專利名稱：微功耗不間斷電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微功耗不間斷電源。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)不間斷電源先把輸入正弦波電壓或蓄電池的直流電壓變成高頻率的方波電壓，然后用電容、電感濾波，再變成交流電壓輸出，這種事倍功半、吃力不討好的方法，顯然效率低而浪費(fèi)能源，有以下毛病1)采用PWM脈寬調(diào)制的方法，高頻率、大功率方波的產(chǎn)生過程，也就是強(qiáng)烈EMI干擾產(chǎn)生的過程，大功率直流逆變器相當(dāng)于一個(gè)高頻功率發(fā)射臺，可以想見，所產(chǎn)生的干擾何
其嚴(yán)重。2)功率變換過程中，輸入功率的全部必須進(jìn)行實(shí)際的功率變換，所有變換的功率必須通過磁芯變壓器或電感傳遞才能到達(dá)輸出端，損耗大，效率低。

發(fā)明內(nèi)容
圖1是微功耗不間斷電源的原理框圖，當(dāng)市電正常時(shí)，整流升壓器對輸入的市電進(jìn)行整流、升壓、功率因數(shù)校正，同時(shí)對蓄電池進(jìn)行無損充電，然后通過微分逆變器，把直流電壓逆變成穩(wěn)頻穩(wěn)壓的正弦波電壓輸出。當(dāng)市電停電時(shí)，蓄電池電壓通過微分逆變器，逆變成穩(wěn)頻穩(wěn)壓的正弦波電壓輸出。微功耗不間斷電源由整流升壓器和微分逆變器組成，輸入市電和蓄電池都接在整流升壓器上，微分逆變器接在整流升壓器之后。整充升壓器由場效應(yīng)管Ql、Q2，電感Li，電容Cl組成，場效應(yīng)管Ql的漏極接電容 Cl的正極，其源極接場效應(yīng)管Q2的漏極，場效應(yīng)管Q2的源極接地，電感Ll 一端接場效應(yīng)管 Ql的源極，一端接電容Cl的負(fù)極，電容Cl的負(fù)極構(gòu)成端點(diǎn)Vi，輸入電壓接在Vi和地之間， 輸出電壓Vo由電容Cl的正極輸出。微分逆變器由一個(gè)電壓切割電路和一個(gè)N階電容網(wǎng)絡(luò)組成，N階電容網(wǎng)絡(luò)的輸出端接電壓切割電路的輸入端。電壓切割電路由場效應(yīng)管Q9、Q12組成，它們的源極接在一起，通過電阻Rl接地， 電容C8和電阻Rl并聯(lián)，場效應(yīng)管Q9的漏極接電容網(wǎng)絡(luò)的正極，場效應(yīng)管Q12的漏極接電容網(wǎng)絡(luò)的負(fù)極，場效應(yīng)管Q9、Q12的驅(qū)動(dòng)信號V12是幅值310V的正弦波信號。N階電容網(wǎng)絡(luò)由正、負(fù)雙臂組成，電容網(wǎng)絡(luò)的正臂由電容(1丄3丄5丄7和場效應(yīng)管03、06、08、011組成，電容(1的正極接場效應(yīng)管Q3的源極，場效應(yīng)管Q3的漏極接二極管Dl的陰極，電容C3的正極接場效應(yīng)管Q6的源極，場效應(yīng)管Q6的漏極接二極管Dl的陽極和電容Cl的負(fù)極，電容C5的正極接場效應(yīng)管Q8的源極，場效應(yīng)管Q8的漏極接二極管D3的陽極和電容C3的負(fù)極，電容C7 的正極接場效應(yīng)管Qll的源極，場效應(yīng)管Qll的漏極接二極管D5的陽極和電容C5的負(fù)極， 電容C7的負(fù)極接地，二極管D1、D3、D5的陰極同時(shí)接電容網(wǎng)絡(luò)的正極，即場效應(yīng)管Q9的漏極；電容網(wǎng)絡(luò)的負(fù)臂由電容C2、C4、C6、C9和場效應(yīng)管Q1、Q5、Q7、Q10組成，電容C2的負(fù)極接場效應(yīng)管Ql的源極，場效應(yīng)管Ql的漏極接二極管D2的陽極，電容C4的負(fù)極接場效應(yīng)管Q6的源極，場效應(yīng)管Q5的漏極接二極管D2的陰極和電容C2的正極，電容C6的負(fù)極接場效應(yīng)管Q7的源極，場效應(yīng)管Q7的漏極接二極管D4的陰極和電容C4的正極，電容C9 的負(fù)極接場效應(yīng)管QlO的源極，場效應(yīng)管QlO的漏極接二極管D3的陰極和電容C6的正極， 電容C9的正極接地，二極管D2、D4、D6的陽極同時(shí)接電容網(wǎng)絡(luò)的負(fù)極，即場效應(yīng)管Q12的漏極；輸入正直流電壓V4的負(fù)極接地其正極接場效應(yīng)管Q4的漏極，場效應(yīng)管Q4的源極接場效應(yīng)管Q9的漏極，輸入負(fù)直流電壓V6的正極接地，其負(fù)極接場效應(yīng)管Q2的漏極，場效應(yīng)管Q2的源極接場效應(yīng)管Q12的漏極；柵極驅(qū)動(dòng)信號V1、V2是市電同步方波信號，正臂驅(qū)動(dòng)信號V13、V10、V8、V5和負(fù)臂驅(qū)動(dòng)信號V11、V9、V7、V3也是市電同步方波信號，但脈寬以每2ms遞減，延時(shí)以每Ims遞增， 場效應(yīng)管Q9、Q12的驅(qū)動(dòng)信號V12是幅值310V的正弦波信號。


圖1是微功耗不間斷電源原理框圖2是整流升壓器電路；
圖3是整流升壓器電路各點(diǎn)電壓仿真波形；
圖4單相功率因數(shù)校正器；
圖5單相功率因數(shù)校正器各點(diǎn)電壓仿真波形；
圖6是輸出正負(fù)對稱電壓功率因數(shù)校正器；
圖7是輸出正負(fù)對稱電壓功率因數(shù)校正器各點(diǎn)電壓仿真波形；
圖8是直流逆變器原理電路；
圖8是直流逆變器原理電路各點(diǎn)電壓仿真波形；
圖10是4階微分逆變器原理電路；
圖11是4階寶塔波產(chǎn)生電路；
圖12是正弦波切割4階寶塔波過程仿真；
圖13是4階寶塔波電壓仿真波形；
圖14是是正弦波切割4階寶塔波后的輸出電壓波形；
圖15是微功耗不間斷電源實(shí)際電路；
圖16是8階寶塔波電壓仿真波形；
圖17是正弦波切割8階寶塔波過程仿真；
圖18是16階寶塔波電壓仿真波形。
圖2是整流升壓器的原理電路，V1、V3是功率MOS管Q1、Q2的柵極驅(qū)動(dòng)信號，都是
IOOKHz的方波信號，Vl超前V3半個(gè)周期。電路啟動(dòng)后，Q2飽和導(dǎo)通，電池V2通過Q2向電感Ll充電，電感電流線性增加，電感中存貯的能量不斷增多，與此同時(shí)，電容C2上的電壓向負(fù)載R2放電。半個(gè)周期后，Q2截止，Ql飽和導(dǎo)通，存貯在電感Ll中的電能通過Ql向電容 Cl充電。Cl上的電壓疊加在電池電壓V2之上，在向負(fù)載電阻R2供電的同時(shí)，也向電容C2充電。圖3是各點(diǎn)電壓的仿真波形，從上到下依次是輸出電壓Vo、輸入電壓Vi、補(bǔ)償電壓 Vc。從圖可以看到，輸出電壓Vo (12V)，是輸入電壓Vi (10. 5V)和補(bǔ)償電壓Vc(1.5V)之和。圖2的電路也可以對饅頭波進(jìn)行補(bǔ)償，即用一個(gè)補(bǔ)償電壓(Y = I-Sinx)疊加在整流后的饅頭波(Y = Sinx)之上，使得饅頭波變成一條直線(Y = 1)，即饅頭波電壓因電壓補(bǔ)償變成了直流電壓，而非因大電容濾波變成直流電壓。此時(shí)市電所有幅值對應(yīng)的所有時(shí)刻，都可以對電容充電，都有電流從網(wǎng)側(cè)流出，于是輸入交流電流波形和輸入交流電壓波形完全吻合，功率因數(shù)為1而THD這零。圖4是對饅頭波進(jìn)行補(bǔ)償?shù)碾娐?，圖2電路中的電池V2代之以整流后的饅頭波電壓，補(bǔ)償電路要使輸出電壓成為直流電壓，必須在饅頭波電壓之上疊加形如(I-Sinx)的電壓進(jìn)行補(bǔ)償，其結(jié)果正是我們?yōu)橹非蟮哪繕?biāo)。圖5是饅頭波電壓補(bǔ)償電路各點(diǎn)電壓的仿真波形，從上到下依次是輸入電壓Vi、補(bǔ)償電壓Vc、輸入電壓Ii，從仿真圖可以看到，輸入電流與輸入電壓同頻、同相、同步，波形完全相似。圖6是正負(fù)對稱電壓輸出的升壓整流器電路，市電正半周期間，正饅頭波經(jīng)過二極管D3接到由Ql組成的正整流升壓器的輸入端，進(jìn)行功率因數(shù)校正，市電負(fù)半周期間，負(fù)饅頭波經(jīng)過二極管D4接到由Q2組成的負(fù)整流升壓器的輸入端，進(jìn)行功率因數(shù)校正，圖7是輸入電壓和輸出電壓的仿真波形，可以看到，輸入電壓和輸入電流完全同步、同頻、同相。圖8是微功耗直流逆變器的原理電路，VI、V3是正負(fù)對稱直流電壓，分別加在Q1、 Q2的漏極，柵極和地之間同時(shí)接幅值為318V的正弦波電壓V2，RUCl接在共同源極。V2的正半周，Ql導(dǎo)通，直流電壓Vl加在負(fù)載電阻Rl上，由于源極電壓跟蹤柵極電位，所以在電阻Rl上產(chǎn)生幅值約為308V(V2幅值減去一個(gè)柵源電壓Vgs)的正半周饅頭波電壓，V2的負(fù)半周，Q2導(dǎo)通，直流電壓V3加在負(fù)載電阻Rl上，由于源極電壓跟蹤柵極電位， 所以在電阻Rl上產(chǎn)生幅值約為308V(V2幅值減去一個(gè)柵源電壓Vgs)的負(fù)半周饅頭波電壓，一個(gè)周期結(jié)束，在負(fù)載電阻Rl上得到一個(gè)周期的正弦波輸出電壓Vsin。圖9是輸出電壓Vsin的仿真波形，可以看到，輸出電壓的頻率、相位、幅值只和柵極所加控制信號有關(guān)， Q1、Q2組成的電路，正是電壓切割電路，QU Q2柵極控制信號像一把刀，從漏極電壓切下來一塊，這一塊的形狀與柵極所加信號波形完全相同。圖8電路有兩個(gè)缺陷1)外加電壓經(jīng)切割后剩下來的面積太大，若外加電壓為1，則由柵極信號電壓切下來的正弦波為Y = Sinx，剩下來的面積就是S = (I-Sinx)，占輸入電壓的36% ；2)切下正弦波后所剩部份(I-Sinx)全部在Ql、Q2的漏源極發(fā)熱浪費(fèi)掉。圖10是微分逆變器工作原理示意圖，工作過程如下1)正弦波前IOms面積沿Y軸N等分，此處以4等分為例；2)每等分以下底為一邊作4個(gè)長方形，堆累成塔形；3)利用電容網(wǎng)絡(luò)由輸入直流電壓產(chǎn)生塔形波，這是實(shí)施直流逆變的第一步；4)用正弦波從內(nèi)部切割此塔形，正弦波的幅值選擇原則是，使得正弦波在內(nèi)部剛好和塔形波相切；5)塔形波被切去多余部份后的實(shí)體，剛剛好是輸出的正弦波電壓Va ；6)塔形波切下來的多余部份打散、揉合，變換成正弦波電壓Vb，與前述Va同時(shí)輸出，產(chǎn)生輸出電壓Vo的前IOms波形；
7)正弦波后IOms面積處理方法同上，產(chǎn)生輸出電壓Vo的后IOms波形。圖11是4階微分逆變器實(shí)際電路，左右兩部份電路完全對稱。對于左部份電路說來，從Oms開始，功率MOS管Q4開通(V2高電平)，電源正電壓V4通過Q3、Q6、Q8、Q11的體內(nèi)二極管對電容Cl、C3、C5、C7充電，都充至四分之一電源電壓；IOms后，Q4關(guān)斷，MOS管Q9 開通，電容C7、C5、C3、C1分別通過Qll和D6、Q8和D3、Q6和D1、Q3依次對負(fù)載Rl放電，放電時(shí)間依次遞減，遞減時(shí)間按正弦規(guī)律變化，在負(fù)載電阻Rl上產(chǎn)生正的寶塔波電壓。對于右部份電路說來，從10ms，的MOS管Q2開通(VI低電平)，電源負(fù)電壓V6通過Q1、Q5、Q7、Q10的體內(nèi)二極管對電容C2、C4、C6、C9充電，都充至四分之一電源電壓；IOms 后，Ql關(guān)斷，MOS管Q12開通，電容C9、C6、C4、C2分別通過QlO和D6、Q7和D4、Q5和D2、 Ql依次對負(fù)載Rl放電，放電時(shí)間依次遞減，遞減時(shí)間按正弦規(guī)律變化，在負(fù)載電阻Rl上產(chǎn)生負(fù)的寶塔波電壓。右部份電路開關(guān)的動(dòng)作時(shí)間全部滯后左部份電路10ms，則加在Q9、Q12 漏極是對稱的寶塔波電壓，圖13是寶塔波的仿真波形。MOS管Q8、Q12組成了圖8所示的電壓切割電路，加在Q9、Q12漏極的正負(fù)對稱寶塔波電壓，由加在柵極的正弦波V12切割，切下一個(gè)正弦饅頭波以后，剩下來的是8個(gè)小直角三角形，其總面積比S= (I-Sinx)要小得多。上述微分逆變過程分兩步，第一步由C1-C7、C9組成的電容網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生如圖13所示的寶塔波電壓，第二步以Q9、Q12柵極正弦波電壓V12為刀，從寶塔波電壓內(nèi)部切割寶塔波， 恰好使得寶塔波內(nèi)部的直角和正弦波相切，于是，把寶塔波在外部的直角全部切下來，剩下的部份形成了完整的正弦波電壓。由電容網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的寶塔波電壓，實(shí)際上是四個(gè)微分電壓的疊加，設(shè)正弦波幅值為 1，把正弦波在Y軸上分成N等分，以每一等分的下底作長方形，這些長方形疊加后形成了寶塔波電壓，由于正弦波電壓完全由微分電壓疊加而成，故稱微分逆變器，由幾個(gè)微分疊加， 就稱幾階微分逆變，這里的逆變器由四個(gè)微分疊加而成，故稱四階微分逆變器，微分逆變的階數(shù)，也是電容網(wǎng)絡(luò)中電容器的個(gè)數(shù)。圖12的仿真波形是正弦電壓波從其內(nèi)部切割寶塔電壓波的全過程，圖14是經(jīng)過正弦波切割后的輸出電壓Vsin。
具體實(shí)施例方式圖15是微功耗不間斷電源實(shí)用電路，由Q3、Q8組成的正負(fù)雙向整流升壓器與圖6 電路相同，其中充電恒流、恒壓電源由Q3、Q8等組成的正負(fù)整流升壓器完成，蓄電池充電部份由Q1、Q2和Q19、Q20等組成無損充電機(jī)完成，逆變部份由Q12、Q13、Q14、Q16、Q17、Q18等組成的三相微分逆變器完成。單相交流電壓V4以倍壓整流方式進(jìn)入A、B兩點(diǎn)，正負(fù)對稱整流升壓器完成正負(fù)直流電壓的升壓、穩(wěn)定、恒流、恒壓，輸入直流電壓的穩(wěn)定和升壓。恒流功能是檢測電阻Rll上的直流電壓完成的，根據(jù)輸入正負(fù)對稱直流電壓的高低，選擇最佳充電電池的個(gè)數(shù)N，選擇的原則是使得N個(gè)蓄電池的端電壓等于或高于輸入直流電壓，這樣整流升壓器可以根據(jù)電阻Rll上的直流電壓調(diào)整充電流達(dá)恒定值，如果N個(gè)蓄電池的端電壓低于輸入直流電壓，則充電電流將會(huì)失去控制。恒壓功能是檢測C、D兩點(diǎn)的直流電壓完成的，根據(jù)各種蓄電池不同的端電壓，確定恒流轉(zhuǎn)恒壓、恒壓充電的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，根據(jù)輸入正負(fù)對稱直流電壓的高低，選擇最佳充電電池的個(gè)數(shù)N，選擇的原則與上述恒流的情況相同。
圖15所示輸入電壓是單相倍壓整流電路，正負(fù)對稱310V，如果是正負(fù)對稱直流電壓，直接接入A、B兩點(diǎn)，如果是三相交流電壓，以三相雙半波整流方式接入A、B兩點(diǎn)。整流升壓電路產(chǎn)生的恒流、恒壓電源直接進(jìn)入由Ql、Q2和Q19、Q20組成的無損充電部份，由Q12、Q13、Q14、Q16、Q17、Q18等組成的三相微分逆變器從E、F兩點(diǎn)獲得電池正負(fù)對稱直流電壓，這里寶塔波電壓產(chǎn)生電路和電壓切割電路省略，逆變原理已于前述，無損充電機(jī)屬現(xiàn)有技術(shù)。圖16是微功耗不間斷電源寶塔波電壓仿真波形(8階)，圖17是寶塔波被正弦波切割過程的仿真波形，當(dāng)寶塔波階數(shù)N = 8時(shí)，所切下來的小三角形總面積已經(jīng)非常小。圖11是當(dāng)N = 16時(shí)寶塔波電壓的仿真波形，從圖可以看到，用正弦波來切割這個(gè) 16階寶塔波時(shí)，所切割下來的小三角形總面積更小。幾點(diǎn)說明1)整流升壓器產(chǎn)生補(bǔ)償電壓為Vc = I-Sinx,占輸出總功率的很小部份，其余絕大部份功率并不參加實(shí)際的功率變換，占總功率很小部份的功率進(jìn)行功率變換，產(chǎn)生的功率損耗非常小，所以整流升壓器的效率接近100%。2)微分逆變器采用電容網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生寶塔波電壓，然后用正弦波切割寶塔波，寶塔波產(chǎn)生的過程，只有功率MOS管和功率二極管的飽和壓降，電壓切割過程所切下來的小三角形總面積非常小，這些小面積進(jìn)行功率變換的功率損耗非常小，所以微分逆變器的效率接近 100%。3)微功耗不間斷電源的充電部份采用無損充電機(jī)，可便蓄電池壽命大大提高，可充分利用蓄電池容量，而不會(huì)影響整機(jī)效率。
權(quán)利要求
1.一種微功耗不間斷電源，其特征是微功耗不間斷電源由整流升壓器和微分逆變器組成，輸入市電和蓄電池都接在整流升壓器上，微分逆變器接在整流升壓器之后。
2.如權(quán)利要求1所述的微功耗交流穩(wěn)壓器，其特征是整充升壓器由場效應(yīng)管Q1、Q2， 電感Li，電容Cl組成，場效應(yīng)管Ql的漏極接電容Cl的正極，其源極接場效應(yīng)管Q2的漏極， 場效應(yīng)管Q2的源極接地，電感Ll 一端接場效應(yīng)管Ql的源極，一端接電容Cl的負(fù)極，電容 Cl的負(fù)極構(gòu)成端點(diǎn)Vi，輸入電壓接在Vi和地之間，輸出電壓Vo由電容Cl的正極輸出。
3.如權(quán)利要求1所述的微功耗不間斷電源，其特征是微分逆變器由一個(gè)電壓切割電路和一個(gè)N階電容網(wǎng)絡(luò)組成，N階電容網(wǎng)絡(luò)的輸出端接電壓切割電路的輸入端。
4.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求3所述的微功耗不間斷電源，其特征是電壓切割電路由場效應(yīng)管Q9、Q12組成，它們的源極接在一起，通過電阻Rl接地，電容C8和電阻Rl并聯(lián)，場效應(yīng)管Q9的漏極接電容網(wǎng)絡(luò)的正極，場效應(yīng)管Q12的漏極接電容網(wǎng)絡(luò)的負(fù)極，場效應(yīng)管Q9、 Q12的驅(qū)動(dòng)信號V12是幅值310V的正弦波信號。
5.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求3所述的微功耗不間斷電源，其特征是N階電容網(wǎng)絡(luò)由正、負(fù)雙臂組成，a)電容網(wǎng)絡(luò)的正臂由電容(1丄3、05、07和場效應(yīng)管03、06、08、011組成，電容Cl的正極接場效應(yīng)管Q3的源極，場效應(yīng)管Q3的漏極接二極管Dl的陰極，電容C3的正極接場效應(yīng)管Q6的源極，場效應(yīng)管Q6的漏極接二極管Dl的陽極和電容Cl的負(fù)極，電容C5的正極接場效應(yīng)管Q8的源極，場效應(yīng)管Q8的漏極接二極管D3的陽極和電容C3的負(fù)極，電容C7 的正極接場效應(yīng)管Qll的源極，場效應(yīng)管Qll的漏極接二極管D5的陽極和電容C5的負(fù)極， 電容C7的負(fù)極接地，二極管D1、D3、D5的陰極同時(shí)接電容網(wǎng)絡(luò)的正極，即場效應(yīng)管Q9的漏極；b)電容網(wǎng)絡(luò)的負(fù)臂由電容C2、C4、C6、C9和場效應(yīng)管Ql、Q5、Q7、QlO組成，電容C2的負(fù)極接場效應(yīng)管Ql的源極，場效應(yīng)管Ql的漏極接二極管D2的陽極，電容C4的負(fù)極接場效應(yīng)管Q6的源極，場效應(yīng)管Q5的漏極接二極管D2的陰極和電容C2的正極，電容C6的負(fù)極接場效應(yīng)管Q7的源極，場效應(yīng)管Q7的漏極接二極管D4的陰極和電容C4的正極，電容C9 的負(fù)極接場效應(yīng)管QlO的源極，場效應(yīng)管QlO的漏極接二極管D3的陰極和電容C6的正極， 電容C9的正極接地，二極管D2、D4、D6的陽極同時(shí)接電容網(wǎng)絡(luò)的負(fù)極，即場效應(yīng)管Q12的漏極；c)輸入正直流電壓V4的負(fù)極接地其正極接場效應(yīng)管Q4的漏極，場效應(yīng)管Q4的源極接場效應(yīng)管Q9的漏極，輸入負(fù)直流電壓V6的正極接地，其負(fù)極接場效應(yīng)管Q2的漏極，場效應(yīng)管Q2的源極接場效應(yīng)管Q12的漏極；d)柵極驅(qū)動(dòng)信號V1、V2是市電同步方波信號，正臂驅(qū)動(dòng)信號V13、V10、V8、V5和負(fù)臂驅(qū)動(dòng)信號VII、V9、V7、V3也是市電同步方波信號，但脈寬以每2ms遞減，延時(shí)以每Ims遞增， 場效應(yīng)管Q9、Q12的驅(qū)動(dòng)信號V12是幅值310V的正弦波信號。
全文摘要
微功耗不間斷電源采用整流升壓器和微分逆變器，實(shí)現(xiàn)了不間斷電源的全部功率。該微功耗不間斷電源的最大特點(diǎn)是，只要把輸入功率中極小部份進(jìn)行功率變換，就可以得到全部輸出功率，即輸入功率中極大部份既不必進(jìn)行實(shí)際的功率變換，也不必通過磁芯變壓器或電感傳遞，直接到達(dá)輸出端，成為輸出功率，主功率器件工作在工頻，不產(chǎn)生EMI干擾，電路簡單，因此功耗極小而壽命極長，成本、體積、重量、功耗都是傳統(tǒng)不間斷電源的十分之一。
文檔編號H02M7/537GK102263429SQ20111017375
公開日2011年11月30日 申請日期2011年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月24日
發(fā)明者郁百超 申請人:郁百超