高频耦合UPS变换电路设计

一、引言

由整流和逆变电路组成的UPS变换电路是UPS中的关键组成部分。根据其所采用的功率电子器件和UPS不同的用途，变换电路有很多种类，以适应不同的电压、频率和负载性质的要求。若用于感性负载，UPS的变换电路既要考虑到输出交流又要考虑到负载反馈储能的问题。这就要求能量能在四个象限范围内实现传输。

二、电路的工作原理

高频耦合UPS的变换电路如图1所示。

图1　 变换电路

① D1~D4为整流环节，将市电整流成直流电压Va。

② T1~T2为逆变环节，输出20kHz交流电压，其脉宽由Va和三角波VS比较来调制，如图2（a）所示。

③ 在脉冲间隔期间将T3导通，使变压器T一次侧短路，电压为零，此时磁通暂不变化，能量也暂不释放。高频变压器一、二次电压v1、v2的波形如图2（b）所示。

④ T4、T5及D9~D16构成循环变流器。T4、T5轮流导通，在正半周期将高频正弦波形整流成正方向电压vA;在负半周期时，整流成负方向的电压vB，如图2（c）所示。

⑤ 最后经L4~L5与C3高频滤波器滤波，将20kHz开关频率的谐波滤除后，输出50Hz正弦交流电压vc，如图2（d）所示

图2　波形图

三、电路的运行

负载为感性时，循环变流器一方面将高频交流变换成50Hz交流，一方面又在部分时间里将负载侧的储能反馈至变压器，即能在四个象限里运行。如图2（e）所示滞后于v0的感性负载电流i0。在图中t1~t2期间（第Ⅰ象限 ）v0为正，i0为正，电流可经D9、T4、D12流出，输出功率。t0~t1期间（第Ⅱ象限）v0为正，i0为负，电流可经D10、T4、D11流入，负载向变压器反馈储能。第Ⅲ、Ⅳ象限情况类似。

四、换向

由于电流连续，T4、T5必须有一个短时共态导通时间△，这段时间内一个晶体管电流减小，另一个晶体管电流增大，进行换流。此时，变压器的电流和磁势要进行换向。

在第Ⅰ、Ⅲ象限电路处于整流状态时，电源电压较高的一相开始导通后，电源电压使该相电流逐渐增大，迫使原来导通的一相电流减小直至零值。在第Ⅱ、Ⅳ象限电路处于逆变状态时，换向过程与整流状态时相同，但为了获得较大的负电压，逆变控制时间β应尽量减小到接近于换流时间γ。若β《γ，在变压器电动势e2不等于零的时期内不能完成电流换向，只能等到晶体管关断时自换向，迫使另一管子电流增大到i0。在自换向电流迅速减小的过程中，变压器漏感将产生较大的尖峰电压，使过电压吸收电路功耗增大。为了使电流能平滑换流，T4、T5两管的共态导通时间△应与换流时间γ相近，而L4及L5的漏感较变压器的漏感大得多，亦可使尖峰电流减小。

五、结论

此电路输出功率为200W，效率为70%，正弦波的谐波含量小于5%，输出电压稳定度约为2%。