UPS技术趋势：无变压器技术分析

超级屏蔽隔离变压器有3屏蔽层，靠近初级绕阻的屏蔽层连接在初级中性线上，可以滤掉初级出现的高频差模干扰。而对50Hz的工频电压则不产生任何影响，靠近次级绕阻的屏蔽层连接在次级中性线上，可以滤掉次级出现的高频差模干扰。中间屏蔽层则与变压器外壳连在一起，再接大地，主要用来滤掉共模干扰。

三、 无输出变压器UPS的电路形式

无输出变压器UPS视设计功率的大小，所用的具体电路形式也不尽相同，这里仅就大功率无输出变压器UPS的主电路结构形式（见图14）来讨论它是如何完成三相四线输出和系统升压功能的，因为要求三相四线输出和系统升压是传统UPS必须带输出变压器的两个根本理由。当新的电路拓朴结构本身具备这两个功能时，输出变压器也就自然没有存在的必要了。

图14主要表示了与是否需要变压器这一论题有关的电路框图，输入部分是IGBT-PFC整流电路，后面部分是三相半桥逆变电路，中间是电池配置示意图。这里电池组用了两组400V电池组，串联后直接跨接在直流母线上。当然也可用一组400V电池组，那么就需要在直流母线和电池组之间配置一个独立的可双向工作的DC/DC变换器，市电正常时，由800V降压给电池组充电，当市电停电时，反向升压给半桥逆变器提供800V工作电压。

下面主要叙述IGBT-PFC整流电路和三相半桥逆变电路的工作状态。

1、无输出变压器UPS是如何向负载提供三相四线制电压的

图14中，输出半桥逆变电路由三组IGBT桥臂组成，每组与公用电容（电池）电路组成单相半桥逆变器。三个半桥电路可独立输出功率，由他们形成的三个50Hz单相正弦波电压彼此相差120º，所以只要看一下一个半桥电路的工作过程，就可了解三相电路的工作状态。

如图15所示，假定桥臂的上面的IGBT用VT1和VD1表示，下面的IGBT用VT2和VD2表示,与电池并连的电容分别是C1和C2，续流电感为L。

图15所示为主逆变器逆变状态等效电路及工作过程。我们分析其工作过程时，先按输出电压正半周和负半周把它分解为两个降压型开关电路（Buck）。在输出电压的正半周时，降压开关电路由开关管VT1、续流二极管VD2和电感L组成。VT1导通时电容C1上的正电压（400V）通过电感L向负载输出功率，电感L中的电流线性上升；当VT1由导通转为截止后，由于电感L的续流作用，感应电压使VD2导通，续流电流流经电容C2，其电流方向实际上是给电容C2充电。在输出电压的负半周时，降压开关电路由开关管VT2、续流二极管VD1和电感L组成。VT2导通时，电容C2上的负电压（-400V）通过电感L形成输出电压的负半周，电感L中电流线性上升，VT2由导通转为截止后，由于电感的续流作用使二极管VD1导通，其电流方向实际上是给电容C1充电。在电路中，输出电容C是容量不大的交流滤波电容器，设置它的主要目的是与电感L一起滤除逆变器高频（15KH左右）开关脉动电压和干扰成分，当开关管的控制波形按正弦规律变化（SPWM）时，输出电压肯定是平滑的正弦波。

由图15所示的工作过程和输出电压波形可知，三个半桥电路可分别输出三个稳定的正弦波电压，控制电路使三个稳定的正弦波电压相位差为120º，于是就形成了三相四线制输出，公共零线则是由直流母线的电容中点引出，而无需再配置输出隔离变压器。

2、PFC技术可同时完成输入功率因数校正和升压功能

采用高频整流技术（IGBT-PFC）同时完成对输入功率因数校正和提升电压的功能，是无输出变压器UPS电路技术的另一重要的标志性的特点。PFC技术已经很成熟，根据不同的应用场合和不同的性能要求，其电路拓扑形式也不尽相同，但其基本原理是是相同的，具有功率校正功能的电路有降压式、升/降压式、反击式、升压式（Boost）四种形式，在UPS设备中，为了同时完成对输入功率因数校正和提升电压的功能，自然就采用了升压式（Boost）电路。

图16是单相升压式（Boost）电路原理。图中的C1为高频小容量电容器，用以消除开关管在高频开关时产生的传向电网的干扰。C2是大容量直流电解电容器。与一般AC/DC整流变换所不同的是，在桥式整流与大容量直流电容之间加入了PFC电路环节，其目的是使输入电流跟随输入电压按正弦规律同相位变化。PFC环节由电感L、开关管VT和二极管VD以及相应的控制电路组成，控制电路接收输入电压波形频率和相位、输入电流波形和数值、输出直流电压幅值3种反馈信号，并以PWM方式控制开关管的导通和截止，其工作过程如下：功率开关管VT导通时，二极管VD因反向偏置而截止，输入电压通过开关管VT向电感L充磁，电感电流（即此时的输入电流）IL的变化规律直接取决于电感L值和此时的输入电压瞬时值，其增加值则同时与L值、此时刻输入电压的瞬时值及开关管导通时间有关。开关管VT截止时，由于电感L的续流作用而感应一个电压叠加在输入电压上，使二极管VD正向导通，电感L将贮存的磁能转化为电能向电容C2充电并向负载输出，输入电流IL下降，IL下降速率与电感L值、此时刻输入电压瞬时值，以及负载（即直流电压U2的输出负载）大小有关，其减小值除取决于以上因素外，还与开关管VT的截止时间有关。显然，当输入电压U1以正弦规律变化时，控制电路以PWM方式对开关管VT进行控制，当工作频率足够高（例如15~20kHz）时，输入电流必然是一个与输入电压同相且波形相同的正弦波。