《电子技术应用》

一种新型的低成本高性能在线式UPS

来源:电子技术应用2011年第11期 作者:陈晓琴
2011/12/30 10:55:17

摘  要: 提出了一种新型的低成本单相在线不间断电源(UPS)。该系统包括具有功率因数校正(PFC)功能的整流/升压转换器和连接到DC-Link总线的两桥臂逆变器,电池组通过一个非常简单的系统可直接连接到DC-Link总线。采用6开关管的架构,相对于传统的8开关管全桥拓扑结构的系统降低了成本。即使在非线性负载下,该系统仍具有功率密度高和高品质输出电压的特点。最后详细描述了电路操作、分析以及模拟和实验结果。
关键词: 在线式UPS成本低;功率因数校正;不间断电源系统

    不间断电源UPS能够消除电网干扰,为用户提供不间断的高质量的电能。UPS通常可以分为在线式(on-line)、后备式(off-line)和在线互动式(line-interactive)三种类型。其中在线式UPS可向用户的负载提供纯净、稳压、无频率突变(稳频)、抗干扰和波形失真极小的全天候高质量正弦波,满足了对电源高质量、高可靠性的需求,因此被广泛应用于国民经济各个领域之中[1-3]。随着个人电脑的普及以及计算机网络技术、通信技术的发展,主要用于个人电脑的单相在线式小功率(1 kVA~3 kVA)UPS的市场需求量也相应地急剧增加。考虑到个人电脑的价格成下降趋势,这种小功率UPS对成本的要求也极为苛刻[4-6]。
    传统的单相在线式UPS有全桥和半桥两种拓扑结构,分别如图1、图2所示。全桥UPS拓扑采用8开关管结构,输入、输出级分别形成两个全桥变换器,输入级的全桥变换器实现功率因数校正(PFC)功能,输出级的全桥变换器与输出LC滤波器组成一个全桥逆变器。从安全角度出发,所有UPS产品的输入侧与输出侧必须是电气隔离的,或者输入端与输出端有一公共点相连。因此,在实际产品中,8开关管全桥拓扑的UPS在输出侧都带有隔离变压器,以实现UPS与负载的电气隔离,并对输出电压的直流分量有一定的抑制作用。与全桥拓扑的UPS相比,半桥拓扑的UPS具有以下优点:结构简单,采用更少的功率开关器件,无需隔离变压器,并且仍然可以实现PFC功能以及对非线性负载有较好的适应性。因此其广泛地应用在中小功率UPS市场。然而,由于UPS储能电池直接接在DC-bus上,为了满足系统的高直流Bus电压要求,不得不串联比全桥拓扑更多的电池模块(2倍)。更多的电池模块大大增加了系统的体积、重量以及整机成本,并且串联电池数量的增加也降低了系统的可靠性[7-12]。

    针对传统的全桥和半桥拓扑UPS的特点,本文提出了一种三桥臂6开关管的新型单相UPS。这种UPS结合了全桥拓扑UPS低Bus电压以及半桥拓扑UPS无需输出隔离变压器的优点,为低成本、高功率密度的单相UPS提供了一种可选方案[13-15]。
1 三桥臂拓扑UPS
    本文所提出的6开关管三桥臂UPS如图3所示,第一桥臂和第二桥臂(S1~S4)组成了升压部分(Boost),实现UPS的PFC以及给电池组充电的功能(AC/DC)。同时第二桥臂和第三桥臂(S3~S6)组成了系统的降压部分(Buck),实现UPS的输出逆变功能(DC/AC)。

    与图1所示的全桥UPS架构相比,本文所提出的三桥臂UPS的第二桥臂(S3,S4)共用了全桥UPS中的第二桥臂(S3,S4)以及第三桥臂(S5,S6),并构成了输入侧和输出侧的一个公共点。因此三桥臂UPS的中间桥臂的控制用来解耦输入侧和输出侧。
    根据三桥臂UPS工作原理,可以分为正、负两个半周对其独立控制。下面以图4所描述三桥臂UPS在一个工频周期正半周期开关的工作情况为例详述其工作原理。当在输入电压的正半周期工作时,第一桥臂的开关管S2做PWM斩波工作,开关管S1与S2互补斩波,同时第二桥臂的上管S3关断,下管S4互补导通。输入电感L1、开关管S2以及S1的反并联二极管与C1一起组成了正半周期的Boost变换器,实现输入侧的PFC以及充电器功能(AC/DC)。相应的第三桥臂的上管S5工作在PWM斩波状态,下管S6与S5互补斩波。开关管S5与S6的反并联二极管以及输出滤波器L2、C2一起组成了正半周的Buck变换器,来实现输出侧的逆变功能(DC/AC) 。负半周的工作情况与正半周相似,仅仅是同一桥臂的上,下管的开关状态与正半周时互换即可,在此不再赘述。


    表1是三桥臂UPS拓扑与传统的采用全桥,半桥拓扑的单相UPS的比较。相比可见,三桥臂UPS拓扑采用了较少的开关管,并且输入、输出侧有一公共点相连,不需要额外的隔离变压器,Bus电压较低,仅采用一组电池组,因此整机系统体积、成本、重量都是最低的。

2 三桥臂PWM控制方法
    随着数字信号处理技术的飞速发展,数字控制技术已经成为UPS的发展方向之一。数字控制UPS抗干扰能力强,工作稳定可靠,系统升级维护方便。此外,由于数字控制方法灵活,更易于实现UPS的并联运行,较模拟控制具有更大优势[16-19]。
    基于TI公司的2407系列DSP的三桥臂UPS数字控制系统原理框图如图5所示。采样UPS的输入电压信号做数字同步锁相(PLL),并判断控制正、负半周三桥臂开关管的逻辑信号。
    图 6是第一桥臂两开关管S1、S2的控制框图。采用数字PFC控制方式,采样Bus直流电压值、输入电压以及输入电感电流信号做电压、电流双环PI控制。
    图7是第二桥臂两开关管S3、S4的控制框图。采样输入电压信号做同步、锁相(PLL),开关管S3、S4根据输入电压的相位变化做互补的工频开关动作,交替导通。
    图8是第三桥臂两开关管S5、S6控制框图。采样输出电压和输出电感电流信号做电压,电流双环PI控制,输出电压环做平均值控制,电流环做瞬时值控制,以提高输出电压THD以及对负载的适应性[4]。

3 试验结果
    基于以上所提的三桥臂UPS拓扑,建立了一个3 kVA的原理样机,用实验证明控制方法的正确性,实验系统参数如表2所示。

    图9、图10分别是系统突加、突卸负载时的输出电压和电流波形。从实验结果可见,系统稳态和动态过程均有较好的表现。

      本文提出了一种新型的单相三桥臂UPS,相比于传统的全桥、半桥单相UPS拓扑,所提出的三桥臂UPS拓扑具有成本低,体积小,功率密度高等优点。对其工作原理及控制方式做了详细的描述,最后通过实验进一步验证了所提出的拓扑及控制方案的可行性。

参考文献
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[2] HIRACHI K,SAKANE M,MATSUI T,et al.Cost-effective  practical developments of high-performance and multifunctional UPS with new system configurations and their specific control implementations[C].IEEE PESC, 1995:480-485.
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[4] 翟立辉,张东来,罗勇,等.单相UPS逆变控制技术研究[J].通讯电源技术, 2005,22(1): 4-7.
[5] 姚为正,王兆安,孙良坤,等.一种采用高频PWM整流电路的大功率不间断电源[J].继电器,2001,29(6):38-37.
[6] 林新春,刘方锐,张宇,等.UPS中直流电容电压纹波分析与抑制[J].电力电子技术,2007,41(7):53-55.

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