不間斷電源UPS能夠消除電網干擾，為用戶提供不間斷的高質量的電能。UPS通常可以分為在線式(on-line)、后備式(off-line)和在線互動式(line-interactive)三種類型。其中在線式UPS可向用戶的負載提供純凈、穩壓、無頻率突變(穩頻)、抗干擾和波形失真極小的全天候高質量正弦波，滿足了對電源高質量、高可靠性的需求，因此被廣泛應用于國民經濟各個領域之中[1-3]。隨著個人電腦的普及以及計算機網絡技術、通信技術的發展，主要用于個人電腦的單相在線式小功率（1 kVA～3 kVA）UPS的市場需求量也相應地急劇增加。考慮到個人電腦的價格成下降趨勢，這種小功率UPS對成本的要求也極為苛刻[4-6]。
    傳統的單相在線式UPS有全橋和半橋兩種拓撲結構，分別如圖1、圖2所示。全橋UPS拓撲采用8開關管結構，輸入、輸出級分別形成兩個全橋變換器，輸入級的全橋變換器實現功率因數校正（PFC）功能，輸出級的全橋變換器與輸出LC濾波器組成一個全橋逆變器。從安全角度出發，所有UPS產品的輸入側與輸出側必須是電氣隔離的，或者輸入端與輸出端有一公共點相連。因此，在實際產品中，8開關管全橋拓撲的UPS在輸出側都帶有隔離變壓器，以實現UPS與負載的電氣隔離，并對輸出電壓的直流分量有一定的抑制作用。與全橋拓撲的UPS相比，半橋拓撲的UPS具有以下優點：結構簡單，采用更少的功率開關器件，無需隔離變壓器，并且仍然可以實現PFC功能以及對非線性負載有較好的適應性。因此其廣泛地應用在中小功率UPS市場。然而，由于UPS儲能電池直接接在DC-bus上，為了滿足系統的高直流Bus電壓要求，不得不串聯比全橋拓撲更多的電池模塊（2倍）。更多的電池模塊大大增加了系統的體積、重量以及整機成本，并且串聯電池數量的增加也降低了系統的可靠性[7-12]。

    針對傳統的全橋和半橋拓撲UPS的特點，本文提出了一種三橋臂6開關管的新型單相UPS。這種UPS結合了全橋拓撲UPS低Bus電壓以及半橋拓撲UPS無需輸出隔離變壓器的優點，為低成本、高功率密度的單相UPS提供了一種可選方案[13-15]。
1 三橋臂拓撲UPS
    本文所提出的6開關管三橋臂UPS如圖3所示，第一橋臂和第二橋臂（S1～S4）組成了升壓部分（Boost），實現UPS的PFC以及給電池組充電的功能（AC/DC）。同時第二橋臂和第三橋臂（S3～S6）組成了系統的降壓部分（Buck），實現UPS的輸出逆變功能（DC/AC）。

    與圖1所示的全橋UPS架構相比，本文所提出的三橋臂UPS的第二橋臂（S3，S4）共用了全橋UPS中的第二橋臂（S3，S4）以及第三橋臂（S5，S6），并構成了輸入側和輸出側的一個公共點。因此三橋臂UPS的中間橋臂的控制用來解耦輸入側和輸出側。
    根據三橋臂UPS工作原理，可以分為正、負兩個半周對其獨立控制。下面以圖4所描述三橋臂UPS在一個工頻周期正半周期開關的工作情況為例詳述其工作原理。當在輸入電壓的正半周期工作時，第一橋臂的開關管S2做PWM斬波工作，開關管S1與S2互補斬波，同時第二橋臂的上管S3關斷，下管S4互補導通。輸入電感L1、開關管S2以及S1的反并聯二極管與C1一起組成了正半周期的Boost變換器，實現輸入側的PFC以及充電器功能（AC/DC）。相應的第三橋臂的上管S5工作在PWM斬波狀態，下管S6與S5互補斬波。開關管S5與S6的反并聯二極管以及輸出濾波器L2、C2一起組成了正半周的Buck變換器，來實現輸出側的逆變功能(DC/AC) 。負半周的工作情況與正半周相似，僅僅是同一橋臂的上，下管的開關狀態與正半周時互換即可，在此不再贅述。

    表1是三橋臂UPS拓撲與傳統的采用全橋，半橋拓撲的單相UPS的比較。相比可見，三橋臂UPS拓撲采用了較少的開關管，并且輸入、輸出側有一公共點相連，不需要額外的隔離變壓器，Bus電壓較低，僅采用一組電池組，因此整機系統體積、成本、重量都是最低的。

2 三橋臂PWM控制方法
    隨著數字信號處理技術的飛速發展，數字控制技術已經成為UPS的發展方向之一。數字控制UPS抗干擾能力強，工作穩定可靠，系統升級維護方便。此外，由于數字控制方法靈活，更易于實現UPS的并聯運行，較模擬控制具有更大優勢[16-19]。
    基于TI公司的2407系列DSP的三橋臂UPS數字控制系統原理框圖如圖5所示。采樣UPS的輸入電壓信號做數字同步鎖相（PLL），并判斷控制正、負半周三橋臂開關管的邏輯信號。
    圖 6是第一橋臂兩開關管S1、S2的控制框圖。采用數字PFC控制方式，采樣Bus直流電壓值、輸入電壓以及輸入電感電流信號做電壓、電流雙環PI控制。
    圖7是第二橋臂兩開關管S3、S4的控制框圖。采樣輸入電壓信號做同步、鎖相（PLL），開關管S3、S4根據輸入電壓的相位變化做互補的工頻開關動作，交替導通。
    圖8是第三橋臂兩開關管S5、S6控制框圖。采樣輸出電壓和輸出電感電流信號做電壓，電流雙環PI控制，輸出電壓環做平均值控制，電流環做瞬時值控制，以提高輸出電壓THD以及對負載的適應性[4]。

3 試驗結果
    基于以上所提的三橋臂UPS拓撲，建立了一個3 kVA的原理樣機，用實驗證明控制方法的正確性，實驗系統參數如表2所示。

    圖9、圖10分別是系統突加、突卸負載時的輸出電壓和電流波形。從實驗結果可見，系統穩態和動態過程均有較好的表現。

      本文提出了一種新型的單相三橋臂UPS，相比于傳統的全橋、半橋單相UPS拓撲，所提出的三橋臂UPS拓撲具有成本低，體積小，功率密度高等優點。對其工作原理及控制方式做了詳細的描述，最后通過實驗進一步驗證了所提出的拓撲及控制方案的可行性。

參考文獻
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