一种用于在线式UPS的AC-DC-AC变换器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于在线式UPS的AC-DC-AC变换器及其控制策略，属于电力电子变换器技术领域，尤其属于高功率密度不间断电源(UPS)技术领域。

背景技术

不间断电源(UPS)可以在电网中断和干扰的时候为重要的负荷提供保障的备用电源。UPS可以分为三类，即后备式UPS、在线互动式UPS、在线式UPS。后备式UPS在电网正常运行期间使用静态开关将输入直接与输出连接，同时给电池充电，当电网发生故障时静态开关断开，电池通过逆变器为负荷供电。由于逆变器仅在备用模式下运行，切换时间长，在正常运行期间对输入干扰的保护小。在工业环境中，在线互动式UPS更受欢迎，在正常运行期间，通过无源调节级与负荷连接，能过滤大部分线路干扰，在电网发生故障时利用串联开关在逆变器运行前断开电网，切换时间为几毫秒。在线UPS式首先将电网电压转换为中间直流母线上的直流电压，然后将直流母线电压转换为输出端负荷所需要的幅值和频率的交流电压，负荷始终由逆变级提供电源，保证了负荷上交流电压的不中断。在线式UPS常用于电子设备安全和持续运行的领域，对UPS的功率密度有着很高的要求。

现有的技术中，有人提出变压器隔离拓扑和单个直流母线，在这种方法中通常利用隔离PFC整流级来满足隔离要求，有人提出三级隔离在线式UPS，在PFC整流阶段之前使用额外的DC-DC变换阶段，来满足隔离要求。在上述技术中，额定峰值的变压器限制了其效率，并对功率密度产生不利影响。对于非隔离在线式UPS，有人提出的拓扑中在输入和输出焦虑端口之间有一个公共的中性点，这些拓扑在使用四象限开关限制其工作频率，存在分裂直流母线。对电容的要求会加倍，从而限制其总功率密度，或者增加其控制的复杂性。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于在线式UPS的AC-DC-AC变换器及其控制方法，具有实现了软开关，且允许高频操作，减小了输入电感的体积的特点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于在线式UPS的AC-DC-AC变换器，包括有交流输入电压源Vin、第一功率开关管S

所述的交流输入电压源Vin的第一端与第三功率开关管S

所述的第一功率开关管S

所述的第一功率开关管S

所述的第一功率开关管S

所述的第一功率开关管S

所述的第一功率开关管S

所述的第四功率开关管S

一种用于在线式UPS的AC-DC-AC变换器的控制方法，包括以下步骤：

对于整流阶段控制，变换器的整流阶段工作在boost和buck-boost两种工作模式，为了减小输入电感的尺寸，在高频下运行；为了在高的开关频率下保持高效率，整流阶段工作在边界传导模式下运行，使得功率开关管零电压开通；

在输入电压的正半周期内，整流级在boost模式下运行，输入电压的瞬时值小于直流母线电压的一半；当输入电压的瞬时值大于直流母线电压的一半时，只有每个开关周期结束时的电感电流小于某个负值i

在输入电压的负半周期内，整流级在buck-boost模式下运行，第三功率开关管S

在整个整流阶段的控制中，整流级工作在边界传导模式下，通过感应输入电压的极性，来控制第一功率开关管S

对于逆变阶段控制，逆变级主要用于产生输出端的正弦交流电压，逆变阶段也工作在boost和buck-boost两种工作模式；逆变级工作在固定开关频率的连续传导模式；

在整个逆变阶段控制中，通过对正弦基准电压与检测到的输出电压进行比较来产生电压误差信号，并将电压误差信号送入逆变级的控制器中，逆变级的控制器包括两个控制器G

所述的整流级和逆变级之间使用单个直流母线。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

所述的一种用于在线式UPS的AC-DC-AC变换器的整流级和逆变级之间使用单个直流母线，与传统的分立式直流母线的在线式UPS相比，直流母线的电容需求减小了50％。所述变换器的输入的整流级在BCM模式下运行，实现了软开关，并且允许高频操作，减小了输入电感的体积。输出的逆变级在CCM模式下运行，控制器通过电阻和无功负载来调节变换器的输出电压。所述变换器适合于集成电池的充放电接口，电池接口在放电阶段利用主功率级，无需峰值功率额定放电阶段，充电时，使用额定功率较低的buck变换器。从而实现高效率和高功率密度。

整流级和逆变级之间使用单个直流母线，与传统的分立式直流母线的在线式UPS相比，直流母线的电容需求减小了50％；变换器的输入的整流级在BCM模式下运行，实现了软开关，并且允许高频操作，减小了输入电感的体积。输出的逆变级在CCM模式下运行，控制器通过电阻和无功负载来调节变换器的输出电压；变换器适合于集成电池的充放电接口，电池接口在放电阶段利用主功率级，无需峰值功率额定放电阶段，充电时，使用额定功率较低的buck变换器，从而实现高效率和高功率密度。

附图说明

图1为本发明的用于在线式UPS的AC-DC-AC变换器的拓扑结构图；

图2为本发明在整流阶段输入电压的正半周期的工作模式图；

图3为本发明在整流阶段输入电压的负半周期的工作模式图；

图4为本发明在逆变阶段输出电压的正半周期的工作模式图；

图5为本发明在逆变阶段输出电压的负半周期的工作模式图；

图6为电感电流的时间放大图和电感电流平均值的波形图以及输入电压的波形图。其中，正弦实线为输入电压的波形图、锯齿实线为电感电流的时间放大图、正弦虚线为电感电流平均值的波形图；

图7为整流阶段的控制器框图；

图8为用于整流阶段的零电流检测电路的控制框图；

图9为逆变阶段的控制器框图；

图10为电池接口架构图的正常运行模式下的电池充电路径；

图11为电池接口架构图的备用运行模式下的电池放电路径；

其中：Vin为输入电压源；S1为第一功率开关管；S2为第二功率开关管；S3为第三功率开关管；S4为第四功率开关管；S5为第五功率开关管；S6为第六功率开关管；S7为第七功率开关管；S8为第八功率开关管；C

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，为本发明一种用于在线式UPS的AC-DC-AC变换器拓扑结构图，包括交流输入电压源Vin、第一功率开关管S

交流输入电压源Vin的第一端与第三功率开关管S

参见图2，为本发明在整流阶段输入电压的正半周期的工作模式图，根据输入电压的极性不同，整流阶段工作在boost模式或者buck-boost模式。当在输入电压的正半周期内，整流级通过让所述第三功率开关管S

参见图3，为本发明在整流阶段输入电压的负半周期的工作模式图，当在输入电压的负半周期内，整流级通过让所述第一功率开关管S

参见图4，为本发明在逆变阶段输出电压的正半周期的工作模式图，为了在输出端产生正的输出电压，逆变级通过让所述第八功率开关管S

参见图5，为本发明在逆变阶段输出电压的负半周期的工作模式图，为了在输出端产生负的输出电压，逆变级通过让所述第六功率开关管S

参见图6，为电感电流的时间放大图和电感电流平均值的波形图以及输入电压的波形图。其中，正弦实线为输入电压的波形图、锯齿实线为电感电流的时间放大图、正弦虚线为电感电流平均值的波形图。在输入电压的正半周期内，当输入电压的瞬时值小于直流母线的电压一半时，整流阶段工作在boost模式。当输入电压的瞬时值大于母线电压的一半时，只有当每个开关周期结束时的电感电流小于i

参见图7，为整流阶段的控制器框图，在所提出的控制中，整流阶段工作在BCM模式，通过感应输入电压的极性，控制器为第一功率开关管S

参见图8，为用于整流阶段的零电流检测电路的控制框图，零电流检测电路感应电感电流，并利用两个迟滞比较器，每半个输入周期对应一个。对于输入电压的正半周期，当电感电流下降至i

参见图9，为逆变阶段的控制器框图，对于逆变阶段控制，逆变级主要用于产生输出端的正弦交流电压，逆变阶段也工作在boost和buck-boost两种工作模式。逆变级工作在连续传导模式(CCM)下以固定的开关频率运行。对于整个逆变阶段控制中，通过对正弦基准电压与检测到的输出电压进行比较产生电压误差信号送入逆变级的控制器中，逆变级的控制器包括两个控制器和G

参见图10，为电池接口架构图的正常运行模式下的电池充电路径，该电池接口包括DC-DC变换器，由所述电池侧第一功率开关管S

参见图11，为电池接口架构图的备用运行模式下的电池放电路径，当电网发生故障断电时，DC-DC变换器不用于给负载供电，在此情况下，第一快速继电器S

实施例1

一种用于在线式UPS的AC-DC-AC变换器包括交流输入电压源、第一功率开关管S

交流输入电压源的第一端与第三功率开关管S

所述的第一功率开关管S

所述的第一功率开关管S

所述的第一功率开关管S

所述的第三功率开关管S

所述的第五功率开关管S

所述的第七功率开关管S

所述的第一功率开关管S

所述的第一功率开关管S

所述的第四功率开关管S

一种用于在线式UPS的AC-DC-AC变换器的控制方法为，对于整流阶段控制，所述变换器的整流阶段工作在boost和buck-boost两种工作模式，为了减小输入电感的尺寸，在高频下运行。为了在高的开关频率下保持高效率，整流阶段工作在边界传导模式(BCM)下运行，从而实现功率开关管的零电压开通(ZVS)。在输入电压的正半周期内，整流级在boost模式下运行，输入电压的瞬时值小于直流母线电压的一半，当输入电压的瞬时值大于直流母线电压的一半时，只有每个开关周期结束时的电感电流小于某个负值i

进一步地，i

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。