02UPS硬件拓扑和原理学习
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。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
工作状态
Q1
Q2
Q3
Q4
输出电压
开
开
关
关
Bus+
关
开
开
关
关
关
开
开
Bus-
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 线路
1.3.1 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 线路图
1.3.2 工作原理
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
市电
Q1
Q2
工作状态
电感电流
正半周
on
off
充电
上升
off
off
续流
下降
负半周
off
on
充电
上升
off
off
续流
下降
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，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 线路的Q1 和Q2的PWM工作波形
