一种拓扑电路及相关的不间断电源的制作方法

1.本实用新型涉及不间断电源技术领域，尤其涉及一种拓扑电路及相关的不间断电源。


背景技术：

2.传统不间断电源系统所采用的拓扑电路，其器件利用率较低，系统成本较高。为此，业界提出在不间断电源中采用三桥臂拓扑，以通过在多个变换过程中复用桥臂的开关管来提高器件利用率。然而，现有采用三桥臂拓扑的不间断电源还需要对电池另外设置充电器，成本较高，且不适用于电池电压较低，电流较大的使用场景。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的在于克服背景技术中存在的至少一种缺陷或问题，提供一种拓扑电路及相关的不间断电源，以提高器件利用率并降低系统成本。
4.为实现上述目的，本实用新型的第一方面提供了一种拓扑电路，用于连接第一电源和第二电源并进行电能变换；所述第一电源为交流电源，所述第二电源为可被充电的直流电源；其包括：三桥臂单元，其包括第一电感和彼此并接的第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和直流母线，所述第一电感连接所述第一桥臂的中点；所述三桥臂单元适于接入所述第一电源以通过所述第一电感、第一桥臂和第二桥臂进行ac/dc变换，并通过所述第二桥臂和第三桥臂进行dc/ac变换；所述三桥臂单元还适于接入所述第二电源以通过所述第一电感、第一桥臂和第二桥臂进行dc/dc变换，并通过所述第二桥臂和第三桥臂进行dc/ac变换；充电单元，其包括第三电感和并接于所述直流母线的第四桥臂，所述第三电感连接所述第四桥臂的中点；所述充电单元适于连接所述第二电源以利用所述直流母线的电能为第二电源充电；和切换单元，其适于将所述第一桥臂切换连接至所述第一电源或第二电源，并适于将所述第二电源切换连接至所述第一桥臂或第四桥臂。
5.进一步的，还包括：双向dc/dc变换器；所述双向dc/dc变换器的第一侧连接所述第二电源，其第二侧通过所述切换单元连接所述第一桥臂或第四桥臂，以实现所述拓扑电路与第二电源间的双向dc/dc变换。
6.进一步的，所述三桥臂单元还包括第一电容、第二电感和第二电容；所述第一桥臂包括串联的第一可控开关和第二可控开关；所述第二桥臂包括串联的第三可控开关和第四可控开关；所述第三桥臂包括串联的第五可控开关和第六可控开关；所述第一电容构成所述直流母线；所述第一电感的一端连接所述第一桥臂的中点，另一端构成所述三桥臂单元的正输入端；所述第二桥臂的中点构成所述三桥臂单元的负输入端；所述第二电感的一端连接所述第三桥臂的中点，另一端构成所述三桥臂单元的正输出端；所述第二桥臂的中点还构成所述三桥臂单元的负输出端；所述第二电容的两端跨接于所述三桥臂单元的正输出端和负输出端之间。
7.进一步的，所述充电单元为buck电路，其包括所述第四桥臂和所述第三电感；所述
第四桥臂包括串联的第七可控开关和第一二极管；所述第七可控开关的一端连接所述第一电容的正极，另一端连接所述第一二极管的阴极；所述第一二极管的阳极连接所述第一电容的负极；所述第三电感的一端连接所述第四桥臂的中点，另一端构成所述充电单元的正输出端；所述第一二极管的阳极构成所述充电单元的负输出端。
8.进一步的，所述切换单元包括第一继电器和第二继电器；所述第一继电器具有第一固定触点、第一选择触点和第二选择触点；所述第一固定触点连接所述三桥臂单元的正输入端，所述第一选择触点连接所述第一电源的火线，所述第二选择触点悬空；所述第二继电器具有第二固定触点、第三选择触点和第四选择触点；所述第二固定触点连接所述第二电源的正极，所述第三选择触点连接所述三桥臂单元的正输入端，所述第四选择触点连接所述充电单元的正输出端；其中，所述第一固定触点在第一继电器收到第一控制信号时连接所述第一选择触点，所述第二固定触点在第二继电器收到第二控制信号时连接所述第三选择触点；所述第一控制信号和第二控制信号互补。
9.进一步的，所述双向dc/dc变换器包括第五桥臂、第四电感、第三电容和第四电容；所述第五桥臂包括串联的第九可控开关和第十可控开关；所述第四电感的一端连接所述第五桥臂的中点，另一端构成所述双向dc/dc变换器的第一正端口；所述第十可控开关远离第九可控开关的一端构成所述双向dc/dc变换器的第二正端口；所述第九可控开关远离第十可控开关的一端构成所述双向dc/dc变换器的第一负端口和第二负端口；所述第一正端口和第一负端口共同构成所述双向dc/dc变换器的所述第一侧，所述第二正端口和第二负端口共同构成所述双向dc/dc变换器的所述第二侧；所述第三电容的两端跨接于所述双向dc/dc变换器的第一正端口和第一负端口之间，所述第四电容的两端跨接于所述双向dc/dc变换器的第二正端口和第二负端口之间；其中，所述双向dc/dc变换器的第一正端口和第一负端口分别连接所述第二电源的正极和负极，所述双向dc/dc变换器的第二正端口和第二负端口分别连接所述第二继电器的第二固定触点和所述充电单元的负输出端。
10.进一步的，所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第五桥臂为igbt模块；所述第四桥臂的第七可控开关为igbt。
11.进一步的，所述第一电源为市电电网，所述第二电源为电池组。
12.为实现上述目的，本实用新型的第二方面提供了一种不间断电源，其采用如前述技术方案中任一项所述的拓扑电路。
13.相较于现有技术，本实用新型的有益效果是：
14.(1)拓扑电路在三桥臂单元的基础上引入了充电单元和切换单元。充电单元可利用直流母线的电能为第二电源充电，有效降低了系统成本。而切换单元可将第一电源或第二电源切换接入三桥臂单元，并将第二电源切换连接三桥臂单元(的第一桥臂)或充电单元(的第四桥臂)。换言之，三桥臂单元择一接入第一电源或第二电源以择一供电，第二电源择一接入充电单元与三桥臂单元以择一进行充电或放电。因而，充电单元与三桥臂单元可以彼此独立，充电单元可采用独立的器件并适于根据第二电源的充电功率选择容量合适、耐压参数合适的器件，进一步降低了系统成本。
15.(2)拓扑电路还包括双向dc/dc变换器，可实现该拓扑电路与第二电源间的双向dc/dc变换。在充电时，先通过充电单元进行第一级充电变换，再通过双向dc/dc变换器进行第二级充电变换；而在放电时，先通过双向dc/dc变换器进行第一级放电变换，再通过三桥
臂单元的第一桥臂和第二桥臂进行第二级放电变换。换言之，采用该拓扑电路后，不论是在第二电源的充电过程还是放电过程均具有两级变换，这在应用具有低压大电流特性的第二电源的使用场景是尤其有利的，且便于实现各级变换电路的器件的容量和耐压参数设计。
16.(3)充电单元为单向的buck电路，适于第二电源电压较低时的使用场景，可稳定地对第二电源降压充电，结构简单，器件成本较低。
17.(4)切换单元包括第一继电器和第二继电器，两继电器控制对应电源接入三桥臂单元的控制信号互补，且第二继电器控制第二电源接入第一桥臂和第四桥臂的控制信号本身就是互补的，换言之，拓扑电路在正常工作时仅具有两种工作模式，一种是第一电源供电且对第二电源充电，另一种是第一电源断电而第二电源供电，因而拓扑电路的控制逻辑较为简单，工作过程较为稳定。
18.(5)第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第五桥臂为igbt模块，相较于两个独立的igbt串联的方案，其成本更低，杂散电感更小。
19.(6)不间断电源采用了上述的拓扑电路，继承了其全部优势。
附图说明
20.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本实用新型实施例拓扑电路的电路结构图；
22.图2为本实用新型实施例双向dc/dc变换器的电路结构图。
具体实施方式
23.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的优选实施例，且不应被看作对其他实施例的排除。基于本实用新型实施例，本领域的普通技术人员在不作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
24.本实用新型的权利要求书、说明书及上述附图中，除非另有明确限定，如使用术语“第一”、“第二”或“第三”等，都是为了区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。
25.本实用新型的权利要求书、说明书及上述附图中，如使用术语“包括”、“具有”以及它们的变形，意图在于“包含但不限于”。
26.本实用新型的权利要求书、说明书及上述附图中，除非另有明确限定，如使用术语“连接”、“相连”等，可以包含直接电连接也可以包含间接电连接；如使用术语“耦合”，指的是两电气部分在电连接后具有特定的电路功能。
27.本实用新型实施例提供一种拓扑电路，用于连接第一电源和第二电源并进行电能变换，以输出经变换后的电能供负载使用。所述第一电源为交流电源，所述第二电源为可被充电的直流电源。
28.本实施例中，所述第一电源为市电电网，其火线和零线分别表示为lin和nin，第二电源为可被充电的电池组，其正、负极分别表示为bat+和bat-，所述负载(图中未示出)为交
流负载。特别的，本实施例中，第一电源的电压幅值明显高于第二电源的电压幅值，因而需通过降压变换来对第二电源充电。
29.参照图1-2，回到本实施例的拓扑电路，其包括：三桥臂单元、充电单元、切换单元和双向dc/dc变换器。
30.所述三桥臂单元包括第一电感l1和彼此并接的第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和直流母线，所述第一电感l1连接所述第一桥臂的中点。所述三桥臂单元适于接入所述第一电源以通过所述第一电感、第一桥臂和第二桥臂进行ac/dc变换，并通过所述第二桥臂和第三桥臂进行dc/ac变换。所述三桥臂单元还适于接入所述第二电源以通过所述第一电感、第一桥臂和第二桥臂进行dc/dc变换，并通过所述第二桥臂和第三桥臂进行dc/ac变换；
31.具体的，所述三桥臂单元还包括第一电容c1、第二电感l2和第二电容c2。所述第一桥臂包括串联的第一可控开关q1和第二可控开关q2，所述第二桥臂包括串联的第三可控开关q3和第四可控开关q4，所述第三桥臂包括串联的第五可控开关q5和第六可控开关q6。所述第一电容c1构成所述直流母线。所述第一电感l1的一端连接所述第一桥臂的中点，另一端构成所述三桥臂单元的正输入端，所述第二桥臂的中点构成所述三桥臂单元的负输入端。所述第二电感l2的一端连接所述第三桥臂的中点，另一端构成所述三桥臂单元的正输出端lout，所述第二桥臂的中点还构成所述三桥臂单元的负输出端nout。所述第二电容c2的两端跨接于所述三桥臂单元的正输出端lout和负输出端nout之间。
32.所述充电单元包括第三电感l3和并接于所述直流母线的第四桥臂，所述第三电感连接所述第四桥臂的中点。所述充电单元适于连接所述第二电源以利用所述直流母线的电能为第二电源充电。具体的，所述充电单元为buck电路，其包括所述第四桥臂和所述第三电感c3。所述第四桥臂包括串联的第七可控开关q7和第一二极管d1，所述第七可控开关q7的一端连接所述第一电容c1的正极，另一端连接所述第一二极管d1的阴极，所述第一二极管d1的阳极连接所述第一电容c1的负极。所述第三电感c3的一端连接所述第四桥臂的中点，另一端构成所述充电单元的正输出端，所述第一二极管d1的阳极构成所述充电单元的负输出端。
33.所述切换单元适于将所述第一桥臂切换连接至所述第一电源或第二电源，并适于将所述第二电源切换连接至所述第一桥臂或第四桥臂。
34.具体的，所述切换单元包括第一继电器rly1和第二继电器rly2。所述第一继电器rly1具有第一固定触点1a、第一选择触点1b和第二选择触点1c。所述第一固定触点1a连接所述三桥臂单元的正输入端，所述第一选择触点1b连接所述第一电源的火线lin，所述第二选择触点1c悬空。所述第二继电器rly2具有第二固定触点2a、第三选择触点2b和第四选择触点2c。所述第二固定触点2a连接所述第二电源的正极bat+，所述第三选择触点2b连接所述三桥臂单元的正输入端，所述第四选择触点2c连接所述充电单元的正输出端。本实施例中，所述第一固定触点1a在第一继电器rly1收到第一控制信号时连接所述第一选择触点1b，所述第二固定触点2a在第二继电器rly2收到第二控制信号时连接所述第三选择触点2b，所述第一控制信号和第二控制信号互补。
35.所述双向dc/dc变换器的第一侧连接所述第二电源，其第二侧通过所述切换单元连接所述第一桥臂或第四桥臂，以实现所述拓扑电路与第二电源间的双向dc/dc变换。
36.具体的，所述双向dc/dc变换器包括第五桥臂、第四电感l4、第三电容c3和第四电
容c4。
37.所述第五桥臂包括串联的第九可控开关q9和第十可控开关q10。所述第四电感l4的一端连接所述第五桥臂的中点，另一端构成所述双向dc/dc变换器的第一正端口，所述第十可控开关q10远离第九可控开关q9的一端构成所述双向dc/dc变换器的第二正端口，所述第九可控开关q9远离第十可控开关q10的一端构成所述双向dc/dc变换器的第一负端口和第二负端口。所述第一正端口和第一负端口共同构成所述双向dc/dc变换器的所述第一侧，所述第二正端口和第二负端口共同构成所述双向dc/dc变换器的所述第二侧。所述第三电容c3的两端跨接于所述双向dc/dc变换器的第一正端口和第一负端口之间，所述第四电容c4的两端跨接于所述双向dc/dc变换器的第二正端口和第二负端口之间。本实施例中，所述双向dc/dc变换器的第一正端口和第一负端口分别连接所述第二电源的正极bat+和负极bat-，所述双向dc/dc变换器的第二正端口和第二负端口分别连接所述第二继电器rly2的第二固定触点2a和所述充电单元的负输出端。
38.本实施例中，各所述可控开关均为igbt。优选的，所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第五桥臂为igbt模块，即两个igbt管串联的集成模块，相较于两个独立的igbt串联的方案，其成本更低，杂散电感更小。
39.值得说明的是，各可控开关的方向配置均可参照本实施例的附图进行实施，在此不再赘述。且不言而喻的，将各可控开关的方向、二极管的反向、各电感与各电源的接入关系作正负反向配置，使得整个拓扑电路的正负极关系与图示实施例相反是本领域技术人员根据实际需要作出适应性调整的惯用技术手段，在此不再对作相反配置的实施方式进行赘述。
40.以下介绍本实施例拓扑电路的工作原理。
41.拓扑电路在第一模式下，第一继电器rly1的第一固定触点1a连接第一选择触点1b，同时第二继电器rly2的第二固定触点2a连接第四选择触点2c。如此一来，第一电源接入三桥臂单元并通过第一电感l1、第一桥臂和第二桥臂实现ac/dc变换，且通过第三桥臂和复用第二桥臂实现dc/ac变换，以输出交流电并为负载供电。而同时，第二电源连接充电单元，充电单元将直流母线的电能进行一级降压，再由双向dc/dc变换器进行二级降压后实现对第二电源的充电。
42.拓扑电路在第二模式下，第一继电器rly1的第一固定触点1a连接第二选择触点1c，同时第二继电器rly2的第二固定触点2a连接第三选择触点2b。如此一来，第一电源断开，第二电源经双向dc/dc变换器一级升压后接入三桥臂单元并通过其第一电感l1、第一桥臂和第二桥臂实现二级升压，也即第二级dc/dc变换，随后通过第三桥臂和复用第二桥臂实现dc/ac变换，以输出交流电并为负载供电。
43.由于三桥臂单元、构成充电单元的buck电路和本实施例所采用的双向dc/dc变换器，其本身均为已有拓扑，故不再赘述其在变换时的具体电能流向和具体工作过程。并且，充电单元和双向dc/dc变换器均可采用其他同种类的电路，而不局限于本实施例所提出的具体电路。
44.由此可见，拓扑电路在三桥臂单元的基础上引入了充电单元和切换单元。充电单元可利用直流母线的电能为第二电源充电，有效降低了系统成本。而切换单元可将第一电源或第二电源切换接入三桥臂单元，并将第二电源切换连接三桥臂单元(的第一桥臂)或充
电单元(的第四桥臂)。换言之，三桥臂单元择一接入第一电源或第二电源以择一供电，第二电源择一接入充电单元与三桥臂单元以择一进行充电或放电。因而，充电单元与三桥臂单元可以彼此独立，充电单元可采用独立的器件并适于根据第二电源的充电功率选择容量合适、耐压参数合适的器件，进一步降低了系统成本。
45.进一步的，由于拓扑电路还包括了双向dc/dc变换器，可实现该拓扑电路与第二电源间的双向dc/dc变换，不论是在第二电源的充电过程还是放电过程均具有两级变换，这在应用具有低压大电流特性的第二电源的使用场景是尤其有利的，且便于实现各级变换电路的器件的容量和耐压参数设计。
46.此外，充电单元为单向的buck电路，适于第二电源电压较低时的使用场景，可稳定地对第二电源降压充电，结构简单，器件成本较低。而切换单元包括第一继电器rly1和第二继电器rly2，两继电器控制对应电源接入三桥臂单元的控制信号互补，且第二继电器rly2控制第二电源接入第一桥臂和第四桥臂的控制信号本身就是互补的，换言之，拓扑电路在正常工作时仅具有上述两种工作模式，拓扑电路的控制逻辑较为简单，工作过程较为稳定。
47.相应的，本实用新型实施例还提供一种不间断电源，其采用前述实施例的拓扑电路，因而继承了拓扑电路的全部优势。
48.上述说明书和实施例的描述，用于解释本实用新型保护范围，但并不构成对本实用新型保护范围的限定。通过本实用新型或上述实施例的启示，本领域普通技术人员结合公知常识、本领域的普通技术知识和/或现有技术，通过合乎逻辑的分析、推理或有限的试验可以得到的对本实用新型实施例或其中一部分技术特征的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本实用新型的保护范围之内。