多级Boost级联升压电源装置及其控制方法与流程

背景技术：目前，电源装置通常用于保障各种用电设备停电之后继续工作一段时间，以使用户能够进行紧急处理，例如在计算机领域中，用户能够及时的保存数据，使用户不会因为停电而影响工作或丢失数据。电源装置在计算机系统、网络和通信系统等各种实际应用中，可以作为应急电源来使用，防止突然断电而影响正常工作，给系统造成损害。为了提升产品的竞争力，降低体积和增加功率密度已经成为UPS的发展趋势。而在目前的1至3KVA功率段的在线式UPS产品中，电池的DC/DC升压模块通常使用的是推挽拓扑，转换效率普遍较低；另一方面在电池模式时，它需要一个充电器来为电池充电，而这充电器模块就大大增加了产品的体积。为了改进目前的情况，我们设计了一种新的拓扑一多级Boost级联升压电路，即采用多个Boost电路进行级联来完成升压，可用它来取代推挽拓扑。同时使用新的拓扑，我们不在需要额外的充电器模块，因为此电路具备双向DC/DC的转换功能，可实现对电池充电。对于1至3KVA功率段的在线式UPS电源产品，电池串联使用的节数较少，导致直流母线电压比电池总电压高处许多，于是需要较高的升压比来完成DC/DC的转换，若采用单级Boost电路来完成升压是很难满足要求的，所以我们考虑应用两级甚至多级升压电路来解决此问题。此电路在电池模式中可以起到DC/DC的正常升压作用，而在在线模式中可以实现充电器的功能对电池进行充电，因此它省掉了额外的充电器，这样为我们 降低体积提供了可能；另外，新拓扑所用的器件对比推挽拓扑来说相对较少，同时具备更高的系统效率和更低的设计成本。

技术实现要素：为实现前述目的，本发明提供了一种多级Boost级联升压电源装置的控制方法，所述电源装置包括：交流/直流转换单元，输入端连接交流输入电源，将交流电源转换为直流电源；直流/直流转换单元，其输入连接所述交流/直流转换单元的输出，将直流输入电源转换成特定的直流电源；直流/交流转换单元，其输入连接所述直流/直流转换单元的输出，将直流电源转换成所需的交流输出电源；直流母线电容，连接于所述直流/直流转换单元与直流/交流转换单元之间，用于储存直流/直流转换单元所输出的直流电能；充电升压单元，通过开关元件连接到所述电源装置，用于对电池充电以及对电池提供的电能进行升压，其特征在于，所述方法包括：当处于在线模式中时，控制开关元件将充电升压单元经由第三升压电感L5连接在直流母线电容的两端，利用直流母线电容的能量通过充电升压单元对电池充电，或者连接到交流/直流转换单元的输出端，利用交流/直流转换单元的输出能量通过充电升压单元对电池充电；以及当处于电池模式中时，控制开关元件将充电升压单元连接在直流/直流转换单元的输入端，对电池提供的能量进行多级升压，从而为直流母线电容提供能量。优选地，当处于在线模式中时，利用直流母线电容的能量通过充电升压单元对电池充电包括：充电升压单元工作在降压工作模式，由直流母线电容储存的直流电能降压后对电池充电。优选地，当处于在线模式中时，利用交流/直流转换单元的输出能量通过充电升压单元对电池充电，包括：充电升压单元工作在降压工作模式，由交流/直流转换单元的输出整流电容降压后对电池充电。优选地，当处于电池模式中时，对电池提供的能量进行多级升压包括：由充电升压单元对电池提供的能量进行初次升压，然后由直流/直流转换单元进行二次升压。优选地，充电升压单元包括第二升压电感，第三功率开关管和升压电容，对电池提供的能量进行初次升压包括：该功率开关管导通使电池将能量提供给该第二升压电感，而后关闭该功率开关管使电池和该第二升压电感为该升压电容提供能量。优选地，所述直流/直流转换单元包括：第一升压电感和第一功率开关管，由直流/直流转换单元进行二次升压包括：该功率开关管导通使前述升压电容通过开关元件为第一升压电感提供能量，然后关闭该功率开关管，由该升压电容和第一升压电感为直流母线电容提供能量。本发明提供了一种多级Boost级联升压电源装置，所述电源装置包括：交流/直流转换单元，输入端连接交流输入电源，将交流电源转换为直流电源；直流/直流转换单元，其输入连接所述交流/直流转换单元的输出，将直流输入电源转换成特定的直流电源；直流/交流转换单元，其输入连接所述直流/直流转换单元的输出，将直流电源转换成所需的交流输出电源；直流母线电容，连接于所述直流/直流转换单元与直流/交流转换单元之间，用于储存直流/直流转换单元所输出的直流电能；以及充电升压单元，通过开关元件连接到所述电源装置，用于对电池充电以及对电池提供的电能进行升压；其中，当处于在线模式中时，电源装置控制开关元件将充电升压单元经由第三升压电感连接在直流母线电容的两端，利用直流母线电容的能量通过充电升压单元对电池充电，或者连接到交流/直流转换单元的输出端，利用交流/直流转换单元的输出能量通过充电升压单元对电池充电；以及当处于电池模式中时，电源装置控制开关元件将充电升压单元连接在直流/直流转换单元的输入端，对电池提供的能量进行多级升压，从而为直流母线电容提供能量。优选地，当处于在线模式中时，电源装置利用直流母线电容的能量通过充电升压单元对电池充电包括：充电升压单元工作在降压工作模式，由直流母线电容储存的直流电能降压后对电池充电。优选地，当处于在线模式中时，电源装置利用交流/直流转换单元的输出能量通过充电升压单元对电池充电，包括：充电升压单元工作在降压工 作模式，由交流/直流转换单元的输出整流电容降压后对电池充电。优选地，当处于电池模式中时，电源装置对电池提供的能量进行多级升压包括：由充电升压单元对电池提供的能量进行初次升压，然后由直流/直流转换单元进行二次升压。优选地，充电升压单元包括第二升压电感，第三功率开关管和升压电容，对电池提供的能量进行初次升压包括：该功率开关管导通使电池将能量提供给该第二升压电感，而后关闭该功率开关管使电池和该第二升压电感为升压电容提供能量。优选地，所述直流/直流转换单元包括：第一升压电感和第一功率开关管，由直流/直流转换单元进行二次升压包括：该功率开关管导通使前述升压电容通过开关元件为第一升压电感提供能量，然后关闭该功率开关管，由该升压电容和第一升压电感为直流母线电容提供能量。优选地，充电升压单元包括：开关元件、升压电容、第二功率开关管、第三功率开关管、第二升压电感、和电池，具体连接关系为，控制开关元件将充电升压单元接在直流母线电容的两端，开关元件经由第三升压电感连接到直流母线电容的一端，开关元件连接升压电容的一端且连接第二功率开关管的集电极，升压电容的另一端连接直流母线电容的另一端、第三功率开关管的发射极、电池负极以及第一功率开关管的发射极，第二功率开关管的发射极连接第二升压电感的一端以及第三功率开关管的集电极，第二升压电感的另一端连接电池正极；或者控制开关元件将充电升压单元接在直流/直流转换单元的输入端，开关元件经由第一升压电感连接到第一功率开关管的集电极和直流母线二极管的阳极，直流母线二极管的阴极连接到直流母线电容的一端，开关元件连接升压电容的一端，升压电容的另一端连接直流母线电容的另一端、第三功率开关管的发射极、电池负极以及第一功率开关管的发射极，开关元件连接第二功率开关管的集电极，第二功率开关管的发射极连接第二升压电感的一端以及第三功率开关管的集电极，第二升压电感的另一端连接电池正极。附图说明下面对本发明结合附图做详细描述，这样它的目的、优点及其它新颖的特征将变得更加明显。图1为根据本发明优选实施方式的多级Boost级联升压电源装置的结构示意图；图2为根据本发明优选实施方式的多级Boost级联升压电源装置在在线模式下的AC/DC的电路动作图；图3为根据本发明优选实施方式的多级Boost级联升压电源装置在在线模式下的DC/AC的正半周期电路动作图；图4为根据本发明优选实施方式的多级Boost级联升压电源装置在在线模式下的DC/AC的负半周期电路动作图；图5为根据本发明优选实施方式的多级Boost级联升压电源装置在在线模式下的为电池充电的电路动作图；图6为根据本发明优选实施方式的多级Boost级联升压电源装置在电池模式下的第一级升压的电路动作图；图7为根据本发明优选实施方式的多级Boost级联升压电源装置在电池模式下的第二级升压的电路动作图；以及图8为根据本发明优选实施方式的多级Boost级联升压电源装置在旁路模式下的电路动作图。附图标记Q1至Q7带有体二极管的功率开关管L1第一升压电感L2第一逆变电感L3第二逆变电感L4第二升压电感L5第三升压电感C1直流母线电容C2升压电容C3逆变电容C4整流电容BAT电池D1直流母线二极管具体实施方式现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。除非另有说明，此处使用的“一”、“一个”、“所述”和“该”也包括复数形式。此外，应当理解的是，本说明书中使用的术语“包括”、“包含”和/或“含有”，指定了一些特征、实体、步骤、操作、单元、和/或元件，但并不排除一个或多个特征、实体、步骤、操作、单元、元件和/或有它们组成的组。应当理解的是，当单元被称为“连接”或“耦合”到另一个单元时，它可以是直接和另一单元连接或耦合，也可以存在中间单元。此外，此处所指的“连接”或“耦合”包括无线连接或耦合。此处使用的术语“和/或”包括一个或以上所列相关项目的任意组合和全部组合。除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。首先，先了解一下本电源装置的结构示意图，如图1为所示，它是根据本发明优选实施方式的多级Boost级联升压电源装置的结构示意图。本电源装置包括：交流/直流转换单元A、直流/直流转换单元B、直流/交流 转换单元C以及充电升压单元D。下面分别对这四个单元的结构和功能进行说明：1、交流/直流转换单元由全桥整流器和整流电容C4组成；其输入端连接交流输入电源装置，由所述交流输入电源装置提供交流输入。此外，全桥整流器的输入端通过输入电源的继电器(即IPRelay)连接到输入电源的EMI滤波器(即IPEMI)。优选地，整流电容C4的两端分别连接在全桥整流器的输出端。2、直流/直流转换单元由第一升压电感L1、带有体二极管的第一功率开关管Q1、直流母线二极管D1以及直流母线电容C1组成，也可以称为简单的单级Boost电路。当第一功率开关管Q1导通时，前述整流电容C4为第一升压电感L1进行能量的存储，当第一功率开关管Q1关断时，直流母线二极管D1导通，前述整流电容C4和第一升压电感L1为直流母线电容C1充电，这就实现了简单的直流/直流转换。3、直流/交流转换单元本实施例中此单元也可以称为全桥逆变电路，其包括带有体二极管的功率开关管Q2、Q3、Q4和Q5，第一逆变电感L2和第二逆变电感L3，以及逆变电容C3。其中功率开关管Q2、Q3和Q4、Q5分别构成全桥逆变电路的两个桥臂，且这四个功率开关管均带有体二极管。直流/交流转换单元的输入为前一级直流/直流转换单元B的输出，即将直流母线电容作为输入，它实现将直流电到交流电的转换。4、充电升压单元本单元包括带有体二极管的第二功率开关管Q6和第三功率开关管Q7、第二升压电感L4、单掷双刀的开关元件(即SWITCH)、升压电容C2和电池BAT。优选地，所述开关元件可以是电池继电器(BATRelay)。充电升压单元是本发明的重点，这个单元具有两个功能，其中一个功能是它可完成处于电池模式下，由电池提供电能进行第一次升压，再配合前述直流/交流转换单元进行第二次升压后，对直流母线电容C1充电；以及另 一功能是处于在线模式中时，为电池充电，也即此电路具备双向直流/直流转换的功能。所述充电升压单元的具体连接关系为：开关元件连接在全桥整流器的输出端或经由第三升压电感L5连接到直流母线电容C1的一端，从而控制充电升压单元连接全桥整流器的输出端，或经由第三升压电感L5连接到直流母线电容C1的一端。开关元件连接升压电容的一端，升压电容C2的另一端连接直流母线电容C1的另一端、第三功率开关管Q7的发射极以及电池负极；开关元件连接第二功率开关管Q6的集电极，第二功率开关管Q6的发射极连接第二升压电感L4的一端以及第三功率开关管Q7的集电极，第二升压电感L4的另一端连接电池正极。当处于在线模式中时，控制开关元件将充电升压单元经由第三升压电感L5连接在直流母线电容C1的两端，利用直流母线电容C1的能量通过充电升压单元对电池充电，或者连接到交流/直流转换单元的输出端，利用交流/直流转换单元的输出能量通过充电升压单元对电池充电。当处于电池模式中时，控制开关元件将充电升压单元接在直流/直流转换单元的输入端，对电池提供的能量进行多级升压，从而为直流母线电容C1提供能量。当充电升压单元实现升压功能时，系统控制该开关元件连接到第一升压电感L1的一端。由第二升压L4、第三功率开关管Q7，升压电容C2及第二功率开关管Q6的体二极管组成第一级Boost电路，电池(BAT)作为第一级Boost电路的输入。当系统控制第三功率开关管Q7导通时，电池将能量提供给第二升压电感L4，然后第三功率开关管Q7关断时，电池和第二升压电感L4经由第二功率开关管Q6的体二极管为升压电容C2提供能量。从而，为升压电容C2充电，实现电路的第一级升压功能，接着由直流/直流转换单元的第一升压电感L1、第一功率开关管Q1、直流母线二极管D1及直流母线电容C1组成第二级Boost电路。升压电容C2作为输入，为直流母线电容C1充电，从而完成电路的最后升压功能；当充电升压单元实现充电功能时，系统控制该开关元件连接到第三升 压电感L5的一端，此时直流母线电容C1为升压电容C2提供能量，由第二功率开关管Q6、第二升压电感L4、电池BAT以及第三功率开关管Q7的体二极管组成BUCK电路，即为降压电路。升压电容C2作为输入，从而实现为电池充电的功能。很明显，充电时的电路复用升压时的第一级Boost电路，只是部分器件开关状态存在改变，也即是电路存在双向转换功能。此外，除了上面所描述的四个单元外，所述电源装置还包括交流输入电源装置IP和交流输出电源装置OP等。输入装置由输入滤波器(即IPEMI)和输入继电器(即IPRelay)组成，实现交流电源的输入和滤波等作用；而输出装置由旁路继电器(即BYPRelay)和输出滤波器(即OPEMI)等组成，完成交流电源的滤波和输出等功能。其次，在对本发明的电源装置的结构有一定的了解后，接着介绍关于它的电路动作，根据交流输入电源的状况可以分为下列几种模式进行说明，下面结合本发明的优选实施方式来描述：一、在线模式(LineMode)本发明针对额外的充电器使电源装置的体积过大并且单级升压电路难以满足升压要求等的问题，提出了一种多级Boost级联升压电源装置的拓扑结构。根据本发明的优选实施方式，提供一种多级升压电路，所述电路在电池模式中起到多级升压的作用，使用电池串联的节数较少，而且在在线模式中可完成对电池进行充电，因此其省掉了额外的充电器。在线模式时，AC/DC电路动作图如图2所示，图2为根据本发明优选实施方式的多级Boost级联升压电源装置在在线模式下的AC/DC的电路动作图。充电升压单元工作在降压工作模式，由交流/直流转换单元的输出整流电容降压后对电池充电。首先，当第一功率开关管Q1设置为导通状态时，交流输入电源装置的输入电源由整流电容、第一升压电感L1、第一功率开关管Q1形成回路，如图2中实箭头线所示，此时第一升压电感L1储存能量。然后，将功率开关管Q1设置为截止状态，第一升压电感L1通过直流母线二极管D1、直流母线电容C1和整流电容形成回路，如图2 中的虚箭头线所示，此时整流电容C4和第一升压电感L1释放能量，对直流母线电容C1进行充电，从而实现AC/DC和DC/DC的转换。在在线模式下，它还要进行DC/AC的转换，DC/AC的电路动作如图3和图4所示，图3和图4根据本发明优选实施方式的多级Boost级联升压电源装置在在线模式下的DC/AC的电路动作图。根据优选的实施方式，在正半周期内，保持全桥逆变电路中的功率开关管Q5导通而功率开关管Q4截止，当功率开关管Q2导通时，直流母线电容C1、功率开关管Q2、第一逆变电感L2、逆变电容C3、第二逆变电感L3、功率开关管Q5形成回路，如图3中的实箭头线所示，此时直流母线电容C1释放能量，第一和第二逆变电感储存能量，而当功率开关管Q2截止时，第一逆变电感L2、逆变电容C3、第二逆变电感L3、功率开关管Q5及功率开关管Q3的体二极管形成回路，如图3中的虚箭头线所示，此时第一和第二逆变电感释放能量，逆变输出正半周波形。而在输出的负半周期内，保持全桥逆变电路中的功率开关管Q4导通而Q5截止，当功率开关管Q3导通时，直流母线电容C1、功率开关管Q3、第一逆变电感L2、逆变电容C3、第二逆变电感L3、功率开关管Q4形成回路，如图4中的实箭头线所示，此时直流母线电容C1释放能量，逆变电感储存能量。而当功率开关管Q3截止时，第一逆变电感L2、逆变电容C3、第二逆变电感L3、功率开关管Q4及功率开关管Q2的体二极管形成回路，如图4中的虚箭头线所示，此时逆变电感释放能量，逆变输出负半周波形。注意的是当控制方式不同时，电路的导通情况也不同，同时Q2和Q3不能同时导通，Q4和Q5也不能同时导通。除上以外，在在线模式下，充电升压单元同样可以工作，此时主要是完成对电池的充电功能。如图5所示，在在线模式下，多级Boost级联升压电源装置的充电升压单元可以连接在直流母线电容C1的两端，也可以连接在交流/直流转换单元的输出端，既整流电容C4的两端，所述连接由诸如电池继电器(即BATRelay)的开关元件进行切换。两者的区别在于在电池充电时，前者的能量由直流母线电容C1提供，后者由整流后的直 流电提供，本文以前者为例进行说明。当诸如电池继电器的开关元件通过第三升压电感L5连接到直流母线电容C1时，此时第三功率开关管Q7截止，系统通过控制第二功率开关管Q6导通和截止来完成对电池的充电，电路动作为：当第二功率开关管Q6导通时，升压电容C2、第二功率开关管Q6、第二升压电感L4以及电池形成回路，如图5的左侧实箭头线回路所示，此时升压电容C2提供能量，第二升压电感L4储存能量，同时为电池充电。然而升压电容C2的能量可以通过开关元件和第三升压电感L5来由直流母线电容C1提供，如图5的右侧实线回路所示。当第二功率开关管Q6截止时，第二升压电感L4、功率开关管Q7的体二极管以及电池形成回路，如图5的虚箭头线所示，第二升压电感L4释放能量为电池充电。二、电池模式(BATMode)另外，当市电出现故障(例如市电掉电)时，电源装置将失去交流输入。为了维持电源的输出，此时需要进入由电池进行供电的电池模式。同时，本发明针对电池串联个数少时，单级升压电路难以满足升压要求的问题，提出了一种多级Boost级联升压电路拓扑，从而完成了电池电压向直流母线电压的顺利转换，维持了电源的持续输出。因此，根据本发明的优选实施方式，当市电故障无法提供交流输入时，多级Boost级联升压电源装置需要使用内部的电池来暂时提供能量，并将所述能量转换为交流输出。此时系统控制诸如电池继电器(BATRelay)的开关元件连接到第一升压电感L1的一端。下面给出采用两级升压方式的实施方式，但是所属领域的技术人员应当了解，本发明并不限于两级升压结构，升压的级数可以根据实际需求来更改。在电池模式下，电池需要经过两级升压电路，第一级升压的电路动作如图6所示，图6是根据本发明优选实施方式的多级Boost级联升压电源装置在电池模式下的第一级升压的电路动作图。此时第二升压电感L4、第三功率开关管Q7，升压电容C2及第二功率开关管Q6的体二极管组成第一级Boost电路，电池(BAT)作为电路的输入，为升压电容C2充电， 电路动作为：当第三功率开关管Q7导通时，第二升压电感L4、第三功率开关管Q7以及电池形成回路，如图6的虚箭头所示，电池释放能量，第二升压电感L4储能；当第三功率开关管Q7截止时，电池、第二升压电感L4、功率开关管Q6的体二极管及升压电容C2形成回路，如图6的实箭头所示，电池和第二升压电感L4一起释放能量，升压电容C2进行储能，从而完成第一级升压。当完成第一级升压后，系统将进一步完成第二级升压，第二级升压的电路动作如图7所示。图7是根据本发明优选实施方式的多级Boost级联升压电源装置在电池模式下的第二级升压的电路动作图。此时第一升压电感L1、第一功率开关管Q1、直流母线二极管D1及直流母线电容C1组成第二级Boost电路，电路动作和第一级升压动作如下：当第一功率开关管Q1导通时，第一升压电感L1、第一功率开关管Q1以及升压电容C2形成回路，如图7的实箭头所示，升压电容C2释放能量，第一升压电感L1储能；当第一功率开关管Q1截止时，升压电容C2、第一升压电感L1、直流母线二极管D1及直流母线电容C1形成回路。如图7的虚箭头所示升压电容C2和第一升压电感L1释放能量，直流母线电容C1进行储能，从而完成第二级升压，进而完成电池向直流母线电容C1的能量转换。除此之外，在电池模式下还要完成DC/AC的转换，其工作原理与在线模式时的DC/AC的转换相同，如图3和图4所示，具体请参考在线模式中DC/AC转换的描述。从上所知，在电池模式下，第一级升压电路复用充电电路，第二级升压电路完全复用在线模式下的直流/直流转换单元B，因此通过本发明的优选实施方式的电路拓扑结构，不但可以省掉额外的充电器，同时提高了电源的效率，还缩小了电源装置的体积和节约了电源装置的成本。三、旁路模式(BYPMode)除在线模式和电池模式外，旁路模式也为常用的模式，本发明优选实施方式的多级Boost级联升压电源装置在旁路模式下的电路动作如图8所示。当需要由市电进行直接供电或者AC/DC、DC/DC及DC/AC中的某个 单元等出现问题时，此时可以将交流输入电源直接连接到输出来维持电源的输出。当处于在线模式或电池模式时，旁路继电器与逆变电容C3的两端连接，而当处于旁路模式时，旁路继电器与逆变电容C3的两端断开，直接接入整流输入电路的两端，具体动作图如图8所示，旁路继电器将交流输入电源直接接入输出EMI滤波器，分别将输出电源的L线和N线与交流输入的L线和N线连接。如上已经通过参考少量实施例详细地描述了本发明。然而，在本领域的技术人员众所周知，正如附带的专利权利要求所限定的，本发明除了以上公开的外，其它的实施例等同地落在本发明的范围内。通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。