完美无谐波多电平ZVS UPS的原理电路如图5所示(市电旁路开关未画出)。它是由18相三重叠加市电输入整流电路,直流电源SPWM级联式ZVS软开关多电平逆变器组成的,在图5所示的UPS电路中,没有使用输入或输出交流滤波器,这是本UPS的特点。对于图5中的三相直流电源SPWM级联式ZVS软开关多电平逆变器,当采用图6所示的控制电路(稳压控制电路部分未画出)对其进行控制时,就可以得到三相7电平SPWM正弦波交流电压输出,输出电压的波形如图7所示。这是一种输入输出波形最接近于正弦波,使用开关器件最少、开关损耗最小的一种新型ZVS 7电平 UPS。

图5  三相完美无谐波多电平ZVS UPS的原理电路(B、C相与A相同,市电旁路开关未画出)

图6  图5所示UPS电路的控制电路(稳压控制电路部分未画出)

3.1 输出电压方程式的推导

三相完美无谐波多电平ZVS UPS,采用的是载波三角波移相SPWM控制方式,其工作波形如图7所示。3个载波三角波uc1～uc3的初相位角依次滞后2π/3,假定uc1的初相位角α1=0°,则uc2的初相位角α2=2π/3,uc3的初相位角α3=4π/3。uc1～uc3共用一个正弦调制波uS4。用载波三角波uc1与正弦调制波usA进行比较,在usA>uc1部分产生的SPWM控制脉冲去控制开关SA1。使2HA逆变器的输出电压为up1;用uc2与usA进行比较,在usA>uc2部分产生的SPWM控制脉冲去控制开关SA2,使2HA的输出电压为up2;用uc3与usA进行比较,在usA>uc3部分产生的SPWM控制脉冲去控制开关SA3,使2HA的输出电压为up3,则A相UPS的输出电压uA=up1+up2+up3。

载波三角波uc1的表示式为:

k=0, ±1, ±2, …

正弦调制波表示式为:

假定载波比   调制度 

则直流电源E1通过2HA的输出电压up1的双重傅里叶级数表示式由参考文献[2]可得

由于sinm(π-0)+ sinm(π-2π/3)+ sinm(π-4π/3)=0，cosm(π-0)+ cosm(π-2π/3)+ cosm(π-4π/3)= ±3或0. 当m为3的奇次倍时等于(-3),当m为3的偶次倍时等于(+3),当m为3的整数倍以外的数时等于0,所以:

由uA的表示式可知,在A相输出电压uA中,将会消除掉3F±1次以下的谐波和m<3以下的载波谐波,只包含3F±1次以上的谐波和m>3以上的载波谐波。当载波比F=120时,可以消除3×120±1=360±1次以下的谐波,故可以称为完美无谐波UPS。

图7  UPS交流输出电压的波形图

3.2 派生电路及其参数

图5所示的三相完美无谐波ZVS UPS电路,是每相独立直流电源个数N=3的一种UPS电路，这是为了叙述方便而设定的,当N=2、3、4、5时UPS所用独立直流电源个数、叠加开关IGBT个数、2H桥用GTO或SCR个数，市电输入整流电源型式、uA输出电压的通用表示式及输出电压的电平数，如表2所示。设计者可以根据不同的要求进行选择，一般地说，N越大输出电压的波形越接近于正弦，但电路也最复杂，成本也越高，通常选用N=3就可以了。当N=5时，A相输出电压的仿真波形如图8所示，可以看出，它是非常接近于正弦波形的。

表2  UPS的参数结构与N的关系

图8  当N=5时,输出电压uA的仿真波形

4 结束语

本文所介绍的完美无谐波多电平ZVS UPS,采用了三项最新技术:在逆变器部分,采用了我们独自研制的直流电源SPWM级联式多电平逆变技术。它把级联叠加和SPWM控制与逆变器分开,移到了直流电源的叠加控制开关上实现,达到了减少元器件数目(特别是开关器件的数目)和减少开关损耗的目的,并使2H桥逆变器中的开关管自然工作在ZVS状态,为低速开关器件GTO或SCR的应用创造了条件。对于逆变器中的直流电源叠加控制开关SA1～SA3采用了准谐振ZVS软开关技术,使开关损耗进一步减少。市电输入整流电源采用了相应的18相三重叠加整流电源,使输入功率因数提高。综合起来,通过上述三项新技术的应用,使得本文介绍的UPS具有以下特点:

(1)具有完美的输入、输出波形,无需附加任何的滤波装置,就可以满足各国供电部门对谐波的严格要求,实现了UPS的绿色革命。

(2)全部实现了ZVS零电压软开关,减小了开关损耗与EMI,最大限度地提高了逆变效率,使总效率可以达到97.5%以上。

(3)具有优良的抗浪涌能力。

(4)可以使市电输入功率因数达到0.98以上。

(5)与其他多电平逆变器相比,所用元器件数目最少,减少了制造成本。

(6)控制简单、动态响应快、体积重量小。

(7)适合于中、大功率UPS应用,是当前中、大功率绿色UPS的发展方向。