一种基于平衡桥臂的双电源供电系统

摘要

本发明提供一种基于平衡桥臂的双电源供电系统，包括：用于实现交流供电的交流电源；与交流电源连接的整流模块，所述整流模块包括交流整流单元、直流整流单元和第一开关单元；所述交流整流单元和直流整流单元复用整流线路，并通过第一开关单元实现交流整流和直流整流切换；用于实现直流供电的蓄电池，所述蓄电池与整流模块连接；分别与整流模块和蓄电池连接的平衡模块，所述平衡模块包括平衡单元、充电单元和第二开关单元，所述第二开关单元为双向切换开关；所述平衡单元和充电单元复用平衡线路，并通过双向切换开关实现切换和正负母线平衡。本发明平衡线路和充电线路复用，实现了正负母线平衡，体积小，成本低，性能及可靠性高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种不间断电源的供电系统，尤其涉及一种基于平衡桥臂的双电源供电系统。

背景技术

随时电气设备的普及和广泛应用的推进，不间断电源的应用也显得尤为重要，而在双电源输入单电池整流系统中，正负母线的平衡问题一直是行业技术人员不得不考虑的问题；现有的大部分相关系统为了节省成本和减小体积，在设计阶段就舍弃该项要求，但是如果没有做正负母线平衡设计对整机的性能及可靠性都会造成了一定影响，降低整体的质量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是需要提供一种体积小，正负母线平衡的基于平衡桥臂的双电源供电系统。

对此，本发明提供一种基于平衡桥臂的双电源供电系统，包括：

用于实现交流供电的交流电源；

与交流电源连接的整流模块，所述整流模块包括交流整流单元、直流整流单元和第一开关单元；所述交流整流单元和直流整流单元复用整流线路，并通过第一开关单元实现交流整流和直流整流的切换；

用于实现直流供电的蓄电池，所述蓄电池与整流模块连接；以及，

分别与整流模块和蓄电池连接的平衡模块，所述平衡模块包括平衡单元、充电单元和第二开关单元，所述第二开关单元为双向切换开关；所述平衡单元和充电单元复用平衡线路，并通过双向切换开关实现切换和正负母线平衡。

其中，所述整流线路包括相互串接的晶体管或场效应管，整流线路的中点连接有电感；所述第一开关单元包括与交流电源连接的交流开关和与蓄电池连接的直流开关，所述交流开关和直流开关分别用于控制交流回路和直流回路的通断；所述交流整流单元的交流输入和直流整流单元的直流输入共用整流线路，交流输入和直流输入通过第一开关单元实现切换；交流输入时，蓄电池回路断开，组成半桥线路实现整流升压；蓄电池正端通过第一开关接至整流模块的整流输入端，蓄电池负端接至负母线，蓄电池输入时，组成升压线路，实现对正负母线的升压整流；由此，构成了交流输入整流和直流输入整流电路的复用，即构成了交流整流和直流整流的复用，所述交流输入整流为交流电源导通时的交流整流通路，所述直流输入整流为蓄电池导通时的直流整流通路。

所述平衡线路包括相互串接的晶体管或场效应管，即所述平衡桥臂为相互串接的晶体管或场效应管，用于实现电桥的桥臂平衡；平衡线路的平衡桥臂中点连接有第二开关单元，所述平衡单元和充电单元复用平衡线路，该平衡线路的复用通过第二开关单元切换，在交流输入时该线路实现充电功能，在直流输入时实现正负母线的平衡；所述充电单元的线路中，平衡桥臂中点通过第二开关单元的双向切换开关和电感连接至蓄电池正端，组成降压线路对蓄电池充电；所述平衡线路优选为平衡桥臂中，其平衡桥臂中点通过双向切换开关和电感连接至正负母线中点，本发明通过采样正负母线电压和平衡桥臂中点的电流控制平衡桥臂双向切换开关的上下开关通断，实现正负母线平衡，达到平衡线路与充电单元的充电线路的复用。

与现有技术相比，本发明平衡模块中，平衡线路与充电单元的充电线路复用，在不同模式时控制方法和时序不同，所述不同模式为交流输入模式或直流输入模式，进而实现正负母线的平衡，蓄电池和交流电源交替保证双电源供电，在此基础上，所述交流输入整流和直流输入整流的整流线路也复用，进而实现了正负母线平衡的基于平衡桥臂的双电源供电系统，减小其体积，节省成本，同时还能够保证双电源供电系统的性能及可靠性。

本发明的进一步改进在于，所述整流线路为桥臂整流，所述第一开关单元通过电感连接至桥臂整流的中点，所述桥臂整流包括串接的晶体管或并联分立二极管的场效应管，或利用晶体管体内的二极管。优选地，所述桥臂整流的晶体管为绝缘栅双极型晶体管，所述绝缘栅双极型晶体管为IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件。

所述桥臂整流包括串接的晶体管或场效应管，即串接的IGBT或MOSFET，使用MOSFET时，需并联分立二极管，所述分立二极管为分立功率器件，包括了半导体二极管；所述第一开关单元通过电感连接至桥臂整流的中点，即交流输入或直流输入通过第一开关单元连接至两个晶体管或场效应管的中点，构成了很好的交流整流和直流整流复用。与现有技术相比，本发明只要通过第一开关的切换进而选择交流输入和直流输入，便能够通过同一整流线路实现交流输入整流和直流输入整流的复用，减小双电源供电系统的体积。

本发明的进一步改进在于，所述平衡线路为平衡桥臂，所述平衡桥臂包括串接的晶体管或并联分立二极管的场效应管。优选地，所述平衡桥臂的晶体管为绝缘栅双极型晶体管。

本发明的进一步改进在于，所述整流模块包括3组整流线路，所述整流线路共用蓄电池，并分别连接至对应的交流电源。

所述3组整流线路对应设置有3组第一开关单元，并共用蓄电池；所述交流电源分别通过第一开关单元与对应的整流线路连接，形成3路输入的双电源供电系统。所述双电源供电系统能够根据实际需求进行多路输入线路的选择，输入线路的路数可变，输出的路数也能够根据实际需求进行选择，使用方式灵活可变，连接简单。

本发明的进一步改进在于，还包括用于连接蓄电池和平衡模块的第三开关单元，所述蓄电池的正端通过第一开关单元连接至整流模块的整流输入，所述蓄电池的正端通过第三开关单元和第二开关单元连接至平衡桥臂的中点。

更为具体地，所述蓄电池的正端通过电感连接至第三开关单元，第三开关单元和第二开关单元连接，以经过双向开关切换连接至平衡桥臂的中点，实现蓄电池与平衡模块的连接，便于在直流输入和交流输入切换的模式下，实现整流线路和平衡线路的复用，减少体积，保证双电源供电系统的性能及可靠性。

本发明的进一步改进在于，所述第一开关单元和第三开关单元为继电器、可控硅和接触器中任意一种。

本发明的进一步改进在于，所述第一开关单元和第三开关单元为单向开关或双向开关。

为保证交流供电和直流供电的正常转换工作，同时根据功率和转换时间等不同需求，其中第一开关单元和第三开关单元包括继电器、可控硅和接触器中任意一种，并能够是单向或双向开关，如单向可控硅；同时为保证直流供电时，需切断交流输入，根据功率和切换时间的需求，第一开关单元中的交流开关也可以相应选用不同方案，包括但不限于继电器、可控硅和接触器；所述双向切换开关可选用继电器、可控硅以及接触器等双向切换开关。

优选地，所述交流电源正端通过双向可控硅连接至整流模块的电感的一端，所述蓄电池正端通过单向可控硅连接至整流模块的电感的同一端，所述蓄电池负端连接至整流模块和平衡模块；所述整流模块的电感另一端连接至两个串接的晶体管的中点，所述两个串接的晶体管与两个串接的电容相并联，该两个串接的电容中点接地；所述两个串接的电容中点通过平衡模块的电感连接至双向切换开关的一个输入端，所述蓄电池正端通过平衡模块的电感和单向可控硅连接至双向切换开关的另一个输入端，所述双向切换开关的输出端连接至两个串接的晶体管的中点；所述平衡模块的两个串接的晶体管与另外两个串接的晶体管并联，这两个与平衡模块并联的晶体管中点通过电感实现逆变输出。

优选地，所述交流电源正端通过双向可控硅连接至整流模块的电感的一端，所述蓄电池正端通过单向可控硅连接至整流模块的电感的同一端，所述蓄电池负端连接至整流模块和平衡模块；所述整流模块的电感另一端连接至两个串接的场效应管的中点，所述两个串接的场效应管与两个串接的电容相并联，该两个串接的电容中点接地；所述两个串接的电容中点通过平衡模块的电感连接至双向切换开关的一个输入端，所述蓄电池正端通过平衡模块的电感和单向可控硅连接至双向切换开关的另一个输入端，所述双向切换开关的输出端连接至两个串接的场效应管的中点；所述平衡模块的两个串接的场效应管与另外两个串接的场效应管并联，这两个与平衡模块并联的场效应管中点通过电感实现逆变输出。

本发明的有益效果在于，平衡模块中，平衡单元的平衡线路与充电单元的充电线路复用，并实现正负母线的平衡，蓄电池和交流电源交替保证双电源供电，在此基础上，所述交流输入整流和直流输入整流的整流线路也复用，进而实现了正负母线的平衡，有效减小了元件数量和设备体积，元器件复用率高，降低了成本，同时还能够保证双电源供电系统的性能及可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例1的工作原理示意图；

图2是本发明实施例1的交流输入模式工作原理示意图；

图3是本发明实施例1的直流输入模式工作原理示意图；

图4是本发明实施例2的省除平衡桥臂的电感的工作原理示意图；

图5是本发明实施例2的平衡桥臂和充电线路共用电感的工作原理示意图；

图6是本发明实施例3的三进三出的双电源供电系统的工作原理示意图；

图7是本发明实施例3的三进单出的双电源供电系统的工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。

实施例1：

如图1至图3所示，本例提供一种基于平衡桥臂的双电源供电系统，包括：

用于实现交流供电的交流电源1；

与交流电源1连接的整流模块2，所述整流模块2包括交流整流单元201、直流整流单元202和第一开关单元203；所述交流整流单元201和直流整流单元202复用整流线路，并通过第一开关单元203实现交流整流和直流整流切换；

用于实现直流供电的蓄电池3，所述蓄电池3与整流模块2连接；

分别与整流模块2和蓄电池3连接的平衡模块4，所述平衡模块4包括平衡单元401、充电单元402和第二开关单元403，所述第二开关单元403为双向切换开关；所述平衡单元401和充电单元402复用平衡线路，并通过双向切换开关实现切换和正负母线平衡。

其中，所述整流线路包括相互串接的晶体管或场效应管，整流线路的中点连接有电感；所述第一开关单元203包括与交流电源1连接的交流开关和与蓄电池3连接的直流开关，所述交流开关和直流开关分别用于控制交流回路和直流回路的通断；所述交流整流单元201的交流输入和直流整流单元202的直流输入共用整流线路，交流输入和直流输入通过第一开关单元203实现切换；交流输入时，蓄电池3回路断开，组成半桥线路实现整流升压；蓄电池3正端通过第一开关接至整流模块2的整流输入端，蓄电池3负端接至负母线，蓄电池3输入时，组成升压线路，实现对正负母线的升压整流；由此，构成了交流输入整流和直流输入整流电路的复用，所述交流输入整流为交流电源1导通时的交流整流通路，所述直流输入整流为蓄电池3导通时的直流整流通路。

所述平衡线路包括相互串接的晶体管或场效应管，平衡线路的中点连接有第二开关单元403，所述平衡单元401和充电单元402复用平衡线路，该平衡线路的复用通过第二开关单元403切换，在交流输入时该线路实现充电功能，在直流输入时实现正负母线的平衡；所述充电单元402的线路中，平衡桥臂中点通过第二开关单元403的双向切换开关和电感连接至蓄电池3正端，组成降压线路对蓄电池3充电；所述平衡线路优选为平衡桥臂中，其平衡桥臂中点通过双向切换开关和电感连接至正负母线中点，本例通过采样正负母线电压和平衡桥臂中点的电流控制平衡桥臂双向切换开关的上下开关通断，实现正负母线平衡，达到平衡线路与充电单元402的充电线路的复用。

由图2和图3所示，与现有技术相比，本例平衡模块4中，平衡单元401的平衡线路与充电单元402的充电线路复用，在不同模式时控制方法和时序不同，所述不同模式为交流输入模式或直流输入模式，进而实现正负母线的平衡，蓄电池3和交流电源1交替保证双电源供电，在此基础上，所述交流输入整流和直流输入整流的整流线路也复用，进而实现了正负母线平衡的基于平衡桥臂的双电源供电系统，减小其体积，节省成本，同时还能够保证双电源供电系统的性能及可靠性。

本例在市电模式和电池模式下的工作原理图如图2和图3所示，所述市电模式和电池模式即交流输入模式和直流输入模式。

本例的进一步改进在于，所述整流线路为桥臂整流，所述第一开关单元203通过电感连接至桥臂整流的中点，所述桥臂整流包括串接的晶体管或并联分立二极管的场效应管。优选地，所述桥臂整流的晶体管为绝缘栅双极型晶体管。

所述桥臂整流包括串接的晶体管或场效应管，即串接的IGBT或MOSFET，使用MOSFET时，需并联分立二极管；所述第一开关单元203通过电感连接至桥臂整流的中点，即交流输入或直流输入通过第一开关单元203连接至两个晶体管或场效应管的中点，构成了很好的交流整流和直流整流复用。与现有技术相比，本例只要通过第一开关的切换进而选择交流输入和直流输入，便能够通过同一整流线路实现交流输入整流和直流输入整流的复用，减小双电源供电系统的体积。

本例的进一步改进在于，所述平衡线路为平衡桥臂，所述平衡桥臂包括串接的晶体管或并联分立二极管的场效应管。优选地，所述平衡桥臂的晶体管为绝缘栅双极型晶体管。

本例的进一步改进在于，还包括用于连接蓄电池3和平衡模块4的第三开关单元404，所述蓄电池3的正端通过第一开关单元203连接至整流模块2的整流输入，所述蓄电池3的正端通过第三开关单元404和第二开关单元403连接至平衡桥臂的中点。

更为具体地，所述蓄电池3的正端通过电感连接至第三开关单元404，第三开关单元404和第二开关单元403连接，以经过双向开关切换连接至平衡桥臂的中点，实现蓄电池3与平衡模块4的连接，便于在直流输入和交流输入切换的模式下，实现整流线路和平衡线路的复用，减少体积，保证双电源供电系统的性能及可靠性。

本例的进一步改进在于，所述第一开关单元203和第三开关单元404为继电器、可控硅和接触器中任意一种。

本例的进一步改进在于，所述第一开关单元203和第三开关单元404为单向开关或双向开关。

为保证交流供电和直流供电的正常转换工作，同时根据功率和转换时间等不同需求，其中第一开关单元203和第三开关单元404包括继电器、可控硅和接触器中任意一种，并能够是单向或双向开关，如单向可控硅；同时为保证直流供电时，需切断交流输入，根据功率和切换时间的需求，第一开关单元203中的交流开关也可以相应选用不同方案，包括但不限于继电器、可控硅和接触器；所述双向切换开关可选用继电器、可控硅以及接触器等双向切换开关。

本例图1中的工作原理为交流输入时：双向开关Q4通，单向开关Q1断，电感L1、晶体管Q3和晶体管Q5组成半桥整流线路，实现整流升压；晶体管Q6、晶体管Q7和电感L5组成降压线路，实现对蓄电池3的充电；所述晶体管Q6和晶体管Q7利用IGBT体内二极管，本例所述的晶体管也可以替换成并联分立二极管的场效应管。

图1中，直流输入时，双向开关Q4断，单向开关Q1通，电感L1、晶体管Q3和晶体管Q5组成升压线路，实现升压整流；晶体管Q6、晶体管Q7和电感L2组成平衡线路，通过PWM调制晶体管Q6或晶体管Q7的通断进而调整母线电压，实现母线平衡，所述晶体管Q3利用其体内二极管，本例所述的晶体管也可以替换成并联分立二极管的场效应管。

本例的有益效果在于，平衡模块4中，平衡单元401的平衡线路与充电单元402的充电线路复用，并实现正负母线的平衡，蓄电池3和交流电源1交替保证双电源供电，在此基础上，所述交流输入整流和直流输入整流的整流线路也复用，进而实现了正负母线的平衡，有效减小了元件数量和设备体积，元器件复用率高，降低了成本，同时还能够保证双电源供电系统的性能及可靠性。

本例所述整流模块2可以包括3组整流线路，所述整流线路共用蓄电池3，并分别连接至对应的交流电源1。

所述3组整流线路对应设置有3组第一开关单元203，并共用蓄电池3；所述交流电源1分别通过第一开关单元203与对应的整流线路连接，形成3路输入的双电源供电系统。所述双电源供电系统能够根据实际需求进行多路输入线路的选择，输入线路的路数可变，输出的路数也能够根据实际需求进行选择，使用方式灵活可变，连接简单。

实施例2：

如图4和图5所示，与实施例1不同的是，本例提供实施例1演化的双电源供电系统，本例所述的晶体管也可以替换成并联分立二极管的场效应管。

其中，图4所示电路可省除平衡桥臂电感，其工作原理为：交流输入时，双向开关Q4通，单向开关Q1断，电感L1、晶体管Q3和晶体管Q5组成半桥整流线路，实现整流升压；晶体管Q6、晶体管Q7和电感L5组成降压线路，实现对电池的充电。直流输入时，双向开关Q4断，单向开关Q1通，电感L1、晶体管Q3和晶体管Q5组成升压线路，实现升压整流；晶体管Q6和晶体管Q7组成平衡线路，通过PWM调制晶体管Q6或晶体管Q7的通断调整母线电压。

图5所示电路中，平衡桥臂电感和充电线路电感可共用电感L2电感，其工作原理为：双向开关Q4通，单向开关Q1断，电感L1、晶体管Q3和晶体管Q5组成半桥整流线路，实现整流升压；晶体管Q6、晶体管Q7和电感L5组成降压线路，实现对蓄电池的充电。直流输入时，双向开关Q4断，单向开关Q1通，电感L1、晶体管Q3和晶体管Q5组成升压线路，实现升压整流；晶体管Q6和晶体管Q7组成平衡线路，通过PWM调制晶体管Q6或晶体管Q7的通断调整母线电压。

实施例3：

如图6和图7所示，与实施例1或2不同的是，本例可应用于三进三出线路或是三进单出线路，本例所述的晶体管也可以替换成并联分立二极管的场效应管。 

其中，图6所示为三进三出的线路工作原理图，其工作原理：交流输入时，单向开关Q10R、单向开关Q10S和单向开关Q10T通，单向开关Q1、单向开关Q11和单向开关Q111断，（电感L1-R，晶体管Q3-R，晶体管Q5-R）、（电感L1-S，晶体管Q3-S，晶体管Q5-S）和（电感L1-T，晶体管Q3-T，晶体管Q5-T）组成三相半桥整流线路，实现整流升压；晶体管Q6、晶体管Q7和电感L2组成降压线路，实现对电池的充电。直流（电池）输入时，单向开关Q10R、单向开关Q10S和单向开关Q10T断，单向开关Q1、单向开关Q11和单向开关Q111通，电感L1、晶体管Q3和晶体管Q5组成升压线路，实现升压整流；晶体管Q6、晶体管Q7和电感L5组成平衡线路，通过PWM调制晶体管Q6或晶体管Q7的通断调整母线电压。输出采用为3路输出。

图7所示为三进单出的线路工作原理图，其工作原理：交流输入时，单向开关Q10R、单向开关Q10S和单向开关Q10T通，单向开关Q1、单向开关Q11和单向开关Q111断，（电感L1-R，晶体管Q3-R，晶体管Q5-R）、（电感L1-S，晶体管Q3-S，晶体管Q5-S）和（电感L1-T，晶体管Q3-T，晶体管Q5-T）组成三相半桥整流线路，实现整流升压；晶体管Q6、晶体管Q7和电感L2组成降压线路，实现对电池的充电。直流（电池）输入时，单向开关Q10R、单向开关Q10S和单向开关Q10T断，单向开关Q1、单向开关Q11和单向开关Q111通，电感L1、晶体管Q3和晶体管Q5组成升压线路，实现升压整流；晶体管Q6、晶体管Q7和电感L5组成平衡线路，通过PWM调制晶体管Q6或晶体管Q7的通断调整母线电压。输出为单路输出。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。