新型在线式UPS拓扑

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摘 要： 基于Z源逆变器，提出了一种新型在线式ups拓扑.该拓扑无需使用工频变压器，即可实现理想市电的输出，从而减小了电源体积，降低了成本，且还可带感性负载；增加了一个Buck/Boost充放电电路，采用额定电压较低的蓄电池，进一步减小了电源体积，同时降低了充放电电路中开关管的电压应力；在输入端增加Boost型APFC电路，提高了输入功率因数，减小了对电网的谐波污染.仿真实验和结果验证了该拓扑的正确性和有效性.

关键词：UPS；Z源逆变器；变压器；电压应力；APFC

中图分类号： TM46 文献标识码：AA New Topology of Online UPS

不间断供电电源（UPS）具有稳压、稳频、抗干扰、防止浪涌等功能，更为重要的是当电网停止供电时，UPS还可以对负载进行短时供电，以保证用电设备正常工作.因此，UPS日益成为重要负载设备必不可少的配套设施[1].

传统在线式UPS具有输入电压范围大、输出电压可精确控制等优点，也存在输入功率因数低、电流总谐波畸变率高、蓄电池体积大等缺点，而且工频变压器的存在使得电源的体积大、成本高，且变压器和电感容易产生可闻噪声；另外，在传统的桥式逆变器中，控制失误或电磁干扰等会导致逆变器上下桥臂直通而损坏开关管，通常为了避免开关管直通而另外加入的死区时间又会影响输出电能质量[2].

国内外很多学者开展了对在线式UPS拓扑的研究工作，致力于优化在线式UPS的性能[3-9].文献[3]提出基于BIFRED变换器的在线式UPS拓扑，可实现功率因数校正和电气隔离的功能，但当负载非线性变化时，输出电流存在严重的畸变现象；文献[4]提出高性能无变压器的在线式UPS拓扑，减小了电源体积，降低了成本；文献[5]在减少开关数量的前提下实现了理想市电的输出；文献[6-9]对UPS的控制策略和用途进行了大量实验研究.

湖南大学学报（自然科学版）2012年第11期侯世英等：新型在线式UPS拓扑本文提出了一种新型在线式UPS拓扑，采用Z源逆变器[10-12]代替传统桥式逆变器，利用Z源逆变器特有的直通特性和前级Boost电路提高系统的升压能力，这样既可以省去传统在线式UPS拓扑中的工频变压器，又能扩大UPS负载的适用范围；增加了一个Buck/Boost充放电电路，采用额定电压较低的蓄电池，从而进一步减小了电源体积，同时降低了充放电电路中开关管的电压应力；在整流侧和Z源逆变器之间增加一个电感和开关管，与Z源逆变器中的二极管一起，构成Boost型有源功率因数校正（APFC）电路[13-15]，采用电压外环、电流内环的单相APFC双闭环控制策略，减小了输入端电流总谐波畸变率，提高了功率因数.文中详细分析了该拓扑的工作原理，并进行了仿真实验，结果验证了该拓扑的可行性和优越性.

1 传统在线式UPS

传统在线式UPS的结构如图1所示.无论市电供电是否正常，负载都是由逆变器供电.在市电正常情况下，市电经滤波整流后，转变为直流电，一部分直流电给蓄电池充电，使蓄电池保持电量，另一部分直流电通过逆变器再转变为交流电，而这种交流电较市电来说，其电压的波形、频率和电压的稳定度都得到了明显改善，且动态特性也有显著提高；当市电不正常时，负载的供电完全由蓄电池存储的电量通过逆变器转变为交流电输出，从而真正地达到了外电不正常时，负载供电不间断的效果.