《电子技术应用》
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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
陈晓琴
(江苏海事职业技术学院 电气工程系,江苏 南京211170)
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。
中图分类号: TN86
文献标识码: A
文章编号: 0258-7998(2011)11-0070-03
A new single-phase on-line UPS with low cost and high performance
Chen Xiaoqin
Electrical Engineering Deptartment,Jiangsu Maritime Institute, Nanjing 211170,China
Abstract: This paper presents the design considerations and performance analysis of a new single-phase on-line uninterruptible power supply(UPS) system with low cost owing to the reducing number of switches. The proposed new UPS system consist of an integrated rectifier/boost converter with power factor correction(PFC) capabilities and a two-leg inverter connected to the DC-Link bus. The battery sets are directly connected to the DC-Link bus resulting in a very simple system. The proposed topology uses only 6 active switches reducing the cost of the system compared to the traditional 8 switch topologies. It has sinusoidal input current with unity power factor and high quality output voltage even with nonlinear loads. Detailed circuit operation and analysis as well as simulation and experimental results are presented.
Key words : on-line UPS;low cost;PFC;UPS


    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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[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.
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[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.