广义软开关串并联补偿在线UPS

，根据基尔霍夫节点电流为零的定律，在节点A负载所需的电流i_L=i_p＋i_q＋i_h，因而逆变器Ⅱ的输出电流为i_L－i=i_p＋i_q＋i_h－i_p=i_q＋i_h。

7 在线UPS所采用的广义软开关

上面以单相串并联补偿在线USP为例，介绍了它的组成，各部分功能，原理与控制方式。下面介绍在线UPS中逆变器Ⅰ和Ⅱ的广义软开关电路。

串并联补偿在线UPS中的逆变器Ⅰ和Ⅱ，实际普遍采用的电路是单相半桥、单相全桥、三相半桥和三相全桥电路。下面选用具有代表性的单相半桥、单相全桥或三相半桥电路为例进行介绍。

7.1 单相半桥逆变器的广义软开关电路

单相半桥逆变器的广义软开关电路如图2所示，其中图2(a)为电路图，图2(b)为开关波形图。在图2(a)中，S₁、S₂为主逆变开关，S₁的无损关断缓冲电路由二极管D_s1、D_s2、D_s3、缓冲电容C_s1、C_s2(C_s1=C_s2)和谐振电感L_s1组成。L_F为滤波电感，Z_为负载（阻性或感性），C_d1=C_d2为直流分压电容，U_d为直流电源电压，u_s为S₁两端的电压，i_s为流过S₁的电流。

(a) 电 路 图

（b) 开 关S₁的 开 关 波 形

图2 单 相 半 桥 逆 变 器 的 无 损 缓 冲 电 路

电路的原始状态为：S₁、S₂关断，C_s1、C_s2上电压uc_s1=u_cs2=0。当开关S₁开通后，C_d1上电压U_d/2通过S₁、L_F向负载供电，直流电源U_d通过开关S₁、谐振电感L_s1、二极管D_s2，沿着虚线所示路径，对缓冲电容C_s1、C_s2充电。其等效电路如图3(a)所示，其中u_cs1=u_cs2为缓冲电容C_s1、C_s2上的电压，u_L为L_s1上电压，R_L为L_s1中的电阻，i_L为流过L_s1的电流。在选定的电压和电流方向下，根据基尔霍夫定律（考虑C_s1=C_s2）可得

u_L＋u_RL＋u_cs1＋u_cs2=u_L＋u_RL＋2u_cs1=U_d

由于i_L==

u_RL=i_LR_L=R_L

u_L=L_s1=L_s1

则

L_s1＋R_L＋2u_cs1=U_d

由于R_L2，所以电路是谐振的。

对上式求解可得

2u_cs1=U_d－U_de^－δt((δ/ω)sinωt＋cosω t)

式中：δ=；ω=；ω₀=。

当ω t=π时，sinωt=0；cosωt=－1

则2u_cs1=U_d＋U_de^－δt

当R_L=0时，2u_cs1=2U_d，u_cs1=U_d。

充电过程中，u_cs1和i_L的波形如图3(c)所示。当ω t=π时，u_cs1=U_d，i_L=0。

当S₁关断时，由于C_s1、C_s2上电压u_cs1=u_cs2=U_d，开关S₁上电压u_s=U_d－u_cs1=0，所以S₁是零电压关断。S₁关断后，C_s1、C_s2上电压u_cs1=u_cs2=U_d通过滤波电感L_F、负载Z_L和直流分压电容C_dz，沿着图2(a)中点划线所示的路径放电，其等效电路如图3(b)所示。由基尔霍夫定律得

－u_cs1＋u_L＋u_R－U_d/2=0

设R为负载电阻，L_FZ为滤波与负载电感，由于i_z=－2C_s1；u_R=Ri_z=－2RC_s1

u_L=L_FZ=－2L_FZC_s1

代入上式得

2L_FZC_s1＋2RC_s1＋u_cs1－U_d/2=0

对于多数情况R2，所以电路是谐振的。

求解上式可得u_cs1－U_d/2=e^－δ′t(sinωt＋cosω t)

式中：δ′=；ω=；ω₀=。

当ω t=π时，sinωt=0；cosωt=－1

则u_cs1－U_d/2=－e^－δ′t

当R=0时，u_cs1－U_d/2=－U_d/2，u_cs1=0

放电过程中u_cs1和i_z的波形如图3(c)所示。

(a) 充 电 过 程 (b) 放 电 过 程

(c) 波 形 图

图 3 C_s1、C_s2充 电 与 放 电 过 程 等 效 电 路 与 波 形

当ω t=π时，u_cs1=0，i_z=0

当R=2时，u_cs1=(1＋δ′t)e^－δ′t

由于δ′=很大，C_s1较小，故u_cs1按非谐振规律很快下降到零。

当R>2，L_FZ≈0时，τ=2RC_s1，当t=τ时，u_cs1=0.368U_d/2，当t=2τ时，u_cs1=0.135U_d/2，当t=3τ时，u_cs1=0.050U_d/2，由于C_s1很小，所以u_cs1下降速度很快。

7.2 单相半桥逆变器广义软开关的工作过程

单相半桥逆变器无损关断缓冲电路的工作过程如图2(a)、(b)所示。在t0时，S₁饱和导通，u_cs1=u_cs2已充电到U_d。当S₁关断时，通过S₁的电流i_s逐渐下降，S₁两端的电压u_s=U_d－u_cs1。C_s1、D_s3、C_s2、D_s1支路通过直流电源与S₁并联，相当于在S₁上并联了一个已充电到u_cs1=u_cs2=U_d的缓冲电容C_s=C_s1＋C_s2，此时D_s2反偏置，L_s1中电流i_L=0，C_s1和C_s2通过L_F、z_L和C_d2放电，u_cs1=u_cs2逐渐下降到零，S₁上的电压u_s=U_d－u_cs1逐渐上升到U_d。假定逆变器按单极性工作，在S₁再一次开通之前由于L_F与z_L中电感的作用，与S₂并联的二极管D₂续流，i_D2=i_ZL。当S₁开通时，i_s逐渐上升，负载电流I_ZL=i_s＋i_DZ，S₁上电压受D₂导通的牵制，仍保持U_d不变。当i_s上升到i_s=I_ZL时，i_D2=0，D₂反偏置，S₁进入饱和导通状态，S₁上电压u_s迅速下降到零，相当于一个跃变电压U_d突然加到C_s1、L_s1、D_s2、C_s2支路上，D_s2导通，C_s1、C_s2充电。半个谐振周期后，C_s1、C_s2上电压u_cs1=u_cs2=U_d，i_L=0，D_s2反偏置。