不間斷電源UPS能夠消除電網(wǎng)干擾，為用戶提供不間斷的高質(zhì)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(wěn)壓、無頻率突變(穩(wěn)頻)、抗干擾和波形失真極小的全天候高質(zhì)量正弦波，滿足了對電源高質(zhì)量、高可靠性的需求，因此被廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域之中[1-3]。隨著個人電腦的普及以及計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)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(yīng)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(tǒng)的單相在線式UPS有全橋和半橋兩種拓撲結(jié)構(gòu)，分別如圖1、圖2所示。全橋UPS拓撲采用8開關(guān)管結(jié)構(gòu)，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(xiàn)功率因數(shù)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(fā)，所有UPS產(chǎn)品的輸入側(cè)與輸出側(cè)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(chǎn)品中，8開關(guān)管全橋拓撲的UPS在輸出側(cè)都帶有隔離變壓器，以實現(xiàn)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(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，采用更少的功率開關(guān)器件，無需隔離變壓器，并且仍然可以實現(xiàn)PFC功能以及對非線性負載有較好的適應(yīng)性。因此其廣泛地應(yīng)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(tǒng)的高直流Bus電壓要求，不得不串聯(lián)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(tǒng)的體積、重量以及整機成本，并且串聯(lián)電池數(shù)量的增加也降低了系統(tǒng)的可靠性[7-12]。

    針對傳統(tǒng)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(guān)管的新型單相UPS。這種UPS結(jié)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(yōu)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(guān)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(xiàn)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(tǒng)的降壓部分（Buck），實現(xiàn)UPS的輸出逆變功能（DC/AC）。

    與圖1所示的全橋UPS架構(gòu)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(gòu)成了輸入側(cè)和輸出側(cè)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(cè)和輸出側(cè)。
    根據(jù)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(guān)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(guān)管S2做PWM斬波工作，開關(guān)管S1與S2互補斬波，同時第二橋臂的上管S3關(guān)斷，下管S4互補導(dǎo)通。輸入電感L1、開關(guān)管S2以及S1的反并聯(lián)二極管與C1一起組成了正半周期的Boost變換器，實現(xiàn)輸入側(cè)的PFC以及充電器功能（AC/DC）。相應(yīng)的第三橋臂的上管S5工作在PWM斬波狀態(tài)，下管S6與S5互補斬波。開關(guān)管S5與S6的反并聯(lián)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(xiàn)輸出側(cè)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(guān)狀態(tài)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(tǒng)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(guān)管，并且輸入、輸出側(cè)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(tǒng)體積、成本、重量都是最低的。

2 三橋臂PWM控制方法
    隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字控制技術(shù)已經(jīng)成為UPS的發(fā)展方向之一。數(shù)字控制UPS抗干擾能力強，工作穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)升級維護方便。此外，由于數(shù)字控制方法靈活，更易于實現(xiàn)UPS的并聯(lián)運行，較模擬控制具有更大優(yōu)勢[16-19]。
    基于TI公司的2407系列DSP的三橋臂UPS數(shù)字控制系統(tǒng)原理框圖如圖5所示。采樣UPS的輸入電壓信號做數(shù)字同步鎖相（PLL），并判斷控制正、負半周三橋臂開關(guān)管的邏輯信號。
    圖 6是第一橋臂兩開關(guān)管S1、S2的控制框圖。采用數(shù)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(huán)PI控制。
    圖7是第二橋臂兩開關(guān)管S3、S4的控制框圖。采樣輸入電壓信號做同步、鎖相（PLL），開關(guān)管S3、S4根據(jù)輸入電壓的相位變化做互補的工頻開關(guān)動作，交替導(dǎo)通。
    圖8是第三橋臂兩開關(guān)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(huán)PI控制，輸出電壓環(huán)做平均值控制，電流環(huán)做瞬時值控制，以提高輸出電壓THD以及對負載的適應(yīng)性[4]。

3 試驗結(jié)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(tǒng)參數(shù)如表2所示。

    圖9、圖10分別是系統(tǒng)突加、突卸負載時的輸出電壓和電流波形。從實驗結(jié)果可見，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)過程均有較好的表現(xiàn)。

      本文提出了一種新型的單相三橋臂UPS，相比于傳統(tǒng)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(yōu)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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