专利名称：不断电电源供应器的控制方法
技术领域：
本发明有关一种不断电电源供应器的控制方法，特别是关于使用具有三个桥臂的单相交流-交流转换器的在线互动式(Line-Interactive)不断电电源供应器。
技术背景请参阅图l，其为现有的在线互动式不断电电源供应器的电路图。在图1中， 在线互动式不断电电源供应器1主要包含一交流输入电压AC、由二极管Dl和D2 构成的一开关组、 一单相交流-交流转换器11、由滤波电感Lo及滤波电容Co构 成的一交流滤波器12、以及一负载R所构成。在单相交流-交流转换器11中，包含有交流电感Li、母线电容Cs以及三个 桥臂，其中由开关Sl和S2所组成的桥臂称为升压(boos1:)桥臂，由开关S3和S4 所组成的桥臂称为公共(com)桥臂，而由开关S5和S6所组成的桥臂称为降压(buck) 桥臂。作为图1所示的在线互动式不断电电源供应器1，在交流输入电压AC(市电) 正常的情况下，由交流输入电压AC直接提供负载R能量，此时，该升压桥臂和该 公共桥臂实现整流功能。而当交流输入电压AC出现异常时，则由一储存电池(未 示出)提供负载R能量，此时，该公共桥臂和该降压桥臂则实现逆变功能。事实上，该公共桥臂的开关S3及S4是以电网频率进行控制，也即其开关频 率为低频切换，所以只能用该升压桥臂作为整流装置，而仅用该降压桥臂作为逆 变装置。在现有技术中，为了实现对交流输入电压AC的调节，可以采用许多种控制 方法，该控制方法的区别在于它们会产生不同波形的母线电压，以下就二种常用 的控制方法的母线电压波形进行说明。请参阅图2，其为图1的不断电电源供应器在不同控制方法下、母线电压的 波形图，其中，图2(a)及图2(b)分别显示了不同母线电压的波形；图2(a)中所 显示的母线电压具有直流电压波形，而图2(b)中的母线电压则具有全波整流电压 波形。当然，不同的控制模式下所产生的不同母线电压各具有优缺点。为了得到如图2(a)所示的直流母线电压，该降压桥臂和该升压桥臂必须同时 工作在高频脉波宽度调变(PWM)模式，而该公共桥臂则须工作在低频切换状态。当 交流输入电压AC为正半波时，开关S4关闭，而当交流输入电压AC为负半波时， 开关S3关闭。单相交流-交流转换器ll的降压桥臂的占空比(Duty Cycle)采用输 入电流跟随输入电压的方法，而得到一单位输入功率因数，因此，可以通过控制 输入参考电流的幅值来控制直流电压。这种控制方法的主要优点在于输入电流可以被控制为正弦波形且得到一单位 输入功率因数，对输出电压可以进行精确度高的调节，且输入的空载电流会降低。 相反地，其主要缺点则是开关损耗较大，效率也不佳(特别是在满载时)。为了得到如图2(b)所示的全波整流母线电压，在该交流输入电压AC不正常 的情况下，当转换器ll工作在升压状态时，只有该升压桥臂的开关S1和S2工作 在高频脉波宽度调变模式；而当转换器ll工作在降压状态时，只有该降压桥臂的 开关S5和S6工作在高频脉波宽度调变模式。除此之外，母线电容Cs的容值相当 小，因此能够得到如图2(b)那样全波整流电压波形的母线电压。这种控制方法的主要优点在于运用高频的薄膜电容作为母线电容Cs，因此能 够减小体积、提升电路的可靠性和延长电路的使用寿命。此外，开关的损耗较小， 同时也简化了控制单元的设计。相反地，其主要缺点则是动态特性差、输入的无功电流较大、母线电容Cs 上的涟波电流大。由于在轻载和空载时流向负载R的电流很小，因此为了维持母 线电容Cs上的全波整流电压波形，必须对母线电容Cs进行无效的充放电，然而 这却会造成转换器11在轻载或空载的时产生很大的损耗。发明内容本发明的主要目的为提出一种不断电电源供应器的控制方法，应用于该 不断电电源供应器中具有三个桥臂的单相交流-交流转换器。前面已经提出的 二种现有的控制模式分别为(l)母线上的电压波形为直流电压的控制模式、(2)
母线上的电压波形为全波整流的波形的控制模式，本发明所提出的控制方法 意欲保留该二种现有技术的优点并克服它们的缺点，以达到更好的效果。本发明的主要构想为提出一种不断电电源供应器的控制方法，应用于该 不断电电源供应器中具有三个桥臂的单相交流-交流转换器。根据对转换器的 运作状态的分析，以分段控制母线电容上的电压波形，使得系统(不断电电源 供应器)能够在保持高效率运作的前提下，减小由母线电容所产生的无功电流 以及母线电容上的高频涟波电流，同时使得系统不论在轻载或重载的状态下， 皆能得到全输入范围的高效率。根据本发明的构想，提出一种不断电电源供应器的控制方法，该不断电 电源供应器至少包括一交流输入电压、 一直流输入电压及一单相交流-交流转 换器，该单相交流-交流转换器是由一交流电感、 一母线电容、 一升压桥臂、一公共桥臂、及一降压桥臂所构成，该控制方法包括步骤如下(a)控制母线电 压使其具有一直流成份以及一全波整流成份；及(b)设定一母线电压参数K，其 中0^KS1，使得当K趋近于0时、母线电压趋近于一直流电压，且当K趋 近于1时、母线电压趋近于一全波整流电压；其中，当该交流输入电压正常时， 利用该母线电压经由该单相交流-交流转换器的整流而输出，且当该交流输入 电压异常时，利用该直流输入电压经由该单相交流-交流转换器的逆变而输出。 较佳者，该不断电电源供应器还包括一开关组、 一交流滤波器、及一负载。较佳者，步骤(b)是于该负载为轻载时、增大该母线电压参数K使其趋近 于l，且于该负载为重载时、减小该母线电压参数K使其趋近于O。较佳者，控制方法还包括一步骤设定该降压桥臂的占空比d3相对于该 升压桥臂的占空比dl的倍数是等于该单相交流-交流转换器的电压增益M。较佳者，控制方法还包括一步骤定义母线电压的波形函数为F，则F满足当 I sin(wt) I 〈 K ，贝!j F= I sin(wt) |;且 当I sin(wt) I ^ K ，贝IJF-K; 其中w为角速率，t为经过时间。 较佳者，其中该升压桥臂的占空比dl、该单相交流-交流转换器的电压增 益M、该母线电压参数K、以及母线电压的波形函数F满足dl=(2-M)KF。较佳者，控制方法还包括一步骤当sin(wt)〉 1/K时，仅控制该升压桥臂 及该降压桥臂其中的一工作于高频脉波宽度调变(PWM)模式，而当sin(wt)〈l/K 时，需控制该升压桥臂及该降压桥臂皆工作于高频脉波宽度调变(PWM)模式。本发明得通过下列图式及详细说明，俾得更深入的了解
图1是现有的在线互动式不断电电源供应器的电路图；图2(a) 、 (b)是图1的不断电电源供应器在不同控制方法下、母线电压的波形图；图2(c)是应用本发明的不断电电源供应器的控制方法时的母线电压波形图； 图3 (a)是本发明的控制方法所应用的在线互动式不断电电源供应器的电路图；图3(b)是图3(a)的各主要开关在不同运作模式下的开关状态表； 图4(a)是本发明的控制方法在升压模式时、升压桥臂的占空比的时序图； 图4(b)是本发明的控制方法在升压模式时、降压桥臂的占空比的时序图； 图5(a)是本发明的控制方法在降压模式时、升压桥臂的占空比的时序图；及 图5(b)是本发明的控制方法在降压模式时、降压桥臂的占空比的时序图。
具体实施方式
请参阅图3(a)，其为本发明的控制方法所应用的在线互动式不断电电源 供应器的电路图，与图1相同的元件皆标示相同的标号。在线互动式不断电 电源供应器3主要包含一直流输入电压DC、 一交流输入电压AC、由二极管D1 和D2构成的一开关组、 一单相交流-交流转换器31、由滤波电感Lo及滤波电 容Co构成的一交流滤波器32、以及一负载R所构成。在单相交流-交流转换器31中，包含有交流电感Li、母线电容Cs以及三 个桥臂，其中由开关Sl和S2所组成的桥臂称为升压(boost)桥臂，由开关S3 和S4所组成的桥臂称为公共(com)桥臂，而由开关S5和S6所组成的桥臂称 为降压(buck)桥臂。另外，开关SW1、 SW2及SW3则分别用以控制交流输入电 压AC、直流输入电压DC、及旁路(Bypass)模式等三种运作。请参阅图3(b)，其为图3(a)的各主要开关在不同运作模式下的开关状态 表。配合图3(b)可知，作为图3(a) 、 3(b)所示的在线互动式不断电电源供应 器31，在交流输入电压AC(市电)正常的情况下，此时开关SW1为0N，开关SW2 及SW3则切换为OFF，利用母线电压经由单相交流-交流转换器31的整流而输 出至负载R。而当交流输入电压AC出现异常时，此时开关SW2为0N，开关SW1 及SW3则切换为OFF,利用直流输入电压DC经由单相交流-交流转换器31的 逆变而输出。另外，当在线互动式不断电电源供应器31故障，此时开关SW3 为0N，开关SW1及SW2则切换为0FF，以提供人员进行维修之用。本发明的控制方法的主要目的在于得到如图2(c)所示的母线电压，与现 有技术相同的是，母线电容Cs的电容值应该够小，才能得到具有全波整流成 份的波形的电压。本发明控制母线电压使其具有直流成份和全波整流成份的 方法如下。如图2(c)所示，首先，设定一母线电压波形参数K在0和1之间变化， 其中，当K值越接近0，母线电压中的全波整流成份也越高，则母线电压的 波形越趋近于全波整流电压的波形；而当K值越接近1，母线电压中的直流 成份也越高，则母线电压的波形也越趋近于直流电压的波形。当在线互动式不断电电源供应器3在运作，负载R为轻载时，转换器31 的无功电流所占的比例较大，因此可以相应地增大K值来把该无功电流降至 最低。另一方面，在负载R加重时，转换器31的效率才是我们所关心的，因 此可以相应地降低K值，而把各开关损耗降至最小，使得转换器31的整体效 率提升。在上述的控制方法中，K值的变化模式是与负载电流相关，而电压增益M 则直接决定了降压桥臂各开关的占空比d3以及升压桥臂各开关的占空比dl。 此外，公共桥臂的开关S3、 S4仅与交流输入电压AC的极性相关。当电压增 益M小于1时，转换器31是工作在降压模式；而当电压增益M大于1时，转 换器31是工作在升压模式。本发明的控制方是定义母线电压的波形函数为F，则F满足 当I sin(wt) I 〈 K ，贝UF二 I sin(wt) |;且
当I sin(wt) I 〉= K ，则F= K; (1) 其中w为角速率，t为经过时间。 此外，该降压桥臂的占空比d3、该升压桥臂的占空比dl、该单相交流-交流转换器的电压增益M、该母线电压参数K、以及母线电压的波形函数为F 满足d3二M(1-dl); (2) dl=(2-M)KF (3)当市电输入的电压(交流输入电压AC)低于要求值时，需要提升输入电压， 而系统处于升压模式，电压增益M的值在1到1.3之间，从前述公式(2)及(3) 可以看出，此时需要控制降压桥臂的开关的占空比，如图4(b)所示，至于图 4(a)则显示同时期的升压桥臂的开关的占空比。而当市电输入的电压高于要求值时，需要降低输入电压，而系统处于降 压模式，电压增益M的值在0.7到1之间，从前述公式(2)及(3)可以看出， 此时需要控制升压桥臂的开关的占空比，如图5(a)所示，至于图5(b)则显示 同时期的降压桥臂的开关的占空比。值得一提的是，就时间上来说，在同一个周期之内，当sin(wt) 〉1/k时 只有升压桥臂与降压桥臂的其中之一是工作在高频脉波宽度调变模式，而当 sin(wt) a/k时，升压桥臂和降压桥臂则都工作在高频脉波宽度调变模式。值得注意的是，虽然本发明所举的前述实施例皆为直流波形与全波整流 波形的组合，但对于本发明的目的而言，只要在轻载时降低电压波形变化的 斜率，就能够相对于原有全波整流波形而提高其效率。综上所述，本发明是提供一种不断电电源供应器的控制方法以应用于该 不断电电源供应器中具有三个桥臂的单相交流-交流转换器，通过分段控制母 线电容上的电压波形，使得系统不断电电源供应器能够减小由母线电容所产生的无功电流以及母线电容上的高频涟波电流，并且不论在轻载或重载的状 态下，皆能得到全输入范围的高效率。
权利要求
1. 一种不断电电源供应器的控制方法，该不断电电源供应器至少包括一 交流输入电压、 一直流输入电压及一单相交流-交流转换器，该单相交流-交流 转换器是由一交流电感、 一母线电容、 一升压桥臂、 一公共桥臂、及一降压桥臂所构成，该控制方法包括如下步骤(a) 控制母线电压使其具有一直流成份以及一全波整流成份；及(b) 设定一母线电压参数K，其中0^KS1，使得当K趋近于O时、母线 电压趋近于一直流电压，且当K趋近于1时、母线电压趋近于一全波整流电 压；其中，当该交流输入电压正常时，利用该母线电压经由该单相交流-交流 转换器的整流而输出，且当该交流输入电压异常时，利用该直流输入电压经 由该单相交流-交流转换器的逆变而输出。
2. 如权利要求1所述的控制方法，其特征在于该不断电电源供应器还包括 一开关组、 一交流滤波器、及一负载。
3. 如权利要求2所述的控制方法，其特征在于步骤(b)是于该负载为轻载 时、增大该母线电压参数K使其趋近于1，且于该负载为重载时、减小该母线 电压参数K使其趋近于O。
4. 如权利要求1所述的控制方法，其特征在于还包括一步骤:设定该降压 桥臂的占空比d3、该升压桥臂的占空比dl、以及该单相交流-交流转换器的电 压增益M满足d3=M(l-dl)。
5. 如权利要求4所述的控制方法，其特征在于还包括一步骤定义母线电 压的波形函数为F，则F满足当I sin(wt) I 〈 K ，贝lj F= I sin(wt) |;且 当I sin(wt) I ^ K ，贝U F= K; 其中w为角速率，t为经过时间。
6. 如权利要求5所述的控制方法，其特征在于该升压桥臂的占空比dl、 该单相交流-交流转换器的电压增益M、该母线电压参数K、以及母线电压的 波形函数F满足dl=(2-M)KF。
7. 如权利要求6所述的控制方法，其特征在于还包括一步骤当sin(wt)〉 1/K时，仅控制该升压桥臂及该降压桥臂其中的一工作于高频脉波宽度调变 (PWM)模式，而当sin(wt) 〈1/K时，需控制该升压桥臂及该降压桥臂皆工作于 高频脉波宽度调变(PWM)模式。
8. —种不断电电源供应器的控制方法，该不断电电源供应器至少包括一交 流输入电压、 一直流输入电压及一单相交流-交流转换器，该单相交流-交流转 换器是由一交流电感、 一母线电容、 一升压桥臂、 一公共桥臂、及一降压桥 臂所构成，该控制方法包括如下步骤(a) 控制母线电压使其波形具有一低斜率阶段以及一全波整流阶段；(b) 设定一母线电压参数K代表输出功率大小，其中0芸K^1;及(c) 根据该母线电压参数K值的变化调节该低斜率阶段与该全波整流阶段 在整个周期中的比例，处于该低斜率阶段中的母线电压波形具有一斜率，且 该斜率是低于处于该全波整流阶段中对应时刻的另一斜率；其中，当该交流输入电压正常时，利用该母线电压经由该单相交流-交流 转换器的整流而输出，且当该交流输入电压异常时，利用该直流输入电压经 由该单相交流-交流转换器的逆变而输出。
9. 如权利要求8所述的控制方法，其特征在于该全波整流阶段的电压平均 值是大于该低斜率阶段的电压平均值。
10. 如权利要求8所述的控制方法，其特征在于还包括一步骤:在输出功率 减小时增加该低斜率阶段的时间长度并减少该全波整流阶段的时间长度。
11. 如权利要求8所述的控制方法，其特征在于母线电压的波形是通过调 节该升压桥臂及该降压桥臂的占空比而实现。
全文摘要
本发明是指一种不断电电源供应器的控制方法，该不断电电源供应器至少包括一交流输入电压、一直流输入电压及一单相交流-交流转换器，该单相交流-交流转换器是由一交流电感、一母线电容、一升压桥臂、一公共桥臂、及一降压桥臂所构成，该控制方法包括步骤如下控制母线电压使其具有一直流成份以及一全波整流成份；及设定一母线电压参数K，其中0≤K≤1，使得当K趋近于0时、母线电压趋近于一直流电压，且当K趋近于1时、母线电压趋近于一全波整流电压。
文档编号H02J9/06GK101123367SQ200610111169
公开日2008年2月13日 申请日期2006年8月9日 优先权日2006年8月9日
发明者应建平, 杨剑平, 谭惊涛, 陆岩松 申请人:台达电子工业股份有限公司