在线式UPS电路结构及其特点介绍



     目前，在线式UPS使用得较为普遍。无论市电正常与否，在线式UPS的逆变器始终处于工作状态。逆变器具有稳压和调压作用，因此在线式UPS能对电网供电起到"净化"作用，同时具有过载保护功能和较强的抗干扰能力，供电质量稳定可靠，但其价格较贵。
　　所谓在线式是指不管电网电压是否正常，负载所用的交流电压都要经过逆变电路，即逆变电路始终处于工作状态，在线式UPS一般为双变换结构。所谓双变换是指UPS正常工作时，电能经过了AC/DC、DC/AC两次变换后再供给负载。

　　当然为了提高系统的可靠性，在线式双变换UPS一般增加了自动旁路电路。小功率采用继电器转换便能满足要求，而大功率一般为采用晶闸管(SCR)方式的静态开关，在过载或双变换电路部分故障时负载由旁路供电，这是非正常工作状态，这种情况出现的概率比电网不正常概率要小得多。功率较大的UPS在此基础上还增加了手动旁路(维修开关)，用于维修时保证负载继续运行。

　　1.双变换在线式UPS

　　(1)电路各环节功能。当前，绝大多数在线式UPS都采用双变换电路结构，双变换在线式UPS结构图。

　　1)变换器1:该变换器为AC/DC单向变换。当市电存在时，它完成对蓄电池的充电，并通过变换器2向负载供电。该变换器多为不可控整流或可控整流电路。

　　2)变换器2:该变换器为DC/AC单向逆变。当市电存在时，它由变换器l获得直流电能后再转换为交流后输出至负载，并保证向负载提供高质量的交流电源;当市电中断时，由蓄电池通过变换器2向负载供电。

　　3)旁路开关:平时处在断开状态，当变换电路发生故障、负载有冲击性(例如启动负载时)或发生过载故障时，变换器停止输出，旁路开关接通，由电网直接向负载供电，旁路开关多为智能型的功率容量很强的无触点开关。

　　(2)在线式UPS的工作原理。在线式UPS的工作原理如图3所示。当在线式UPS在电网供电正常时，电网输入的电压一路经过噪声滤波器去除电网中的高频干扰，以得到纯净的交流电，然后分别进入充电器对蓄电池充电，另一路进入整流器进行整流和滤波，并将交流电转换为平滑直流电供给逆变器，而逆变器又将直流电转换成220V，50Hz的交流电供负载使用。

　　当发生市电中断时，交流电的输入已被切断，整流器不再工作，此时蓄电池放电把能量输送到逆变器，再由逆变器把直流电变成交流电，供负载使用。因此，对负载来说，尽管市电已不复存在，但此时负载并未因市电中断而停运，仍可以正常运行。

　　目前，在线式UPS使用得较为普遍。无论市电正常与否，在线式UPS的逆变器始终处于工作状态。逆变器具有稳压和调压作用，因此在线式UPS能对电网供电起到"净化"作用，同时具有过载保护功能和较强的抗干扰能力，供电质量稳定可靠，但其价格较贵。在线式UPS从根本上完全消除了来自市电的任何电压波动和干扰对负载工作的影响，真正实现了对负载的无干扰、稳压、稳频供电。在线式UPS输出的正弦波的波形失真系数小。目前，一般市售产品的波形失真系数均在3%以内。

　　当市电供电中断时，UPS的输出不需要一个开关转换时间，因此其负载电能的供应是平滑稳定的。在线式UPS能实现对负载的真正的不间断供电，因此从市电供电到市电中断的过程中，UPS对负载供电的转换时间为零。

　　由于在线式UPS工作过程是:在对蓄电池充电的同时，电能需经两次变换再向负载供电，而在市电中断时再由逆变器将蓄电池的电能逆变成交流电能，因此其电能的转化过程中有20%左右的电能损失。而且该过程所产生的热能又影响蓄电池的寿命和电路的可靠性。

　　(3)传统双变换在线式UPS。传统双变换在线式UPS的拓扑结构如图4所示，在图4中AC/DC采用全波整流滤波电路，整流器可为SCR全控整流、半控整流及不控整流。晶闸管(SCR)整流一般在中、大功率UPS中运用，技术相当成熟，SCR工作在低频状态，控制简单，运行稳定可靠，效率高，整流器造价低。而对于小功率UPS来说，则将220VAC直接整流滤波，则更简单、更可靠、成本更低，UPS的稳压功能是由逆变器DC/AC来完成的。

　　这种拓扑结构的UPS输大功率因数低，一般为0.7左右，输入电流谐波大，最大达30%，改用12相整流(三相输入)或加输入滤波电感，输入功率因数可提高到0.9左右，谐波电流降到10%以下。

　　UPS的输入功率因数低，意味着输入无功功率大，输入谐波电流污染市电电网，以脉动断续方式向电网索取电流，这种脉动电流在市电电网沿线路阻抗上形成脉动电压叠加在电网电压的正弦波上，造成电压失真，这就是所谓的电力公害，使得同一电网供电的变压器、电动机等产生附加谐波损耗、过热、加速绝缘老化;高次谐波对通信线路、测量仪器产生辐射干扰，并影响电能表计算精度。

　　蓄电池组通过二极管或可控管与市电整流滤波输出端并联，称为直流母线(BUS)。当整流后的电压低于蓄电池电压时，则由蓄电池向逆变器提供电能。逆变器的逆变桥一般由600V的IGBT构成，IGBT一般工作在20kHz左右的SPWM状态。变压器T2具有电气隔离、升压，以及采用其漏感实现滤波的作用，也有在T2的一次侧串接隔直电容，防止变压器饱和电流大损害功率器件。

　　若想拓宽电路的输人电压范围，可在输入整流前加一个自动稳压装置(AVR)。当三相输入时，则在输入端接一个Y/△大型工频变压器，同样适用上述电路。

　　(4)带有源功率因数校正(APFC)电路的双变换式UPS。这种结构的UPS采用电感等无源功率因数校正(PowerFactorCorrection，PFC)电路，体积大，抑制高次谐波效果差。在UPS输入端增加有源功率因数校正(ActivePowerFactorCorrection，APFC)电路，能有效地抑制高次谐波。比较典型的电路拓扑是采用UC3854控制升压式变换器(BOOST)拓扑，采用平均电流控制模式，具有较好的校正效果，功率因数值能达到0.99，输入电流谐波(THD)小于5%。一般输入电压在160~270V范围内均有较好的稳压效果，也很容易做到输入电压在120~160V范围内UPS也能工作，但必须降载使用(33%~50%负载)。

　　电路中蓄电池一般采用20~24节12V蓄电池，蓄电池BOOST升压与交流PFC的输出电压一般为380VDC，供给逆变桥。

　　在图5中开关管VT和二极管VD5处于硬开关状态，当VT开通时，电流上升、电压下降同时进行;VT关断时，电流下降、电压上升同时进行，于是存在开关损耗;当开关管硬关断时，感性元件感应出较高的尖峰电压，易造成开关管击穿;二极管由导通变为截止时，存在反向恢复时间，易造成直流电源瞬间短路。为了解决上述问题，特别在大功率应用中，采用UC3855控制的ZVT(零电压)-PFC拓扑。

　　(5)双隔离的双变换式UPS。在电路拓扑中，当系统处于旁路状态时，输入电压的干扰是直接传输给了输出，图6所示采用双隔离变压器，可以彻底隔离逆变和旁路输入干扰对输出的影响，同时可以使输出的中性线与接地(N、G)间的电压低于lV，将其应用于计算机网络的供电中可以减小传输误码率和提高传输速度。但双隔离变压器的增加导致UPS质量和成本的提高。

　　(6)全高频单PFC半桥式UPS。全高频单PFC半桥式UPS的出现解决了传统式双变换结构体积大、效率低和造价高的问题。属于这种类型的UPS有FENTON、NEWAVE、VICTRON、M.G和EXIDE的中等容量系列等。这种结构的UPS基于高耐压、大电流的功率器件的成功应用，没有输出变压器，输入采用PFC功率因数校正，直流电压高，逆变器输出电压经滤波后可直接达到标准的市电电压。而且逆变器的脉宽调制频率比传统式双变换结构也高，传统式双变换结构一般在l0kHz以下，而这种一般在20kHz或以上，瞬态响应速度快。

　　如前所述，由于双变换电路即使在市电很稳定时，也要对其进行两次变换后才将电能输送给负载，无形中白白浪费了不该浪费的那部分能量，不能充分利用市电，如果当市电稳定在某一指定范围时，不进行上述的两次变换，只进行必要的滤波，而后将经过净化的交流电直接输送给负载。可节约了能源、提高了效率、降低了工作温度，从而提高了可靠性。根据上述思想，双变换UPS推出了经济运行模式。

　　小功率(1~3kVA)高频在线式UPS常见的一个电路，VT1的控制芯片一般是UC3854。电路的工作原理如下。

　　输入正半周：Ui(L)→L1→VD1→VT1→VD4→Ui(N)电感储能;

　　Ui(L)→L1→VD5→C1→Ui(N)电感释能，电容C1充电。

　　输入负半周：Ui(N)→VD2→VT1→VD3→L1→Ui(N)电感储能;

　　Ui(N)→C2→VD6→L1→Ui电感释能，电容C2充电。

　　当输入市电在规定范围内时，经PFC-BOOST升压得到±380V左右的直流母线电压(因输出220V正弦波的峰值为311V，加上考虑调制比及死区原因)。出于经济方便考虑，小功率(1~3kVA)高频在线式UPS的蓄电池电压为36~120VDC不等，蓄电池低压经DC/DC升压变换至±375VDC，送到直流母线上。当市电输入超过规定范围时，退出PFC工作，一旦电容C1、C2上直流母线电压由±380VDC降到±375VDC时，蓄电池开始供电，对输出电压来说不存在转换时间。

　　AC/DC变换部分高频化提高了UPS的输入功率因数(0.98以上)及输入电压范围(±20%以上)，DC/AC逆变部分高频化减少了输出滤波电感的体积，功率密度大。

　　由于无输出隔离变压器，中性线与接地(L、N)间电压受到供电电网及负载的影响而较高，影响计算机网络的传输速度。

　　一旦逆变上桥臂的IGBT被击穿短路，直流母线高电压将加到负载上，将危及负载的安全。因此，高频机如果能加上输出隔离变压器，性能将高于传统的双变换机。

　　(7)带双功率因数校正的全高频UPS。在5~l0kVA高频UPS中，一般采用双功率因数校正(BOOSTPFC)，电路的工作原理如下。

　　输入正半周时：Ui(L)→V1→L1→VT1→Ui(N)电感储能;

　　Ui(L)→V1→L1→VD5→C1→Ui(N)电感续流，电容充电。

　　输入负半周时：Ui(N)→VT2→L2→V2→Ui(L)电感储能;

　　Ui(N)→C2→VD6→L2→V2→Ui(L)电感续流，电容充电。

　　蓄电池工作时:

　　蓄电池(BAT+)→V3→L1→VT1→VT2→L2→蓄电池(BAT-)，VT1、VT2均通，电感储能。

　　蓄电池(BAT+)→V3→L1→VT1→C2→VD6→蓄电池(BAT-)，VT1通、VT2止，电感L1储能，电容C2充电。

　　蓄电池(BAT+)→V3→L1→VD5→C1→C2→VD6→L2→蓄电池(BAT-)，VT1止、VT2止，电容C1充电，电容C2充电。

　　蓄电池(BAT+)→V3→L1→VD5→C1→VT2→L2→蓄电池(BAT-)，VT1止、VT2通，电容C1充电，电感L2储能。

　　双功率因数校正技术性能与单功率因数校正原理差不多，只是可把功率做得更大。

　　2.在线式UPS的特点

　　在线式正弦波输出UPS的主要具有以下特点:

　　(1)由于在线式UPS无论是在市电正常时，还是在市电中断由机内蓄电池向逆变器供电期间，它对负载的供电均是由UPS的逆变器提供。正因为如此，从根本上消除了来自市电电网的任何电压波动和干扰对负载工作的影响，真正实现了对负载的无干扰稳压供电。这显然不是任何一种抗干扰交流稳压电源所能解决的。目前，市场上销售的在线式正弦波输出UPS均能实现对负载的稳压稳频供电。当市电电压变化范围为180~250V时，它的输出电压稳定范围可达220V±3%，正弦波的工作频率稳定范围在50Hz±1%。

　　(2)在线式UPS输出正弦波的波形失真系数最小，一般小于3%。

　　(3)市电中断时在线式UPS能真正实现对负载的不间断供电。只要机内蓄电池能向UPS逆变器提供能量，无论市电是否中断，在线式UPS都是由逆变器向负载供电。因此，从市电供电到市电中断的过程中，在线式UPS内部并没有产生任何转换动作，其对负载供电的转换时间为零。

　　(4)在线式UPS同后备式UPS相比，具有优良的输出电压瞬变特性。一般在l00%负载加载或100%负载减载时，它的输出电压变化范围为1%左右，这种变化的持续时间一般为1~3周波。

　　(5)在线式UPS一般采用20kHz以上的PWM技术，其噪声较小，约为50dB。

　　(6)在线式UPS的控制电路中，采用输入变压器、输出变压器及光电耦合器件等将“强电”驱动部分与“弱电”控制线路部分从电的角度隔离开来，因而电路的可靠性得到了极大的提高。这种UPS的故障率一般都很低。