基于Trans-Z源逆變電路的UPS系統的研究

鄭凱 曹茂永 王毅 仲崇旭

摘 ?要： 針對UPS系統中由傳統逆變器缺陷引起的升壓難、控制復雜、抗干擾差的問題，基于Trans?Z源逆變電路提出一種新的UPS系統拓撲。研究Trans?Z源逆變電路基本結構、工作原理;采用正弦脈沖寬度調制（SPWM）對電路進行總體控制并改變輸出電壓;在理論分析的基礎上給出Saber下的仿真結果;最后，以DSP芯片作為逆變主控芯片，搭建應用于UPS的Trans?Z源逆變電路。實際結果表明，該電路克服了傳統逆變器的缺點，移除了死區控制時間，具有更好的升壓能力，且提升了UPS帶載能力，更適合應用于UPS充放電控制中。

關鍵詞： UPS; Trans?Z源逆變電路; DSP; SPWM; Saber; 充放電控制

中圖分類號： TN710?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2018）10?0117?06

Abstract： In allusion to the problems of difficult voltage raising， complex control， and poor anti?interference of the UPS system caused by the defects of the traditional inverter， a new UPS system topology based on Trans?Z source inverter circuit is proposed. The basic structure and working principle of Trans?Z source inverter circuit are studied. Sinusoidal pulse width modulation （SPWM） is used to wholly control the circuit and change the output voltage. On the basis of theoretical analysis， the ?results of Saber simulation are given. The Trans?Z source inverter circuit for UPS application is built taking the DSP chip as the inverter main control chip. The practical results show that the circuit can remove the control time of dead zone to have a better voltage raising capability， and enhance the UPS load capability to be more suitably applied in UPS charge and discharge control， which overcomes the shortcomings of the traditional inverter.

Keywords： UPS; Trans?Z source inverter circuit; DSP; SPWM; Saber; charge and discharge control

0 ?引 ?言

UPS（Uninterruptible Power System），即不間斷電源，是一種含有儲能裝置，以逆變器為主要元件，穩壓穩頻輸出的電源保護設備[1?2]。因此逆變器性能直接影響到UPS的性能。目前UPS系統中的逆變器大部分為傳統的電壓源逆變器，在實際應用中存在眾多缺陷和不足。單一的升壓或降壓功能和復雜的控制方案，致使其裝置造價高、效率低，加之對負載性質要求極高，致使UPS的應用范圍受到了嚴重的限制。

2002年，彭方正教授提出一種新型的逆變器拓撲結構：Z源逆變器[3]。該逆變器利用直通狀態來實現對輸入直流電壓的升壓功能，增加了抗干擾能力，并且可避免由死區引起的輸出波形的畸變[4?6]，提高電路效率，克服了傳統電壓源逆變器的不足。

在Z源逆變器網絡的基礎上以仿真的形式搭建UPS系統[7?8]，驗證Z源逆變網絡在UPS系統中應用的可行性，提升了UPS的性能，使其在母線電壓降落時，能夠穩壓穩頻輸出。但是控制方式單一，在母線電壓變化較大時難以通過調節占空比達到準確穩定的輸出。

2011年，基于變壓器的Z源（Trans?Z）逆變網絡被提出[9?11]，相比于傳統Z源和準Z源逆變器，在保留了優點的同時，其具有更高的升降壓比，可以通過變壓器變比調節、占空比調節兩種方式，提高輸出電壓，對母線電壓要求更低。

本文從Trans?Z源網絡拓撲分析入手，設計UPS應用的電壓源逆變器，搭建基于DSP芯片的實際電路，采用新型SPWM控制算法得到所需的正弦波。

1 ?Trans?Z電路分析

Trans?Z源電路拓撲如圖1所示，該電路由一個變壓器、一個電容器C和一個二極管D組成。其具有以下3個主要特點：

1） 加入互耦電感能夠單級實現升降壓;

2） 不需要加入死區控制時間，能夠消除傳統逆變器死區時間帶來的輸出噪聲;

3） 同橋臂直通成為常態，增加了逆變器的抗干擾能力。

該逆變拓撲直通的狀態如圖2所示，此時二極管D處于關斷狀態，則有：

2 ?Trans?Z SPWM算法設計

采用雙極性SPWM作為UPS逆變的控制信號，從信號采樣入手，選用規則采樣法求得DPS開通時長，并在此基礎上提出一種新的加入直通序列的SPWM調制法。同時給出在DSP中的配置方案，通過此調制法，保證了直通時長，減少了開關次數，降低了開關管的損耗。

2.1 ?雙極性信號采樣法

雙極性控制如圖4所示。區別于單極性控制方式，該方法消除了過零點振蕩，有著較低的諧波含量[12]。通過正弦基波與若干個等幅的雙極性三角載波的交點，得出在半個周期內有正有負的SPWM波。

本文采用對稱規則采樣法，該采樣法是一種基于面積等效理念的能量轉換形式。如圖5所示，規則采樣法在三角波的負峰時刻[tP]對正弦信號波采樣得到點P，過點P做平行于x軸的直線交三角波與A點和B點，則此時[tA]到[tB]間的脈沖寬度為[δ]的方波脈沖即為規則采樣法在時刻[tP]的等效波形。

2.2 ?基于規則采樣法的帶有直通序列的SPWM算法

加入直通序列的SPWM算法是在規則采樣法的基礎上做出的進一步的改進。該算法原理如圖6所示。圖中S1和S2為同橋臂的上、下管，S3和S4為另一橋臂的上、下管。在該SPWM調制策略中，上橋臂S1與S3仍按照規則采樣法所采的時長進行導通，下管S2與S4相應增加了導通時長，來產生直通序列。這樣直通序列被等量加入到了同一周期的正負時刻中，從而保證序列有效面積不變。由圖6知，設在某一時刻[Tb]采用規則采樣法所采集的電壓為[Ud]，取與該電壓相差[±Uδ]的上下平行線作為直通序列采集電壓。由圖中關系可得：

通過分析比較可知，帶有直通序列的調制方法將直通矢量分為四等份加在了開關切換的時刻，使得系統獲得了直通時間，不改變原有開關次數，有效降低了諧波。

圖7為變壓器變比[n=1，1.5，2]時，G與D的關系圖。從關系圖可以看出，當耦合電感匝數比n確定后可以控制直通占空比D來提升并穩定母線電壓，直通占空比越大，電壓增益G越大，當直通占空比不變時，提高耦合電感的匝數比n，同樣可以提高電壓增益G。當升壓比一定時，提高耦合電感匝數比n，可以在一定程度上降低直通占空比D。相比于準Z源與傳統Z源逆變器，可以有效地減小輸出電壓諧波，增加變換效率，使原邊繞組電流脈動減小。

3 ?仿真及電路實現

3.1 ?基于Saber仿真建立及結果分析

本文采用Saber軟件對系統進行仿真，仿真電路如圖8所示。采用12 V直流電源作為輸入，經過整流橋接入變壓器，[L1，L2]變比分別采用1∶1，2∶1，一、二次側電感量分別為2 mH，2 mH與4 mH，2 mH。而后接入逆變，控制所用的SPWM波形采用mast語言設計。

SPWM波形如圖9所示，該載波頻率采用10 kHz并加入了占空比為0.2的直通序列。自上而下分別為同橋臂的上下管，即S1，S2，S3，S4。上管保證正常導通序列，下管保證直通。

直流鏈電壓波形如圖10所示，直流鏈電壓較12 V輸入電壓有明顯提高。輸出波形如圖11所示。圖11a）中波形峰值由小到大分別為保證變比不變，加入0.1，0.2與0.3直通占空比的逆變輸出波形，經對比得出，增加直通占空比確實有效地提升了輸出電壓。圖11b）是波形峰值，由小到大分別為保證直通不變，變比1∶1和變比2∶1的逆變輸出波形。經對比得出，增加變壓器變比同樣可以提升輸出電壓。由仿真結果得知，該電路切實有效地起到了升壓功能，其直通時序成為升壓過程中不可或缺的環節，改變直通占空比和變壓器變比能有效地提升并穩定輸出電壓。

3.2 ?實際電路建立與結果分析

本文搭建了Trans?Z源原理樣機，其實物圖如圖12所示，采用12 V鋰電池作為輸入。接入Trans?Z電路，該電路中變壓器磁環采用H33.19.11?ZP40，變比分別采用1∶1與2∶1，變壓器一二次側電感L1，L2的值分別為2 mH，2 mH與4 mH，2 mH，繞線方式采用三明治繞法。電容C1=820 μF，而后接入逆變橋電路，該逆變橋驅動模塊選用TX?PD203。控制器選用TMS320F28335，直通占空比為D=0.1。最后經LC濾波電路濾波后接入電阻負載。

圖13所示為接入逆變橋驅動模塊TX?PD203的控制波形，圖14為直流鏈電壓波形，相比于12 V的輸入，直流鏈母線被抬升至15 V。圖15為不同變比下輸出波形對比圖，當變比為1∶1時，輸出電壓峰值為13.5 V，輸出電壓得到明顯提升，將變比提高為2∶1時，在輸入電壓占空比不變的情況下，提高變比確實能達到提高輸出電壓的效果。該逆變器電路轉換效率達到了90.2%，優于傳統電壓型逆變器的轉換效率，證明Trans?Z源電路有著出色的升壓功能和良好的運行特性。

4 ?結 ?語

將新型Trans?Z源逆變器應用到UPS系統中的逆變環節，達到了穩定電壓，改善輸出的目的。在理論分析和仿真以及實驗研究的基礎上，可以得出以下結論：

1） 相對于傳統、Z源和準Z源逆變器，Trans?Z變換器能實現在較小的直通占空比D時，得到較高的升壓功能，且可以有效地減小輸出電壓諧波，增加變換效率，提高UPS的續航時間。

2） 通過增大減小直通序列占空比D和變壓器的變比n，可以有效地提升或降低輸出電壓，方便UPS電壓的穩壓控制。提高輸出側的輸出及抗擾動能力，對于UPS長時間的作業情況下，能夠更好地穩定輸出電壓，以達到保護負載的目的。

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