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新型高频隔离在线式 UPS 系统配置

2024-07-17

　　本文提出了一种新型高频隔离在线式 UPS 系统配置。 UPS 由单级 AC-DC 转换器、DC-DC 升压转换器和 H 桥逆变器组成。单级 AC-DC 转换器提供电流隔离、高输入功率因数、输入和输出电流的连续流动，并且电路中的半导体器件最少。引入高增益 DC-DC 转换器将低电池组电压升压为高直流链路电压，以便将其馈送到逆变器。这允许在 UPS 系统中使用低压电池组。

　　此外，转换器遵循 ZVS 和同步整流 (SR) 的条件，从而提高了系统效率。逆变器控制中实施了新的级联滑动模式 (SM) 和比例谐振 (PR) 控制器，它们表现出良好的性能，具有低总谐波失真 (THD) 和高稳定性，适用于非线性和脉冲负载。

　　由于没有使用笨重的电网频率变压器，且电池组较小、效率较高，因此所提出的系统的体积和成本相对较小。因此，所提出的 UPS 系统成本低、重量轻，是低功率应用的绝佳选择。已构建 1 kVA 实验室原型来验证系统的性能。所提出的 UPS 系统表现出出色的稳态和动态性能。

　　电路描述

　　所提出的系统由前端的单级 AC-DC 转换器、后端的 H 桥逆变器以及与 UPS 系统电池组相连的高增益升压转换器组成。单级 AC-DC 转换器提供整流、功率因数校正 (PFC) 以及负载与电网之间的高频隔离。具有高电压增益的升压转换器将低电池组电压升压为高直流链路电压，以便将其馈送到逆变器。具有新鲁棒控制方案的 H 桥逆变器适用于非线性负载条件下的操作，并在模式更改期间提供快速瞬态响应。

　　操作模式

　　UPS工作于两种模式：电网模式和电池模式。

　　网格模式

　　当电网电压稳定且无电源故障时，UPS 系统以电网模式运行。单级 AC-DC 转换器调节 C r两端的电压。同时，升压转换器将 C r两端的电池组电压升压并提供给逆变器。逆变器为连接的负载提供稳定的输出电压。

　　电池模式

　　如果公用电源中断或电压骤降，电磁接触器 (MC) 将打开，单级 AC-DC 转换器停止运行。现在，电池通过与其相连的升压转换器和逆变器为负载供电。电池的布置使得它在公用线路故障时为升压转换器提供不间断的能源。直流链路电容器的值保持较高，以便在电源模式之间转换期间为逆变器提供足够的能量。

　　系统中增加了旁路开关，以提高系统的可靠性。当系统出现内部故障或电路过载和过热时，旁路开关将打开，为电网到连接负载的电力提供直接路径。

　　交流-直流转换器

　　文献中提出了许多单级 AC/DC 转换器  。DC / DC转换器的前端通常采用全桥二极管整流器，但四个二极管以线路频率工作会导致高传导损耗，从而降低转换器的效率。为了消除上述问题，我们在设计中实现了无桥单级 PFC AC/DC 转换器。

　　提出了一种无桥单级半桥 AC/DC 转换器。它仅使用两个有源开关和两个二极管作为无源开关来实现 AC/DC 转换，尺寸更小，运行更高效。然而，该电路在 DCM 下工作，不适合大功率应用。分析了一种与高频链接 DC/DC 稳压器连接的图腾柱无桥 PFC。直流链路电容减少，有助于降低系统的总成本和尺寸，但电 路仍然在临界传导模式下工作。

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