典型双变换UPS的电压变换原理简析

UPS是如何把市电的380V交流电变换成逆变器输出的380V交流电，并在这一变换过程中保持输出电压基本不变，是很多数据中心UPS用户经常疑惑的问题。

1、相控整流UPS的电压变换原理

下图1 为三相相控整流UPS输出的拓扑原理框图。整流器采用6脉冲相控三相桥式电路，逆变器为三相IGBT桥式电路，具有一个输出隔离变压器，变压器的初级做三角型连接，由三相全桥的三个桥臂中点做三相线电压输入，变压器次级为星型连接，产生新的零线按三相四线制向负载供电。为了UPS转静态旁路时也能正常供电，输出变压器产生的零线必须与旁路系统输入的零线连接在一起。

图 1

市电正常时，调整可控硅的触发相角，实现整流器输出直流电压的调节，对电池充电，同时为IGBT结构的桥式逆变器供电。从系统结构可以看出，从整流到逆变的过程中，每个环节都是降压环节：可控硅整流是为了提供恒定的直流电压而采取的一种整流方式，由于可控硅整流要“斩掉”一部分输入电压，如图1 所示，所以其输出电压恒定的代价是输出电压恒定在低于全波整流输出电压的某个数值上。

而逆变环节同样是一个降压环节，从可控整流输入来的直流电在通过逆变器逆变出正弦交流电的过程中通常采用的是正弦波脉宽调制（SPWM）方法，其结果同样是输出电压等级的再次降低。正是由于上述的原因，在此种结构的UPS逆变器中，输出变压器起着电压匹配和提升的作用，将逆变器输出的电压升至到合理的输出范围。

在实际应用中，输出变压器通常采用下图的接法，变压器初级是三角型，对于没有升降压作用的隔离变压器，三个初级线圈的电压都是380V，次级是星型，三个次级线圈的电压都是220V，那么初次级线圈的匝比应该是：N1: N2=1:0.577

当要求输出相电压为稳定的220V时，变压器原边的峰值电压（即直流电压E）应该是：220V ×1.414×1.732=538.8V

图 2

考虑到逆变器PWM工作方式，为逆变器供电的直流电压要高于变压器原边的峰值电压，最小极限值通常取变压器原边峰值电压1.2倍左右，即：538.8V×1.2=646.56V

但是，当考虑输入电压下限变化10%时，输入三相线电压全波整流的最高直流电压的理论值是：380V×1.414×0.9=483V

实际上考虑到AC/DC转换过程的降压因素，大中型UPS的电池（直接跨接在直流母线上）通常配置32～34节，额定电压为384V～408V，浮充电压（即AC/DC变换后的直流母线电压）为432V～459V，电池放电下线电压为340V～362V。

UPS直流母线电压的下限值（340V～362V）与输出电压要求的变压器原边的峰值电压（646.56V）之间的差别就应该由输出变压器采用升压方法来解决，所以，输出变压器的升压比应该是 ：646.56V/（340V～362V），即1.9～1.78。

也就是说，输出变压器的实际匝比应该是：1:1.9或1:1.78。

以上数据是按一般情况推算的，实际情况与不同的电路结构形式有直接的关系，输出变压器的参数和接法也不尽相同，但不管电路差别有多大，输出变压器总是通过原付边匝比的变化起着匹配逆变器输入电压与UPS输出电压的升压作用，同时输出变压器还起到将逆变器输出的三相三线输出转换成三相四线输出的作用。

**2、IGBT整流UPS的电压变换原理 **

IGBT整流UPS分为具有升压变压器和无升压变压器两种，具有升压变压器的IGBT整流UPS的升压原理与相控整流UPS完全相同。本文仅对无变压器UPS的升压原理加以说明。

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，这里仅就大功率无输出变压器UPS的主电路结构形式来讨论它是如何完成三相四线输出和系统升压功能的。

图 3的输入部分是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400V电池组，串联后直接跨接在直流母线上。当然也可用一组400V电池组，那么就需要在直流母线和电池组之间配置一个独立的可双向工作的DC/DC变换器，市电正常时，由800V降压给电池组充电，当市电停电时，反向升压给半桥逆变器提供800V工作电压。

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 3

图3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，所以只要看一下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4所示，假定桥臂的上面的IGBT用VT1和VD1表示，下面的IGBT用VT2和VD2表示,与电池并连的电容分别是C1和C2，续流电感为L。

图 4

图4所示为主逆变器逆变状态等效电路及工作过程。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（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。

由图4所示的工作过程和输出电压波形可知，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。

无输出变压器UPS是如何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。PFC技术已经很成熟，根据不同的应用场合和不同的性能要求，其电路拓扑形式也不尽相同，但其基本原理是是相同的，具有功率校正功能的电路有降压式、升/降压式、反击式、升压式（Boost）四种形式，在UPS设备中，为了同时完成对输入功率因数校正和提升电压的功能，自然就采用了升压式（Boost）电路。

图5 是单相升压式（Boost）电路原理。图中的C1为高频小容量电容器，用以消除开关管在高频开关时产生的传向电网的干扰。C2是大容量直流电解电容器。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，其目的是使输入电流跟随输入电压按正弦规律同相位变化。PFC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，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

对于三相输入的大功率无变压器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，电路形式有由三个单相PFC组合式、单开关三相PFC、三开关三相PFC、六开关三相PFC等多种拓扑结构形式。图中的输入电路就是六开关（IGBT）三相PFC原理电路。

六开关三相PFC是由六只开关功率器件组成的三相PWM整流电路，图6是其原理电路。每个桥路由上下两只开关管及与其反向并联的二极管组成，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。

图 6

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。