完美無諧波多電平ZVS UPS的原理電路如圖5所示(市電旁路開關未畫出)。它是由18相三重疊加市電輸入整流電路,直流電源SPWM級聯式ZVS軟開關多電平逆變器組成的,在圖5所示的UPS電路中,沒有使用輸入或輸出交流濾波器,這是本UPS的特點。對于圖5中的三相直流電源SPWM級聯式ZVS軟開關多電平逆變器,當采用圖6所示的控制電路(穩壓控制電路部分未畫出)對其進行控制時,就可以得到三相7電平SPWM正弦波交流電壓輸出,輸出電壓的波形如圖7所示。這是一種輸入輸出波形最接近于正弦波,使用開關器件最少、開關損耗最小的一種新型ZVS 7電平 UPS。

圖5  三相完美無諧波多電平ZVS UPS的原理電路(B、C相與A相同,市電旁路開關未畫出)

圖6  圖5所示UPS電路的控制電路(穩壓控制電路部分未畫出)

3.1 輸出電壓方程式的推導

三相完美無諧波多電平ZVS UPS,采用的是載波三角波移相SPWM控制方式,其工作波形如圖7所示。3個載波三角波uc1～uc3的初相位角依次滯后2π/3,假定uc1的初相位角α1=0°,則uc2的初相位角α2=2π/3,uc3的初相位角α3=4π/3。uc1～uc3共用一個正弦調制波uS4。用載波三角波uc1與正弦調制波usA進行比較,在usA>uc1部分產生的SPWM控制脈沖去控制開關SA1。使2HA逆變器的輸出電壓為up1;用uc2與usA進行比較,在usA>uc2部分產生的SPWM控制脈沖去控制開關SA2,使2HA的輸出電壓為up2;用uc3與usA進行比較,在usA>uc3部分產生的SPWM控制脈沖去控制開關SA3,使2HA的輸出電壓為up3,則A相UPS的輸出電壓uA=up1+up2+up3。

載波三角波uc1的表示式為:

k=0, ±1, ±2, …

正弦調制波表示式為:

假定載波比   調制度 

則直流電源E1通過2HA的輸出電壓up1的雙重傅里葉級數表示式由參考文獻[2]可得

由于sinm(π-0)+ sinm(π-2π/3)+ sinm(π-4π/3)=0，cosm(π-0)+ cosm(π-2π/3)+ cosm(π-4π/3)= ±3或0. 當m為3的奇次倍時等于(-3),當m為3的偶次倍時等于(+3),當m為3的整數倍以外的數時等于0,所以:

由uA的表示式可知,在A相輸出電壓uA中,將會消除掉3F±1次以下的諧波和m<3以下的載波諧波,只包含3F±1次以上的諧波和m>3以上的載波諧波。當載波比F=120時,可以消除3×120±1=360±1次以下的諧波,故可以稱為完美無諧波UPS。

圖7  UPS交流輸出電壓的波形圖

3.2 派生電路及其參數

圖5所示的三相完美無諧波ZVS UPS電路,是每相獨立直流電源個數N=3的一種UPS電路，這是為了敘述方便而設定的,當N=2、3、4、5時UPS所用獨立直流電源個數、疊加開關IGBT個數、2H橋用GTO或SCR個數，市電輸入整流電源型式、uA輸出電壓的通用表示式及輸出電壓的電平數，如表2所示。設計者可以根據不同的要求進行選擇，一般地說，N越大輸出電壓的波形越接近于正弦，但電路也最復雜，成本也越高，通常選用N=3就可以了。當N=5時，A相輸出電壓的仿真波形如圖8所示，可以看出，它是非常接近于正弦波形的。

表2  UPS的參數結構與N的關系

圖8  當N=5時,輸出電壓uA的仿真波形

4 結束語

本文所介紹的完美無諧波多電平ZVS UPS,采用了三項最新技術:在逆變器部分,采用了我們獨自研制的直流電源SPWM級聯式多電平逆變技術。它把級聯疊加和SPWM控制與逆變器分開,移到了直流電源的疊加控制開關上實現,達到了減少元器件數目(特別是開關器件的數目)和減少開關損耗的目的,并使2H橋逆變器中的開關管自然工作在ZVS狀態,為低速開關器件GTO或SCR的應用創造了條件。對于逆變器中的直流電源疊加控制開關SA1～SA3采用了準諧振ZVS軟開關技術,使開關損耗進一步減少。市電輸入整流電源采用了相應的18相三重疊加整流電源,使輸入功率因數提高。綜合起來,通過上述三項新技術的應用,使得本文介紹的UPS具有以下特點:

(1)具有完美的輸入、輸出波形,無需附加任何的濾波裝置,就可以滿足各國供電部門對諧波的嚴格要求,實現了UPS的綠色革命。

(2)全部實現了ZVS零電壓軟開關,減小了開關損耗與EMI,最大限度地提高了逆變效率,使總效率可以達到97.5%以上。

(3)具有優良的抗浪涌能力。

(4)可以使市電輸入功率因數達到0.98以上。

(5)與其他多電平逆變器相比,所用元器件數目最少,減少了制造成本。

(6)控制簡單、動態響應快、體積重量小。

(7)適合于中、大功率UPS應用,是當前中、大功率綠色UPS的發展方向。