CN1708892A

CN1708892A - 具有电源因子校正旁路模式的不间断电源

Info

Publication number: CN1708892A
Application number: CNA2003801021950A
Authority: CN
Inventors: P·S·泰梅拉
Original assignee: Eaton Power Quality Corp
Current assignee: Eaton Power Quality Corp
Priority date: 2002-11-01
Filing date: 2003-10-27
Publication date: 2005-12-14
Also published as: EP1556943A1; AU2003286677A1; US20040085785A1; WO2004042908A1; CA2504440C; CA2504440A1; EP1556943B1; US6906933B2

Abstract

例如不间断电源的电源设备(100)包括被配置成耦合到AC电源(1’)的AC输入(101)和AC输出(102)。所述设备还包括AC/DC转换器电路(110)，例如升压整流器电路，其中输入被耦合到AC输入(101)上。所述设备还包括例如变换器电路的DC/AC转换器电路(120)，其被配置成耦合在所述AC/DC转换器电路(110)的输出和AC输出(102)之间。旁路电路(S1)可以在第一(例如旁路)状态下建立AC输入(101)到AC输出(102)之间的耦合，并且在第二(例如在线)状态下中断所述耦合。当所述旁路电路处于所述第一状态时，AC/DC转换器电路(110)可以控制AC输入(101)上的电流。例如，当被绕开时，AC/DC转换器电路(110)可以控制AC输入(101)上的电流，从而校正AC输入端口上的电源因子，这样AC/DC转换器电路(110)可以在旁路状态下作为线路调节器。

Description

具有电源因子校正旁路模式的不间断电源

技术领域

本发明涉及电源转换设备和方法，更具体地来说，涉及例如用在诸如不间断电源或可不间断的电源(UPS)的冗余电源系统中的电源转换设备和方法。

背景技术

电源电路通常被用于例如UPS、发动机驱动器和其它应用的设备中。传统的UPS使用各种不同的电路拓扑，包括备用、线上交互和在线拓扑。一般地，这些拓扑中的每个都具有优势和劣势，因此，特定拓扑的选择典型地是由应用的需求所决定的。

许多UPS使用在线拓扑。例如，典型的在线UPS包括AC/AC转换器，所述AC/AC转换器使用可以将负载与干扰以及其它AC电源的降级相隔离开的DC链路，从例如公共电源的AC电源所提供的AC输入电压中，在负载上产生AC输出电压。中间的DC总线典型地被耦合到变换器上，所述变换器对所述DC总线上的DC电压进行变换，以产生AC输出。其它电路，例如滤波器和调节器，可以被包含在具有整流器和变换器的路径中。典型地，DC总线还被耦合到辅助电源上，例如电池、燃料电池和/或发电机，在所述AC电源出现故障的情况下，所述辅助电源在所述DC总线上维持所述DC电压。一些在线UPS使用其它的电路拓扑，例如delta转换器。

在通常操作条件下，在线UPS通过整流器/变换器链或其它调整电路，在UPS的输出上提供相对纯净和规整的电源，从而提供电源给负载。当所述AC电源出现故障时，由于典型地不需要改变转移切换的状态，因此，UPS可以完成向辅助电源的不间断转换。一些在线UPS还包括旁路特征，这样，在所述模式的故障和/或选择的情况下，阻止所述变换器提供电源给所述负载(例如，通过将其与所述负载断开，或者将其置于停止的备用状态)，而负载通过旁路路径直接被耦合到所述AC电源上。所述特征可以被用于提供操作的“经济”模式，因为，当所述负载被转移到旁路路径时，与整流器/变换器链的操作相关联的电源损耗可以被减小。

然而，如果AC电源受限于电源质量标准之外的小的但却频繁的漂移，如可能是例如由不稳定的AC电源所供电的系统中的情况那样，所述不稳定的AC电源例如是辅助发电机组，则所述方法可能受到牵连。在所述情况下，为了满足负载的电源质量要求，可能强制所述UPS通过变换器来给负载供电，因此，减小了通过旁路操作的更高效率的机会。在授予Faria等的美国专利6,295,215中描述了用于在UPS的高效模式中控制电源因子和其它电源质量参数的技术。

发明内容

根据本发明的一些实施例，例如不间断电源的电源设备包括被配置成连接到AC电源的AC输入和AC输出。所述设备还包括AC/DC转换器电路，例如升压整流器电路(boost rectifier circuit)，其中输入被耦合到所述AC输入上。所述设备还包括例如变换器电路的DC/AC转换器电路，其被配置成能被耦合在所述AC/DC转换器电路的输出和所述AC输出之间。旁路电路可以在第一(例如，旁路)状态下建立所述AC输入和所述AC输出之间的耦合，并且在第二(例如，在线)状态下中断所述耦合。当所述旁路电路处于所述第一状态时，所述AC/DC转换器电路可以控制所述AC输入上的电流，这样，例如，所述AC输入端口上的电源因子可以被校正。在所述方式下，所述AC/DC转换器电路可以在所述旁路状态下作为线路调节器。

在本发明的另一个实施例中，所述AC/DC转换器电路包括电流参考信号产生电路，其可以响应所述AC输入上的电压而产生电流参考信号。电流控制电路可以响应所述电流参考信号以及所述AC输入上的电流而控制所述AC/DC转换器电路的切换电路，例如晶体管半桥，由此控制所述AC输入端口上的电流。可以使用数字和/或模拟控制电路来实现所述控制。所述AC输入上的电流可以由单个电流传感器所感应和/或由多个传感器所感应，其中，所述单个电流传感器被耦合在所述AC输入和所述AC/DC转换器与所述旁路电路的连接点之间，所述多个传感器被放置于耦合到所述AC输入的电流路径中。

本发明潜在的优势有许多。根据一些实施例，用于控制AC/DC转换器的电流控制环路可以较少地受所述输入电压中的高频微扰的影响，并且具有这样的带宽，所述带宽主要受限于晶体管的最大切换频率或用在AC/DC转换器电路中的其它切换设备的最大切换频率。所述控制环路可以在多个模式下无缝地进行操作，所述模式例如是在线和旁路模式。

附图说明

图1是说明根据本发明的一些实施例的电源转换设备的示意图。

图2是说明根据本发明的另一些实施例的电源转换设备的示意图。

图3和4是说明用于根据本发明的另一些实施例的电源转换设备的示例性控制结构的示意图。

图5是说明根据本发明的其它实施例的电源转换设备的示意图。

具体实施方式

参考附图，现在将描述本发明的特定的示例性实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式而被体现，并且不应该被解释为限于这里所提出的实施例；相反地，这些实施例被提供以使得所述公开是充分的且完整的，并且将本发明的范围完全地表达给本领域的技术人员。在附图中，相同的数字表示相同的元素。应当知道，当一个元素作为被“连接”或“耦合”到另一个元素上的元素而被提及时，其可以直接地被连接或耦合到另一个元素上，或者可以有中间的元素存在。

图1说明了根据本发明的一些实施例的电源设备100。所述电源设备100包括被配置成耦合到AC电源10上的输入101、以及被配置成耦合到负载20上的输出102。在设备100的第一操作模式下，包含开关S1的这里所示的旁路电路在开关S1关闭的情况下，提供输入101和输出102之间的直接耦合。在第二模式下，开关S1打开(没有显示)，开关S1中断所述耦合，这样，负载20可以通过一系列AC/DC转换器电路110和DC/AC转换器电路120的组合而被供电，其中，所述AC/DC转换器电路可以从AC电源10产生DC电压，所述DC/AC转换器电路从所述DC电压而在输出102上产生AC电压。如上所述，当设备处于第一(或“旁路”)模式下时，即，当开关S1是关闭的并且输入101被耦合到输出102上时，所述AC/DC转换器电路110可以控制所述AC输入101上的电流iin。例如，所述AC/DC转换器电路110可以控制AC输入101上的电流，以便作为在第一模式下校正AC输入101上的电源因子的线路调节器，在不间断电源(UPS)的应用中，所述第一模式可能使“经济”或“高效”的模式。

应当知道，图1中的AC/DC转换器电路110、DC/AC转换器电路和其它部分可以采用各种不同的形式。例如，图1的拓扑可以应用于单相位和多相位的实施例。所述AC/DC转换器电路110可以包括各种不同类型的电路中的任何一种，所述电路包括但不限于降压整流器电路(buckrectifier circuit)和升压整流器电路、以及整流器电路与可控制整流器电路中的电流的调节电路的组合。所述DC/AC转换器电路120也可以包括各种不同类型的电路中的任何一种，所述电路包括但不限于半桥式和全桥式变换器。所述旁路电路也可以使用各种机械的和/或电晶体的设备而被实现，所述设备包括但不限于机械继电器、硅控整流器(SCR)、及其组合。

图2中描述了根据本发明的一些实施例的示例性实现。这里，电源设备200包括被配置成耦合到AC电源10上的输入201和被配置成耦合到负载20上的输出202。所述设备200包括输入电容C1，以及通过DC总线215a、215b而被耦合的升压整流器电路210和变换器电路220的一系列组合。所述整流器电路210包括电感L1、半桥配置下的绝缘栅双极晶体管(IGBT)212a、212b、以及存储电容C2a、C2b。所述整流电路210在总线215a、215b上产生正负DC电压ν_DC1、ν_DC2。响应所述输入201上的输入电压ν_in和所感应的输入电流i_in，由例如数字和/或模拟控制电路的控制电路240来控制晶体管212a、212b，所述感应的输入电流在这里被显示为由电流传感器230所感应的电流，所述电流传感器例如是电流变压器(CT)或霍尔效应传感器。

所述设备200还包括旁路电路，其在这里被显示为包括可以提供输入201和输出202之间的旁路耦合的开关S1。如下面将更详细地描述的那样，在一些实施例中，当整流器电路210和变换器电路220被绕开(bypass)时(即当所述开关S1被关闭时)，所述控制电路240可以响应所述感应的电流i_in而控制晶体管212a、212b，以在所述输入201上提供期望的电源因子。当所述开关S1被打开时，即当所述设备运行于在线模式下时，所述控制电路240还可以提供电源因子控制。当所述设备200运行在旁路模式下时，所述变换器电路220可以将所述DC总线215a、215b从所述输出202上解除耦合，或者可以由位于所述变换器电路220和输出202之间的开关(没有显示)来提供类似的耦合和解耦合。还应当认识到，所述设备200还可以运行在通过变换器电路220和旁路电路同时给负载20供电的模式下，所述模式例如是这样的模式，在所述模式下，被耦合到DC总线215a、215b上的辅助DC电源给负载20提供电力，以补充通过旁路路径所释放的电力，其中所述辅助DC电源例如是电池、燃料电池或发电机。

应当知道，可以在本发明的范围内修改图2中所示的电路。例如，在所述整流器电路210中可以使用除了半桥之外的电路以及除了IGBT之外的设备。代替位于输入201和整流器电路210与旁路电路的连接点之间的单个电流传感器230，所述旁路和在线路径的每个中有一个电流传感器，两个电流传感器的输出可以被计算以确定输入201上的电流。还应当知道，在本发明的范围之内，可以使用除了图2所示的电路之外的电路。例如，尽管图2中显示了升压整流器电路，但是，就本发明还可以使用其它类型的AC/DC转换器电路。例如，降压整流器电路可以被用于以类似于上述升压整流器电路的方式来控制输入电流。另外，尽管图2说明了单相位的应用，但是，本发明还包括多相位的实施例。

图3说明了示例性控制结构，所述结构可以在根据本发明的一些实施例而被用在图2的控制电路240中。电压补偿电路310包括DC电压补偿电路312和输入电压补偿电流314。输入电压补偿电路314接收代表输入201上的电压的输入电压信号ν_in所述信号例如是模拟电压或者数字值。输入电压补偿电路314产生第一电流命令信号i_c1。DC电压补偿电路312接收代表DC电压总线215a、215b上的DC电压的DC电压信号ν_DC1、ν_DC2，并且产生在乘法器316中与第一电流命令信号i_c1相乘的信号。所述第一电流命令信号i_c1被前馈到求和电路350上，其中所述信号与第二电流命令信号i_c2相加。

所述第二电流命令信号i_c2是由第一电流命令信号i_c1和DC电压补偿电路312的输出的乘积所产生的。特别地，在调整(scaling)电路320中调整所述第一电流命令信号i_c1和DC电压补偿电路312的输出的乘积，所述调整电路产生在求和电路330中与输入电流信号i_in(其代表输入201上的电流)进行比较的电流参考信号i_ref。然后，由求和电路330所产生的误差信号被反馈给电流补偿电路340，所述电流补偿电路产生第二电流命令信号i_c2。所述第一和第二电流命令信号i_c1、i_c2被求和，以产生驱动脉宽调制器(PWM)控制信号产生器电路360的合成电流命令信号i_cc，所述电路360控制整流器晶体管212a、212b。通过借助于使用由输入电压信号ν_in所得到的电流参考信号，从而使得输入电流信号i_in的波形与输入电压信号ν_in的波形基本上相同，这样，由图3的控制电路所提供的输入电流控制可以提供电源因子校正。

应当知道，图3中所说明的控制结构可以以模拟的形式、数字的形式或其组合而被实现。例如，可以在数字领域中使用微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)或类似的计算设备来实现所述控制结构，或者可以以模拟的形式使用有源滤波器、模拟乘法器等来实现所述控制结构。本领域内的普通技术人员应当知道，图3中所说明的控制结构仅是出于示例的目的而提供的，并且，在本发明的范围内，通过例如使用不同的环路拓扑以及增益和其它控制元素的不同安排，所述结构可以被修改。

图4说明了可以用来实现根据本发明的示例性实施例的控制方案的数字控制结构。模数(A/D)转换器电路401对输入电压和电流信号ν_in、i_in、以及总线212a、212b上的DC电压ν_DC1、ν_DC2进行采样，产生采样信号

| {\hat{v}}_{DC 1} |, | {\hat{v}}_{DC 2} |, {\hat{i}}_{in}, {\hat{v}}_{in},

所述采样信号被传递给其中实现了块405-465的处理器402，所述处理器例如是微处理器、微控制器、DSP或其它计算设备。应当知道，在A/D转换器电流401中还可以所述采样的信号

| {\hat{v}}_{DC 1} |, | {\hat{v}}_{DC 2} |, {\hat{i}}_{in}, {\hat{v}}_{in}

进行调整、滤波和/或其它处理。

在处理器402中，所采样的输入电压信号

通过有限脉冲响应(IIR)滤波器块420而被滤波以消除高频成分，并且被超前(1ead)滤波器块425所滤波，以补偿由滤波器块420所带来的相位迟延。所采样的DC电压信号

在求和块405中被求和，从而产生这样的信号，所述信号在倒置块415中被倒置，并且被用来在乘法块430中与超前滤波器块425的输出相乘，由此产生第一电流命令信号的信号。由求和块405所产生的信号还被用于比例积分器和微分器(PID)补偿块410。

所采样的输入电压信号还被传递给均方根(rms)计算块435，所述均方根计算块产生代表输入电压信号ν_in的rms值的信号。然后，所述rms信号在倒置块440中被倒置，从而产生这样的信号，所述信号在乘法器块445中与所述第一电流命令信号及所述PID补偿块410的输出相乘，以产生电流参考信号然后，在求和块450中，从所述电流参考信号

中减去所采样的输入电流信号

从而产生误差信号，所述误差信号被用于另一个PID补偿块455，所述PID补偿块455产生第二电流命令信号所述第一和第二电流命令信号

在求和块460中被求和，以产生应用于PWM控制信号产生器块465的合成电流命令信号

通过借助于使用从输入电压信号ν_in中所得到的电流参考信号，从而使得所述输入电流信号i_in的波形与输入电压信号ν_in的波形基本上相同，这样，由图4的控制电路所提供的输入电流控制可以提供电源因子校正。例如图2的设备200的电源设备中的所述控制结构的潜在优点有许多。由于图4中所描述的电流控制环路使用从输入电压信号ν_in的滤波形式中所产生的电流参考信号

因此，所述电流控制环路可以较少地受输入电压ν_in的高频微扰的影响。由于电流控制环路的带宽可以主要受限于所述PWM控制信号产生器块460和所述整流器电路210中的晶体管(或其它切换设备)所能支持的最大切换频率，因此，所述电流控制环路的带宽可以很高。另外，所述整流器控制环路(即所述电压和电流环路)可以在多中模式上以基本无缝的方式运行。特别地，无论设备是运行于在线模式下还是旁路模式下，设备200的整流器电路210都可以在操作中通过控制输入电流i_in来控制输入电源因子，同时根据操作模式来关闭或启动变换器电路220。所述整流器电路210的操作对于处理从旁路(高效)模式到在线操作的转换来说可能具有特别的优势，因为，整流器电路210将已经被开启并且稳定，对于在线操作来说，这可以减少在DC总线212a、212b上建立足够的电压所需的时间。

图5说明了根据本发明的另一个实施例的可不间断电源(UPS)500。所述UPS 500包括被配置成耦合到AC电源10上的输入501，以及被配置成耦合到负载20上的输出502。设备500包括输入电容C1以及通过DC总线515a、515b所耦合的整流器电路510和变换器电路520的一系列组合。所述整流器电路510包括电感L1、IGBT 512a、512b和存储电容C2a、C2b。所述整流器电路510在总线515a、515b上产生正的和负的DC电压ν_DC1、ν_DC2。由控制电路540响应输入501上的输入电压ν_in以及电流传感器530所感应的输入电流i_in，从而控制晶体管512a、512b。

开关S1可以提供所述输入501和输出502之间的旁路耦合。所述控制电路540响应感应电流i_in来控制晶体管512a、512b，从而控制电流i_in，以便当整流器电路510和变换器电路520处于在线和旁路模式下时，例如在所述输入501上提供期望的电源因子。所述UPS 500还包括被耦合到DC总线515a、515b上的辅助DC电源。如所示的那样，所述辅助DC电源包括电池560和DC/DC转换器电路550，但是，应当知道，其它类型的辅助DC电源也可以被使用。

当设备500运行在旁路模式下是，所述变换器电路520可以断开DC总线515a、515b和输出502之间的耦合，或者所述耦合和解耦合功能可以由位于变换器电路520和输出502之间的开关(没有显示)来提供。应当知道，所述设备500还可以运行在通过变换器电路520和旁路电路给负载20供电的模式下，所述模式例如是这样的模式，在所述模式下，所述辅助DC电源(电池560和DC/DC转换器电路550)提供电力给负载20，以补充通过旁路路径所释放的电力。

根据本发明的另一个方面，可以提供被耦合到输入501上的第二AC输出503。特别地，当所述整流器和变换器510、520运行于在线模式下时，所述输出503可以被用来为第二负载30提供线路调整(例如，电源因子校正)，从而给所述第一负载20提供更准确调整的电源。例如，在计算机应用中，所述配置可以具有优势。特别地，所述第一输出502可以被用来提供电力给敏感设备，例如桌面单元、服务器或磁盘阵列，而所述第二输出503可以被耦合到辅助的设备上，例如监控器，所述辅助的设备不太重要和/或更能容忍电压波动，但是，所述辅助的设备却是可以使电源因子降级的非线性负载。以这种方式，所述UPS 500可以作为在线UPS用于某些负载，而同时作为线路调节器用于其它负载。

在附图及其前面的描述中，已经公开了本发明的示例性实施例。说明书中所使用的术语是在通用和描述性的意义上而被使用的，而不是出于限制的目的，本发明的范围在下面的权利要求中被说明。

Claims

1.一种电源设备，包括：

AC输入，其被配置成耦合到AC电源；

AC输出；

AC/DC转换器电路，其具有耦合到所述AC输入的输入；

DC/AC转换器电路，其被耦合在所述AC/DC转换器电路和所述AC输出之间；以及

旁路电路，其可以在第一状态下建立所述AC输入和所述AC输出之间的耦合，并且在第二状态下中断所述耦合，

其中，当所述旁路电路处于所述第一状态时，所述AC/DC转换器电路可以控制所述AC输入上的电流。

2.根据权利要求1的设备，其中，当所述旁路电路处于所述第一状态时，所述AC/DC转换器电路可以校正所述AC输入上的电源因子。

3.根据权利要求1的设备，其中，当所述旁路电路处于所述第二状态时，所述DC/AC转换器电路可以在所述AC输出上产生AC输出电压。

4.根据权利要求3的设备，其中，当所述旁路电路处于所述第二状态时，所述AC/DC转换器电路可以校正所述AC输入上的电源因子。

5.根据权利要求1的设备，其中，当所述旁路电路处于所述第一和第二状态中的每一个中时，所述AC输出包括第一AC输出并且还包括耦合到所述AC输入上的第二AC输出。

6.根据权利要求3的设备，还包括这样的装置，所述装置用于将所述DC/AC转换器电路的输出耦合到所述AC输出上，以及将所述DC/AC转换器电路的输出从所述AC输出上去除耦合。

7.根据权利要求1的设备，其中，所述AC/DC转换器电路包括：

切换电路；

电流参考信号产生电路，其可以响应所述AC输入上的电压而产生电流参考信号；以及

电流控制电路，其可以响应所述电流参考信号和所述AC输入上的电流而控制所述切换电路。

8.根据权利要求7的设备，还包括电流传感器，其可以感应所述AC输入上的电流，其中，所述电流控制电路可以响应所感应的电流而控制所述切换电路。

9.根据权利要求1的设备，还包括电流传感器，其可以感应所述AC输入上的电流，其中，所述AC/DC转换器电路可以响应所述AC输入上的所感应的电流而控制所述AC输入上的电源因子。

10.根据权利要求9的设备，其中，所述电流传感器包括：

第一电流传感器，其可以感应通过所述旁路电路的电流；以及

第二电流传感器，其可以感应通过所述AC/AC转换器电路的电流。

11.根据权利要求1的设备，其中，所述AC/DC转换器电路包括升压整流器电路。

12.根据权利要求1的设备，其中，所述DC/AC转换器电路包括变换器电路。

13.根据权利要求1的设备，其中，所述DC/AC转换器电路通过DC总线而被耦合到所述AC/DC转换器电路上，其中，所述AC/DC转换器电路可以从所述AC电源在所述DC总线上产生DC输出电压，并且还包括辅助DC电源，其可以对所述DC总线供电。

14.一种电源设备，包括：

AC输入，其被配置成耦合到AC电源；

AC输出；以及

AC/AC转换器电路，其包括被耦合到所述AC输入上的整流器电路，其中，当所述AC输入直接被耦合到所述AC输出上时，所述整流器电路可以控制所述AC输入上的电源因子。

15.根据权利要求14的电源设备，还包括旁路电路，其可以在第一状态下建立所述AC输入和所述AC输出之间的耦合，并且在第二状态下中断所述AC输入和所述AC输出之间的所述耦合。

16.根据权利要求15的设备，其中，当所述旁路电路处于所述第二状态时，所述AC/AC转换器电路可以在所述AC输出上产生AC输出电压。

17.根据权利要求16的设备，其中，当所述旁路电路处于所述第二状态时，所述整流器电路可以控制所述AC输入上的电源因子。

18.根据权利要求14的设备，其中，所述AC输出包括可以有选择地连接到所述AC输入上的第一AC输出，并且还包括可连接到所述AC输入上的第二AC输出。

19.根据权利要求14的设备，其中，所述整流器电路包括：

切换电路；

电流控制电路，其可以响应所述电流参考信号以及所述AC输入上的电流而控制所述切换电路。

20.根据权利要求19的设备，还包括电流传感器，其可以感应所述AC输入上的电流，其中，所述电流控制电路可以响应所感应的电流而控制所述切换电路。

21.根据权利要求14的设备，还包括电流传感器，其可以感应所述AC输入上的电流，其中，所述整流器可以响应所述AC输入上的所感应的电流而控制所述AC输入上的所述电源因子。

22.根据权利要求14的设备，其中，所述整流器电路包括升压整流器电路，其中，所述AC/AC转换器电路还包括被耦合到所述整流器电路的输出上的变换器电路。

23.根据权利要求14的设备，其中，所述整流器电路可以从所述AC电源在DC总线上产生DC输出电压，并且还包括辅助DC电源，其可以对所述DC总线供电。

24.一种对包括AC/AC转换器电路的AC电源进行操作的方法，所述AC/AC转换器电路被配置成耦合在AC输入和AC输出之间，并且可以从所述AC输入上的AC电源在所述AC输出上产生AC电压，其中，所述AC/AC转换器电路包括被耦合到所述AC输入上的AC/DC转换器电路，所述方法包括：在使用所述AC/DC转换器电路来控制所述AC输入上的电源因子的时候，将所述AC输入直接耦合到所述AC输出上。

25.根据权利要求24的方法，其中，所述AC/DC转换器电路包括整流器电路。

26.根据权利要求1的方法，包括：在所述AC输入被直接耦合到所述AC输出上的时候，响应所述AC输入上的电流而控制所述AC/DC转换器电路。