典型雙變換UPS的電壓變換原理簡析

UPS是如何把市電的380V交流電變換成逆變器輸出的380V交流電，并在這一變換過程中保持輸出電壓基本不變，是很多數(shù)據(jù)中心UPS用戶經(jīng)常疑惑的問題。

1、相控整流UPS的電壓變換原理

下圖1 為三相相控整流UPS輸出的拓?fù)湓砜驁D。整流器采用6脈沖相控三相橋式電路，逆變器為三相IGBT橋式電路，具有一個輸出隔離變壓器，變壓器的初級做三角型連接，由三相全橋的三個橋臂中點做三相線電壓輸入，變壓器次級為星型連接，產(chǎn)生新的零線按三相四線制向負(fù)載供電。為了UPS轉(zhuǎn)靜態(tài)旁路時也能正常供電，輸出變壓器產(chǎn)生的零線必須與旁路系統(tǒng)輸入的零線連接在一起。

圖 1

市電正常時，調(diào)整可控硅的觸發(fā)相角，實現(xiàn)整流器輸出直流電壓的調(diào)節(jié)，對電池充電，同時為IGBT結(jié)構(gòu)的橋式逆變器供電。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以看出，從整流到逆變的過程中，每個環(huán)節(jié)都是降壓環(huán)節(jié)：可控硅整流是為了提供恒定的直流電壓而采取的一種整流方式，由于可控硅整流要“斬掉”一部分輸入電壓，如圖1 所示，所以其輸出電壓恒定的代價是輸出電壓恒定在低于全波整流輸出電壓的某個數(shù)值上。

而逆變環(huán)節(jié)同樣是一個降壓環(huán)節(jié)，從可控整流輸入來的直流電在通過逆變器逆變出正弦交流電的過程中通常采用的是正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）方法，其結(jié)果同樣是輸出電壓等級的再次降低。正是由于上述的原因，在此種結(jié)構(gòu)的UPS逆變器中，輸出變壓器起著電壓匹配和提升的作用，將逆變器輸出的電壓升至到合理的輸出范圍。

在實際應(yīng)用中，輸出變壓器通常采用下圖的接法，變壓器初級是三角型，對于沒有升降壓作用的隔離變壓器，三個初級線圈的電壓都是380V，次級是星型，三個次級線圈的電壓都是220V，那么初次級線圈的匝比應(yīng)該是：N1: N2=1:0.577

當(dāng)要求輸出相電壓為穩(wěn)定的220V時，變壓器原邊的峰值電壓（即直流電壓E）應(yīng)該是：220V ×1.414×1.732=538.8V

圖 2

考慮到逆變器PWM工作方式，為逆變器供電的直流電壓要高于變壓器原邊的峰值電壓，最小極限值通常取變壓器原邊峰值電壓1.2倍左右，即：538.8V×1.2=646.56V

但是，當(dāng)考慮輸入電壓下限變化10%時，輸入三相線電壓全波整流的最高直流電壓的理論值是：380V×1.414×0.9=483V

實際上考慮到AC/DC轉(zhuǎn)換過程的降壓因素，大中型UPS的電池（直接跨接在直流母線上）通常配置32～34節(jié)，額定電壓為384V～408V，浮充電壓（即AC/DC變換后的直流母線電壓）為432V～459V，電池放電下線電壓為340V～362V。

UPS直流母線電壓的下限值（340V～362V）與輸出電壓要求的變壓器原邊的峰值電壓（646.56V）之間的差別就應(yīng)該由輸出變壓器采用升壓方法來解決，所以，輸出變壓器的升壓比應(yīng)該是 ：646.56V/（340V～362V），即1.9～1.78。

也就是說，輸出變壓器的實際匝比應(yīng)該是：1:1.9或1:1.78。

以上數(shù)據(jù)是按一般情況推算的，實際情況與不同的電路結(jié)構(gòu)形式有直接的關(guān)系，輸出變壓器的參數(shù)和接法也不盡相同，但不管電路差別有多大，輸出變壓器總是通過原付邊匝比的變化起著匹配逆變器輸入電壓與UPS輸出電壓的升壓作用，同時輸出變壓器還起到將逆變器輸出的三相三線輸出轉(zhuǎn)換成三相四線輸出的作用。

**2、IGBT整流UPS的電壓變換原理 **

IGBT整流UPS分為具有升壓變壓器和無升壓變壓器兩種，具有升壓變壓器的IGBT整流UPS的升壓原理與相控整流UPS完全相同。本文僅對無變壓器UPS的升壓原理加以說明。

無輸出變壓器UPS視設(shè)計功率的大小，所用的具體電路形式也不盡相同，這里僅就大功率無輸出變壓器UPS的主電路結(jié)構(gòu)形式來討論它是如何完成三相四線輸出和系統(tǒng)升壓功能的。

圖 3的輸入部分是IGBT-PFC整流電路，后面部分是三相半橋逆變電路，中間是電池配置示意圖。這里電池組用了兩組400V電池組，串聯(lián)后直接跨接在直流母線上。當(dāng)然也可用一組400V電池組，那么就需要在直流母線和電池組之間配置一個獨立的可雙向工作的DC/DC變換器，市電正常時，由800V降壓給電池組充電，當(dāng)市電停電時，反向升壓給半橋逆變器提供800V工作電壓。

下面主要敘述IGBT-PFC整流電路和三相半橋逆變電路的工作狀態(tài)。

圖 3

圖3中，輸出半橋逆變電路由三組IGBT橋臂組成，每組與公用電容（電池）電路組成單相半橋逆變器。三個半橋電路可獨立輸出功率，由他們形成的三個50Hz單相正弦波電壓彼此相差120o，所以只要看一下一個半橋電路的工作過程，就可了解三相電路的工作狀態(tài)。

如圖4所示，假定橋臂的上面的IGBT用VT1和VD1表示，下面的IGBT用VT2和VD2表示,與電池并連的電容分別是C1和C2，續(xù)流電感為L。

圖 4

圖4所示為主逆變器逆變狀態(tài)等效電路及工作過程。我們分析其工作過程時，先按輸出電壓正半周和負(fù)半周把它分解為兩個降壓型開關(guān)電路（Buck）。在輸出電壓的正半周時，降壓開關(guān)電路由開關(guān)管VT1、續(xù)流二極管VD2和電感L組成。VT1導(dǎo)通時電容C1上的正電壓（400V）通過電感L向負(fù)載輸出功率，電感L中的電流線性上升；當(dāng)VT1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止后，由于電感L的續(xù)流作用，感應(yīng)電壓使VD2導(dǎo)通，續(xù)流電流流經(jīng)電容C2，其電流方向?qū)嶋H上是給電容C2充電。在輸出電壓的負(fù)半周時，降壓開關(guān)電路由開關(guān)管VT2、續(xù)流二極管VD1和電感L組成。VT2導(dǎo)通時，電容C2上的負(fù)電壓（-400V）通過電感L形成輸出電壓的負(fù)半周，電感L中電流線性上升，VT2由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止后，由于電感的續(xù)流作用使二極管VD1導(dǎo)通，其電流方向?qū)嶋H上是給電容C1充電。

在電路中，輸出電容C是容量不大的交流濾波電容器，設(shè)置它的主要目的是與電感L一起濾除逆變器高頻（15KH左右）開關(guān)脈動電壓和干擾成分，當(dāng)開關(guān)管的控制波形按正弦規(guī)律變化（SPWM）時，輸出電壓肯定是平滑的正弦波。

由圖4所示的工作過程和輸出電壓波形可知，三個半橋電路可分別輸出三個穩(wěn)定的正弦波電壓，控制電路使三個穩(wěn)定的正弦波電壓相位差為120o，于是就形成了三相四線制輸出，公共零線則是由直流母線的電容中點引出，而無需再配置輸出隔離變壓器。

無輸出變壓器UPS是如何完成輸入功率因數(shù)校正和升壓功能？

采用高頻整流技術(shù)（IGBT-PFC）同時完成對輸入功率因數(shù)校正和提升電壓的功能，是無輸出變壓器UPS電路技術(shù)的另一重要的標(biāo)志性的特點。PFC技術(shù)已經(jīng)很成熟，根據(jù)不同的應(yīng)用場合和不同的性能要求，其電路拓?fù)湫问揭膊槐M相同，但其基本原理是是相同的，具有功率校正功能的電路有降壓式、升/降壓式、反擊式、升壓式（Boost）四種形式，在UPS設(shè)備中，為了同時完成對輸入功率因數(shù)校正和提升電壓的功能，自然就采用了升壓式（Boost）電路。

圖5 是單相升壓式（Boost）電路原理。圖中的C1為高頻小容量電容器，用以消除開關(guān)管在高頻開關(guān)時產(chǎn)生的傳向電網(wǎng)的干擾。C2是大容量直流電解電容器。與一般AC/DC整流變換所不同的是，在橋式整流與大容量直流電容之間加入了PFC電路環(huán)節(jié)，其目的是使輸入電流跟隨輸入電壓按正弦規(guī)律同相位變化。PFC環(huán)節(jié)由電感L、開關(guān)管VT和二極管VD以及相應(yīng)的控制電路組成，控制電路接收輸入電壓波形頻率和相位、輸入電流波形和數(shù)值、輸出直流電壓幅值3種反饋信號，并以PWM方式控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，其工作過程如下：功率開關(guān)管VT導(dǎo)通時，二極管VD因反向偏置而截止，輸入電壓通過開關(guān)管VT向電感L充磁，電感電流（即此時的輸入電流）IL的變化規(guī)律直接取決于電感L值和此時的輸入電壓瞬時值，其增加值則同時與L值、此時刻輸入電壓的瞬時值及開關(guān)管導(dǎo)通時間有關(guān)。

開關(guān)管VT截止時，由于電感L的續(xù)流作用而感應(yīng)一個電壓疊加在輸入電壓上，使二極管VD正向?qū)?，電感L將貯存的磁能轉(zhuǎn)化為電能向電容C2充電并向負(fù)載輸出，輸入電流IL下降，IL下降速率與電感L值、此時刻輸入電壓瞬時值，以及負(fù)載（即直流電壓U2的輸出負(fù)載）大小有關(guān)，其減小值除取決于以上因素外，還與開關(guān)管VT的截止時間有關(guān)。顯然，當(dāng)輸入電壓U1以正弦規(guī)律變化時，控制電路以PWM方式對開關(guān)管VT進(jìn)行控制，時，輸入電流必然是一個與輸入電壓同相且波形相同的正弦波。

圖 5

對于三相輸入的大功率無變壓器UPS，其輸入電路是三相整流形成統(tǒng)一的直流母線（同時配備一組蓄電池），輸入功率因數(shù)校正和升壓原理與單相相似，電路形式有由三個單相PFC組合式、單開關(guān)三相PFC、三開關(guān)三相PFC、六開關(guān)三相PFC等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式。圖中的輸入電路就是六開關(guān)（IGBT）三相PFC原理電路。

六開關(guān)三相PFC是由六只開關(guān)功率器件組成的三相PWM整流電路，圖6是其原理電路。每個橋路由上下兩只開關(guān)管及與其反向并聯(lián)的二極管組成，每相電流可通過該相橋臂上的這兩只開關(guān)管控制。如A相電壓為正時，VT4導(dǎo)通使電感La上電流ia增大，電感La充電儲能；VT4關(guān)斷時，電感La感應(yīng)電壓疊加在輸入電壓UA上（升壓），使與VT1并聯(lián)的二極管VD1導(dǎo)通，電流ia通過VD1流向負(fù)載，在電感能量釋放過程中電流ia逐漸減小。同樣A相電壓為負(fù)時，可通過VT1和VT4反并聯(lián)的二極管VD4對電流ia進(jìn)行控制。

圖 6

六開關(guān)三相PFC原理電路的輸入電壓是380V，峰值是537V，所以此電路的輸出直流電壓可升至800V（±400V），此值正是UPS輸出三相半橋電路所需要的直流母線電壓。