UPS逆變器

　　逆變器是UPS的主要組成部分。由于整流器已將交流輸入電壓變成直流電壓，而負(fù)載所需的是交流電壓，就必須有一種電路再將該直流電壓變回交流，執(zhí)行這個(gè)任務(wù)的裝置就叫逆變器。逆變器電路的種類(lèi)很多，在UPS中常見(jiàn)的有推挽變換器、半橋逆變器、全橋逆變器、雙向變換器等。

1.直流變換器

　　直流變換器是一種最簡(jiǎn)單最基本的逆變器電路，主要應(yīng)用于后備式UPS中，它分為自激式和它激式兩種。

1.自激式推挽變換器

圖1 自激式直流推挽變換器

　　圖1(a)所示是自激式直流推挽變換器電路，所謂自激就是不用外來(lái)的觸發(fā)信號(hào)，UPS就可以利用自激振蕩的方式輸出交流電壓，其交流電壓的波形為方波，如圖1(b)所示的波形U_N。U_N是當(dāng)電源電壓E為額定值時(shí)的輸出情況（其中陰影部分除外）。自激直流變換器電路主要用于對(duì)電壓穩(wěn)定度要求不高但不能斷電的地方，如電冰箱、緊要照明用的白熾燈、高壓鈉燈和金屬鹵素?zé)舻龋╇姉l件差的農(nóng)村居民也有不少采用了這種電路作不間斷電源。由于它的電路簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、可靠性高，故也很受歡迎。

　　該電路的工作原理如下：在時(shí)間t=t₀加直流電壓E，這時(shí)由于晶體管V₁和V₂的基極電壓

　　U_b1=U_b2=0，                                                       (1)

　　所示二者不具備開(kāi)啟條件，但在它們的集電極和發(fā)射極之間卻都有漏電流，如圖中的I₁和I₂所示，且二電流在變壓器繞組中的流動(dòng)方向相反，由于器件的分散性，使得

　　I₁-I₂=ΔI≠0，                                                        （2）

　　這個(gè)差值電流ΔI就在繞組中產(chǎn)生一個(gè)磁通量，于是就在基極繞組中感應(yīng)出電壓U_b1和U_b2，由同名端的標(biāo)志可以看出，這兩個(gè)電壓的極性是相反的，即一個(gè)U_b給晶體管基極加正電壓，使其開(kāi)通，另一個(gè)U_b給另一個(gè)晶體管基極加負(fù)壓，使其進(jìn)一步截止。電路的設(shè)計(jì)正好是漏電流大的那一個(gè)晶體管基極所感應(yīng)出的U_b給自己基極加正壓，而漏電流小的那一個(gè)晶體管基極所加的是負(fù)壓，基極加正壓管子的集電極電流進(jìn)一步增加，又進(jìn)一步使它的基極電壓增大，這樣一個(gè)雪崩式的過(guò)程很快使該管（設(shè)為V₁）電流達(dá)到飽和值，即V₁集電極-發(fā)射極之間的壓降U_CE1=0，繞組N₁和N₂上的電壓也達(dá)到了最大值U_N1=U_N2=E，此后由于磁芯進(jìn)入飽和階段，磁芯中磁通的變化量減小，各繞組感應(yīng)的電壓也相應(yīng)減小，原來(lái)導(dǎo)通的管子由于集電極電流增大（磁芯飽和所致）和基極電流減小而脫離飽和區(qū)，使繞組感應(yīng)的電壓進(jìn)一步減小，這樣一個(gè)反變化過(guò)程使得V₁雪崩式地截止而V₂達(dá)到飽和，如圖1(b)t₁所示。而后就再重復(fù)上面的過(guò)程，于是就形成了如圖1(b)所示的方波波形。有時(shí)為了使啟動(dòng)更快和更可靠，就加一個(gè)RC啟動(dòng)觸發(fā)環(huán)節(jié)。

　　該電路方案的不足之處就在于它的不穩(wěn)壓。它的輸出電壓隨著電源電壓E的高低起伏，如圖1(b)U_H陰影部分所示的情形，如果電源電壓E一直這樣高，其輸出電壓也就一直高。若電源電壓E降到U_L這樣低的水平，如圖1(b)U_L陰影部分所示，則輸出電壓也跟著低下去。因此，這種電路方案在以后的后備式UPS中就不被采用了。{{分頁(yè)}}

2.它激式推挽變換器

圖2 它激式推挽直流變換器電路原理圖

　　由于自激式推挽變換器不能滿足輸出電壓穩(wěn)定的要求，它激式推挽變換器就得到了廣泛地應(yīng)用。所謂“它激”就是電路的振蕩工作是由外加控制信號(hào)的激發(fā)而實(shí)現(xiàn)的。圖2(a)所示的就是它激式推挽直流變換器電路原理圖。由圖中可以看出，前面自激式推挽變換器的基極反饋繞組被取消了，代替它的功能的環(huán)節(jié)是電源控制組件IC，在早期用的是TDA1060，后來(lái)多采用LM3842或LM3845等。采用電源控制組件IC發(fā)出方波控制脈沖使UPS工作，在變壓器輸出端有一個(gè)與輸出電壓成正比的反饋信號(hào)回送給IC，使其根據(jù)輸入端電壓的變化和輸出負(fù)載的變化來(lái)調(diào)整控制脈沖的寬度，以保證輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

　　下面就介紹一下該電路的工作原理。

　　當(dāng)接通電源控制脈沖時(shí)，電源控制組件IC開(kāi)始工作并發(fā)出方波控制脈沖，使推挽變換器的兩個(gè)功率管按照脈沖的同樣寬度輸出方波電壓，設(shè)在E為額定值時(shí)，UPS的輸出電壓也為額定值，如圖2(b)輸出波形圖中粗線所示的波形U_N，設(shè)此時(shí)的輸出脈沖寬度為δ₂，如果由于某種原因使電源電壓升至U_H，這時(shí)的測(cè)量與控制電路就會(huì)自動(dòng)將控制信號(hào)的脈沖寬度由δ₂減小至δ₁，如圖2(b)U_H陰影所示，以保證輸出脈沖電壓的面積不變，即

                                                    (3)

　　時(shí)，輸出電壓不變。同樣，當(dāng)由于某種原因使電源電壓降低到U_L時(shí)，這時(shí)的測(cè)量與控制電路就會(huì)自動(dòng)將控制信號(hào)的脈沖寬度由δ₂增大到δ₃，如圖1(b)U_L陰影所示，以保證輸出脈沖電壓的面積不變，即

                                                    （4）

　　由此就得出了維持輸出電壓穩(wěn)定的條件為：

                                               （5）

　　當(dāng)輸出端負(fù)載變化時(shí)，由于輸出線路和UPS內(nèi)阻的共同作用也必然導(dǎo)致輸出電壓的變動(dòng)，這種瞬間地變動(dòng)通電壓過(guò)反饋電路送入電源控制組件IC的相應(yīng)輸入端，經(jīng)比較和轉(zhuǎn)換后，去改變控制脈沖的寬度，以保證輸出電壓的穩(wěn)定。

　　由這種它激式推挽變換器輸出的具有穩(wěn)壓功能的脈沖電壓波形稱(chēng)為準(zhǔn)方波，以區(qū)別于不具穩(wěn)壓功能的自激式直流變換器輸出的波形。有的將準(zhǔn)方波叫成階梯波，這是一種誤會(huì)，所謂階梯，如圖3所示（該圖是將上圖一種電源電壓U_N或U_H或U_L的情況單畫(huà)出來(lái)的波形）。而實(shí)際上并非如此，因?yàn)檩敵鲭妷悍终氩ê拓?fù)半波，并且每個(gè)半波僅有一個(gè)臺(tái)階，不在階梯定義范疇之內(nèi)。是否可以當(dāng)階梯來(lái)看呢？不可以。因?yàn)槿舭言摪氩ó?dāng)成階梯波來(lái)看，就必須將基線移到最上端或最下端，不論移到哪一端，電壓都變成了單極性的值：正半波或負(fù)半波。這和正負(fù)半波交替的事實(shí)完全不符，因此階梯波之說(shuō)是一種誤會(huì)。{{分頁(yè)}}

圖3 準(zhǔn)方波輸出電壓波形

　　準(zhǔn)方波輸出電壓波形的采用又引出另一個(gè)誤會(huì)，有不少工程師和用戶(hù)在對(duì)輸出電壓的測(cè)量中發(fā)現(xiàn)原來(lái)應(yīng)該220V的電壓變成了難以相信的值，或者是170V，或者是190V等。于是就懷疑UPS的正確性，甚至認(rèn)為UPS出了故障。實(shí)際上問(wèn)題就出在測(cè)量表上，普通的電壓表大都是在正弦波失真很?。ū热?lt;5%）的情況下給測(cè)量值定義的，而且這些表也不是測(cè)量的有效值。準(zhǔn)方波是失真非常大的正弦波，普通表根本無(wú)法用，只有用可以測(cè)有效值的儀表才行，如FLUKE-87或相應(yīng)的示波器、計(jì)算機(jī)等才能反映出它的實(shí)際值。

2.橋式逆變器

　　橋式逆變器名稱(chēng)的來(lái)源是它的電路結(jié)構(gòu)形式很像“惠斯登”電橋。由于對(duì)輸出電壓要求穩(wěn)定的原因，故橋式逆變器的觸發(fā)方式幾乎都是它激。在線式UPS多采用橋式逆變器，因?yàn)樗兄韧仆熳儞Q器更大的優(yōu)點(diǎn)。比如推挽變換器功率管上的電壓為電源電壓的2倍，更加上狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)的上沖尖峰，要求該器件的耐壓就更高，這樣以來(lái)不但增加了器件的成本，而且也由于功率管工作電壓的提高，降低了它的輸出能力，因此用在后備式UPS上居多。橋式逆變器就克服了這些缺點(diǎn)，并且根據(jù)要求的不同，電路又分成半橋逆變器和全橋逆變器，下面將分別進(jìn)行討論。

1.半橋逆變器

　　所謂半橋逆變器實(shí)際上電路的結(jié)構(gòu)形式也是橋式的，所差的是兩個(gè)橋臂上的器件不同。圖4所示的是半橋逆變器結(jié)構(gòu)及電原理圖，圖4(a)是它的電原理圖，圖4(b)是它的輸出波形圖。由圖中可見(jiàn)，電橋的左邊由電容器構(gòu)成，右邊由功率管構(gòu)成，輸出端就設(shè)在兩電容器連接點(diǎn)和兩功率管連接點(diǎn)之間。下面就討論一下它的簡(jiǎn)單工作原理。

(a)電原理圖                               (b)輸出波形

圖4 半橋逆變器結(jié)構(gòu)及電原理圖

　　假設(shè)電路已處于工作的準(zhǔn)備狀態(tài)，即電容C₁和C₂已充滿電。在時(shí)間t=0功率管V₁被打開(kāi)，電流I₁由電容器C₁的正極出發(fā)，如空心箭頭所示，流經(jīng)功率管V₁、變壓器T_r初級(jí)繞組N₁的BA、回到C₁的負(fù)極，一直到t=t₁，形成正半波，如圖4(b)所示。在t=t₁時(shí)，V₁由于正觸發(fā)信號(hào)的消失而截止，此時(shí)正觸發(fā)信號(hào)加到了V₂的控制極，使其開(kāi)通，電流I₂由電容器C₂的正極出發(fā)流經(jīng)變壓器T_r初級(jí)繞組N₁的AB，如圖中的實(shí)心箭頭所示，可以看出這時(shí)的電流方向是相反的，電流I₂通過(guò)變壓器后流經(jīng)功率管V₂的集電極-發(fā)射極回到電容器C₂的負(fù)極，一直到t=t₂由于觸發(fā)信號(hào)消失而截止，這一過(guò)程形成了負(fù)半波，如圖4(b)所示。以后就再重復(fù)上面的過(guò)程，于是就形成了一系列連續(xù)不斷的正弦波。

　　上面只簡(jiǎn)單地討論了交流輸出電壓形成的過(guò)程。但從這里并看不出是如何產(chǎn)生正弦波的，為了使讀者有一個(gè)整體的概念，有必要將形成正弦波的簡(jiǎn)單原理做一介紹。

　　早期UPS產(chǎn)生正弦波的方法比現(xiàn)在要復(fù)雜很多，由于早期的逆變器功率器件和技術(shù)所限，只能產(chǎn)生方波或準(zhǔn)方波，而后再利用龐大的濾波器將它們?yōu)V成正弦波，后來(lái)為了減小濾波器的體積和重量，從電路上采取了多個(gè)方波疊加成階梯波的方法，雖然減小了濾波器，卻增加了逆變器的數(shù)量，UPS的體積、重量仍然很大，同時(shí)也使得噪聲大、效率低等。{{分頁(yè)}}

　　高頻大功率器件的出現(xiàn)使UPS發(fā)生了根本的變化，脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)就是在這樣的條件下產(chǎn)生的。圖5所示的就是脈寬調(diào)制波(PWM)產(chǎn)生的機(jī)理過(guò)程簡(jiǎn)圖，正弦波輸出電壓的產(chǎn)生要經(jīng)過(guò)幾個(gè)階段。

圖5 脈寬調(diào)制波(PWM)產(chǎn)生的機(jī)理過(guò)程簡(jiǎn)圖

　　(1)產(chǎn)生方波  UPS本省要有一個(gè)本地振蕩器，目的是使UPS的電路工作節(jié)奏有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。一般的原始振蕩器多是張弛振蕩器，它們所產(chǎn)生的波形都是方波。

　　(2)產(chǎn)生三角波  該波形是脈寬調(diào)制技術(shù)所需要的，它是利用積分電路將方波轉(zhuǎn)換成三角波，如圖5(a)所示。圖中示出了方波（細(xì)線）和三角波（粗線）的關(guān)系。

　　(3)產(chǎn)生正弦波  因?yàn)閁PS的輸出電壓波形除有特殊說(shuō)明外一般都是正弦波，在以往的UPS中，正弦波的產(chǎn)生有幾種方法，有的采用復(fù)合電路，后來(lái)又出現(xiàn)了專(zhuān)門(mén)的集成電路，這就省去了組成電路的麻煩，還有的利用軟件的方法產(chǎn)生。

　　(4)產(chǎn)生脈寬調(diào)制波  因?yàn)樵赨PS中影響其價(jià)格的主要是效率和體積。轉(zhuǎn)換效率低就必須采用復(fù)雜的散熱措施，工作頻率低就必須采用大濾波系數(shù)的濾波器，濾波用的扼流圈和電容器就非常笨重且造價(jià)高。脈寬調(diào)制技術(shù)的高頻操作有效地解決了上述的問(wèn)題。在這里利用三角波和正弦波的共同作用而產(chǎn)生出脈寬調(diào)制波。如圖5(b)所示是將三角波和正弦波進(jìn)行比較的比較器，由圖中可以看出，正弦波信號(hào)加比較器的同相輸入端（+），三角波加在比較器的反相輸入端（-）。圖5(c)的圖形表示出了脈寬調(diào)制波形成的原理。當(dāng)正弦波的包絡(luò)高于三角波時(shí)，比較器就輸出正脈沖，反之就輸出0，負(fù)半波的原理與過(guò)程與正半波完全相同，故不重復(fù)。這樣以來(lái)就把復(fù)雜的正弦波輸出電壓生成過(guò)程變成了簡(jiǎn)單的高頻等幅脈寬調(diào)制波。同時(shí)也使逆變器的工作得到了簡(jiǎn)單化，從此就使UPS進(jìn)入了一個(gè)嶄新階段。

　　(5)輸出正弦波的形成  圖5(a)~(c)所示是逆變器控制信號(hào)的形成過(guò)程，逆變器功率管就按照控制信號(hào)的規(guī)律進(jìn)行工作，使逆變器的輸出波形呈現(xiàn)圖5(d)的脈寬調(diào)制波的形狀。該脈寬調(diào)制波的解調(diào)也很簡(jiǎn)單，只需在輸出端接一適量的濾波電容就可以了。其濾波后的波形如該圖中的正弦波所示。

　　(6)輸出電壓的穩(wěn)定  上面介紹了正弦輸出電壓波形的產(chǎn)生，一般要求UPS是一個(gè)電壓源，即要求它的輸出電壓是穩(wěn)定的。在脈寬調(diào)制波中是如何實(shí)現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定的呢？由圖5(c)可以看出，既然脈寬調(diào)制波的產(chǎn)生是由于三角波和正弦波比較的共同作用結(jié)果，那么二者中任何一個(gè)的幅度變化都可導(dǎo)致輸出脈寬調(diào)制波寬度的變化。但在比較器中為了保證比較波形的質(zhì)量，一般不主張變化波形，而是采用改變比較波形基準(zhǔn)電壓的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電壓的調(diào)整。圖6所示就是穩(wěn)定輸出電壓的波形調(diào)整原理圖。這里采用的是變化三角波基準(zhǔn)電壓的方法，下面就進(jìn)行簡(jiǎn)單地討論。

圖6 穩(wěn)定輸出電壓的波形調(diào)整原理圖

　　為了方便討論，只看一個(gè)脈寬調(diào)制波的情況，如圖6所示，設(shè)定在額定輸出電壓時(shí)，三角波的基準(zhǔn)電壓是U_N，換言之是三角波形疊加在一個(gè)直流電壓U_N上。因?yàn)榉€(wěn)定調(diào)節(jié)都需要反饋信號(hào)，于是就把這個(gè)電壓U_N作為UPS輸出額定電壓時(shí)的反饋信號(hào)，這時(shí)作為例子的一個(gè)脈寬調(diào)制波寬度為t_N。當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，設(shè)負(fù)反饋信號(hào)電壓U_N升高到U_H，使三角波電壓有一個(gè)上升量：

　　ΔU=U_H-U_N                                                       (6)

　　就是說(shuō)在比較器的輸入端正弦波保持不變的情況下三角波向上平移了ΔU，就必然導(dǎo)致在這一點(diǎn)上正弦波高出三角波的區(qū)域減小，使脈寬調(diào)制波的寬度由t_N減小到t_H，經(jīng)過(guò)幾個(gè)過(guò)程后使已升高的電壓返回正常值，如圖上所示。當(dāng)輸出電壓降低時(shí)，三角波的基準(zhǔn)電壓降低，使正弦波高出三角波的區(qū)域變大，使脈寬調(diào)制波的寬度由t_N增大t_L，同樣經(jīng)過(guò)幾個(gè)過(guò)程后使已降低的電壓返回到正常值。

2.單相全橋逆變器

　　上述的半橋逆變器具有比推挽變換器工作電壓低的優(yōu)點(diǎn)，但由于一個(gè)橋臂由電容構(gòu)成，這就決定了它的輸出功率不會(huì)很大。因此在要求輸出功率較大的場(chǎng)合，比如500VA以上時(shí)，一般都采用全橋式逆變器電路結(jié)構(gòu)。全橋式逆變器電路結(jié)構(gòu)又分為單相橋和多相橋。單相橋多用于小功率的單進(jìn)單出UPS中，一般在10kVA左右，在特殊情況下，比如三進(jìn)單出UPS中也有大功率，比如30kVA或以上。不過(guò)在大功率時(shí)多用三進(jìn)三出全橋式逆變器電路結(jié)構(gòu)。

圖7 單相全橋逆變器電路結(jié)構(gòu)圖

　　圖7所示就是單相全橋逆變器電路結(jié)構(gòu)圖。它和半橋電路的不同之處僅在于其橋臂都是由具有開(kāi)關(guān)功能功率管構(gòu)成，如圖7(a)中的V₁、V₂、V₃和V₄，這樣一來(lái)就賦予了電路以更大的輸出功率能力。在半橋電路中無(wú)論那一只功率管開(kāi)通，流過(guò)它的電流還要通過(guò)一只電容器，隨著電容器電荷量的增加，電容器上的電壓也在逐漸升高，這時(shí)的電流也會(huì)隨著時(shí)間而變化，就必須增加電容器的容量或減小功率管的開(kāi)通時(shí)間。電容量的增加會(huì)造成設(shè)備體積的增大和寄生參量的增大。頻率的提高又會(huì)提高對(duì)功率管的要求。因此限制了它的功率的提高。{{分頁(yè)}}

　　在全橋時(shí)，就順利地解決了上述這些問(wèn)題。因?yàn)樵谌珮驎r(shí)的功率管開(kāi)通是成對(duì)的，如圖7(a)所示，V₁、V₄和V₂、V₃是成對(duì)導(dǎo)通的，比如V₁、V₄被觸發(fā)而開(kāi)通時(shí)，電流I的流經(jīng)途徑是：

　　I由E的“+”極出發(fā)→V₁集電極—發(fā)射極→變壓器初級(jí)繞組AB→V₄集電極—發(fā)射極→回到E的“-”極，如圖7(b)所示的正半波。

　　同樣當(dāng)V₂和V₃被觸發(fā)開(kāi)通時(shí)，電流I的流經(jīng)途徑是：

　　I由E的“+”極出發(fā)→V₂集電極—發(fā)射極→反向通過(guò)變壓器初級(jí)繞組BA→V₃集電極—發(fā)射極→回到E的“-”極，形成如圖7(b)所示的負(fù)半波。

　　由這個(gè)簡(jiǎn)單的過(guò)程可以看出，不論哪一對(duì)管子開(kāi)通，電流I的路徑上都沒(méi)有任何使其變化的因素，只要觸發(fā)信號(hào)足夠強(qiáng)，這個(gè)電流就可以一直不變地維持下去。換言之，輸出功率也就得到了保證。在無(wú)輸出變壓器的情況下，對(duì)脈沖寬度和調(diào)制頻率的要求就更不嚴(yán)格。當(dāng)然是在滿足要求的情況下。

3.三相橋式逆變器

　　在大功率的情況下，比如10kVA以上，就多采用三相橋式逆變器。三相橋式逆變器又分為三相全橋和三相半橋，這兩種結(jié)構(gòu)在UPS中都有應(yīng)用。下面就分別做一介紹。

1.三相全橋逆變器

圖8 三相全橋逆變器電原理圖

　　圖8所示就是三相全橋逆變器的電原理圖。由圖中可見(jiàn)，三相全橋由6只功率管構(gòu)成，這種結(jié)構(gòu)的UPS逆變器后面一般都有一個(gè)隔離變壓T_r，這是因?yàn)橥ǔ５挠脩?hù)多是采用380V/220V三相四線制，而220V則是火線與0線之間的相電壓?？墒侨嗳珮蚰孀兤鞯妮敵鋈龡l線都是火線，必須通過(guò)“D-Y”變壓器將三相三線制轉(zhuǎn)換成三相四線制。這個(gè)變壓器大都只是一個(gè)普通的電源變壓器，只起對(duì)工作電壓隔離和邊壓的作用，而不能隔離干擾。

　　它的工作和單相全橋一樣，也是兩只管子同時(shí)導(dǎo)通，它們的導(dǎo)通配對(duì)情況是：V₁V₅、V₁V₆、V₂V₄、V₂V₆、V₃V₄和V₃V₅，其脈寬調(diào)制波經(jīng)濾波后就得出如圖9的三相全橋逆變器輸出波形U_OUT。三相全橋逆變器的控制方式以前多為三相統(tǒng)一控制，這就造成了對(duì)輸出端三相不平衡負(fù)載的限制，就有的要求三相負(fù)載的不平衡度不要超過(guò)50%。但三相負(fù)載極度不平衡的情況是經(jīng)常發(fā)生的。比如UPS三相輸出電壓中有一相滿載而其他兩相空載或輕載，就會(huì)造成滿載的那一相電壓降低，于是逆變器控制電路就要按照負(fù)載最重的那一相調(diào)整功率管的開(kāi)關(guān)時(shí)間，以使降低了的電壓恢復(fù)到正常值。這樣調(diào)整的結(jié)果，在重載的一相恢復(fù)到正常值的同時(shí)，也抬高了空載或輕載的其他相的電壓，就造成了所謂的“三相不平衡”。為此，有的UPS制造商對(duì)控制電路進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，將統(tǒng)一控制改成了分別控制，改善了原來(lái)的功能，但仍不夠理想，因?yàn)槿嗳珮蚰孀兤鞯妮敵鲎儔浩魇恰癉”連接，這種結(jié)構(gòu)又將三個(gè)橋臂有機(jī)地連接起來(lái)，因此就導(dǎo)致了三相電壓的相互牽制，換言之，調(diào)整任何一相必然會(huì)或多或少地影響其他相的電壓。不過(guò)只要細(xì)心地調(diào)整就可以將不平衡度減到最小。

圖9 三相全橋逆變器輸出波形

2.三相半橋逆變器

圖10 三相半橋逆變器電原理圖

　　為了減小由于三相負(fù)載不平衡而造成的三相輸出電壓的差異，半橋電路是一個(gè)很好的解決方案，圖10所示就是三相半橋逆變器電原理圖。從這個(gè)電路中明顯看出，電路的功率管并未增加，只是將電路換了一種接法。功率管雖未增加，但電池卻多增加了一組。這樣的一種改變就使UPS真正地具有了適應(yīng)三相負(fù)載100%不平衡的能力。由圖中看出，原來(lái)的三個(gè)橋臂V₁、V₄、V₂、V₅和V₃、V₆的輸出是各自獨(dú)立的，各自與中線N之間形成了獨(dú)立的相電壓輸出?，F(xiàn)以V₁、V₄為例把簡(jiǎn)單的工作原理介紹一下。

　　當(dāng)V1開(kāi)通時(shí)，電流的流經(jīng)途徑是：

　　U_B+“+”→V₁→L₃→負(fù)載→中線N→U_B+ “-” （U_B-“+”），形成正半波。

　　當(dāng)V₄開(kāi)通時(shí)，電流的流經(jīng)途徑是：

　　U_B-“+”→中線N→負(fù)載→反向通過(guò)L₃→V₄→U_B-“-”，形成負(fù)半波。

　　其他兩個(gè)臂的工作情況完全相同，不再重復(fù)。由上面的介紹可以看出，半橋電路與全橋電路的區(qū)別如下：

　?、侔霕螂娐酚梢粋€(gè)臂就可以形成正負(fù)半波，比如V₁和其他臂上的功率管不發(fā)生任何關(guān)系。而全橋電路V₁導(dǎo)通時(shí)和V₅、V₆都發(fā)生關(guān)系。

　?、诎霕螂娐返妮敵霰旧砭褪蔷哂兄芯€的三相四線制結(jié)構(gòu)，可以不加輸出變壓器。而全橋電路必須加輸出變壓器。

　?、郯霕螂娐沸枰獌山M電池，而全橋電路只需一組電池。

　?、苡蓤D11也可以看出，半橋電路的每一組輸出電壓均需經(jīng)過(guò)一個(gè)LC濾波器將脈寬調(diào)制波解調(diào)成正弦波，在解調(diào)過(guò)程中，每次諧波經(jīng)電容器的低阻抗旁路到中線N，又由于三相輸出電壓在相位上互差120º，不能將高次諧波互相抵消，所以其中線N上具有不易消除的高次諧波。

3.三相半橋與單相半橋的不同

　　三相半橋逆變器和上述的圖4所示的單相逆變器也是有區(qū)別的：

　　①上述的單相半橋逆變器雖然也可形成正負(fù)半波，但它的輸出電壓是懸空的，即其輸出的兩條線都是火線，而三相半橋電路的輸出電壓就已具備了一零三火的要求。

　?、谏鲜鰡蜗喟霕蚰孀兤髅恳粋€(gè)功率管的導(dǎo)通電流都通過(guò)一只電容，故限制了它的輸出能力。而三相半橋電路每一個(gè)功率管的導(dǎo)通電流通過(guò)的是蓄電池，所以輸出功率可以很大。是否可將單相半橋逆變器電容器換成蓄電池呢？當(dāng)然可以。不過(guò)從經(jīng)濟(jì)上講是不劃算的，因?yàn)閱蜗喟霕蚰孀兤魉圆捎脙芍浑娙?，就是為了在小功率輸出時(shí)的最簡(jiǎn)電路和最低造價(jià)。

　　當(dāng)然，為了滿足三相負(fù)載100%不平衡的要求還有采用三個(gè)單相全橋電路的組合以及改變變壓器結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)等。

4.雙向變換器

　　逆變器的概念來(lái)自三端口和在線互動(dòng)式UPS。因?yàn)樵谶@些UPS的結(jié)構(gòu)中已經(jīng)取消了單獨(dú)的輸入整流器/充電器。整流器/充電器和逆變器的全部功能都由雙向變換器一身完成。圖11所示虛線方框內(nèi)就是構(gòu)成三端口UPS的雙向變換器電原理圖。由圖中可以看出，它就是用于所有UPS中的一個(gè)普通逆變橋電路結(jié)構(gòu)。但在這里的作用又賦予了新的含義和功能，在市電故障而改由電池放電時(shí)，雙向變換器的作用就是逆變器，其工作過(guò)程和其他UPS的逆變器完全一樣，其中二極管VD₁~VD₄的作用是：在功率管由導(dǎo)通而轉(zhuǎn)為截止的瞬間在變壓器繞組上將有反電勢(shì)出現(xiàn)，二極管就是將反電勢(shì)泄放回電池。比如V₁、V₄導(dǎo)通時(shí)，變壓器T_r的繞組AB的電勢(shì)極性為A“-”、B“+”，在V₁、V₄截止的瞬間在該繞組中激起的反電勢(shì)極性變?yōu)锳“+”、B“-”，此反電勢(shì)會(huì)影響電路的正常工作和器件的安全。但由于二極管VD₁~VD₄的存在，這個(gè)電勢(shì)就可以通過(guò)A“+”→VD₂→U_B→VD₃→B“-”形成泄放回路，將繞組中的儲(chǔ)能回授給電池，從而保證了下一周期V₂、V₃的順利開(kāi)啟。V₂、V₃導(dǎo)通和截止時(shí)的過(guò)程完全一樣，不再重復(fù)。

　　VD₁~VD₄除了具有泄放作用外，由于它又是一個(gè)整流橋結(jié)構(gòu)，故在這里又可作為整流橋。三端口或在線互動(dòng)式UPS平時(shí)由市電U_IN供電時(shí)，在變壓器T_r次級(jí)繞組AB上就出現(xiàn)了經(jīng)降壓后的交流市電電壓，這個(gè)交流電壓經(jīng)VD₁~VD₄整流橋整流后給電池U_B充電。

　　由上述的介紹可以看出，這種雙變換器整流時(shí)不逆變，逆變時(shí)不整流。

圖11 三端口UPS的雙向變換器電原理圖