作为UPS关键部件的充电器与UPS的许多指标密切相关。文章提出了UPS充电器的设计要求，将UPS按功率大小划分，分别为它们选择了合适的充电器拓扑，并分析了工作原理，指出了存在的不足。

    1 在线式UPS的组成

    随着电子技术的飞速发展，各种各样的电器设备越来越多，而这其中的大部分都是非线性负载，即它们从电网汲取的电流波形与电压波形不一样。这无疑给电网带来了大量的谐波以及其他的公害，使供电的质量变得较差。另一方面，一些重要的用电部门（如机场、医院、银行）和一些重要的用电设备（如计算机、通信设备）对供电质量的要求越来越高，不仅要求不停电，还要求电压、频率、波形质量良好，避免受到电网的干扰，具备一个净化的电源环境。这就使负载与电网供电质量之间的矛盾日益加剧。为解决这一矛盾，UPS供电系统迅猛发展并普及起来。

    随着计算机、各种办公设备、精密电子仪器的普及，UPS得到了广泛的应用。现在应用较多的是在线式UPS，当市电正常时，电网电压一路经过整流模块AC/DC、逆变模块DC/AC，得到所需的正弦电压或准方波电压供给负载，另一路通过充电模块给电池充电；市电异常时，电池通过DC/DC模块、DC/AC模块，输出正弦电压或准方波电压，给负载供电；如果UPS异常，电网直接通过旁路给负载供电，如图1所示。

    2 UPS充电器的设计要求

    UPS的市电输入电压范围较宽，以输出220V的UPS为例，输入电压为110-270V,充电器从市电取得这个范围的输入电压，输出还要达到一定的功率。充电器接入UPS后，会加大输入电流的谐波失真，THDI升高，对THDI要求较高的UPS，有必要再充电器中加入功率因数校正环节，使输入电流失真变小，输入市电有高压脉冲和浪涌，脉冲持续几毫秒，高达七八百伏，浪涌是微妙级但高达4000V，他们会给充电器带来瞬间高达几百安培的电流冲击，这对充电器是很大的考验。中功率ULPS的电池节数不固定，从几节到几十节可变，充电器输出电压从几十伏到几百伏可变，输出电压如此宽泛，在设定的每个输出电压处，要求对输入电压和输出负载的变化都有良好的响应，输出电流（充电电流）纹波也要比较小，这样输出端不再需要耐高压和高纹波电流的滤波电容。单端反激拓扑有隔离变压器和输出整流二极管，降低了效率，因此它难以应用于中大功率的充电器。输出功率也是充电器设计需要考虑的，当然功率也很重要。作为UPS重要部件之一的充电器，不得不考虑成本。归纳一下有如下设计要求：
    （1） 要求输入电压宽泛；
    （2） 充电器的THDI值小，且能承受一定市电脉冲和浪涌；
    （3） 宽范围可调节的输出电压，输出电流波纹较小；
    （4） 对输入电压和输出负载有良好响应；
    （5） 达到设计的功率要求；
    （6） 效率较高；
    （7） 成本较低。

    3 小功率UPS充电器拓扑的选择

    以某公司的1～3kVA功率等级的UPS为例，一般选择单端反击拓扑结构作为充电器，变压器原副边同名端相反，输入从市电直接获取，经过整流滤波器后得到正弦半波电压，再变换为所需的输出电压，如果按照不连续模式设计，变压器原边电感值较小且输出端无电抗元件，控制系统对输入电压和输出负载的响应要很快。

    图2为该拓扑结构，当VT₁导通时，以输入电压正半周为例，输入电流由L端经VD₂、变压器VR₁原边VT₁、R₁和VD₄回到N端，TR原边产生上正下负的电压，原边电压为U_i（U_i为市电整流后的半波电压），副边极性相应产生下正上负的电压，二极管VD₅承受反向电压而截止，VD₅承受电压为（N_s/N_p）U_i+U_B；VT₁截止时，为使磁芯工作点顺利返回，变压器原边产生下负上正电压，则副边电压为上正下负，副边电流通过VD₅向电池充电。原边相应电压为下正上负，U₁=-（N_p/N_s）U_B，则VT₁承受电压为（N_p/N_s）U_B+U₁。根据原边线圈的伏秒平衡，得：

 
    但是，变压器带来磁滞损耗和绕线损耗，另外输出电流波纹较大，整体效率不高，VT₁导通时输出靠滤波电容C₁维持，要用大容量的滤波电容。

    小功率UPS的充电器根据充电电流的打消设计成模组和充电板，为满足UPS紧凑化的要求，降低成本，把充电器设计在功率板上将是一种选择，输入从母线电压获取，如图3所示。

    DC/DC和充电器利用一个拓扑实现，即推挽正激电路（见图4），它在推挽电路的基础上变更了线阻N₁、N₂与开关管VT₁、VT₂的为之，增加了一个储能电容C₁。为了形成双向电路，在高压侧增加一个开关管VT₄，低电压侧增加一个辅助充电绕组和开关管VT₃，形成正激充电电路，给电池充电。电路I1路径如图4所示。充电时，VT₃一直打开，VT₄进行PWM调制，绕组N5电压大于电池电压，给电池充电；对于电池模式下的推挽正激电路，以VT₁管和N₁支路为例，当VT₁管开通时，电流通过N₁、VT₁，在绕组N₄感应出电压给电容C₂充电；VT₁关闭瞬间，电流通过N₁、C₁、VT₂体内二极管续流，当VT₂开通时，C₁电流功过N₁、VT₂放电，在绕线N₃感应出电压给C₂充电，路径见图中Ｉ₂。C₁电容在VT₁、VT₂关断时刻储能，当相应对管开通时刻放电，由此提高了效率，限制了开关管关断时漏极电压过大。这种拓扑尤其适合低电压大电流场合，因此可以减少电池节数，降低成本。另外，提高了变压器的利用率，充电时充电器输出端没有接输出电感，充电电流波纹过大。

    4 中功率UPS充电器拓扑选择

    一般UPS的电池节数是固定的，像1kVA的UPS配备2或3节电池，3kVA的UPS配备6或8节，10kVA配备16或20节，中功率UPS所配备的电池节数较多，时间长了，难免有电池损坏，要求相对应的充电器电压能做出调整。某品牌10kVA UPS，电池在12-24节数范围可调，对应充电器输出电压范围为164-328V，单端反激拓扑输出电压几乎不可能在此宽范围可调，为此设计了BOOST-BUCK变换器，如图5所示。

    前级采用BOOST结构，把市电升到400V，市电经整流桥后得到直流脉动电压，VT₁导通时，L₁上电流增加，并储存能量，VD₅承受反向电压而截止，滤波电容C₂给负载提供能量；VT₁截止时，市电通过L₁和VD₅对电池充电，并给负载提供能量，输入和输出关系见式(2)。后级采用BUCK结构，它把输入端400V降到所需的充电电压，VT₂导通时，VD₅承受反向电压截止，输入经过L₂给电容C₂充电，并提供能量给负载，VT₂截止时，电感电流经过VD₆续流，L₂和C₂共同负载提供能量，输入输出关系见式（3），联立式（2）和式（3）可得充电器输入输出关系，见式（4），D₁不变，D₂可变。

    结束语

    小功率UPS不要求宽范围的输出电压，希望对输入电压和输出负载有良好相应，单端反激拓扑能满足此要求，尽管其输出功率和效率不高；推挽正激拓扑同时实现了充电器和DC/DC的功能，减低了整机成本；中功率UPS则希望充电器输出电压可调，BOOST-BUCK和BOOST-半桥都是明智的选择；大功率UPS采用模块化结构，对THDI和输入功率因数等指标要求很高，输入取自母线电压的BUCK变换器拓扑简单实用，当然，BOOST一半桥在缩减模块体积方面表现突出。