一般在市电正常的情况下，输出负载的供电是由市电经过AC/DC，DC/AC两个变换电路后提供的，而电池在UPS系统里起到一个备用源的作用，当市电异常的情况下，IP.RLY弹开，Bat.RLY闭合，由电池经过DC/AC电路输出给负载供电，保证UPS的不间断供电功能。电池充电功能由输入接在Bus电容上的充电器来实现。当出现异常状况（过温，风扇Fault，过载等）时，输出负载会由市电经过旁路提供，这时候Byp.Rly闭合。

INV.STS和BYP.STS分别是逆变输出和旁路输出的SCR控制信号。为输出端的继电器并联SCR的目的：一是为了防止继电器拉弧；二是为了缩短逆变与旁路模式转换时的断电时间。

PFC电路顾名思义是功率因数校正（Power Factor Correction），目的是尽量减小输入的无功功率，使输入电源呈阻性。根据功率因数的表达式（1），

其中P代表输入有功功率，S代表输入视在功率，Vrms代表输入电压有效值，I1代表输入基波电流有效值，Iin代表输入电流有效值，φ代表基波电压与基波电流相位差，表达式右侧的基波电流和2次/3次…n次谐波的关系可以THDi（电流总谐波畸变）的表达式（2）代替，这样计算PF值的表达式可化简为表达式（3），

由式（3）输入PF值与电压电流相角，输入电流谐波的关系可以得到这样的结论：需从减小相位角和减小谐波量两个方面做出优化才能提高输入功率因数。

公司现有的UPS产品根据功率等级不同，会采用不同的PFC拓扑。对于1~3KW的小功率范围，采用双向单路Boost线路；对于6~20KW的功率范围，采用双Boost线路。从环路本身来看，这两种拓扑没有差异，只是随着功率变大，前端整理桥电路换成了晶闸管。6-10kVA机器PFC电路所采用的是双Boost拓扑，如下图1-2所示：

如图1-2所示，当输入端为正半周期时，X1、L1、Z1、D1、C1组成的Boost线路工作；若Z1导通，输入电压给L1充电，电感电流 上升；若Z1关断，输入电压和L1一起给C1充电，电感电流 下降；如图1-2中的蓝色箭头所示。

当输入端为负半周期时，X2、L2、Z2、D2、C2组成的Boost线路工作；若Z2导通，输入电压给L2充电，电感电流 上升；若Z2关断，输入电压和L2一起给C2充电，电感电流 下降；如图1-2中的红色箭头所示。

按照上述开关状态，该线路的工作状态如表1-1示。

表1-1开关状态与工作状态的关系

那么，根据上表1，在一个开关周期内，主控开关管（正半周为Z1 / 负半周为Z2）导通时，电感电流 上升；反之，电感电流 下降。电感电流 的波形，如图1-3所示：

定义开关管的占空比 ，则可分别计算出上升沿和下降沿电感电流的变化量：

稳态下，一个开关周期内，电感充磁（积蓄能量）去磁（释放能量）过程能量平衡，即电感电流上升变化量和下降变化量相等 ，进而可推出：

因此市电 越大，开关管的占空比越小。在一个市电周期中，PFC电路中功率开关管Z1和Z2的工作波形，如图1-4所示：

逆变器从不同的角度，有很多不同的划分方式：

目前公司和业界常见的一种应用于UPS的逆变器结构，是单相半桥逆变器。这种拓扑桥臂中点输出状态有+Vbus、-Vbus两种电平，属于二电平转换器。由于受开关管耐压的限制，同时管子损耗也大，不宜实现高压大功率输出。

为了解决管子耐压和损耗问题，可采用多电平逆变拓扑。利用增加主电路电平数来减小du/dt和输出电压中的谐波，使逆变器的开关管工作在低压状态，从而在管子开关频率不变的情况下减小开关损耗和EMI，逆变效率高。Dragon系列的产品采用的是“单相二极管钳位式三电平逆变结构”，如图1-5所示。

它由两个直流分压电容C1和C2、4个主开关管、4个续流二极管和两个钳位二极管组成。这种多电平逆变器的主电路拓扑结构比较简单，控制电路和控制方式也比较简单，逆变器双向功率流动的控制比较容易。缺点是母线分压电容的均压控制比较困难，需要采取措施抑制母线中点电压的波动。

当开关管Q1、Q2同时导通时，输出端b对O点的电平为Bus+，定义为工作状态P；当开关管Q2、Q3同时导通时，输出端b和O相连，b点对O点的电平为0，定义为工作状态O；当开关管Q3、Q4同时导通时，输出端b对O点的电平为Bus-，定义为工作状态N。根据电感电流的方向，每种开关状态下，又有两种不同的模态，如图1-6示。

因此，逆变器电路的输出电平数有3种，其输出电压与开关状态的关系如表1-2所示。可以看出电路中嵌位二极管的作用是把桥臂上与其相连接的点上的电压钳到零电位。

表1-2 输出电压与开关状态的关系

（1）三电平逆变器的三种工作状态P、O、N分别是将逆变器母线正端电压、母线中点电压、母线负端电压通过表1-2开关组合接至负载，三种工作状态下逆变器每相的功率开关都是关断两只，开通两只。其它的开关组合不能保证逆变器在电动和发电时处于相同的工作状态，均为无效开关状态。

（2）图1-7给出了输出电压为正弦波时四个开关管的驱动信号波形，可以看出此时三电平逆变器在全部工作状态P、O、N下，功率开关Q1和Q3、Q2和Q4的开关状态始终相反（互补）。逆变器的输出由两对开关状态互补的功率开关组成。

（3）三电平逆变器在每种工作状态下都有两个功率开关管是关断的，以分担母线电压，这使得三电平逆变器在相同的功率开关耐压技术下可以承受更高的母线电压。另外，三电平逆变器的功率开关在切换时也需要加入死区时间，以保证每相两个功率开关保持在关断状态。

目前公司电池充电的线路拓扑，按照产品的功率等级有以下几种：对于1~3KW的小功率范围，采用的是Flyback反激电路；对于3~20KW的功率范围的产品，采用Buck线路。

产品采用的就是“双BUCK拓扑线路”，如图1-8所示。CT1和CT2为开关管电流采样CT。RLY1和RLY2为充电器的继电器(对应图1-1中的CHGR.Rly)。

Charger的输入源为正负BUS（额定电压360V），输出接蓄电池。在市电的正半周，BUS+通过上方的BUCK电路向电池充电，如图1-9和1-10所示。

图1-9中，Q1 导通，同时Q2 断开，BUS+和L1一起给C1、BAT充电。图1-10中，Q1 和Q2都 断开，电感L1通过D4、D1续流。

在市电的负半周，BUS-通过下方的BUCK电路向电池充电，如图1-11和1-12所示。

图1-11中，Q2导通，同时Q1 断开，BUS-和L2一起给C1、BAT充电。图1-12中，Q1 和Q2都断开，电感L2通过D2、D3续流。

功率电路如图1.2所示，晶闸管Q1、Q2 组成半桥整流电路，电感L1、L2、开关管Q4、Q5、二极管D1、D2以及直流电容C1和C2构成双Boost功率因数校正环节，并调控±BUS电压，使其稳定在±345V。逆变部分由功率开关管Q6~Q9、输出滤波电感L以及输出电容C组成，其中 Q7-Q10 四个开关管组成三电平半桥逆变结构，以产生高质量正弦波输出。

正半周晶闸管Q1开通整流：Q1、L1 和Q4组成一个升压型APFC电路。上管Q4工作，开通时经Q1，L1，Q4，N通路，电感L1储能；关断时经Q1，L1，D1，C1，N通路，为+BUS充电，如图1.3（a）所示。

负半周晶闸管Q2开通整流：Q2、L2 和 Q5组成一个升压型APFC电路。下管Q5 工作，开通时经N，Q5，L2，Q2 通路，电感L2储能；关断时经N，C2，D2，L2，Q2通路，为-BUS充电，如图1.3（b）所示。

工作原理：正半周 Q1、L1、Q4 组成升压型功率因数校正电路，检测输入电压、电流和＋BUS 电压反馈来控制 Q4 的开通与关断实现功率因数校正，负半周 Q2、L2、Q5 组成升压型功率因数校正电路，检测输入电压、电流和-BUS 电压反馈来控制 Q5 的开通与关来断来实现功率因数校正。也即在正负半周，两个boost电路独立工作，波形如图1.4所示。

图1.3 市电模式PFC工作原理

上下管一起开通，电池电压经Q4 和Q5为电感L1、L2储能, 如图1.5（a）所示；

上管通、下管断，电池电压经L1、Q4、C2形成闭合回路，-BUS电容C2充电, 如图1.5（b）所示；

上管断、下管通，电池电压经L2、Q5、C1形成闭合回路，+BUS电容C1充电, 如图1.5（c）所示；

上下管一起关断，给±BUS电容充电, 如图1.5（d）所示。

接通市电但未按开机键时，经过约1.5S的市电侦测后进行IP SCR软启动，对BUS电容充电至311V左右，此时PFC未工作。市电正半周时Q1工作对正BUS电容充电，市电负半周时Q2工作对负BUS电容充电，完成启动后作为二极管整流使用。

多电平逆变器主要有三类拓扑结构：

（1）二极管钳位型多电平逆变器（Diode-Clamped Inverter）；

（2）飞跨电容钳位型多电平逆变器（Flying-Capacitor Inverter）；

（3）级联型多电平逆变器（Cascaded-Inverter）。

对于N电平逆变器，与传统的两电平逆变器相比，其具有以下优点：

（1）I/P EMI & O/P EMI

输入、输出EMI模块主要作用是使机器符合EMC规范要求，除维修旁路外，机器其余工作模式的输入输出都要经过EMI板。

（2）REC & PFC

对输入交流电进行整流获得直流电；进行功率因数校正（PFC）；控制BUS电压软启动；电池模式时工作在升压模式，为逆变模块提供电压。

（3）三电平INV逆变电路

（4）STS缓冲电路

该模块用以实现旁路转换功能：由于RELAY的切换时间较长，在转换过程中可能导致输出不连续，为了防止这种状况发生，因此将SCR与RELAY并联，通过软件控制使在RELAY切换前先导通STS，这样就保证了输出连续性。

（5）Charger充电器

直接接到±BUS上，BUS电压经过Charger电路变换后为电池供电。其采用的结构为BUCK型降压型拓扑结构。

（6）SPS辅助供电电源

SPS辅助供电电源采用单独的反激式电源模块，输入端直接接在+BUS端，因此启动必须电池处于有电且连接状态。

对应着的五种工作模式：

（1）旁路模式：市电直接向负载供电，这种模式一般是市电模式下输入电压过低或者过高，频率超出规定范围，或者INV模式下电池电压异常等。

（2）市电模式：市电经整流电路、PFC电路和逆变电路向负载供电。

（3）电池模式：蓄电池经Boost DC/DC 升压电路和逆变电路向负载供电。一般工作在市电模式异常或者电网断电的情况下。

（4）ECO模式：在ECO模式下，市电旁路输出的同时，PFC电路和逆变电路空载运行，为系统切向电池模式做准备。ECO模式下系统效率达97%（原因:市电正常在ECO范围内时BYPASS工作(直接供电效率较高)，市电异常才转到电池模式。）。在市电输入比较稳定和用户对电源要求不高的场合，系统运行在ECO模式下，可以减少电能损耗。

UPS硬件架构主要包括整流和PFC模块，逆变电路模块，蓄电池充电模块，电源模块和输入输出EMI滤波模块。其中REC&PFC模块和逆变电路模块的拓扑结构如图1-2所示。

晶闸管是半可控型器件，当晶闸管承受正向电压并且门极施加触发脉冲时，晶闸管导通；当晶闸管承受反向电压或通过晶闸管的电流减小到维持电流以下时，晶闸管关断。

UPS的启动过程是采用蓄电池供电模式，开机时先把蓄电池连接到直流母线上，待 电压达到电池电压水平时，再启动整流电路进行市电模式供电。三相全控桥的驱动采用统一的驱动形式，六个晶闸管驱动信号经过隔离变压器后驱动晶闸管。在电池模式软启动以后，整流桥开始工作，整流桥驱动电压保持高电平，使六个晶闸管在自然换相点开通或者关闭。控制信号SCR1_G驱动共阴极组的晶闸管SCR1、SCR3、SCR5和SCR2_G/SCR3_G/SCR4_G分别驱动共阳极组晶闸管SCR2、SCR4、SCR6。理论工作情况分析，如图1-5所示。

整流电路的工作过程：三相市电工作时各个晶闸管均在自然换相点处换相。从线电压波形上来看，共阴极组晶闸管导通时，整流输出电压 为相电压的正半周的包络线；共阳极组导通时，整流输出电压 为相电压在负半周的包络线，因此整个工作周期中 REC电压即为相电压正负半周的包络线。单相市电工作过程中，上、半桥作为一个整体同时工作；三相市电工作过程中，每个时刻均需要2个晶闸管同时导通，形成整流电路，且共阳与共阴半桥有且仅有一个晶闸管导通，但不能为同一桥壁上的晶闸管。整流输出电压 在一个周期中脉动3次，每个脉动波形的长度为120°。

对于R相市电电压正半周且其电压大于其余两相电压时，晶闸管SCR1承受正向电压和在驱动信号SCR1_G的作用下而导通，SCR3、SCR5承受反向电压而关断。此时电感L1，Q1，SCR1，D1和组成Boost-APFC电路，与此同时S/T相负半周对应绝对值较大的相导通即为SCR4或者SCR6导通，电感L2，SCR2，Q2，D2和 组成Boost-APFC电路；在R相负半周绝对值大于其他两相电压时，SCR2导通，正半周S/T相对应SCR3或者SCR4导通。对于S相和T相，整流的工作原理相同。

图1-4所示为三相整流和PFC电路，该电路包括了两个BOOST-APFC电路，一个工作在三相电压的正半周，一个工作在三相电压的负半周。Q1和Q2是上、下桥臂的MOSFET开关，L1和L2是两个储能电感，D1和D2是Boost二极管， 和 是两个储能电容，其上电压为两个BUS电压。下面以R相为例介绍PFC电路工作过程。

<1>市电R相电压的正半周且其电压大于其他两相电压时，晶闸管SCR1常通，此时S相或者T相负半周绝对值较大者也处于导通状态：上半桥SCR1、L1、Q1、D1和组成一个升压型APFC电路。+BUS回路中整流管SCR1工作，开通时经SCR1、L1、Q1、N通路，电感L1正向储能；关断时经L1、D1、 、N通路，电池和电感L1为+BUS电容充电；同时S相或者T相也有导通时刻，下半桥中SCR4和SCR6各有60°导通时间，开通时经SCR4或者SCR6、L2、Q2、N通路，电感L2正向储能；关断时经L2、D2、 、N通路，为-BUS电容充电。

<2>市电R相负半周且其电压大于其他两相电压绝对值时，晶闸管SCR2常通，此时S相或者T相交替导通：下半桥中SCR2、L2、Q2、D2和 组成一个升压型APFC电路。Q2工作，开通时经N、Q2、L2、SCR2通路，电感L2反向储能；关断时经N、D2、Q2、L2通路，为-BUS电容充电。同时S相、T相也有导通的时刻，上半桥SCR3 和SCR5各导通60°导通，各自的工作情况如<1>中所述，这里不再介绍。

市电R相正半周、S相负半周工作模态如图1-12所示。

第一阶段：上电启动时，BUS电压还没有建立，需要对BUS电容缓慢灌电流。此阶段是先把PFC驱动信号拉低，闭合电池BAT.SOFT，通过电池使其两个BUS电压达到电池电压240V左右。

第二阶段：开启电池升压工作模式，使两个BUS电压都达到360V左右。

第三阶段：PFC功率因数矫正电路和逆变电路开始工作，当逆变稳定一段时间后O/P.RLY闭合输出电压，直至输出电压稳定建立。

<1> Q1、Q2管同时开通，电池同时为电感L1、L2储能，±BUS电容放电；

<2> Q1、Q2管同时关断，电池和电感同时给±BUS电容充电，同时维持BUS电压的稳定；

<3> Q1开通、Q2关断，上桥电池为电感L1充电，+BUS电容放电；下桥电池和电感L2共同为+BUS电容充电，并维持BUS电压稳定；

<4> Q1关断、Q2导通，上桥电池和电感L1同时为+BUS电容放电，并维持+BUS电压的稳定；下桥电池为电感L2充电，-BUS电容放电。

电池模式下PFC电路的工作模态如图1-17所示。

第一阶段：PFC的上下开关管都关闭。电池向±BUS电容灌电流，使BUS电压上升到240V左右。

第二阶段：当PFC电路的升压功能开始工作， Boost电路中上下两管同时导通时，电感L1、L2储能；当两个管都关闭时，电池和电感同时为±BUS电容同时充电。当+BUS电压和-BUS电压都达到360V左右时，第二阶段结束。

第三阶段：当+BUS和-BUS电压达到360V左右时，两个Boost电路进入正常工作模式，两个Boost电路中的开关管可以同时导通、同时关闭、一通一断，构成升压电路； 直到INV模块开始工作，第三阶段结束。

第四阶段：当INV电压稳定一段时间后，输出O/P.RLY开始工作，开始有稳定的电压输出，空载时，两个Boost电路中的开关管可以同时导通、同时关闭、一通一断，构成升压电路工作；当带负载时，Boost电路中的开关管以同时通断的方式工作。第四阶段结束。