专利名称：利用平衡器电路的电源变换设备和方法
技术领域：
本发明涉及电源变换设备和方法，并且更具体地涉及使用在诸如不间断电源(UPS)之类的冗余电源系统中的电源变换设备和方法。
UPS通常用于对例如计算机、医疗设备、电信网络部件等关键设备提供电源。在交流供电公用设备出现故障或者诸如中断或不足之类的条件恶化的情况下，UPS可以提供有条件的可靠电源给这样的设备。
许多UPS使用在线配置，包括从交流电源(例如，交流供电线路)接收交流电压的输入整流电路并且在直流电压汇流排(或“干线”)上产生正的和负的直流电压，以及包括从直流电压汇流排上的直流电压产生交流输出电压的输出逆变电路。通常使用的输出逆变器配置是半臂逆变器，它一般包括选择地将输出电感耦合到直流电压汇流排的正和负极的第一和第二开关。在许多这样的UPS中，诸如通过电池变换电路耦合到汇流排的电池之类的辅助直流电源，在交流电源发生故障和/或质量恶化的情况下在汇流排上产生直流电压。
电池变换器有时是单方向的，即允许电源从电池流向直流汇流排，但不允许电源从直流汇流排流回到电池。当由逆变电路提供的负载电流含有不明显的直流分量时，一般，这样的UPS是稳定的，即可以控制在直流汇流排上的正和负直流电压。但是，当输出电流具有明显的直流分量时，诸如当驱动半波负载或者当给磁装置施加电压时可能发生这种情况，在直流汇流排之一上的电压可能上升到不希望的高电平。这种情况可以导致部件的损坏和/或故障。
发明内容
按照本发明的一些实施例。电源变换设备，诸如不间断电源(UPS)包括输入端口、输出端口、第一和第二汇流排。输出电路，例如半臂逆变电路被耦合到第一和第二汇流排和耦合到输出端口，并且进行操作以在它们之间转换功率。辅助直流电压产生电路，例如电池变换电路进行操作以在第一和第二汇流排上产生直流电压。多功能整流电路耦合到输入端口和耦合到第一和第二汇流排。当该设备按第一模式例如交流供电操作模式工作时，多功能整流电路进行操作，以从输入端口的交流电源在第一和第二汇流排上产生直流电压。当该设备按第二模式例如电池供电操作模式工作时，多功能整流电路进行操作，以控制由辅助直流电压发生电路产生的直流电压的相关幅度。
在本发明的一些实施例中，多功能整流电路包括具有第一和第二端的电感、通过操作对该电感的第一端耦合和断开第一电压汇流排的第一开关、和通过操作对该电感的第一端耦合和断开第二电压汇流排的第二开关。多功能整流电路还包括在第一开关状态通过操作耦合电感的第二端到输入端口，和在第二开关状态耦合电感的第二端到第一和第二汇流排的参考电压汇流排的第三开关。在一些实施例中，该第三开关进行操作以在第一开关状态耦合电感的第二端到输入端口的相线端和在第二开关状态耦合电感的第二端到输入端口的中线端。
在本发明另一些实施例中，多功能整流电路进行操作，以便当设备工作在第二模式时选择性地控制由辅助直流电压发生电路产生的直流电压的相对幅度。例如，该多功能整流电路响应在第一和第二汇流排中的至少一个汇流排上的至少一个电压满足预定规范，诸如偏移超出最大电压幅度时可以开始控制由辅助直流电压发生电路产生的直流电压的相对幅度。
本发明可以提供若干优点。例如，在UPS应用中，按照本发明实施例的电源变换电路可以在电池供电操作期间通过利用双重目的交流输入整流电路提供一种用于控制中间直流汇流排上电压偏移的机制，该双重目的交流输入整流电路在电池供电操作期间起到“平衡器”的作用，并且在正常交流供电操作状态下在直流汇流排上产生直流电压。这可以允许使用单方向电池变换电路，并可以避免附加调整电路来控制直流汇流排上的电压偏移。通过选择性地使用该“平衡器”，可以实现在效率与稳定性之间的折衷。本发明可以作为设备和方法体现。
图1是说明按照本发明的某些实施例的电源变换设备的示意图；图2是说明按照本发明的另外一些实施例的不间断电源设备的示意图；图3是说明按照本发明的又一些实施例的不间断电源设备的示意图。
具体实施例方式
现将参照附图描述本发明的具体示例性实施例。但是，本发明可以按许多不同的形式实现并且不应当受前述各实施例的限制，相反，提供这些实施例是为了使得公开全面和完整，并且向本领域技术人员全面传达本发明的范围。在附图中，相同标号是指相同的部件。当一个元件被表示为“连接”或“耦合”到另外元件时，可能指直接连接到或耦合到另外元件，或者可能存在一些中介元件。相反，当一个元件被表示为“直接连接”或“直接耦合”到另外的元件时，则不存在中介元件。
图1表示按照本发明的某些实施例的电源变换设备100。设备100包括被配置成耦合到诸如交流供电线路之类的交流电源10的输入端口101，和被配置成耦合到负载的输出端口102。设备100还包括从第一和第二汇流排105a、105b的直流电压V1、V2在输出端口102产生输出电压的输出电路120。该设备100还包括多功能整流电路110，该电路按设备100的第一操作模式工作以在第一和第二汇流排105a、105b上产生直流电压V1、V2。设备100还包括辅助直流电压发生电路130，例如当交流电源10发生故障或恶化时该电路按设备100的第二操作模式工作以产生直流电压V1、V2。当设备100按第二模式工作时，多功能整流电路110还进行操作以控制电压V1、V2的相对幅度。
电源变换设备100可能采取例如不间断电源(UPS)的形式。例如，输出电路120可以包括在输出端口102产生交流电压的逆变电路。辅助直流电压发生电路可以包括例如电池变换电路该电路被配置成耦合到电池并且进行操作以从由电池产生的直流电压产生直流电压V1、V2。但是应理解，辅助直流电压发生电路可以采取其它形式，诸如变换电路，通过操作从非电池的电源，例如，第二交流供电电源或电动器发电机组，接收交流或直流电源。应理解，多功能整流电路110、输出电路120、和辅助直流电压发生电路130可以包括许多不同电路部件。一般，这些电路可以利用分离电子元件以及模拟和/或数字集成电路元件，包括诸如微处理器和微控制器、专用集成电路(ASIC)等控制电路来实现。
图2说明按照本发明另外一些实施例的电源变换设备200。该设备包括包含相线和中线端201a、201b并被配置成耦合到交流电源10的输入端口201。输出端口202被配置成连接到负载。设备200的多功能整流电路210耦合到输入端口201和第一及第二汇流排205a、205b，并且由控制电路240进行控制。设备200还包括耦合在第一和第二汇流排205a、205b中的每个汇流排与接地参考汇流排GND之间的第一和第二存储电容C1、C2。设备200的输出逆变电路220耦合到第一和第二汇流排205a、205b并耦合到输出端口202。设备200的辅助直流电压发生电路230耦合到汇流排205a、205b。
如图所示，输出逆变电路220具有所谓的“半臂”配置，包括进行操作以便经由输出电感L2将第一及第二汇流排205a、205b中的每个汇流排耦合到输出端口202以及将所述每个汇流排从该输出端口202断开的开关S4、S5。具体地，开关S4、S5可以按基本上互补的方式操作，以便在输出端口202产生交流电压。电感L2与输出电容C3的组合起到低通滤波器的作用，该低通滤波器衰减在输出端口202的输出电压中不希望的频率分量。图2中，为清楚起见，省略了用于控制开关S4、S5的电路。这种半臂逆变电路的操作对本领域的技术人员是公知的，故不再赘述。
多功能整流电路210包括电感L1以及进行操作以耦合L1的一端到第一和第二汇流排205a、205b中的每个汇流排以及从该每个汇流排断开L1的该一端的第一和第二开关S1、S2。多功能整流电路210还包括在第一状态下进行操作以耦合电感L1的第二端到输入端口201的相线端201a，以及在第二状态下耦合电感L1的第二端到输入端口201的中线端201b的第三开关S3。对于所示的配置，中线端201b连接到与输出端口202相连的接地参考汇流排GND。
控制电路240控制第一、第二和第三开关S1、S2、S3。具体地，控制电路240操作第一、第二和第三开关S1、S2、S3，以使得在第一操作模式中，开关S3将输入端口201的相线端201a耦合到电感L1，而第一和第二开关S1、S2按基本上互补的方式进行操作，以使得从交流电源10在汇流排205a、205b上产生直流电压V1、V2。按这种方式操作的例子在前述的Johnson的美国专利申请No.09/887687中进行了描述，该申请文件援引在这里供参考。
在第二操作模式(例如，交流电源10出故障或在输入端口201产生无法接受的交流输入电压波形)，辅助直流电压发生电路230产生直流电压V1、V2。控制电路240操作开关S3，以使得相线端201a从电感L1断开，接地参考汇流排GND被耦合到电感L1。控制电路240操作开关S1、S2，以使得多功能整流电路210起到“平衡器”电路的作用，即使得通过在存储电容C1、C2之间转换来调整电压V1、V2的相对幅度。“平衡器”电路在述Johnson的美国专利申请No.09/887687中有描述，该申请文件援引在这里供参考。
如图所示，多功能整流电路210可以与辅助直流电压发生电路230协同工作。例如，控制电路240可以感测辅助直流电压发生电路230的工作状态，例如它已开始产生直流电压V1、V2，并且响应于此操作开关S1、S2、S3。一般，电压V1、V2的比是由开关S1、S2操作的工作循环周期进行控制的。例如，多功能整流电路210的开关S1、S2可以按基本上互补的约50％的工作循环周期操作，以使得电压V1、V2在幅度上是近似相等的。但是，应理解，本发明也可以使用其它工作循环周期。
按照本发明的另一个方面，整流电路210还可以响应于直流电压V1、V2中至少之一选择性地操作。具体地，在第二操作模式中，控制电路240可以保持开关S1、S2处于断开状态，以使得电感L1从汇流排205a、205b断开并且整流电路210不起调整电压V1、V2的作用。当电压V1、V2之一或两者满足预定规则时，例如当电压V1、V2的幅度超过预定阈值时，控制电路240可以开始操作开关S1、S2以提供上述平衡功能并且使得超过的电压返回预定范围内。
图3表示按照本发明的另外实施例的UPS配置300。UPS 300包括含有相线和中线端301a、301b并被构成为耦合到交流电源10的输入端口301。UPS 300的输出端口302被构成为连接到负载。UPS 300包括多功能整流电路310，其耦合到输入端口301和到第一及第二汇流排305a、305b以及第一和第二存储电容C1、C2，这些电容耦合在第一和第二汇流排305a、305b中的每个汇流排与接地参考汇流排GND之间。UPS 300的输出逆变电路320耦合到第一和第二汇流排305a、305b和耦合到输出端口302。电池变换电路330耦合到汇流排305a、305b。控制电路340控制多功能整流电路310、输出逆变电路320和电池变换电路330。
如图所示，输出逆变电路320具有半臂配置，其包括晶体管开关Q3、Q4，它们进行操作以经输出电感L2将第一和第二汇流排305a、305b中的每个汇流排耦合到输出端口302以及将所述每个汇流排从该输出端口302断开。具体地，控制电路340按基本上互补的方式操作晶体管开关Q3、Q4以在输出端口302上产生交流电压。电感L2和输出电容C3的组合起到低通滤波器的作用，该低通滤波器在输出端口302衰减输出电压中不希望的频率分量。
电池变换电路330包括被配置成耦合到电池12的电池输入端口303，以及耦合到第一和第二汇流排305a、305b的输出端口304。电池变换电路330还包括耦合到输入端口303的逆变电路332、具有耦合到逆变电路332的初级绕组的变压器334、以及耦合到该变压器334的次级绕组和耦合到第一和第二汇流排305a、305b的整流电路336。控制电路340控制逆变电路332。
多功能整流电路310包括电感L1和第一及第二晶体管开关Q1、Q2，它们进行操作以将电感L1的第一端耦合到第一和第二汇流排305a、305b的中的每个汇流排以及从该每个汇流排断开电感L1的第一端。多功能整流电路310还包括开关S(例如，机械继电器或固态开关器件)，该开关进行操作，以在第一状态下将电感L1的第二端耦合到输入端口301的相线端301a和在第二状态下将电感L1的第二端耦合到输入端口301的中线端301b。对于所示的配置，中线端301b连接到通向输出端口302的接地参考汇流排GND。
控制电路340控制晶体管Q1、Q2和多功能整流电路310的开关S、逆变电路320的晶体管Q3、Q4、和电池变换电路330的逆变电路332。具体地，控制电路340按基本上互补的、周期性的方式操作逆变电路320的晶体管Q3、Q4，以使得在输出端口302从汇流排305a、305b上的直流电压V1、V2产生交流电压。控制电路340操作晶体管Q1、Q2和S，以使得在第一操作模式下，开关S将输入端口301的相线端301a耦合到电感L1，而按基本上互补的方式操作晶体管Q1、Q2，以使得在汇流排305a、305b上从交流电源10产生直流电压V1、V2。
在第二操作模式中，例如，当交流电源10出故障或者在输入端口301产生不可接受的交流输入电压波形时，控制电路340使电池变换电路330从在电池输入端口303由电池12产生的直流电压产生直流电压V1、V2。在这种模式中，控制电路340操作开关S，以使得电感L1与相线端301a断开并被耦合到接地参考汇流排GND。控制电路340可以操作晶体管Q1、Q2，以使得多功能整流电路310调整电压V1、V2的相对幅度。
具体地，在电池供电的操作模式中，电压V1、V2的比率可以由晶体管开关Q1、Q2操作的工作循环周期进行控制。例如，晶体管开关Q1、Q2可以按约50％的基本上互补的工作循环周期进行操作，以使得电压V1、V2在幅度上近似相等。也可以利用其它工作循环周期。控制电路340还可以响应于直流电压V1、V2中的至少一个选择性地操作整流电路310，以使得例如控制电路340不操作开关Q1、Q2来调整电压V1、V2，直至电压V1、V2之一或两者满足预定的规则，例如，直至电压幅度超过预定阈值。
在以上附图及其描述中，已经说明了本发明的示例实施例。在描述中使用的术语是用于一般的和描述性的，而非限制性目的，本发明的范围是由如下权利要求书限定的。
权利要求
1.一种电源变换设备，包括一个输入端口；一个输出端口；第一和第二汇流排；输出电路，其被耦合到第一和第二汇流排和耦合到输出端口并进行操作以在它们之间转换电能；辅助直流电压发生电路，其进行操作以在第一和第二汇流排上产生直流电压；和多功能整流电路，其耦合到输入端口和耦合到第一及第二汇流排，当该设备工作在第一模式时该多功能整流电路进行操作以从输入端口的交流电源在第一和第二汇流排上产生直流电压，当该设备工作在第二模式时该多功能整流电路控制由辅助直流电压发生电路产生的直流电压的相对幅度。
2.按照权利要求1的设备，其中多功能整流电路包括具有第一和第二端的电感；第一开关，其进行操作以将第一电压汇流排耦合到电感的第一端以及将第一电压汇流排从该电感的第一端断开；第二开关，其进行操作以将第二电压汇流排耦合到电感的第一端以及将该第二电压汇流排从该电感的第一端断开；和第三开关，其进行操作以在第一开关状态将电感的第二端耦合到输入端口并且在第二开关状态将电感的第二端耦合到用于第一和第二汇流排的参考电压汇流排。
3.按照权利要求2的设备，其中第三开关进行操作，以在第一开关状态将电感的第二端耦合到输入端口的相线端和在第二开关状态将电感的第二端耦合到输入端口的中线端。
4.按照权利要求1的设备，其中多功能整流电路进行操作，以便当该设备工作在第二模式时选择性地控制由辅助直流电压发生电路产生的直流电压的相对幅度。
5.按照权利要求4的设备，其中多功能整流电路进行操作，以响应于第一和第二汇流排中的至少一个汇流排上的至少一个电压，开始控制由辅助直流电压发生电路产生的直流电压的相对幅度。
6.按照权利要求1的设备，其中，辅助直流电压发生电路包括电池变换电路，该电池变换电路具有配置成耦合到电池的电池输入端口，以及耦合到第一和第二汇流排的输出端口。
7.按照权利要求6的设备，其中，电池变换电路包括耦合到电池输入端口的逆变电路；具有耦合到逆变电路的初级绕组的变压器；和耦合在变压器的次级绕组与第一和第二汇流排之间的整流电路。
8.按照权利要求1的设备，其中输出电路包括半臂逆变电路。
9.一种不间断电源设备，包括被配置成耦合到交流电源的交流输入端口；被配置耦合到电池的电池输入端口；被配置成耦合到负载的输出端口；第一和第二汇流排；耦合到第一和第二汇流排以及耦合到输出端口的半臂逆变电路；耦合到电池输入端口和第一及第二汇流排的电池变换电路；和耦合到交流输入端口和第一及第二汇流排的多功能整流电路，当该设备工作在第一模式时该多功能整流电路进行操作以在第一和第二汇流排上产生直流电压，当该设备工作在第二模式时该多功能整流电路控制由电池变换电路在第一和第二汇流排上产生的直流电压的相对幅度。
10.按照权利要求9的设备，其中，电池变换电路进行操作以提供从电池向第一和第二汇流排的单方向电能转换。
11.按照权利要求9的设备，其中，电池变换电路包括耦合到电池输入端口的逆变电路；具有耦合到逆变器的初级绕组的变压器；和耦合在变压器的次级绕组与第一和第二汇流排之间的整流电路。
12.按照权利要求9的设备，其中，多功能整流电路包括具有第一和第二端的电感；第一开关，其进行操作以将第一电压汇流排耦合到电感的第一端以及将该第一电压汇流排从该电感的第一端断开；第二开关，其进行操作以将第二电压汇流排耦合到电感的第一端以及将该第二电压汇流排从该电感的第一端断开；和第三开关，其进行操作以在第一开关状态将电感的第二端耦合到输入端口和在第二开关状态将电感的第二端耦合到用于第一和第二汇流排的参考电压汇流排。
13.按照权利要求12的设备，其中第三开关进行操作以在第一开关状态将电感的第二端耦合到交流输入端口的相线端以及在第二开关状态将电感的第二端耦合到交流输入端口的中线端。
14.按照权利要求12的设备，其中，当该设备按第二模式工作时，多功能整流电路进行操作以对由电池变换电路产生的直流电压的相对幅度进行间歇控制。
15.按照权利要求14的设备，其中，多功能整流电路进行操作，以便响应于第一和第二汇流排中的至少一个汇流排上的至少一个电压，开始控制由电池变换电路产生的直流电压的相对幅度。
16.一种电源变换设备，包括；第一和第二汇流排；直流电压发生电路，其进行操作，以在第一和第二汇流排上产生直流电压；交流输出电路，其耦合到第一和第二汇流排并且进行操作以从第一和第二汇流排上的直流电压产生交流输出电压；和平衡器电路，其进行操作，以通过经由一个电感选择性地将第一和第二汇流排耦合到参考汇流排来控制在第一和第二汇流排上的直流电压的相对幅度。
17.按照权利要求16的设备，其中，在第一操作模式中平衡器电路进行操作，以控制由直流电压发生电路产生的直流电压的相对幅度，并且在第二操作模式中该平衡器电路进行操作，以从交流电源产生在第一和第二汇流排上的直流电压。
18.按照权利要求17的设备，其中，平衡器电路包括一个整流电路。
19.按照权利要求18的设备，其中，整流电路包括一个电感；第一和第二开关，其进行操作经，以经由该电感将第一和第二汇流排之一耦合到参考汇流排以及将该汇流排之一从该参考汇流排断开。
20.按照权利要求17的设备，其中直流电压发生电路包括电池变换电路。
21.按照权利要求16的设备，其中，参考汇流排包括接地参考汇流排。
22.一种电源变换方法，包括使整流电路从耦合到该整流电路的交流电源在第一和第二汇流排上产生直流电压；从第二电源在第一和第二汇流排上产生直流电压；和操作整流电路以控制从该第二电源产生的直流电压的相对幅度。
23.按照权利要求22的方法，还包括从第一和第二汇流排上的直流电压产生交流电压。
24.按照权利要求22的方法，其中，操作整流电路以控制从第二电源产生的直流电压的相对幅度包括交替地将第一和第二电压汇流排之一耦合到参考汇流排。
25.按照权利要求24的方法，其中，交替地将第一和第二电压汇流排之一耦合到参考汇流排包括经由一个电感交替地将第一和第二电压汇流排之一耦合到该参考汇流排。
26.按照权利要求22的方法，其中，操作整流电路以控制从第二电源产生的直流电压的相对幅度包括响应于第一和第二电压汇流排至少之一上的至少一个电压来操作该整流电路，以控制从该第二电源产生的直流电压的相对幅度。
27.按照权利要求26的方法，其中，响应于第一和第二电压汇流排中至少一个汇流排上的至少一个电压来操作整流电路以控制从第二电源产生的直流电压的相对幅度包括制止操作该整流电路以控制从第二电源产生的直流电压的相对幅度，直到至少一个电压满足一个预定的规则为止。
28.按照权利要求22的方法，其中，整流电路包括具有第一端和第二端的电感、进行操作以将该电感的第二端耦合到第一汇流排以及将该第二端从该第一汇流排断开的第一开关、以及进行操作以将该电感的第二端耦合到第二汇流排以及将该第二端从该第二汇流排断开的第二开关，并且其中操作该整流电路以控制从第二电源产生的直流电压的相对幅度包括将该电感的第一端连接到参考汇流排；和按基本上互补的方式操作第一和第二开关。
29.按照权利要求28的方法，其中参考汇流排被连接到交流电流的中性端。
30.一种电源变换方法，包括从一个电源产生在第一和第二汇流排上的直流电压；经由一个电感选择性地将第一和第二汇流排耦合到参考汇流排以控制直流电压的相对幅度；和从在第一和第二汇流排上的直流电压产生交流输出电压。
31.按照权利要求30的方法，其中，从一个电源在第一和第二汇流排上产生直流电压包括从一个电池电源产生该直流电压。
32.按照权利要求31的方法，其中，经由一个电感选择性地将第一和第二汇流排耦合到参考汇流排，以控制直流电压的相对幅度包括操作整流电路的各个开关，该整流电路具有被配置成选择性地耦合到交流输入端口和参考汇流排的输入端。
33.按照权利要求30的方法，其中，参考汇流排包括接地参考汇流排。
34.按照权利要求33的方法，其中，接地参考汇流排被连接到电源的中线端。
35.一种电源变换设备，包括用于从一个电源在第一和第二汇流排上产生直流电压的装置；用于经由一个电感选择性地将第一和第二汇流排耦合到参考汇流排，以控制直流电压的相对幅度的装置；和用于从第一和第二汇流排上的直流电压产生交流输出电压的装置。
36.按照权利要求35的设备，其中，用于从一个电源在第一和第二汇流排上产生直流电压的装置包括用于从一个电池电源产生直流电压的装置。
37.按照权利要求35的设备，其中，用于经由一个电感选择性地将第一和第二汇流排耦合到参考汇流排，以控制直流电压的相对幅度的装置包括用于操作整流电路的各个开关的装置，该整流电路具有被配置成选择性地耦合到交流输入端口和参考汇流排的输入端。
38.按照权利要求35的设备，其中，参考汇流排包括接地参考汇流排。
39.按照权利要求38的设备，其中，接地参考汇流排被连接到电源的中线端。
全文摘要
一种电源变换设备例如不间断电源，包括输入端口、输出端口、第一和第二汇流排。输出电路，例如半臂逆变器，其被耦合到第一和第二汇流排以及耦合到输出端口并进行操作以在它们之间转换电能。辅助直流电压发生电路，例如电池变换电路，进行操作以在第一和第二汇流排上产生直流电压。多功能整流电路被耦合到输入端口及第一和第二汇流排，当设备按第一模式工作时(例如，交流供电操作模式)，该多功能整流电路进行操作以从输入端的交流电源在第一和第二汇流排上产生直流电压。当设备按第二模式工作时(例如，电池供电操作模式)，该多功能整流电路进行操作以控制由辅助直流电压发生电路产生的直流电压的相对幅度。
文档编号H02J7/00GK1449100SQ03128538
公开日2003年10月15日 申请日期2003年3月24日 优先权日2002年3月25日
发明者小罗伯特·W·约汉逊 申请人:电力设备公司