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新型电路拓扑的UPS电源设计

文章发布时间:2011-02-11 09:49来源:upsclan.com 作者:upsclan 关注次数:

 

 

新型电路拓扑的UPS电源设计

逆变器对于UPS设备至关重要,逆变器质量和性能的好坏直接影响到UPS的性能。传统的单级逆变器通常工作在降压输出状态,在应用中,多采用在其输出端变换工频变压器匝比的方法来实现进一步升压,这样就增加了功率装置的体积和重量。本文提出一种新型非隔离式的单级升压DC/AC变换电路,电路拓扑由两个Boost电路合并而成,可以通过不断改变Boost电路的占空比D来获得幅值高于直流出入电压的正弦波输出。本文对主电路原理进行了理论分析,并且采用SPWM调制方法对电路进行了仿真和实验研究,实验结果比较理想。

  1 电路拓扑及工作原理分析

  1.1 拓扑结构

  图1所示为双Boost DC/AC变换电路组成。电源Udc、开关S1、S2电感L1和电容C1、电阻R组成Boost1变换电路。电源Udc、开关S3、S4、电感L2和电容C2、电阻R组成Boost2变换电路。主电路结构左右对称,C1=C2 ,L1=L2,负载R串接在两个变换器中间。通过控制双向开关的导通与关断,使两个Boost电路交替工作,从而在负载上取得交流工作电压输出的效果。功率开关S1~S4均为由MOSFET和二极管组成的能量可双向流动的可控开关。

 

一种新型电路拓扑的UPS电源设计
 

  1.2工作原理分析

  图2示出双Boost DC/AC逆变器控制的工作原理。将主电路左右分解为两个升压电路的输出波形U01和U02均为形如正弦的直流电压,变换规律一致,但相位相差180°,因此,当二者共同作用于R上时,能在负载上产生工频交流输出电压U0

  U0=U01-U02   (1)

  U01、U02、U0的波形如图3所示。

  相关理论分析如下,就Boost DC/DC变换器而言,在电流连续的工作状态下,其平均电压间关系可表示为:U0/Udc=1/1-D   (2)

  两者相位差为180°,则Boost逆变器的输出电压为

 

新型电路拓扑的UPS电源设计
 

 

新型电路拓扑的UPS电源设计
 

  图2 电路原理图

 

新型电路拓扑的UPS电源设计
 

  图3 原理分析图

  增益为

 

新型电路拓扑的UPS电源设计
 

  根据式(4)可知,改变开关的占空比D可以达到控制负载电压升与降得目的。

  Boost逆变器的增益特性如图4所示。可以看出在D为0.5时,增益为0。如果控制占空比D在0.5左右变化,就可以得到交流电压输出。

  2 软件仿真和实验结果

  采用SPWM调制方法对主电路进行了仿真和实验研究,实验和仿真结果验证了理论分析的正确性。

 

新型电路拓扑的UPS电源设计
 

  图4 直流增益特性

  2.1 软件仿真结果及分析

  SPWM调制波由正弦波给定和三角载波调制而成,4个开关管的触发脉冲逻辑搭配关系为

  由此可知,在产生一路SPWM触发脉冲后,经过简单的信号分配即可。这相对于两套电路两套触发脉冲发生逻辑的方案较为简单,在工程中也较易实现。

  仿真参数:载波频率为50kHz;调制波频率为50Hz。L1=L2=800μH,C1=C2=5μF,负载R=600Ω。图5a仿真波形为左右两套Boost电路产生的电压U01、U02与负载电压U0的关系。图5b为SPWM调制中给定正弦波Ug与输出电压U0跟踪关系对照。

 

新型电路拓扑的UPS电源设计
 

  2.2 实验结果

  最后对分析及仿真结果的正确性进行了实验验证。试验参数与仿真参数相同,图6所示为实验波形。图6a为单级逆变器的给定内压Ug和输出电压U0;图6b为输出电压U0和输出电流I0波形。有图可见,实验结果与仿真结果取得了较好的吻合。

  3 结束语

  由仿真和实验结果可知,基于SPWM调制的双Boost单级DC/AC电路方案是可行的,可以实现高频功率变换情况下的单级升压和降压工频逆变输出。试验中输出电压电流波形的正弦较好,THD值也较小。笔者认为,这种单级变换的新思路可以应用到很多变换电路中。

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