明者小G·W·奧頓 申請(qǐng)人:帕爾威電力器具公司