ups逆變器工作原理_ups逆變器詳解

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。本文首先介紹了自激式推挽變換器及它激式推挽變換器的工作原理，其次闡述了半橋逆變器、單相全橋逆變器的工作原理，最后介紹了三相全橋逆變器、三相半橋逆變器及雙向變換器的工作原理，具體的跟隨小編來(lái)了解一下吧。

一、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UN。UN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?a target="_blank">供電條件差的農(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

Ub1=Ub2=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Ub1和Ub2，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)Ub給晶體管基極加正電壓，使其開(kāi)通，另一個(gè)Ub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Ub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UCE1=0，繞組N1和N2上的電壓也達(dá)到了最大值UN1=UN2=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）UH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UL這樣低的水平，如圖1（b）UL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。

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UN，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UH，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）UH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UL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）UL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UN或UH或UL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小（比如《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。

二、橋式逆變器

橋式逆變器名稱的來(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。

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Tr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Tr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。

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。

三、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Tr，這是因?yàn)橥ǔ５挠脩舳嗍遣捎?80V/220V三相四線制，而220V則是火線與0線之間的相電壓。可是三相全橋逆變器的輸出三條線都是火線，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UOUT。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：

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

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

UB-“+”→中線N→負(fù)載→反向通過(guò)L3→V4→UB-“-”，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：

①半橋電路由一個(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。

②半橋電路的輸出本身就是具有中線的三相四線制結(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。

③半橋電路需要兩組電池，而全橋電路只需一組電池。

④由圖11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、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Tr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→UB→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UIN供電時(shí)，在變壓器Tr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UB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