刘凤君
　　
　　（中国航天二院北京100039）
　　
　　摘要：本文介绍了UPS绿色革命的改革方法和改进技巧。
　　　　
　　　　

5 高频UPS的总体改革
　　
　　上节所述的高频UPS的级联叠加法，虽然可以在不增加开关损耗的条件下大大增加了UPS的消谐波能力，但是仍然存在着如下的不足之处：
　　
　　①级联叠加高频UPS电路，仍然是以三相半桥式两电平SPWM逆变器为基础的，因此它的消谐波能力仍然不很高，不如用三电平逆变器好。
　　
　　②电路中的所有开关都是工作在硬开关状态，因此开关损耗仍然偏大。
　　
　　③du/dt大，EMI大。
　　
　　④所用开关器件较多。
　　
　　⑤虽然可以加入软开关电路，但比较复杂。
　　
　　由于上述缺点的存在，必须要对高频UPS进行总体技术改革。改革的方法是：将输入端的三相半桥式BoostSPWM高频开关整流器，用高频BoostSPWMPFC级联叠加式多电平整流器取代；将输出端的三相半桥式两电平SPWM逆变器用直流电源SPWM级联叠加式多电平逆变器取代。改革后的高频UPS电路如图9和图10所示。

其中图9为单相(A相)电路，图10为用图9的A相单相电路构成三相电路的连接图。下面以图9所示的单相电路为例来介绍改革后高频UPS的原理。
　　
　　(1) 直流电源SPWM级联叠加式多电平逆变器
　　
　　直流电源采用PSCPWM控制的级联叠加式多电平逆变器的电路如图9的右侧所示，这是一种PSCPWM控制在直流电源实现的一种二极管叠加式多电平逆变器[4]，级联叠加的个数N=3(一般N=3~5就可以了)。这种逆变器不用设置死区，其主体电路是由在直流电源进行PSCPWM控制的级联叠加电源电路，和后面的GTO2H桥逆变电路两部分组合而成的。在PSCPWM控制的直流电源级联叠加电路中，N个载波三角波的移相角α=，对于图9所示的电路N=3，故载波三角波的移相角α=。假定载波三角波uC1的初相位角α1=0°，则载波三角波uC2的初相位角α2=120°，uC3的初相位角α3=240°。用uC1~uC3与一个共用的正弦调制波usa进行比较，所产生的三个脉宽调制脉冲，分别去控制叠加控制开关S1′~S3′。用uC1与usa进行比较，在usa>uC1部分产生的脉冲去控制开关S1′，使直流电源E1的输出电压波形为Ud1；用uC2与usa进行比较，在usa>uC2部分产生的脉冲去控制开关S2′，使E2的输出电压波形为Ud2；用uC3与usa进行比较，在usa>uC3部分产生的脉冲去控制开关S3′，使E3的输出电压波形为Ud3。这样，三个独立直流电源E1=E2=E3的输出电压Ud1~Ud3通过叠加二极管D1′~D3′叠加后的直流电压为UdA=Ud1+Ud2+Ud3是一个类似于单相全桥整流器输出电压的三电平PWM直流电压波形如图9所示。这里需要说明的一点是，二极管的叠加原理是利用叠加二极管D1′~D3′的单向导电特性实现的，当二极管的正极电位比负极电位高时，处于正偏置状态，二级管导通，反之二极管处于反偏置状态，二极管关断。通过对叠加开关S1′~S3′的通、断控制，就可以控制二极管的偏置状态，以实现直流电源E1~E3有选择的叠加。UdA经过由S4~S7组成的GTO2H桥的同步逆变后，就可以得到交流七电平PWM电压波形输出。由图9中UdA的波形可知，其过零点的电压等于零，因此2H侨中的四个逆变开关是工作在ZVS零电压软开关状态，故可以选用廉价的GTO做开关。为了减少开关损耗，叠加控制开关S1′~S3′与谐振电感电容Lr、Cr组成了软开关如图9下部所示。
　　
　　图9右侧所示逆变器的输出电压uA进波形与独立直流电源的级联叠加个数N有关，
　　
　　
　　此逆变器的消谐波能力是N个三相半桥式SPWM逆变器级联叠加法的2倍。
　　
　　(2)高频BoostSPWMPFC级联叠加式多电平整流器
　　
　　高频BoostSPWMPFC级联叠加式多电平整流器的电路如图9的左侧所示，它是由N=3个单相BoostSPWMPFC级联叠加而成的A相高频开关整流器。其中L为Boost储能电感，也是直流输入平衡电感，用于升压储能和保持输入电流的连续，S1~S3为各个单相PFC的控制开关。当控制开关导通时L储能，当开关关断时L放能，并和市电一起向蓄电池充电。开关S1~S3受ia1~ia3波形的反相脉冲控制，使市电输入电流ia的波形与输出电压uA的波形相同，并与市电电压同相位，使输入与输出端的消谐波能力相同。与图7所示UPS电路相比较，当级联叠加的个数N相同时，图9所示UPS电路要比图7所示UPS电路的消谐波能力增大了一倍。图7与图9电路所用开关数目与开关损耗的比较如表4所示。由表4可知图9与图7所示UPS电路相比较有以下优点：
　　
　　①所用开关器件的数目，当N=3~6时要少6~24个，特别是工作在PWM开关状态的开关器件数目要少18~36个。
　　
　　②当N=2~6时，开关损耗要少50%~25%。
　　
　　③当N=2时虽然所用开关器件的数目相同，但工作在PWM开关状态的开关器件数目要少12个，开关损耗要少50%
　　
　　④消谐波能力增加了一倍。
　　
　　由以上优点说明，图9所示的高频UPS电路，是当前最好的一种绿色UPS电路，是现代高频UPS发展的方向。
　　
　　6 对于串-并联补偿式UPS
　　
　　串-并联补偿式UPS，是上个世纪90年代初期出现的，这种UPS实质上就是在电能质量综合补偿器中加入蓄电池构成的，或者说是由交流净化稳压电源与并联式电力有源滤波器串联后加入蓄电池构成的。其电路如图11所示。

这种UPS不再按全功率变换方式工作，而是按照电能参量如电压、电流等的变化参量(Delta量)进行补偿的部分功率变换方式工作的。这种部分功率的变换量大约只有UPS总容量的15%~20%。因此串-并联补偿式UPS具有较强的过载能力，并把电流的峰值系数提高到了5:1以上，这是这种UPS的最大优点。其缺点是：
　　
　　①不能实现输出频率不等于工频的变频UPS应用，也不能实现相数变换UPS应用。
　　
　　②在UPS中，由市电供给负载等的无功电流，需要经过两次整流、逆变变换；一次在输入端，为了使市电输入功率因数等于1，要对市电输入的无功电流进行补偿；另一次是在输出端，为了满足负载所需的无功电流，又要在输出端重新再产生一次，使UPS的变换损耗增加了一倍。
　　
　　③在向不对称负载供电时，不能使市电供给三相对称电能。
　　
　　④控制电路需要检测的电能参量变化量过多，使控制电路复杂化。
　　
　　⑤电路中的Delta变压器，也具有电流互感器功能，设计制造困难。
　　
　　此外，这种UPS的输入与输出端谐波，仍然是由两个三相半桥式SPWM逆变器产生的，其谐波含量与幅值还是比较大的如图4所示。故这种UPS也需要进行绿色革命。由图11可知：串-并联补偿式UPS电路是将图6所示的UPS电路，通过Delta变压器Tra、Trb、Trc次级跨接在市电及其负载之间构成的，所以前述典型高频UPS的级联叠加法，如图7所示，对串-并联补偿式UPS也同样适用。而用总体改革法得到的如图9所示的电路，由于它是一种只能单向传输电能的电路，故不能在串-并联UPS电路中应用。
　　
　　采用PSCPWM控制的单相2H桥逆变器N=2级联叠加(相当于采用PSCPWM控制的三相半桥式逆变器N=4级联叠加)的串-并联补偿式高频UPS，如图12所示。

其中图(a)为电路图，图(b)为波形图。它的输出电压表示式与消谐波能力，与图7所示的高频UPS相同，这里不再重复。
　　
　　7 结论
　　
　　①UPS产生的谐波既是污染源，也是一种损耗。UPS绿色革命的目的就是消除谐波，减少开关损耗，提高变换效率。
　　
　　②UPS的输入整流器有两种，即工频整流器(多相多重叠加整流器)与高频整流器(IGBT开关整流器)，后者比前者的输入功率因数高，体积重量小，更有利于UPS绿色革命的需要。
　　
　　③采用工频整流器的UPS叫工频UPS，采用高频整流器的UPS叫高频UPS。高频UPS的体积重量小、输入功率因数高，产生的谐波少、噪声小，是UPS绿色革命的划阶段性进步。
　　
　　④高频化和PSCPWM级联叠加，是UPS绿色革命的重要有效手段。单纯的高频化，实现UPS绿色革命的难度和代价大、力度小，不是UPS绿色革命的发展方向，只有高频化与PSCPWM级联叠加法相结合，把力度增大N倍，才是UPS绿色革命的发展方向。
　　
　　⑤三相半桥式逆变器，是一种SPWM两电平逆变器，相电压的谐波含量大，谐波幅值高，不利于使UPS彻底实现绿色革命，必须用直流电源SPWM级联叠加式多电平逆变器取代三相半桥式SPWM的电平逆变器。同时三相半桥式BoostSPWM高频开关整流器必须用高频BoostSPWMPFC级联叠加式多电平整流器取代。这种改革可以使UPS的消谐波能力提高一倍，可以使开关损耗减少25%~50%，可以使开关管数量减少16.7%~33.3%(当N=3~6时)。
　　
　　⑥对于串-并联补偿式UPS，可以利用如图12所示的采用PSCPWM控制的单相2H桥级联叠加方式，来实现UPS的绿色革命。
　　
　　参考文献
　　
　　[1]刘凤君，逆变器用整流电路，机械工业出版社，2004年，北京
　　
　　[2]刘凤君，谐波注入式12脉冲整流器，UPS应用，2008年7月
　　
　　[3]刘凤君，现代逆变技术及应用，电子工业出版社，2006年，北京
　　
　　[4]刘凤君，一种完美无谐波多电平ZVSUPS，UPS应用，2009年2月
　　
　　[5]刘凤君，Delta逆变技术及其在交流电源中的应用，机械工业出版社，2003年，北京
　　
　　作者简介
　　
　　刘凤君，研究员，研究方向为航天电源与电力技术，著书11本，发表文章350余篇。
　　
　　【红尘有你】