刘凤君
　　
　　(中国航天二院,北京100039)
　　
　　摘要:介绍了一种新型高效低成本大功率高频UPS的基本工作原理与控制方法。
　　　　
　　1 引言
　　
　　典型的由三相半桥式SPWMBoostPFC高频整流器构成的高频UPS在应用中存在如下不足:
　　
　　(1)同桥臂上、下两只开关管有同时导通造成短路故障的危险;
　　
　　(2)不同桥臂上、下两只开关管同时导通时,直流侧电能会干扰交流侧逆变输出;
　　
　　(3)六只开关器件需要用耐压1200V的大功率IGBT,这样的大功率IGBT价格贵,开关速度慢,通态电阻大,开关损耗与电路损耗也大;
　　
　　(4)输出只有正(高电平)和负(低电平)两个电平,直流侧无中性点,不便于采用三相三线制输入,也不便于三相单独进行控制,而且也不能采用1200V以下的IGBT做开关,成本较高。针对上述不足,国外正在研发一种适合于600kVA高频UPS应用的三相三电平SPWMBoostPFC整流器式高频UPS,其工作原理如图1所示。
　　
　　2 三相三电平SPWMBoostPFC整流器的工作原理
　　
　　三相三电平SPWMBoostPFC整流器是由三个单相SPWMBoostPFC整流器组合而成的:由a相市电电源ua、Boost储能电感La、导向二极管Da1、Da2,开关管Sap、San,整流隔离二极管Da3、Da4和直流滤波电容Cd1=Cd2组成a相SPWMBoostPFC整流器;由b相市电电源ub、Boost储能电感Lb、导向二极管Db1、Db2,开关管Sbp、Sbn,整流隔离二极管Db3、Db4和直流滤波电容Cd1=Cd2组成b相SPWMBoostPFC整流器;由c相市电电源uc、Boost储能电感Lc、导向二极管Dc1、Dc2,开关管Scp、Scn,整流隔离二极管Dc3、Dc4和直流滤波电容Cd1=Cd2组成c相SPWMBoostPFC整流器,如图2所示。
　　
　　当三相市电输入电压和电流平衡时,流入到O″点的三相工频电流之和等于零,高频电流可以被直流滤波电容Cd1、Cd2吸收,因此可以省去中线,从而实现了三相三线制输入(见图2)。尽管去掉了中线,由于直流滤波电容Cd1、Cd2的箝位作用,使中点O″电位稳定不变,仍然可以起到中线作用,因此图2所示的SPWMBoostPFC整流电路仍然可以各相单独进行控制。对于a相SPWMBoostPFC整流器,当ua为正半周时,开关Sap导通,正向电流+ia通过La、Da1、Sap流向中性点O″,Boost储能电感La正向储能,当Sap关断时,市电ua与La通过Da1、Da3向直流滤波电容Cd1充电;当ua为负半周时,开关San导通,负向电流-ia通过La、Da2、San流向中性点O″,Boost储能电感La反向储能,当San关断时,市电ua与La通过Da2、Da4向直流滤波电容Cd2充电。b相与c相SPWMBoostPFC整流器的工作状态与a相SPWMBoostPFC整流器相同。因此图2所示三相SPWMBoostPFC整流器具有如下特点:
　　
　　(1)由于三相电路是对称的,故可以采用三相三线制输入,可以不用中线(即O与O′不连接),可以消除市电输入电流中的零序谐波,而不影响三相对称正弦工频电流的流通。
　　
　　(2)用虚线表示的浮动中线O′与O″连接后的优点是,由于直流滤波电容Cd1、Cd2抑制了相电压的瞬变,使储能电感上电压基本上是相电压,放能时只向一只电容(Cd1或Cd2)充电,开关管的耐压只承受一只电容上电压(约400V),因此开关管只需采用600V的IGBT就可以了。电压低的IGBT开关速度快,通态电阻小,对减小整流器的开关损耗和电路损耗有正面影响。
　　
　　(3)输入侧交流滤波器La、Ca,Lb、Cb,Lc、Cc为三相防倒灌滤波器,并可以用来抑制中点O″的电位剧变。
　　
　　3 三相SPWMBoostPFC整流器的节能控制
　　
　　三相SPWMBoostPFC整流器的节能控制采用的是单极性载波三角波SPWM控制方式,其工作波形如图3所示。

为了达到节能控制的目的采取了两项措施:
　　
　　(1)减少开关的切换次数,即在市电输入电压
　　
　　

(2)采用了三相三线制输入方式,使各相市电输入电流中的零序谐波分量因为无通路而被消除,使零序谐波电流在UPS输入侧的开关与线路上不再产生损耗,并使市电输入电流的THDI进一步减小,使市电输入功率因数进一步提高。市电输入电流的双重傅里叶级数表示式为
　　
　　

这里需要注意的是,SPWMBoostPFC整流器是三相三线制输入,没有中线,三相输入电流中的高次谐波分量被直流滤波电容Cd1、Cd2吸收,使中性点O″的电位因此而上、下浮动,这会对后面的三相半桥式逆变器的输出电压带来一些干扰。为了减小这种干扰,直流滤波电容Cd1、Cd2的值应取得大一些为好。而且由于输入滤波器La、Ca,Lb、Cb,Lc、Cc的存在,也可以减小一些O″点的电位变化。
　　
　　三相SPWMBoostPFC整流器的节能控制电路如图5所示,为了得到如图4所示的开关管驱动信号波形及高频PFC控制,采用了SPWM双环控制;电压外环及电压控制器用于调节整流器直流输出电压的稳定;电流内环与电流调节器按照给定的(参考)正弦波电流调节市电输入电流的波形和相位使其与市电输入电压在相位与波形上保持一致。电压调节器的输出Ik和相电压ua、ub、uc共同加到乘法器的输入端,用乘法器的输出作为基准电流ia*、ib*、ic*,然后再与各相市电输入电流ia、ib、ic进行比较,其差值由SPWM调制器及正、负脉冲形成器产生出各个开关管的SPWM驱动信号,(见图3中upa、upb、upc)。如果a相桥臂上面的开关Sap导通时,ia>0,ia流过La、Da1、Sap到中性点O″,Da2反偏置,因此San不会导通。由于Sap与San的驱动信号不是同时出现的,因此Sap与San不会发生同时导通的短路故障。
　　
　　三相市电输入电压ua、ub、uc通过由3→6相电压变换及6相半波整流器组成的60°方波脉冲发生器,就可以用光耦得到6个60°方波脉冲,用60°方波脉冲与图5上面得到的SPWM脉冲驱动信号在六个开关管IGBT的控制极上叠加就可以得到各相电压波形中中间60°区间内不进行SPWM控制的开关管驱动信号,波形如图4上部所示。
　　
　　【红尘有你】