在负载瞬变条件下提供可变电压波形的AC电源设备和方法

摘要

本发明主题的某些实施方式提供用于操作不间断电源（UPS）的方法，该UPS被配置为从第一电源和第二电源（如，市电电源和电池，或其它备用电源）向负载供电。所述方法配合负载在第一电源和第二电源之间的转变而操作UPS来短暂地提供修改过的电压波形。例如，修改过的电压波形可以提供短暂地增加的电压变化率，以补偿负载的瞬间电流需求。

说明书

背景技术

本发明的主题涉及电源设备，更具体地，涉及AC电源设备和方法。

UPS系统通常用于诸如数据中心、医疗中心和工业设施这样的地方。 可以在这些地方使用UPS系统，以便在主市电电源故障的情况下提供备用 电源以维持运行。UPS系统通常使用逆变器，逆变器从DC电源（如电池） 生成AC输出。举例来说，在“离线”或“备用”UPS中，当市电电源出现故 障时，负载可以从AC市电电源切换到由电池供电的逆变器。这可能导致 负载暂时断电。

由这种UPS提供服务的负载可能具有以下特点：在响应于断电而在正 常和备用模式之间转换时，对UPS具有较大的初始电流需求。例如，计算 机和类似的电子设备可以包括具有功率因数校正（PFC）电路的电源。当 使用离线UPS来为上述负载提供服务时，在逆变器被激活以从电池对负载 进行供电之前，市电电源掉电可能会产生大约4到5毫秒的断电。当UPS 的逆变器被激活来为负载提供服务时，因为PFC电路中的存储电容被再次 充电相对于设备的正常稳态需求，负载的电源中的PFC电路可能会暂时极 大地增加电流需求。这种高电流需求可能会持续AC电压的一个或多个周 期。

在三相离线UPS中，由于逆变器的电流限制，这种电流需求可能会导 致一个或多个相内长期呈现降低的电压，这会引起与欠压相关的崩溃和/ 或故障。

用于处置这种情况的常规手段包括对UPS进行降额，使得处于这些类 型的瞬变情况下的负载不超过UPS的最高电流容量。

发明内容

本发明主题的一些实施方式提供用于操作不间断电源（UPS）的方法， UPS被配置为从第一电源和第二电源（如，市电电源和电池，或其它备用 电源）向负载供电。所述方法包括：配合（in coordination with）负载在 第一电源和第二电源之间的转变而操作UPS来短暂地（momentarily）提 供修改过的电压波形（即，相对于UPS在稳态条件下产生的标称波形而被 修改的电压波形）。举例来说，修改过的电压波形可以提供短暂地增加的 电压变化率，以补偿负载在从断电恢复期间产生的瞬变初始电流需求。

在一些实施方式中，配合负载在第一电源和第二电源之间的转变而操 作UPS来短暂地提供修改过的电压波形包括：对UPS的逆变器的电压控 制进行修改，以提供修改过的电压波形。对UPS的逆变器的电压控制进行 修改以提供修改过的电压波形可以包括：改变电压参考信号的缩放。

在一些实施方式中，对UPS的逆变器的电压控制进行修改以提供修改 过的电压波形可以产生具有截取的正弦波形的AC输出电压。截取的正弦 波形可以在UPS的DC总线的电压处、或者在较小幅值的电压处被截取的。 在一些实施方式中，对UPS的逆变器的电压控制进行修改以提供修改过的 电压波形可以产生具有非正弦波形的AC输出电压。修改过的电压波形足 以抑制UPS逆变器的电流限制操作。

在另一些实施方式中，配合负载在第一电源和第二电源之间的转变而 操作UPS来短暂地提供修改过的电压波形可以包括：在固定的时间间隔和 /或取决于负载需求的时间间隔中维持修改过的电压波形。

在一些实施方式中，UPS包括离线UPS，配合负载在第一电源和第二 电源之间的转变而操作UPS来短暂地提供修改过的电压波形包括：配合在 UPS的备用模式和电池供电模式之间的转变而操作UPS来短暂地提供修 改过的电压波形。

发明主题的另外一些实施方式提供一种包括AC电源电路的设备，AC 电源电路被配置为向负载提供标称稳态AC输出电压波形，还被配置为响 应于负载断电而短暂地提供相较于标称稳态AC输出电压波形而言增加的 电压变化率。AC电源电路可以被配置为响应于负载在市电电源和辅助电 源之间的转换而提供增加的电压变化率。AC电源电路可以包括逆变器和 被配置为控制逆变器的控制电路，控制电路可以被配置为修改逆变器的电 压控制以提供增加的电压变化率。例如，控制电路可以被配置为改变电压 参考的缩放。

另外一些实施方式提供操作AC电源电路的方法，AC电源电路被配 置为耦合至负载。响应于负载断电，AC电源电路被操作为短暂地提供第 一电压波形，第一电压波形对负载的短暂地增加的电流需求进行补偿。AC 电源电路接下来被操作为使用第二电压波形为负载供电。相较于第二电压 波形而言，第一电压波形可以提供增加的电压变化率。例如，第一电压波 形可以是截取的正弦电压波形，第二电压波形可以是正弦波形。

附图说明

图1为原理图，其展示了根据发明主题的一些实施方式的不间断电源 （UPS）。

图2为原理图，其展示了根据发明主题的一些实施方式的UPS，该 UPS具有可变逆变器电压变化率控制。

图3为原理图，其展示了根据发明主题的一些实施方式的UPS，该 UPS具有可变电压参考生成器。

图4为波形图，其展示了根据发明主题的另外一些实施方式的UPS的 电压和电流波形。

具体实施方式

现在参考附图来描述发明主题的特定示例性实施方式。但是，发明主 题可以以不同方式实现，不应理解为限制于在此所描述的实施方式，相反， 提供这些实施方式的目的是使得本公开全面而完整，并且这些实施方式将 把发明主题的保护范围完全地传达给本领域技术人员。在附图中，相同的 数字代表相同的元件。应该理解的是，当提到一个元件被“连接”或“耦合” 到另一个元件时，它可以直接连接或耦合到另一个元件，或者可以存在中 间元件。在此使用的术语“和/或”包括相关在此列出的项目中的一个或多个 的任意和所有组合。

在此使用的术语的目的仅仅是为了对特定实施方式进行描述，不意味 对发明主题的限制。除非明确说明，在此使用的单数形式“一个”也包括复 数形式。还应该理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包 含”表示存在着所陈述的特征、整体、步骤、操作、元素和/或部件，但是 并不排除存在着或增加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素和/ 或部件、和/或它们的组合。

除非另有限定，在此使用的所有术语（包括技术和科学术语）的含义 和本发明主题所属的技术领域中的普通技术人员所通常理解的含义相同。 还应该理解的是，术语（如常用字典中定义的术语）应该解释为具有与它 们在说明书上下文和相关领域中的含义相一致的含义，除非在此明确限定， 不应对其进行理想化或过度形式化的解释。

下面参考方法，设备（系统和/或设备）和/或计算机程序产品的框图 和/或其它附图来描述示例性实施方式。可以理解的是，在框图和/或其它 附图中所展示的操作，以及在框图和/或其它附图中所描述的操作的组合可 以由计算机程序指令来实施。这些计算机程序指令可以提供给通用计算机、 专用计算机、和/或其它可编程数据处理设备的处理器（例如，UPS或其它 电源设备的嵌入式控制处理器），以产生机器，从而使得通过计算机和/ 或其它可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生装置（功能）和/或结 构，该装置（功能）和/或结构用于实施框图和/或其它附图中的功能和/或 动作。

这些计算机程序指令还可以存储在计算机可读存储器中，计算机可读 存储器能够引导计算机或其它可编程数据处理设备以特定方式运行，使计 算机可读存储器中存储的指令生产出制造产品，该制造产品中包括用于实 施框图和/或其它附图中的功能和/或动作的指令。

计算机程序指令还可以加载到计算机或其它可编程数据处理设备中， 引起一系列的可操作步骤在计算机和/或其它可编程数据处理设备中被执 行，以产生由计算机执行的程序，从而使得在计算机和/或其它可编程数据 处理设备上执行的指令提供用于实施框图和/或其它附图中的功能和/或动 作的步骤。

相应地，示例性实施方式能够以硬件和/或软件（包括固件，常驻软件， 微代码，等）的形式实现。示例性实施方式的形式还可以是非瞬时性计算 机可用或计算机可读存储介质上的计算机程序产品，非瞬时性计算机可用 或计算机可读存储介质具有包含在介质中的计算机可用或计算机可读程序 代码，程序代码由指令执行系统使用、或与指令执行系统相关。在本文件 的中，计算机可用或计算机可读存储介质可以是任意能够包含、存储、传 达、传送、或传输程序的介质，该程序由指令执行系统，装置或设备使用， 或与指令执行系统、装置或设备相关。举例来说，计算机可用或计算机可 读介质可以是但不限制于：电子、磁性、光学、电磁、红外、或半导体系 统、装置或设备。计算机可读介质的更具体的例子（非穷举列表）可以包 括：具有一根或多根电线的电连接，便携式计算机磁盘，随机存取存储器 （RAM），只读存储器（ROM），可擦写可编程只读存储器（EPROM 或闪存），及便携式压缩光盘只读存储器（CD-ROM）。

在不同实施方式中，附图中所提到的功能/动作发生的顺序可能不同于 附图中所显示的顺序。例如，取决于所涉及的功能/动作，连续显示的两个 方框可能实际上基本上同时执行，或者方框有时以相反的顺序执行。此外， 框图和/或其它附图中给定方框的功能可以分为多个方框，和/或两个或更 多个方框的功能可以至少部分结合在一起。

根据发明主题的一些实施方式，配合UPS的逆变器的运行，例如，配 合响应于断电而在电源之间进行的转换，UPS的逆变器产生的输出电压波 形相对于UPS产生的标称电压波形被短暂地修改。修改过的波形可以增加 输出电压的变化率，由此对负载的瞬间电流性能（例如，由具有PFC电路 的负载表现出的瞬间电流性能）进行补偿。根据不同实施方式，这可以通 过短暂地产生接近方波的输出来实现，例如，通过增加应用至逆变器的电 压控制的正弦电压参考的幅值来产生接近方波的输出。

图1展示了根据发明主题的一些实施方式的电源设备100（例如， UPS）。设备100包括AC电源电路110，AC电源电路110被配置为同电 源10耦合并向负载30提供AC电，例如，负载30是具有功率因数校正电 源的设备。AC电源电路110包括电压波形控制电路112，电压波形控制电 路112被配置为在从提供给负载30的电源中断恢复的过程中对提供给负载 30的AC输出电压V_out的波形进行短暂地修改。例如，波形修改可以在设 备100的一个或多个输出相上提供短暂地增加的电压变化率。

应当理解的是，AC电源电路110可以采用多种不同形式中的任意一 种。例如，在一些UPS应用中，AC电源电路110的形式可以为半桥式转 换器，半桥式转换器被配置为从由电池或其它辅助电源提供的DC电源生 成AC输出。在一些实施方式中，AC电源电路110可以采用其它形式， 例如，产生AC输出的周波变换器或其它电路。应当理解的是，AC电源 电路110的输出可以包括一个或多个AC相位。

图2展示了根据发明主题的一些实施方式的离线UPS200。UPS200 被配置为与市电电源10和电池20相耦合。UPS200包括逆变器220，逆 变器220被配置为从电池20接收电力。UPS200还包括开关210，开关210 被配置为使负载30在市电电源10和逆变器220之间转换。控制电路230 对开关210和逆变器220进行控制。例如，控制电路230可以被配置为检 测市电电源10的故障，并操作开关210将负载30转换到逆变器220。如 图中进一步所示，控制电路230可以包括电压波形控制电路232，电压波 形控制电路232被配置为配合这种转换（例如电压波形短暂地从标称稳态 条件的转换）而使逆变器220短暂地修改由逆变器220产生的AC输出电 压V_out的波形。举例来说，波形修改可以提供短暂地增加的电压变化率。 举例来说，这种能力可以用于对负载30的瞬间的电流需求进行补偿，例如， PFC电源的运行可能会导致这种瞬间的电流需求。

应当理解的是，逆变器220和控制电路230可以是多种不同形式中的 任意一种。例如，逆变器220的形式可以为单相或三相半桥式电路。通常， 控制电路230可以使用模拟和/或数字电路来实现，举例来说，模拟和/或 数字电路包括微控制器或其等效物，微控制器或其等效物由合适的程序代 码编程，以使UPS200如以上所述的那样运行。

尽管发明主题在离线（备用）UPS（如图2所示的UPS200）中使用 时是有利的，但是可以理解的是，可以相似地配置其它类型的UPS。例如， 与UPS200的操作类似的操作可以在离线（双变换）或在线交互式UPS 中使用，离线（双变换）或在线交互式UPS具有用于以经济或高效模式对 负载供电的旁路（bypass）电路，并且可以用于在旁路模式和逆变器供电 模式之间进行转换时提供增加的电压变化率。

根据发明主题的其它实施方式，如上所述的沿着线路进行的瞬间电压 波形控制可以通过控制逆变器的电压控制所使用的波形参考来实现。例如， 图3所示的UPS300包括开关310，开关310被配置为将负载选择性地耦 合到市电电源10和半桥式逆变器电路320，半桥式逆变器电路320通过 DC总线330从电池或其它辅助电源（未示出）接收电力，DC总线330具 有电压VDC+、VDC-。UPS300还包括控制电路340，控制电路340对开 关310和半桥式逆变器320进行控制。更具体地，控制电路340包括逆变 器电压控制电路342，通过比较半桥式逆变器320所产生的输出电压V_out和可变电压参考生成器电路344所产生的电压参考，逆变器电压控制电路 342实现电压控制回路。一般而言，可变电压参考生成器电路344所产生 的电压参考提供描述输出电压V_out的理想波形的信息，通过合适地控制半 桥式逆变器320中的晶体管或其它半导体开关设备，电压控制电路342将 理想波形赋予输出电压V_out。例如，在稳态条件下，电压参考波形信息可 以对应于具有特定振幅和相位的正弦。但是，在某些瞬变条件下，例如， 当UPS300响应于市电电源10中断而将负载转换到逆变器320时，可变 电压参考生成器电路344可以短暂地提供修改过的电压参考波形，举例来 说，该修改过的电压参考波形使输出电压V_out沿着线路展现增加的电压变 化率，就如同上面所描述的那样。

如图3中进一步显示，电压参考的这种变化可以通过将乘法器344b 所应用的缩放改变为正弦参考信号生成器344a所生成的正弦参考信号来 实现。这可能产生提供给电压控制电路342的放大的电压参考信号。响应 于该参考，电压控制电路324可以操作半桥式逆变器320，使得输出电压 V_out具有截取的正弦波形。截取可能从DC总线电压V_DC+、V_DC-自身的极 限产生，或者，在一些实施方式中，电压控制电路324可以实施内部限制， 内部限制也可以在比DC总线电压V_DC+、V_DC-的幅值小的幅值处类似地截 取输出电压V_out。

可以通过多种不同方式对以修改的电压波形进行运行的时间进行控 制。例如，可变电压参考生成器电路344可以在固定间隔维持修改过的电 压波形，举例来说，固定间隔对应于理想AC电压的1或2个周期。在一 些实施方式中，可变电压参考生成器电路344可以监视输出电流i_out，并且 可以在检测到输出电流i_out回落至特定水平时恢复至正常的正弦波形。

图4中展示了在备用UPS中使用这种技术进行运行的例子。特别是， 输出电压V_out显示出短暂的截取的正弦波形，该波形在时间间隔T期间看 起来接近方波，时间间隔T对应于UPS响应于市电中断而从市电驱动模 式转换到电池驱动模式时的过渡周期。在所展示的实施例中，UPS驱动具 有PEC电路的负载，如图中所见，由UPS提供的增加的电压变化率使UPS 能够补偿由于PFC的作用而导致的增加的输出电流i_out，这会持续电压波 形的1到2个周期。

应该理解的是，可以使用其它方式来实现类似效果。例如，可以不像 参考图3和4所描述的那样对正弦参考进行缩放，电压参考生成器（如图 4所示的电压参考生成器344）可以生成任意电压波形参考，举例来说，该 任意电压波形参考提供理想的增加的电压变化率。例如，电压参考生成器 可以短暂地生成方波或梯形波参考，用于在与断电所致转换相对应的过渡 周期控制逆变器，使得逆变器所生成的输出电压接近在过渡周期所用的这 些波形。

在附图和说明书中公开了发明主题的示例性实施方式。尽管使用了特 定术语，它们仅用于通用性和描述性目的，不具有限制用途，发明主题的 保护范围由权利要求来限定。