UPS产品一般采用双变换器结构，常见的系统结构如图1-1所示。

图1-1 Dragon UPS的系统结构

可以看出，UPS包含的变换结构包括3种：AC/DC，DC/DC，DC/AC。其中，AC/DC为PFC线路；DC/AC为逆变线路；DC/DC为Charger线路。

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。

1.1 PFC线路

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。

1.1.1 PFC拓扑结构

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：

图1-2 PFC电路拓扑图

1.1.2 PFC电路工作原理

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：

图1-3 Boost线路PFC电感电流波形

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：

图1-4 PFC开关管Z1/Z2占空比示意图

1.2 逆变线路

1.2.1 逆变拓扑结构

逆变器从不同的角度，有很多不同的划分方式：

a. 按输出相数分类，可以分为单相逆变器，三相逆变器。

b. 按输出性质分类，可以分为方波逆变器，正弦波逆变器和高频脉冲逆变器。

c. 按输出电平数量分类，可以分为两电平逆变器和多电平逆变器。

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。

图1-5 三电平逆变电路

1.2.2 工作原理

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

图1-6 不同开关组合下输出状态示意图

对二极管嵌位型三电平逆变器进行分析可见，它的结构和控制方式有如下特点：

（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。

图1-7 四个开关管的驱动信号波形

（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。

1.3 Charger线路

1.3.1 Charger拓扑架构

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)。

图1-8 Charger线路图

1.3.2 Charger工作原理

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。

图1-9 市电正半周Q1 ON时模态（Q2 OFF）

图1-10 市电正半周Q1 OFF时模态（Q2 OFF）

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 市电负半周Q2 ON时模态（Q1 OFF）

图1-12 市电负半周Q2 OFF时模态（Q1 OFF）

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。

在市电正半周，BUS+ 负责给电池充电；在市电负半周，BUS- 负责给电池充电。继电器接通的情况下，按照上述开关状态，工作状态如表1-3所示。

表1-3 开关状态与工作状态的关系

那么，根据上表，在一个开关周期内，主控开关管（正半周为Q1 / 负半周为Q2）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1-13所示：

图1-13 Buck线路电感电流波形

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：

因此电池电压 和BUS电压 一定时，开关管的占空比恒定。在一个市电周期中，Charger线路的功率开关管Q1和Q2的工作波形，如图1-14所示。

图1-14 Charger线路的Q1 和Q2的PWM工作波形

图1.1 整机框架

图1.2 功率电路

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。

1.2 REC and PFC

1．工作原理

（1）市电模式工作过程：

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。

（a）市电正半周

（b）市电负半周

图1.3 市电模式PFC工作原理

（2）电池模式工作过程：

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。

工作原理：电池模式下与市电不同，控制时将BUS电压分为两部分，即±BUS绝对值之和、±BUS绝对值之差，Q1、Q2共同导通时间的脉宽决定了其和部分，脉宽越大则和越高；而Q1、Q2不同时导通时间决定了差的部分，不同时导通时间越长则差越大。

图1.5 电池模式PFC工作原理

3．上市电未开机时REC工作情况分析：

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。

图1.7 REC and PFC 示意图

1.3 INV

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）每个功率器件仅承受1/（N-1）的母线电压（对于直型结构而言），所以可以用耐压较低的器件实现高压大功率输出，且无须动态均压电路；

（2）可用较低开关频率获得与高开关频率下两电平逆变器相同的输出电压波形，故开关损耗小，整机效率高；

（3）电平数的增加改善了输出电压波形，减小了输出电压THD；

（4）开关器件所承受的dv/dt应力与两电平逆变器相比大大减少，可以改善装置的EMI特性。

对于二极管钳位型N电平逆变器，每相桥臂需要2（N-1）个功率开关，（N-1）*（N-2）个钳位二极管，直流侧需要N-1个电容串联产生N电平的相电压。

逆变部分采用的是二极管钳位三电平半桥逆变电路结构，如图1.10所示。

图1.10 二极管钳位三电平半桥逆变电路

1．工作原理

（1）输出电压正半周：Q7常通，Q9常断。

当iL>0时，Q6高频载波，如图1.11所示。（为负载提供能量，等效为buck电路）

图1.11 Q6高频载波

当iL<0时，Q8高频载波，如图1.12所示。（回馈能量，等效为boost电路）

图1.12 Q8高频载波

（2）输出电压负半周：Q8常通，Q6常断。

当iL>0时，Q7高频载波，如图1.13所示。（回馈能量，等效为boost电路）

图1.13 Q7高频载波

当iL<0时，Q9高频载波，如图1.14所示。（为负载提供能量，等效为buck电路）

图1.14 Q9高频载波

1.1.2 UPS主电路拓朴图

1.2整流和PFC电路

1.2.1 整流模块

1.2.2 市电模式的PFC电路模块

1.2.3 市电模式的电路软启动

1.2.4 电池模式的PFC电路

1.2.5 电池模式PFC电路软启动