具有正输出降压-升压转换器和在输入电源处的PFC的非隔离AC-DC转换器

摘要

一种电力转换器包括：电池（104），其具有正极端子和负极端子；第一电力输入端（112、114），其用于接收AC输入电力；第二电力输入端，其用于接收来自电池的DC输入电力；第一电力输出端，其用于给电池充电；第二电力输出端，其用于向负载提供电力；整流器电路（210），其耦合到第一电力输入端（112、114）；和非隔离的单级电力转换电路（200），其具有输入端并被配置为降压-升压转换器。在第二电力输出端处的电力来源于第一电力输入端和/或第二电力输入端。单级电力转换电路被配置为使用公共能量存储元件（228）将AC电压转换为DC电压，并被耦合到第一电力输出端和整流器电路（210）。

说明书

发明背景

1.发明领域

本发明的实施例一般涉及电力转换，并且更具体地涉及给在不间断电源系统中的电池充电。

2.相关技术的讨论

不间断电源（UPS）用于当主电源或输电干线出现故障时，给电气设备或负载提供备用电力。典型的负载包括计算机系统，但其他负载，例如加热/制冷/通风系统、照明系统、网络交换机和路由器、以及安全和数据中心管理系统也可以由UPS提供电力。为数据中心或工业用途而设计的UPS可以为负载提供1和20kVA之间的备用电力达数小时。

UPS单元通常包括当AC输电干线电力不可使用时用作电源的一个或多个电池。电池提供的DC电力由电力转换电路转换为AC电力，然后其被提供给负载。将AC电力转换为DC电力的电池充电器可以包括在UPS中以当AC输电干线可以使用时给电池充电来保证当需要时备用电力将可以使用。UPS也可以包括用于自动管理UPS的运行和电力转换功能的控制单元。

发明内容

根据一个实施例，一种电力转换器包括：电池，其具有正极端子和负极端子；第一电力输入端，其用于接收交流输入电力；第二电力输入端，其用于接收来自电池的直流输入电力；第一电力输出端，其用于给电池充电；第二电力输出端，其用于向负载提供电力；整流器电路，其耦合到第一电力输入端；和非隔离的单级电力转换电路，其具有输入端并被配置为降压-升压转换器。在第二电力输出端处的电力来源于第一电力输入端和/或第二电力输入端。单级电力转换电路被配置为使用公共能量存储元件将交流电压转换为直流电压，并被耦合到第一电力输出端和整流器电路。

在另一个实施例中，电力转换器可以包括控制电路，其耦合到单级电力转换电路，并被配置为用于控制电力转换电路以在第一电力输入端处提供功率因数校正。

在另一个实施例中，电池的正极端子可以耦合到电力输出端，而电池的负极端子可以耦合到第一电力输入端的中性线。

在另一个实施例中，电力转换器可以包括直流总线，其具有直流电压值并耦合到单级电力转换电路的输入端和整流器电路。电力转换器可以被配置为将单级电力转换电路的输入电压箝位到直流电压值。在另一个实施例中，电力转换器可以包括一对插入在单级电力转换电路的输入端和直流总线之间的二极管。在又一个实施例中，电力转换器可以包括功率校正因数升压转换器电路，其耦合到第一电力输入端和直流总线，并被配置为将交流输入电力转换为直流总线处的直流电力。

在另一个实施例中，整流器电路可以包括桥式整流器。在另一个实施例中，电力转换器可以包括电容元件，其耦合到整流器电路和电力转换电路的输入端。电力转换器可以被配置为用于过滤电力转换电路的输入电压。

在另一个实施例中，整流器电路可以包括桥式整流器，其具有正极端子和负极端子。电池的正极端子可以耦合到第一电力输出端，而电池的负极端子可以耦合到整流器的负极端子。在另一个实施例中，电力转换器可以包括电容元件，其耦合到整流器电路和电力转换电路的输入端。电力转换器可以被配置为用于过滤电力转换电路的输入电压。

根据一个实施例，电力转换器包括：电池；第一电力输入端，其用于接收交流输入电力；第二电力输入端，其用于接收来自电池的直流输入电力；第一电力输出端，其用于给电池充电；第二电力输出端，其用于向负载提供源于第一电力输入端和第二电力输入端中的至少一个的电力；整流器电路，其耦合到第一电力输入端；和装置，其耦合到整流器电路用于将交流电压转换为第一电力输出端处的直流电压。

在另一个实施例中，电力转换器可以包括控制电路，其耦合到用于将交流电压转换成直流电压的所述装置。电力转换器可以被配置为用于控制电力转换器使得在电力输入端执行功率因数校正。

在另一个实施例中，电池可以具有耦合到第一电力输出端的正极端子和耦合到第一电力输入端的中性线的负极端子。

在另一个实施例中，整流器电路可以包括桥式整流器，其具有正极端子和负极端子。该电池可以具有耦合到第一电力输出端的正极端子和耦合到整流器的负极端子的负极端子。

根据另一个实施例，一种对电池进行充电的方法包括：在非隔离的单级降压-升压电路的输入端处接收整流的交流输入电压；使用降压-升压电路将整流的交流输入电压转换成直流输出电压；使用直流输出电压对电池进行充电；提供来源于整流的交流输入电压和直流输出电压中的至少一个的交流输出电压；和操作降压-升压电路的多个开关以在交流电力输入端处提供功率因数校正。

在另一个实施例中，该方法可以包括使用直流箝位电路将输入的电压箝位到降压-升压电路的输入。

在另一个实施例中，该方法可以包括：当通过降压-升压电路的电感器的电流达到预定峰值时，关断多个开关中的每一个；而当通过电感器的电流为零时，接通多个开关中的每一个。

在另一个实施例中，可以使用平均电流模式控制操作多个开关以控制降压-升压电路中的电流。

在另一个实施例中，电池可以具有耦合到交流电力输入端的中性线的负极端子。在又一个实施例中，电池的负极端子可以耦合到整流器电路的负极端子。

附图说明

附图不旨在按比例绘制。在附图中，在各图中示出的每个相同的或近似相同的部件用相同的附图标记来表示。为了清楚起见，在每个附图中，不是每个部件都被标记。在附图中:

图1是根据本发明的一个实施例的不间断电源的功能框图；

图2是根据本发明的一个实施例的电力转换电路的原理图；

图3是根据本发明的另一个实施例的电力转换电路的原理图；

图4是根据本发明的又一个实施例的电力转换电路的原理图；

图5是用于控制图2、图3和/或图4的电力转换电路的控制电路的原理图；和

图6A-6B是表示应用到图2的电力转换电路的临界导电模式电流控制方法的示例性模拟的曲线图。

具体实施方式

本发明的实施方式的应用不受限于它们在下面的描述中所阐述的或者附图所示的部件的构造细节和部件布置方面细节的应用。本发明的实施方式能够具有其他实施方式且能够以各种方式被实践或者被执行。而且，本文使用的词组和术语用于描述性目的，且不应视为限制性的。本文使用的“包括”、“包含”或“具有”、“含有”、“涉及”和其变体，意在涵盖其后所列项和其等价项以及附加项。

本公开内容的各种实施例涉及用于不间断电源（UPS）的电力转换，包括到负载（例如，电池或其它电力存储设备）的电力分配，例如，对电池进行充电。本公开内容的实施例不限于用于UPS，并且一般可以与其它电源或电力系统一起使用。

如本领域技术人员将能够理解的，在交流电力系统中的有功功率与表观功率的比值被称为功率因数。其中功率因数小于一个单位（1），负载被认为具有使通过负载汲取的一些功率将被返回到电力系统的反应性质，其通常作为热量浪费掉。因此，理想的是，电力转换系统提供功率因数校正（PFC），这在交流输电干线输入处通过积极地控制由负载所消耗的功率的量增加了功率因数。

一些负载，包括，例如，UPS中的电池，其两端需要固定的直流电压和通过它们的受控电流。根据其额定功率，UPS系统可以使用从例如48VDC到240VDC的电池。然而，交流输电干线输入电压峰值通常在140V和415V（100VAC到290VAC的RMS电压）之间变化。因此，升压转换器（其输出大于输入电压的电压）不适于给电池充电和在输入处实现功率因数校正，因为交流输电干线输入电压可能超过电池电压。降压转换器是一种用来降低或逐步减小输入电压的有效方式，但它们通常结合升压转换器以考虑小于电池电压的交流输入电压的部分。对于使用单级转换器（例如，使用隔离的降压-升压转换器）给电池充电有已知的技术。然而，隔离的降压-升压转换器需要隔离变压器，这增加了UPS的制造成本，并且只有当充电器功率小于500W时是有利的。此外，许多UPS使用浮动电池方案，其中负极端子没有连接到交流输电干线输入的中性线上。在这种情况下，保持功率因数校正而不使用隔离变压器是具有挑战性的。

在一些传统的在线UPS系统中，可以通过交流-直流转换器直接从交流输电干线提供电池充电功能，或通过直流-直流转换器直接从分离的直流总线提供电池充电功能。在一种方法中，交流-直流充电器通常包括需要独立的、专用的直流总线的升压转换器。这种充电器根据电池的负极端子是连接到交流输电干线电源中性线还是浮动可以是隔离的或非隔离的。在第二种方法中，在PFC转换级之后，充电功率是从分离的直流总线中获取的，并且通常采用高频变压器、隔离降压转换器或高频非隔离的降压转换器。这两种方法都受到在非隔离的拓扑情况下的额外的复杂性、高成本和低效率，以及操作输入电压范围限制的影响。第二种方法具有需要PFC转换级被调整大小以用于较高的充电功率的附加缺点。

本公开内容的至少一些实施例包括PFC交流-直流转换级和电池充电器，其以避免处理通过PFC级的充电功率的这样的方式组合，如通常在传统的在线UPS系统中完成的那样，同时实现了高功率因数与高效率和低成本。一些实施例包括基于降压-升压转换器方法的单级交流-直流电池充电器，其具有较低的复杂性、较高的效率、较高的功率密度、低成本，并且相比于常规技术，其可以提供高充电功率与PFC。

图1是根据本发明的一个实施方式的UPS100的功能框图。UPS100向负载106提供源自AC电源102或例如电池104的备用电源两者中的任何一个的稳压电力。UPS100包括整流器/升压转换器110、逆变器120、和用于控制整流器/升压转换器和逆变器的控制单元130。UPS具有AC电源102的传输线（相线）输入端112和中性线输入端114，以及各自耦合到负载106的传输线输出端116和中性线输出端118。

在传输线运行模式中，在控制单元130的控制下，整流器/升压转换器110将输入AC电压分别转换成在正的DC总线121和负的DC总线122处的正的和负的DC电压。正的DC总线121和负的DC总线122可以，例如，各自额定于高达+/-400VDC。整流器/升压转换器110包括公共的或中性线路124。中性线路124可以耦合到输入中性线114和输出中性线118以提供通过UPS100的持续的中性通路。整流器/升压转换器110还包括用于在传输线运行模式期间给电池104充电的电池充电电路（未示出）。在至少一个实施例中，电池充电电路被配置为降压-升压转换器，其在电池的负极端子连接到交流输电干线中性线上的结构中耦合到正的直流总线121、负的直流总线122和中性线124上。在一些实施例中，降压-升压转换器被耦合到代替中性线124的整流器的负极端子上。

在备用运行模式（也称为电池运行模式）中，一旦丧失输入交流电力，整流器/升压转换器110就会从电池104中产生正和负的直流电压。在传输线和备用这两种运行模式中，逆变器120从整流器/升压转换器110接收正的直流电压121和负的直流电压122。逆变器120在线路116和118处将正和负的直流电压转换成输出交流电压。

根据一个实施例，如下面的图2所示，UPS包括电力转换电路200，其具有用于将交流输电干线输入电力转换成包括正的直流总线121和负的直流总线122的直流总线处的直流电力的功率因数校正（PFC）升压转换器/整流器电路210，以及耦合到直流总线上用于给电池104充电的充电器电路220，其中电池的负极端子被连接到交流主电源的中性线114上。充电器电路220直接从交流主电源而不是从PFC电路210汲取功率，并在充电器电路的输入处使用直流总线作为箝位工具。以这种方式，充电器电路220是单级转换器，这不同于具有两级转换器（其中充电器电路通过DC链路电容器被串联耦合到PFC整流器/升压转换器电路）的传统的充电器电路。两级转换器的效率较低并且比电力转换电路200需要更多的电子部件来进行操作。

充电器电路220包括耦合到线路输入112用于整流交流输入电压的整流二极管222和224。第一开关226、电感器228、第一二极管230、第二二极管234以及第二开关232形成充电器电路220的降压-升压转换器电路部分，其被耦合到整流二极管222、224和电池104上。充电器电路220通过二极管212、214和216被耦合到直流总线和中性线114上。

在交流输电干线输入的正半线路周期期间，交流输电干线输入电力是通过充电器电路220经由二极管222和216来传输的。如上所述，充电器电路220的降压-升压转换器部分包括开关226和232、电感器228以及二极管230和234。开关226和232的操作使得每个开关都以高频率同时接通和关断。当开关226和232被接通时，电感器228被使用通过二极管222和216从线路输入112到中性线路114传输的能量进行充电。当开关226和232被关断时，存储在电感器228中的能量被通过二极管230和234传输到电池104。

假设所有的器件都是理想的，在一个切换周期期间，电感器228两端的平均电压为V_L，在交流输电干线输入的正半线路周期期间，当开关226和232接通时，电感器228两端的平均电压为V_P。当开关226和232断开时，电压V_L是电池电压V_电池。假设开关226和232的占空比是D，并且使用电感器228的伏秒平衡原理，

V_p*D=V_电池*（1-D）

或

V_p/V_电池=（1-D）/D

（即，V_输入/V_输出=（1-D）/D）。

因此，在交流输电干线输入的正半线路周期期间，充电器电路220用作正输出降压-升压转换器。

在交流输电干线输入的负半线路周期期间，交流输电干线输入电力经由二极管224和230被传输到充电器电路220的降压-升压转换器部分。第一开关226在负半线路周期期间是闲置的。第二开关232被以高频率接通和断开。当第二开关232被接通时，电感器228被使用通过二极管230、电感器228、第二开关232、和二极管224从中性线路114到线路输入112传输的能量进行充电。当第二开关232被关断时，存储在电感器228中的能量通过二极管234和230传输给电池104。

再次假设所有的器件都是理想的，在一个切换周期期间，电感器228两端的平均电压为V_L，在交流输电干线输入的负半线路周期期间，当开关232接通时，电感器228两端的平均电压为V_N。当开关226和232断开时，电压V_L再次是电池电压V_电池。还假设开关232的占空比为D，并使用电感器228的伏秒平衡原理，

V_N*D=V_电池*（1-D）

或

V_N/V_电池=（1-D）/D。

因此，在交流输电干线输入的负半线路周期期间，充电器电路220再次用作正输出降压-升压转换器。

充电器电路220的降压-升压转换器部分被控制（例如，由图1的控制单元130来控制）以在交流输电干线输入112和114处提供功率因数校正。当输入电流（例如，通过开关226和232）不连续时，因为在印刷电路板的迹线中存在电感，在开关226和232两端可能存在电压峰值。直流链路包括用作用于开关226和232两端的任何电压峰值的箝位的二极管212和214。降压-升压转换器可被设计为在交流输电干线输入电压的任何范围内操作。

图3示出了根据另一个实施例的充电器电路300。而上述关于图2所描述的电力转换电路200结合PFC转换器/整流器电路210可用作电池充电器，充电器电路300可以用作例如单独的充电器电路。充电器电路300包括在线路输入112和中性线114处的全桥式整流器，其整体指示在310，并且还包括滤波电容器312。电池的负极端子和第一二极管330每个都耦合到交流输电干线输入的中性线上。第一开关326、电感器328，第一二极管330、第二二极管334和第二开关332形成充电器电路300的降压-升压转换器电路部分，其被耦合到整流器310和电池104。

在交流输电干线输入的正半线路周期期间，交流输电干线输入电力被传输到充电器电路300的降压-升压转换器部分。开关326和332的操作使得每个开关都以高频率被同时接通和关断。当开关326和332被接通时，电感器328被使用通过整流器310、第一开关326、电感器328、第二开关332从线路输入112到中性线114传输的能量进行充电。当开关326和332被关断时，存储在电感器328中的能量被通过二极管334和330传输到电池104。

在交流输电干线输入的负半线路周期期间，交流输电干线输入电力通过整流器310被传输到充电器电路300的降压-升压转换器部分。在负半线路周期期间，第一开关326是闲置的。开关332以高频率被接通和关闭。当第二开关332被接通时，电感器328被使用通过二极管330、电感器328、第二开关332和整流器310从中性线114传输到线路输入112的能量进行充电。当第二开关332被关断时，存储在电感器328中的能量被通过二极管334和330传输到电池104。

图4示出了根据又一个实施例的充电器电路400。图4的充电器电路400基本上类似于图3的充电器电路300，不同之处在于电池104和二极管330每一个都耦合到整流器电桥310的负极端子上，而不是耦合到交流输电干线输入的中性线114上。充电器电路400的操作基本上类似于上述图3的充电器电路300的操作，不同之处在于，在负半线路周期期间，第一开关326与第二开关332被同时接通和关断。当开关326和332被接通时，电感器328被使用通过整流器310、第一开关326、电感器328、第二开关332和整流器310从中性线114传输到线路输入112的能量进行充电。当开关326和332被关断时，存储在电感器328中的能量被通过二极管334和330传输到电池104。

图5示出了根据一个实施例的用于控制一个或多个上述电路（例如，图2的电力转换电路200）以实现PFC的控制电路500。应当理解，控制电路500可以与图3和图4的电力转换电路300和400以及与其它电力转换电路一起使用。控制回路中的控制器510在交流输电干线输入的负半线路周期期间阻挡了第一开关226的选通脉冲。通过电感器228的电流在PFC转换器的临界导通模式期间总是被控制的。与参考电流IL_参考相比，通过电感器228的电感电流IL无论何时达到预定峰值，到开关226和232的选通驱动信号512被拉低。选通驱动信号512只有当电感电流IL达到零时才会被拉高。在该控制下的开关228和232的开关频率是可变的。

输入电流的基波分量与交流输电干线电压同相。因此，通过控制电感电流IL，在输入处实现了单位功率因数。可以在输入处使用滤波器以提供电流平滑。

图6A-6B是表示应用到图2的电力转换电路200的临界导通模式电流控制方法的示例性模拟的曲线图。图6A示出了通过电感器226的电流，并且图6B示出了输入电流。在该实例中，电感器228被额定在1mH，输入电压为230VAC（rms），并且输出电压为240VDC。利用其它额定值和电压和本领域的技术人员所理解的本文所描述的其它实施例（例如，图3的电力转换电路300）可得到类似的结果。

根据另一个实施例，使用开关（例如，开关226和232，或326和332）的固定的开关频率，在图2、图3和图4的电力转换电路200、300和400中实现了在输入处的PFC与电感电流的传统的平均电流模式控制。

任何前述实施方式可以实现在UPS中，例如，使用DC电池作为备用电源的UPS。UPS可以被配置为提供备用电力给任何数量的电力消耗设备，例如计算机、服务器、网络路由器、空调单元、照明设备、安保系统、或需要不间断电力的其他设备和系统。UPS可以包含或耦合到控制UPS运行的控制器或控制单元。例如，控制器可以给电路里的每个切换设备提供脉冲宽度调制（PWM）信号用于控制电力转换功能。在另一个例子中，控制器可以为继电器提供控制信号。通常，控制器控制UPS的运行，使其在可以使用来自AC电源的电力时，从AC电源给电池充电，并且当AC电源不能用或处于电压过低的情况时，逆变来自电池的DC电力。控制器可以包含以任何方式组合的硬件、软件、固件、处理器、存储器、输入/输出接口、数据总线、和/或其他元件，它们可以用于实现控制器的相应功能。

在如上所述的实施方式中，电池用作备用电源。在其他实施方式中，可以使用其他AC或DC备用源和设备，包括燃料电池、光电池、DC微型涡轮机、电容器、供选择的AC电源，和任何其他合适的电源，或者任何它们的组合。在利用电池作为备用电源的本发明的实施方式中，电池可以由以并联或串联方式耦合的多个电池单元组成。

在一个或多个前述实施方式中，切换器件可以是任何电子的或机电的器件，其以受控的方式（例如，通过使用控制信号）传导电流且能够隔离导电通路。图中的各种切换器件和其他电子器件的表示是示例性的且不意在是限制性的，因为本领域的技术人员将理解的是，使用各种类型、布置和配置的器件可以获得相似的或相同的功能。例如，一个或多个切换器件可以含有一个或多个反向并联二极管，或这些二极管可以与这些切换器件分开。如上所述，在一些实施方式中，切换设备包括整流器，例如，能够通过应用控制信号而接通和断开的受控整流器（例如，SCR、晶闸管等等）。此外，其他元件，例如电阻器、电容器、电感器、电池、电源、负载、变压器、继电器、二极管和类似元件可以包含在单一的器件或多个连接的器件中。

在如上所述的实施方式中，描述了供不间断电源使用的整流器/升压电路，然而应该理解的是，本文所述的电路可以供其他类型的电源使用。

本发明的实施方式可供具有各种输入电压和输出电压的不间断电源使用，且可以用于单相或多相不间断电源。

至此，已经描述了本发明的至少一个实施方式的几个方面，本领域的技术人员将理解的是，各种替代、修改和改进将是很容易出现的。这些替代、修改和改进意在属于本公开内容的一部分，并且意在本发明的精神和范围内。例如，用于使电力转换器的切换设备运行的选通脉冲可以在频率、占空比、或这两者上变化。而且，可以利用电气部件的供选择的配置来产生相似的功能，例如，逆变器功能和充电器功能，或者其他功能。因此，前述的描述和附图仅仅是示例性的。