本发明涉及开关电源领域，具体而言，涉及在 线式不间断电源（UPS )。 背景技术

不间断电源 （UPS )是一种向负载提供不间断、 优质、 可靠的交流电 能， 并具有实时保护和监测监控供电状态功能的供 电设备， 对改善供电质 量、 保证设备正常运行有着重要的作用。 从电路结构、 不间断供电方式的 角度划分， UPS主要分为后备式和在线式两大类。

图 1示意性地示出了传统的在线式 UPS的配置框图。当市电供电正常 时， 输入的交流电压经整流和滤波后变为直流电压 ， 直接驱动逆变器向负 载供电， 同时对蓄电池进行充电。 逆变器输出稳压稳频的交流输出电压供 给负载。 当市电不正常或中断时， 逆变器将电池提供的直流电压变换为交 流电压供给负载， 从而实现不间断供电。

基于在线式 UPS概念， 已经开发出多种电路拓朴和控制方法。传统的 在线式 UPS的一种拓朴如图 2所示， 其包含两级功率变换， 即功率因数校 正（ PFC )级和逆变器级。 由于存在两级功率变换， 受现有的半导体和磁 性材料技术的限制， 总的转换效率难以进一步提高。 例如， 如果两个功率 变换级均被最优化为获得 98%的效率，整体效率下降到 96%左右。尽管该 UPS拓朴包含开通旁路开关而关闭功率变换级的 、 高效率的旁路模式， 但 是，这种模式的运行 ^受到很多因素的限制，过于依赖输入市电的� �量。

在线式 UPS仍存在改进空间。 发明内容

本发明的目的在于提供一种新型在线式 UPS拓朴， 以提高 UPS在线 模式的转换效率。 通过巧妙的母线电容配置方式和新颖的控制方 式， 以交 流母线电压代替传统的直流母线电压， 并使同一时刻至多只有一个功率转 换级工作在高频开关状态， 而其它功率转换器仅在工频周期的过零点上进 行切换， 从而实现高效率的在线式 UPS。 同时， 本发明的新型在线式 UPS 拓朴还可保留传统 UPS的两级变换工作模式（双转换模式）、 电池工作模 式以及旁路工作模式。

根据本发明一实施方式， 一种单相在线式不间断电源拓朴包含主功率 回路与辅功率回路， 其中， 主功率回路由输入级、 功率变换级以及输出级 依次连接构成， 辅功率回路由充电器、 电池以及 DC/DC转换器依次连接 构成。 主功率回路的输入级包含第一电容器与第一电 感器。 主功率回路的 功率变换级包含并联连接在正负母线之间的第 一至第四串联支路。 第一串 联支路由第一二极管与第二二极管串联构成， 第二串联支路由第二电容器 与第三电容器串联构成， 第一开关连接在第一串联支路的中间节点与第 二 串联支路的中间节点之间。 第三串联支路由第三开关、 第五电容器、 第六 电容器、 第四开关依次串联构成， 第二串联支路的中间节点与第五、 第六 电容器之间的节点共同连接到地， 第四串联支路由第五开关与第六开关串 联构成， 第二开关连接在第二串联支路的中间节点与第 四串联支路的中间 节点之间， 第三开关与第四开关分别具有并联连接的第三 二极管与第四二 极管。 主功率回路的输出级包含第二电感器与第四电 容器。 辅功率回路的 充电器的输入端连接到不间断电源的交流输入 端或正负母线。 辅功率回路 的 DC/DC转换器的输出端连接到第三开关与第五电� ��器之间的节点以及 第六电容器与第四开关之间的节点。 其中， 第二电容器、 第三电容器的容 量实质小于第五电容器、 第六电容器的容量。

在一优选实施例中， 第二电容器与第三电容器选自薄膜电容器与陶 瓷 电容器， 第五电容器与第六电容器为电解电容器。

在一优选实施例中， 第二电容器与第三电容器的电容值可在 50 μ F以 下。

在一优选实施例中， 主功率回路被控制为， 在第三开关与第四开关被 断开， 第五电容器与第六电容器分别经由第三二极管 与第四二极管预充电 到使得第三二极管与第四二极管截止的电位的 情况下， 能够以以下模式运 行：

( 1 )升压模式， 其中， 第一开关高频开关， 第二开关关断， 第五开关 与第六开关以工频在输入电压过零点上开通以 及关断；

( 2 )降压模式， 其中， 第一开关关断， 第二开关、 第五开关与第六开 关高频开关；

( 3 )导通模式， 其中， 第一开关与第二开关关断， 第五开关与第六开 关以工频在输入电压过零点上开通以及关断； 或

( 4 )升压 -降压模式， 其中， 主功率回路在升压模式与降压模式之间 进行切换。

在一优选实施例中，主功率回路被控制为：在 输入电压的一个周期中， 当输入电压在预设的输出电压值的容许范围之 内时， 以导通模式运行； 在 输入电压的一个周期中， 当输入电压在预设的输出电压值的容许范围之 外 时， 如果输入电压的瞬时值小于预设的输出电压值 ， 以升压模式运行； 如 果输入电压的瞬时值大于预设的输出电压值， 以降压模式运行； 如果输入 电压的瞬时值有时小于、有时大于预设的输出 电压值， 以升压 -降压模式运 行。

在一优选实施例中， 主功率回路被控制为： 如果输入电压波形畸变在 容许范围内， 以高频进行开关的相应的开关的驱动信号的占 空比在输入电 压的一个周期中保持不变。

在一优选实施例中， 主功率回路被控制为， 在第三开关与第四开关开 通的情况下， 第一至第三串联支路构成功率因数校正级， 第四串联支路构 成逆变器级。

在一优选实施例中， 第三二极管与第四二极管可以为第三开关与第 四 开关自身的体二极管， 或者， 也可以为与第三开关、 第四开关分立的二极 管。

本发明的 UPS拓朴和控制方法也适用于两相或三相在线式 UPS,特别 是具有共用电池组的三相 UPS系统。在根据本发明另一实施方式的两相或 三相在线式不间断电源拓朴中， 每一相包含如上所述的主功率回路与辅功 率回路。

在一优选实施例中， 辅功率回路在各相之间共用。

根据本发明的新型在线式 UPS可具有四种运行模式： （ 1 ) 高效率运 行模式； （2 )双转换模式； （3 )电池模式； 以及， （4 )视情况可选的旁 路模式。 其中， 高效率运行模式为本发明所特有， 并且， 本发明还可保留 传统在线式 UPS 的双转换模式、 电池模式， 甚至保留旁路模式。 当输入 AC电压不存在中断或严重畸变时， 在线式 UPS可以以高效率运行模式运 行， 当存在输入 AC电力中断或大到一定程度的畸变时， 在线式 UPS可以 以电池模式或双转换模式运行。 相比于从旁路模式到双转换模式或电池模 式的转换， 从本发明的高效率运行模式到双转换模式或电 池模式的转换更 为 、 无缝， 且输出无中断。 附图说明

参照附图， 由下面给出的对优选实施例的详细介绍， 将会明了本发明 的这些以及其他目的、 特征和优点， 在附图中：

图 1为传统的在线式 UPS的示意性配置框图；

图 2为传统的在线式 UPS的一种拓朴；

图 3为根据本发明一实施例的三相在线式 UPS拓朴；

图 4为根据本发明一实施例的单相在线式 UPS拓朴；

图 5 ( A ) - ( C )分别为根据本发明一实施例的单相在线式 UPS在升 压模式下的输入与输出电压波形、 电流导通^圣以及控制框图；

图 6 ( A ) - ( C )分别为根据本发明一实施例的单相在线式 UPS在降 压模式下的输入与输出电压波形、 电流导通 ^^以及控制框图；

图 7 ( A ) - ( C )分别为根据本发明一实施例的单相在线式 UPS在导 通模式下的输入与输出电压波形、 电流导通^圣以及控制框图； 以及

图 8为根据本发明一实施例的单相在线式 UPS在升压-降压模式下的 输入与输出电压波形。 具体实施方式

下面将参照附图详细介绍用于实现本发明的优 选实施方式。

图 3 和图 4分别示出了根据本发明的实施例的三相以及� �相在线式

UPS拓朴。 为简化起见， 下面针对单相 UPS应用进行介绍， 然而， 所有结 果同样适用于三相或两相 UPS应用。

如图 4所示， 单相在线式不间断电源拓朴可包含主功率回路 、 辅功率 回路以及视情况可选的旁路回路。 主功率回路由输入级、 功率变换级以及 输出级依次连接构成。 主功率回路的输入级包含第一电容器 C1 与第一电 感器 Ll。 主功率回路的功率变换级包含并联连接在正负 母线 +BUS、 -BUS 之间的第一至第四串联支路。 第一串联支路由第一二极管 D1 与第二二极 管 D2串联构成， 第二串联支路由第二电容器 C2与第三电容器 C3串联构 成，第一开关 S1连接在第一串联支路的中间节点与第二串联� ��路的中间节 点之间。 第三串联支路由第三开关 S3、 第五电容器 C5、 第六电容器 C6、 第四开关 S4依次串联构成，第二串联支路的中间节点与� ��五、第六电容器 C5、 C6之间的节点共同连接到地， 第四串联支路由第五开关 S5与第六开 关 S6串联构成， 第二开关 S2连接在第二串联支路的中间节点与第四串联 支路的中间节点之间。 第三开关 S3与第四开关 S4分别具有并联连接的第 三二极管 D3与第四二极管 D4，用于在第三开关 S3与第四开关 S4关断时 对第五电容器 C5与第六电容器 C6的预充电。主功率回路的输出级包含第 二电感器 L2与第四电容器 C4。

辅功率回路由充电器、 电池以及 DC/DC转换器依次连接构成， 其中， 充电器、 电池以及 DC/DC转换器的配置与现有技术中的类似， 在此省略 对其的详细介绍。 DC/DC转换器的输出端连接到第三开关 S3与第五电容 器 C5之间的节点以及第六电容器 C6与第四开关 S4之间的节点。

视情况可选地，根据本发明的新型在线式 UPS可包含旁路回路， 用于 实现旁路运行。 旁路回路的配置与现有技术中的类似， 在此省略对其的详 细介绍。 图 4所示的单相 UPS拓朴与传统拓朴的区别之一在于母线电容的 配 置。在传统的 UPS中， 直流母线上直接安装大容量的电解电容器以滤 除交 流电压并进行储能。 形成对比的是， 在本发明中， 母线 +BUS、 -BUS上的 第二、 第三电容器 C2、 C3为容量相对较小的电容器， 其可以不使用电解 电容器， 而分别采用单个的薄膜电容器或陶瓷电容器， 或者可以分别由两 个以上的薄膜电容器或陶瓷电容器并联构成； 同时， 容量相对较大的电容 器 C5、 C6分别经由开关 S3、 S4连接到母线 +BUS、 -BUS, 其可以分别为 单个的电解电容器， 或者可以分别由两个以上的电解电容器并联构 成。 第 二、 第三电容器 C2、 C3的容量一般可在 50 F以下， 取决于实际的高频 开关频率； 而第五、 第六电容器 C5、 C6的容量一般为几百 或者更大。 借助这种配置， 用母线上的小容量电容器 C2、 C3滤除高频开关纹波， 在 母线 +BUS、 -BUS上产生交流母线电压。

开关 S3、 S4分别并联有方向如图中所示的二极管 D3、 D4。 借助对开 关 S3、 S4的控制， 可以使本发明的在线式 UPS以高效率模式运行。 在高 效率模式下， 首先， 连接电解电容器 C5、 C6的开关 S3、 S4关断， 电解电 容器 C5、 C6分别经由二极管 D3、 D4预充电， 然后进入高效率运行模式。 在连接电解电容器 C5、 C6的开关 S3、 S4开通时， UPS可以以传统的双 转换模式或者电 ί ^式运行。

图 4中的 S1-S6可以是积减开关或 MOSFET、 IGBT等本领域常用的 开关器件， 滤波部件 Ll、 L2、 Cl、 C4在器件选择和参数选择上与传统 UPS中相类似。

借助在硬件结构上对传统在线式 UPS的上述改动，通过控制方式上的 软件更新， 可以以低成本实现本发明提出的新型在线式 UPS。 根据本发明 的新型在线式 UPS的控制和运行方式将在下面参照图 5-8进行介绍。

当开关器件 S3、 S4开通时， 本发明的在线式 UPS的结构和运行与现 有技术的 UPS没有实质性区别； 仅当开关器件 S3、 S4关断的情况下， 进 入本发明特有的高效率运行模式。 经由二极管 D3、 D4, 电解电容器 C5、 C6上的电压被预充电到节点 A、 B的半波正弦的最大值（峰值） ， 此后， 电解电容器 C5、 C6维持这个最大电压值， 二极管 D3、 D4截止而不再导 通电流。

在高效率运行模式下， 存在四种可能的运行状态：

[第一种】升压模式

当输入 AC电压低于预定输出电压值时， 升压模式。 这种运行模 式下的输入、 输出电压波形如图 5 (A)所示， 电流导通路径如图 5 (B) 所示， 控制框图如图 5 (C)所示。

在升压模式中， 第一开关 S1高频开关， 第二开关 S2关断， 第五开关 S5、 第六开关 S6以工频在输入电压过零点上开通以及关断。

可见，升压模式下的主功率回路包含两级，第 一级实现整流 /升压功能， 第二级进行转换。 具体而言， 第一级将输入市电电压升高到期望的输出电 压值， 并且在输入电压含有谐波的情况下滤除谐波电 压， 分别在 +/-BUS上 产生正负半波正弦电压， 由于 C2、 C3可能不能完全滤除高频开关紋波电 流， +/-BUS上的正负半波正弦电压可能含有少许高频 开关频率谐波。 第二 级将 +/-BUS上的半波正弦电压转换成正弦交流电压， 并且滤除其中的开关 频率的谐波， 输出高质量的正弦电压。

[第二种】降压模式

当输入 AC电压高于预定输出电压值时， 降压模式。 这种运行模 式下的输入、 输出电压波形如图 6 (A)所示， 电流导通路径如图 6 (B) 所示， 控制框图如图 6 (C)所示。

在降压模式中， 第一开关 S1关断， 第二开关 S2、 第五开关 S5、 第六 开关 S6高频开关。

可见， 降压模式下的主功率回路包含实现整流功能的 第一级以及实现 降压 /转换功能的第二级。 具体而言， 第一级中的二极管 Dl、 D2对输入市 电电压整流， 分别在 +/-BUS 上产生正负半波正弦电压。 第二级将 +/-BUS 上正负半波正弦电压降压到期望的输出电压值 ， 并在含有谐波的情况下滤 除其中的谐波电压， 转换并输出高质量的正弦电压。

[第三种】导通模式 当输入 AC电压在预定输出电压值的容差范围内时， ¾A导通模式。 这种运行模式下的输入、 输出电压波形如图 7 ( A )所示， 电流导通路径如 图 7 ( Β )所示， 控制框图如图 7 ( C )所示。

在导通模式中， 第一开关 Sl、 第二开关 S2关断， 第五开关 S5、 第六 开关 S6以工频在输入电压过零点上开通以及关断。

可见， 导通模式下的主功率回路包含实现整流功能的 第一级以及实现 转换功能的第二级。 具体而言， 第一级中的二极管 Dl、 D2对输入市电电 压整流， 分别在 +/-BUS上产生正负半波正弦电压。 第二级将 +/-BUS上的 半波正弦电压转换成正弦交流电压并输出。 此时， 不存在高频运行的功率 级。

[第四种】升压-降压模式

当输入 AC电压时而高于、时而低于预定电压值，进入� ��压 -降压模式， 此时， UPS在升压、 降压两种模式之间交替往返， 输入、 输出电压波形如 图 8所示。

升压 -降压模式下的主功率回路包含： （1 )第一级， 其在一个市电工 频周期中， 当输入电压比期望输出电压低时，对输入电压 进行升压和整流, 当输入电压等于或高于期望输出电压时， 只进行整流， 在 +/-BUS上产生正 负半波正弦电压。 （2 )第二级： 在一个市电工频周期中， 当输入电压比期 望输出电压高时， 对 +/-BUS电压进行降压和变换并输出， 当输入电压等于 或低于期望输出电压时， 只进行变换输出。

由此可见，；1:艮据本发明的在线式 UPS在任一时刻至多只存在一级以高 频运行。 当交流输入电压在预设输出电压值的容许范围 内时， 两级转换器 都工作在工频频率，当交流输入电压偏离了预 设输出电压值的容许范围时， 至多一个转换器工作在高频开关状态，而其余 转换器工作在工频频率状态， 使得 UPS的运行效率大为提高。

需要说明的是， 图 5 ( C ) 、 6 ( C ) 、 7 ( C )所示的控制框图只是简 单的功能示意图， 其对本发明所涉及的某些功能进行了图示， 其中， 点划 线绘图表示对应部分在当前工作状态下处于非 活动状态。 由这些功能示意 图， 本领域技术人员能够通过使用软件和硬件的组 合适当地实现对本发明 的在线式 UPS的控制。 关于控制框图中的各个功能模块， 举例而言， 驱动 器可以部分地由硬件实现， 电压、 电流采样部分可以由软硬件结合实现， 其它部分可以在软件中实现， 然而， 本发明并不仅限于此， 本领域技术人 员完全可在实践本发明的发明构思时采用其他 的配置方式。

例如， 在本发明的在线式 UPS的控制方式中， 首先， 可由输入电压波 形畸变程度来决定使用双转换模式还是高效率 运行模式运行， 如果存在严 重畸变， UPS以双转换模式运行， 反之， 可以采用高效率运行模式。 高效 率运行模式下可以接受的畸变程度按照不同的 使用环境而不同， 通常可选 择为例如总电压谐波含量 ( THDv )≤+/-10%的范围。

其次， 在高效率运行模式下， 将输入电压的瞬时值与预设输出电压值 进行比较， 视输入电压瞬时值与预设输出电压值之间的比 较结果， 进一步 决定以升压、 降压、 导通还是升压-降压模式运行。 这里的升压、 降压、 导 通、 升压-降压模式都是指在一个工频周期内的工� �模式。 例如， 在一个工 频周期里面， 输入电压瞬时值有时比预设值高， 有时比预设值低， 那么变 换器有时需要升压， 有时需要降压， 则选择升压 -降压模式。 在优选实施例 中， 预设输出电压值的容许范围可选择为例如 +/-10%。

当 UPS以高效率运行模式下的升压、 降压、 升压 -降压模式运行时， 如果输入电压波形畸变在容许范围内 （包括纯正弦波形或者畸变非常小的 情况） ， 高频工作的开关的驱动信号的占空比可在一个 工频周期内不变。

在传统的 PFC变换器中， 为了达到较高的功率因数， 主要调节输入电 流， 使其跟踪输入电压的波形和相位。 因此， 电流控制环的调节速度 快， 带宽比工频频率要高很多（ 10倍以上），否则达不到跟踪输入电压的目的� �� 而电压环的控制速度比较慢， 带宽小于工频频率， 目的是滤除输出直流电 压中的 2倍工频电压谐波， 防止它混入电流环中造成输入电流畸变。 与此 形成对比的是，本发明采用两个控制环进行控 制，电压外环和电流内环（例 如图 5 ( C )所示）。 在本发明的变换器中， 由于输出电容器 C2、 C3的容 量很小， 对输入电流产生的非线性影响可以忽略， 输入电流会自动跟踪输 入电压， 由于主要是快速调节输出电压的瞬时值， 电压环控制带宽比工频 频率要高。 相对于工频频率而言， 电压环可以快速调整输出电压， 以达到 预设值的理想输出波形。

此外， 高频率模式下，环路补偿器的参数和传统模式 下的参数不一样， 这一点在软件中可以很容易地实现。

本发明的构思适用于单相 UPS、 不使用公共充电器、 电池、 DC/DC转 换器的两相或三相 UPS, 同时也适用于使用公共充电器、 电池、 DC/DC转 换器的两相和三相 UPS。 通常， 为了简化系统结构和降低成本， 可在相之 间使用公共的充电器、 电池以及 DC/DC转换器。

尽管参照优选实施例对本发明的在线式 UPS拓朴及其控制进行了介 绍， 然而， 本领域技术人员可以明了， 在不脱离本发明的精神和范围的情 况下， 可对所图示和介绍的细节进行多种修改、 变型和替代。 例如， 辅功 率回路的充电器的输入端可以不连接到交流输 入端， 而是连接到母线 +BUS、 -BUSo 因此， 本发明的范围不限于上述具体介绍的实施方式 ， 而 由所附权利要求书及其所有等价内容的全部广 度限定。