新型在線式UPS拓撲

摘 要： 基于Z源逆變器，提出了一種新型在線式UPS拓撲.該拓撲無需使用工頻變壓器，即可實現理想市電的輸出，從而減小了電源體積，降低了成本，且還可帶感性負載；增加了一個Buck/Boost充放電電路，采用額定電壓較低的蓄電池，進一步減小了電源體積，同時降低了充放電電路中開關管的電壓應力；在輸入端增加Boost型APFC電路，提高了輸入功率因數，減小了對電網的諧波污染.仿真實驗和結果驗證了該拓撲的正確性和有效性.

關鍵詞：UPS；Z源逆變器；變壓器；電壓應力；APFC

中圖分類號： TM46 文獻標識碼：AA New Topology of Online UPS

不間斷供電電源（UPS）具有穩壓、穩頻、抗干擾、防止浪涌等功能，更為重要的是當電網停止供電時，UPS還可以對負載進行短時供電，以保證用電設備正常工作.因此，UPS日益成為重要負載設備必不可少的配套設施[1].

傳統在線式UPS具有輸入電壓范圍大、輸出電壓可精確控制等優點，也存在輸入功率因數低、電流總諧波畸變率高、蓄電池體積大等缺點，而且工頻變壓器的存在使得電源的體積大、成本高，且變壓器和電感容易產生可聞噪聲；另外，在傳統的橋式逆變器中，控制失誤或電磁干擾等會導致逆變器上下橋臂直通而損壞開關管，通常為了避免開關管直通而另外加入的死區時間又會影響輸出電能質量[2].

國內外很多學者開展了對在線式UPS拓撲的研究工作，致力于優化在線式UPS的性能[3-9].文獻[3]提出基于BIFRED變換器的在線式UPS拓撲，可實現功率因數校正和電氣隔離的功能，但當負載非線性變化時，輸出電流存在嚴重的畸變現象；文獻[4]提出高性能無變壓器的在線式UPS拓撲，減小了電源體積，降低了成本；文獻[5]在減少開關數量的前提下實現了理想市電的輸出；文獻[6-9]對UPS的控制策略和用途進行了大量實驗研究.

湖南大學學報（自然科學版）2012年第11期侯世英等：新型在線式UPS拓撲本文提出了一種新型在線式UPS拓撲，采用Z源逆變器[10-12]代替傳統橋式逆變器，利用Z源逆變器特有的直通特性和前級Boost電路提高系統的升壓能力，這樣既可以省去傳統在線式UPS拓撲中的工頻變壓器，又能擴大UPS負載的適用范圍；增加了一個Buck/Boost充放電電路，采用額定電壓較低的蓄電池，從而進一步減小了電源體積，同時降低了充放電電路中開關管的電壓應力；在整流側和Z源逆變器之間增加一個電感和開關管，與Z源逆變器中的二極管一起，構成Boost型有源功率因數校正（APFC）電路[13-15]，采用電壓外環、電流內環的單相APFC雙閉環控制策略，減小了輸入端電流總諧波畸變率，提高了功率因數.文中詳細分析了該拓撲的工作原理，并進行了仿真實驗，結果驗證了該拓撲的可行性和優越性.

1 傳統在線式UPS

傳統在線式UPS的結構如圖1所示.無論市電供電是否正常，負載都是由逆變器供電.在市電正常情況下，市電經濾波整流后，轉變為直流電，一部分直流電給蓄電池充電，使蓄電池保持電量，另一部分直流電通過逆變器再轉變為交流電，而這種交流電較市電來說，其電壓的波形、頻率和電壓的穩定度都得到了明顯改善，且動態特性也有顯著提高；當市電不正常時，負載的供電完全由蓄電池存儲的電量通過逆變器轉變為交流電輸出，從而真正地達到了外電不正常時，負載供電不間斷的效果.