5.2 无输出变压器UPS 的电路形式

　　无输出变压器UPS视设计功率的大小，所用的具体电路形式也不尽相同，这里仅就大功率UPS的主电路结构形式(见图5.6)来讨论它是如何完成三相四线输出和系统升压功能的。

　　图5.6主要表示了与是否需要变压器这一论题有关的电路框图，输入部分是IGBT-PFC整流电路，后面部分是三相半桥逆变电路，中间是电池配置示意图。这里电池组用了两组384V电池组(浮充工作电压400V左右)，串联后直接跨接在直流母线上。下面主要叙述IGBT-PFC整流电路和三相半桥逆变电路的工作状态。

　　图5.6无输出变压器UPS的主电路结构

　　(1)无输出变压器UPS是如何向负载提供三相四线制电压的

　　图5.6中，输出半桥逆变电路由三组IGBT桥臂组成，每组与公用电容(电池)电路组成单相半桥逆变器。三个半桥电路可独立输出功率，由他们形成的三个50HZ单相正弦波电压彼此相差120º，所以只一个半桥电路的工作过程，就可了解三相电路的工作状态。

　　如图5.7所示。我们分析其工作过程时，先按输出电压正半周和负半周把它分解为两个降压型开关电路(Buck)。在输出电压的正半周时，降压开关电路由开关管VT1、续流二极管VD2和电感L组成。VT1导通时电容C1上的正电压(400V)通过电感L向负载输出功率，电感L中的电流线性上升;当VT1由导通转为截止后，由于电感L的续流作用，感应电压使VD2导通，续流电流流经电容C2，其电流方向实际上是给电容C2充电。在输出电压的负半周时，降压开关电路由开关管VT2、续流二极管VD1和电感L组成。VT2导通时，电容C2上的负电压(-400V)通过电感L形成输出电压的负半周，电感L中电流线性上升，VT2由导通转为截止后，由于电感的续流作用使二极管VD1导通，其电流方向实际上是给电容C1充电。在电路中，输出电容C是容量不大的交流滤波电容器，设置它的主要目的是与电感L一起滤除逆变器高频(例如15KH左右)开关脉动电压和干扰成分，当开关管的控制波形按正弦规律变化(SPWM)时，输出电压肯定是平滑的正弦波。

　　图5.7 单相半桥逆变器的等效电路及工作过程

　　由以上工作过程分析可知，三个半桥电路可分别输出三个稳定的正弦波电压，控制电路使三个稳定的正弦波电压相位差为120º，于是就形成了三相四线制输出，公共零线则是由直流母线的电容中点引出，而无需再配置输出隔离变压器。

　　(2)PFC技术可同时完成输入功率因数校正和升压功能

　　采用高频整流技术(IGBT-PFC)同时完成对输入功率因数校正和提升电压的功能，是无输出变压器UPS电路技术的另一重要的标志性的特点。

　　图5.8是单相升压式(Boost)电路原理。与一般AC/DC整流变换所不同的是，在桥式整流与大容量直流电容之间加入了PFC电路环节，该环节由电感L、开关管VT和二极管VD以及相应的控制电路组成，控制电路接收输入电压波形频率和相位、输入电流波形和数值、输出直流电压幅值3种反馈信号，并以PWM方式控制开关管的导通和截止，其工作过程如下：

　　功率开关管VT导通时，二极管VD因反向偏置而截止，输入电压通过开关管VT向电感L充磁，电感电流(即此时的输入电流)IL的变化规律直接取决于电感L值和此时的输入电压瞬时值，其增加值则同时与L值、此时刻输入电压的瞬时值及开关管导通时间有关。开关管VT截止时，由于电感L的续流作用而感应一个电压叠加在输入电压上，使二极管VD正向导通，电感L将贮存的磁能转化为电能向电容C2充电并向负载输出，输入电流IL下降，IL下降速率与电感L值、此时刻输入电压瞬时值，以及负载(即直流电压U2的输出负载)大小有关，其减小值除取决于以上因素外，还与开关管VT的截止时间有关。显然，当输入电压U1以正弦规律变化时，控制电路以PWM方式对开关管VT进行控制，当工作频率足够高(例如15~20kHz)时，输入电流必然是一个与输入电压同相且波形相同的正弦波。

　　图5.8输入功率因数校正(PFC)原理框图 图5.9六开关三相PFC原理电路

　　对于三相输入的大功率传统双变换UPS，其输入电路是三相整流形成统一的直流母线(同时配备一组蓄电池)，输入功率因数校正和升压原理与单相相似，如图5.9所示。每个桥路由上下两只开关管及与其反并联的二极管组成，每相电流可通过该相桥臂上的这两只开关管控制。如A相电压为正时，VT4导通使电感La上电流ia增大，电感La充电储能;VT4关断时，电感La感应电压叠加在输入电压UA上(升压)，使与VT1并联的二极管VD1导通，电流ia通过VD1流向负载，在电感能量释放过程中电流ia逐渐减小。同样A相电压为负时，可通过VT1和VT4反并联的二极管VD4对电流ia进行控制。

　　六开关三相PFC原理电路的输入电压是380V，峰值是537V，所以此电路升压后的输出直流电压可升至800V(±400V)，此值正是UPS输出三相半桥电路所需要的直流母线电压。