将DC-DC转换器的输出电流分配在其输出电容器和其功率级之间的方法

摘要

本发明的至少一些方面目的在于用于控制不间断电源和UPS的子系统的方法和装置。本发明的第一方面目的在于控制具有预先确定的最大峰值负载电流值的DC-DC转换器(30)的方法。DC-DC转换器具有第一和第二输出以耦合到负载(62)，电容器(52)耦合在第一和第二输出之间。该方法包括在第一操作模式中将电容器充电到预先确定的输出电压值，以及在第二操作模式中将具有最大峰值负载电流值的输出电流提供到耦合到DC-DC转换器的输出的负载，其中输出电流的第一部分由DC-DC转换器提供，而输出电流的第二部分通过将电容器放电到小于预先确定的输出电压值的电压值来提供。

说明书

发明背景

1.发明领域

本发明的至少一种实施方式大体上涉及用于将不间断的、调节的功率 提供到临界和/或敏感负载的方法。更具体地，本发明的至少一种实施方式 涉及不间断电源的DC-DC转换器的控制。

2.相关技术的讨论

为敏感和/或临界负载例如计算机系统和其它数据处理系统提供调节 的、不间断的功率的不间断电源的使用是已知的。许多不同的UPS产品是 可用的，包括在来自West Kingston RI的美国功率转换公司(American Power Conversion Corporation)的商标SMART-UPS下标识的产品。在典型 的UPS中，电池被用于在断电或停电状况期间为临界负载提供备用功率， 以及DC-DC转换器可结合电池来使用。

发明概要

本发明的第一方面目的在于控制具有预先确定的最大峰值负载电流 值的DC-DC转换器的方法。DC-DC转换器具有第一和第二输出以耦合到 负载，电容器耦合在第一和第二输出之间。该方法包括在第一操作模式中 将电容器充电到预先确定的输出电压值，以及在第二操作模式中将具有最 大峰值负载电流值的输出电流提供到耦合到DC-DC转换器的输出的负载， 其中输出电流的第一部分由DC-DC转换器提供，而输出电流的第二部分 通过将电容器放电到小于预先确定的输出电压值的电压值来提供。

在该方法中，DC-DC转换器可包括：输入，其耦合到具有DC电压的 DC电源；多个开关，其配置成将DC电压转换到AC电压；变压器，其具 有第一绕组和第二绕组，第一绕组耦合到多个开关而第二绕组耦合到第一 和第二输出，以及该方法还可包括控制多个开关以将在第二绕组中的电流 限制到小于最大峰值负载电流值的值。在一种版本中，电压值近似为最大 峰值负载电流值的50％。该方法还可包括在输入处从电池接收输入功率。 以及还可包括将输出电流提供到逆变器电路的输入。该方法可包括使用包 含在不间断电源内的控制器来控制多个开关以及逆变器电路。在第一操作 模式下，该方法可包括提供具有小于最大峰值负载电流的值的输出电流。

本发明的另一方面目的在于不间断电源(UPS)，其包括：输入，其从 第一电源接收功率；输出，其将功率提供到负载；逆变器，其耦合到输出； 第二输入，其从第二电源接收功率；DC-DC转换器，其耦合到第二输入并 包括耦合到逆变器的第一和第二输出；电容器，其耦合在第一和第二输出 之间；以及控制器，其耦合到DC-DC转换器。控制器被配置成在第一操 作模式中控制DC-DC转换器以将电容器充电到预先确定的输出电压值， 以及配置成在第二操作模式中控制DC-DC转换器以提供具有最大峰值负 载电流值的输出电流，其中输出电流的第一部分由DC-DC转换器提供， 而输出电流的第二部分通过将电容器放电到小于预先确定的输出电压值 的电压值来提供。

在UPS中，DC-DC转换器还可包括：多个开关，其配置成将DC电 压转换到AC电压；变压器，其具有第一绕组和第二绕组，第一绕组耦合 到多个开关，而第二绕组耦合到第一和第二输出，以及控制器还可被配置 成控制多个开关以将在第二绕组的电流限制到小于最大峰值负载电流值 的值，以及该值可近似为最大峰值负载电流值的50％。UPS可包括第二 电源，以及第二电源可包括电池。在UPS中，控制器还可被配置成在第 一操作模式中控制DC-DC转换器以将具有小于最大峰值负载电流的值的 输出电流提供到逆变器。

本发明的另一方面目的在于用于生产DC-DC转换器的过程，该 DC-DC转换器具有峰值负载电流值、峰值负载电流持续时间、标称DC输 出电压以及可允许的最小输出电压。该过程包括通过将峰值负载电流值乘 以小于1的系数来确定DC-DC转换器的修改的峰值负载电流值，通过将 峰值负载电流持续时间除以该系数来确定DC-DC转换器的修改的DC-DC 负载电流持续时间，以及使用修改的峰值负载电流值和修改的DC-DC负 载电流持续时间来设计DC-DC转换器的功率级。

方法还可包括基于设计来建立DC-DC转换器的功率级。方法也可包 括至少部分地基于标称DC输出电压和可允许的最小输出电压来确定 DC-DC转换器的输出电容器的值，以及将输出电容器耦合到功率级。方法 还可包括将控制器耦合到DC-DC转换器，其中控制器被配置成控制功率 级的组件，并将来自功率级的电流限制到修改的DC-DC负载电流值。在 该过程中，该系数可等于0.5。

本发明的又一方面目的在于不间断电源(UPS)，其包括：输入，其 从第一电源接收功率；输出，其将功率提供到负载；逆变器，其耦合到输 出；第二输入，其从第二电源接收功率；DC-DC转换器，其耦合到第二 输入并包括耦合到逆变器的第一和第二输出、在第一和第二输出处提供输 出功率的功率级、以及耦合在所述第一和第二输出之间的电容器。UPS 还包括用于在第一操作模式中控制DC-DC转换器以将电容器充电到预先 确定的输出电压值以及用于在第二操作模式中控制DC-DC转换器以提供 具有最大峰值负载电流值的输出电流的装置，以使输出电流的第一部分由 功率级提供，而输出电流的第二部分通过将电容器放电到小于预先确定的 输出电压值的电压值来提供。

在UPS中，DC-DC转换器还可包括：多个开关，其配置成将DC电 压转换到AC电压；变压器，其具有第一绕组和第二绕组，第一绕组耦合 到多个开关，而第二绕组耦合到第一和第二输出。在UPS中，该值可近 似为最大峰值负载电流值的50％，以及UPS还可包括第二电源，且第二 电源可包括电池。

附图的简要说明

附图没有被规定为按比例绘制，在附图中，在各个图中示出的每个相 同的或几乎相同的组件由相似的数字表示。为清楚起见，不是每个组件都 可被标注在每个附图中。在附图中：

图1为依照一种实施方式的包括DC-DC转换器的不间断电源的方框 图；

图2为依照一种实施方式的被包括在UPS中的DC-DC转换器的原理 图；以及

图3为依照一种实施方式的用于设计DC-DC转换器的过程的流程图。

详细描述

本发明的实施方式不限于在以下的描述中提到的或在附图中示出的 结构的细节和组件的布置。本发明的实施方式能够以各种方式实践或执 行。此外，在此处使用的措辞和术语是为了描述的目的，而不应该被视为 限制性的。“包括(including)”、“包括(comprising)”、或“具有(having)”、 “包含(containing)”、“涉及(involving)”及其变形的使用在此处意味着 包含其后列出的项目及其等效形式以及附加的项目。

现在将参考图1来描述依照本发明的不间断电源的一种实施方式，图 1示出了用于将AC功率提供到负载的在线互动式不间断电源(UPS)10 的方框图。UPS包括从AC电源接收AC功率的输入12、提供AC电源的 输出14、耦合到DC到DC转换器15的电池22、操作地耦合到DC到DC 转换器15以接收DC功率并提供AC功率的逆变器18、选择性地耦合到 UPS输入12和逆变器18的切换继电器16、UPS控制器17、EMI/浪涌滤 波器21、电池充电器25和耦合到切换继电器16的自动电压调节(AVR) 变压器20、以及至少一个AVR继电器23。UPS 10还包括监控和控制UPS 10的操作的UPS控制器17。AVR 20及其相关的继电器为可选设备，其被 用在至少一种实施方式中以允许UPS 10在更宽的输入电压范围上操作。 AVR 20的操作在2009年1月27日提交的题为“System and Method for  Limiting Losses in an Uninterruptible Power Supply”的共同未决的美国专利 申请序列号12/360,648中被描述，其由此通过引用被并入本文。

UPS 10如下操作。UPS 10通过输入12从AC电源接收输入AC功率， 过滤输入AC功率并将过滤的AC功率提供到切换继电器16。切换继电器 16接收过滤的功率并且也从DC/AC逆变器18接收功率。控制器17确定 来自AC电源的可用功率是否在预先确定的容限内，以及如果是，控制切 换继电器以将来自AC电源的功率提供到输出。如果来自AC电源的功率 不在预先确定的容限内——这可由于“停电”或“断电”状况或者由于功率骤 增而出现，则控制器17控制切换继电器16以提供来自逆变器18的功率。

UPS 10的逆变器18从DC-DC转换器15接收DC功率并将DC功率 转换到AC功率，以及将AC功率调节到预先确定的规范。根据电池22的 容量和负载的功率要求，UPS 10可在短暂的电源断开期间或在延长的断电 期间将功率提供到负载。

使用被存储在相关存储器中的数据，控制器17执行一个或多个指令 并监控和控制UPS 10的操作。在一些实例中，控制器17可包括一个或多 个处理器或其它类型的控制器。在一个实例中，控制器17为市场上可买 到的通用处理器。在另一实例中，控制器17在通用处理器上执行在此公 开的一部分功能，并使用适合于执行特定操作的专用集成电路(ASIC)执 行另一部分功能。如这些实例所说明的，依照本发明的实施方式可使用软 件和硬件的许多特定的组合来执行在此描述的操作，以及本发明不限于硬 件和软件的任何特定的组合。

控制器17的相关存储器包括数据存储器，其存储UPS 10的操作所需 要的计算机可读和可写的信息。该信息除了其它数据以外还可包括受到控 制器17的操纵的数据以及由控制器17可执行来操纵数据的指令。数据存 储器可为相对高的性能的易失性随机存取存储器例如动态随机存取存储 器(DRAM)或静态存储器(SRAM)，或可以是非易失性存储介质例如磁 盘或闪存。依照本发明的各种实施方式可将数据存储器组织成特殊的且在 一些情况下独特的结构以执行在此公开的方面和功能。另外，这些数据结 构可被特别地配置成节省存储空间或增加数据交换性能。

在典型的现有UPS中，DC-DC转换器通常特别大，以满足可能在短 的时间段内需要相对高的峰值功率的脉冲负载的峰值功率要求。例如，由 UPS供电的典型的脉冲负载可以按25％的占空比操作，引出仅在UPS输 出AC波形的25％的范围内的输入电流。对于1500VA UPS，在25％占空 比上给负载提供4.5KW功率不是罕见的。在这样的情况下，峰值功率要求 而不是平均功率要求引导DC-DC转换器的设计，并将高峰值电流/功率需 要设在可在DC-DC转换器的设计中使用的组件上。能够处理DC-DC转换 器的高切换频率以及高峰值电流的组件例如开关和感应器可能是大的和 昂贵的。在本发明的至少一种实施方式中，通过减小通过DC-DC转换器 的开关的峰值电流并使用耦合到DC-DC转换器的输出的电容器在占空比 的峰值时期期间将电流提供到负载，消除了对DC-DC转换器中的大且昂 贵的组件的需要。

现在将参考图2来描述依照本发明的DC-DC转换器的一种实施方式， 图2示出了被配置成调节来自电池32的DC功率并将DC功率提供到负载 62的DC-DC转换器30的原理图。DC-DC转换器30可被用作在图1的 UPS中的转换器15，以及在该配置中，负载62包括逆变器18和耦合到 UPS 10的输出的负载。DC-DC转换器30为利用电流模式控制的全桥 DC-DC转换器，并包括一组功率开关34、36、38和40、功率变压器43、 整流器42、功率感应器50和输出电容器52。DC-DC转换器的不包括输出 电容器的部分在此可被称为DC-DC转换器的功率级。

现在将参考图1-2来描述DC-DC转换器30的操作。来自电池32的 DC功率被供应到功率开关34、36、38和40以及功率变压器43。功率开 关34、36、38和40和功率变压器43由控制器如控制器17操作以在变压 器的输出产生经调节的AC信号。整流器42整流AC信号并将经整流的 AC信号提供到功率感应器50。功率感应器50将DC功率提供到DC-DC 转换器30的输出60和负载62。

在图2中，DC-DC转换器中的三个不同的电流由箭头54、56和58表 示。电流54为来自DC-DC转换器的功率级的输出电流，电流56为由电 容器52供应的电流，以及电流58为等于DC-DC转换器的总输出电流(电 流54+电流56)的负载电流。在典型的现有技术转换器中，DC-DC转换器 的组件被设计成处理DC-DC转换器的规定最大峰值负载电流值，以及在 这些现有技术转换器的正常操作中，电流58实质上等于电流54，以及在 DC-DC转换器提供规定最大峰值电流时，在电容器两端的电压在规定值处 保持恒定。

为了限制在DC-DC转换器30内的开关、变压器和感应器的大小和成 本，电流58由控制器限制(通过控制开关)到DC-DC转换器30的规定 最大峰值负载电流值的大约一半的值。在其它实施方式中，控制器可将电 流限制到不同于最大峰值负载电流值的一半的值。对于引出规定最大峰值 电流值或大于由控制器限制的值的任何值的负载，电流的其余部分沿着电 流路径56由电容器52供应。在电流由电容器52提供时，基于电流56的 幅值和电容器的电容值，输出电压将下降。如在下面进一步详细描述的， DC-DC转换器30可被设计成在规定最大峰值电流值和最小可允许的输出 电压处操作。

在本发明的一种实施方式中，规定最大峰值电流值具有相关的有限占 空比，例如25％。在该实施方式中，在脉冲负载不接收来自DC-DC转换 器30的功率时，DC-DC转换器30对电容器52充电，导致电流56在充电 模式期间为负值。通过电容器的反复充电和放电，DC-DC转换器30能够 在不需要DC-DC转换器的组件的情况下满足规定最大峰值电流值以保持 最大峰值电流值。

作为通过DC-DC转换器30的峰值电流的减小的结果，通过DC-DC 转换器的均方根电流也被减小，允许更小和更廉价的组件被使用在DC-DC 转换器的设计中。例如，由于峰值和均方根电流的减小，功率感应器50 能够利用更小的电线且需要存储更少的能量。这就导致更小的功率感应器 50。同样，作为峰值电流的减小的结果，功率开关34、36、38、40的额 定电流可在大小上减小，导致更小、更低成本的功率开关34、36、38、40。 散热片的大小也可被减小。最后，作为峰值和均方根电流的减小的结果， 功率变压器43的铜线要求被降低，导致功率变压器43的磁芯体积和磁芯 面积更小。DC-DC转换器的附加组件也能在大小和成本上减小，作为峰值 和均方根电流的减小的结果。

现在将参考图3来描述如上所述的具有减小的峰值电流的DC-DC转 换器的设计过程100的一个实例，图3示出了设计过程的流程图。在设计 过程的第一阶段102中，对DC-DC转换器的几个设计标准基于预期的负 载和/或包含DC-DC转换器的UPS的特征来设置。该标准包括峰值负载电 流值Ipk、峰值负载电流持续时间Tcond_load、标称DC输出电压 Vo_dcdc_nom、以及负载的可允许的最小输出电压Vo_dcdc_min。在下一个 阶段104中，修改的峰值负载电流值Idcdc_pk被计算。修改的峰值负载电 流值Idcdc_pk为由DC-DC转换器30的功率级提供的最大电流(在图2中 的电流54)。在该示例性实施方式中，修改的峰值负载电流值等于最大峰 值负载电流值的一半(Idcdc_pk＝Ipk*50％)，然而，其它值可被使用在其 它实施方式中。

在过程100的下一个阶段106中，DC-DC转换器的修改的DC-DC负 载电流持续时间Tcond_dcdc基于乘以峰值负载电流值Ipk和修改的峰值负 载电流值Idcdc_pk之间的比率的峰值负载电流持续时间Tcond_load来计 算。在该示例性实施方式中，这导致修改的DC-DC负载电流持续时间等 于峰值负载电流持续时间的两倍(Tcond_dcdc＝2*Tcond_load)。

接下来，在阶段108中，在DC-DC转换器的输出处的电容值基于标 称DC输出Vo_dcdc_nom以及负载的可允许的最小输出电压Vo_dcdc_min 来计算。在一种实施方式中，电容器Cmin的最小电容值由 Cmin＝(Ipk/2)*Tcond_load/(Vo_dcdc_nom-Vo_dcdc_min)确定。

DC-DC转换器在阶段110以已知的方式被设计，除了修改的峰值负载 电流值Idcdc_pk和修改的DC-DC负载电流持续时间Tcond_dcdc用于设计 转换器且控制器被配置成操作功率开关和功率变压器以将DC-DC转换器 的功率级的峰值电流限制到修改的峰值负载电流值Idcdc_pk以外。在阶段 112中，过程100完成，导致在一种实施方式中具有减小的峰值电流的 DC-DC转换器的设计，以及作为更小的和更廉价的组件的结果，减小了转 换器的总覆盖区和成本。一旦设计完成，DC-DC转换器就可被构成。

在以上描述中，描述了用在UPS中的DC-DC转换器的实施方式。在 其它实施方式中，DC-DC转换器可被使用在其它的功率系统中，并且也可 作为独立的DC-DC转换器使用。另外，图1的UPS为在线互动式UPS， 以及在此描述的DC-DC转换器的至少一种实施方式可与其它类型的UPS ——包括在线式UPS和离线式UPS——一起使用。

以上描述的至少一种实施方式目的在于DC-DC转换器和这样的转换 器的设计过程。在至少一个实例中，DC-DC转换器使用全桥转换器来实现。 在其它实施方式中，DC-DC转换器可利用其它拓扑，以及本发明的实施方 式的方面可以与降压导出转换器(buck derived converter)、升压转换器和 降压-升压转换器一起使用。

这样描述了该发明的至少一种实施方式的几个方面之后，应认识到， 本领域的技术人员将容易想到各种更改、修改以及改进。这样的更改、修 改以及改进被规定为本公开的部分，并被规定为在本发明的精神和范围 内。因此，前述的描述和附图仅作为例子。