Abstract:This paper introduces the work principle and control method for a perfect non-harmonic multilevel ZVS UPS.

Keywords:Non-harmonic;SPWM;Multilevel;ZVS; UPS

所谓完美无谐波UPS,是指这种UPS具有完美的输入和输出波形,在无需附加任何滤波装置的情况下,可以满足各国供电部门对谐波的严格要求,从而实现了UPS的绿色革命。

此完美无谐波ZVS UPS所以能达到理想的技术指标,是因为采用了以下三项新技术:

(1)采用了文献[1]介绍的改革后的新型多电平逆变技术,即把级联叠加与SPWM控制从逆变器移到了直流电源上进行,最大限度地减少了开关器件的数目,也减少了开关损耗,称作直流电源SPWM级联式多电平逆变器。

(2)在控制叠加与进行SPWM控制的直流电源控制开关上,采用了ZVS零电压软开关技术,进一步减少了逆变器的开关损耗。

(3)UPS的市电输入采用18相整流的三重叠加电路,显著减小市电输入电流的畸变率,从而提高了市电的输入功率因数。

1   直流电源SPWM级联式多电平逆变器

1.1   直流电源的级联叠加原理

直流电源的级联叠加原理电路如图1所示，其中图(a)为主电路，图(b)为控制电路。由主电路图可知，它是由N个独立直流电源E1=E2=…=EN-1=EN=E,N个叠加与SPWM控制开关S1～SN和N个串联连接的叠加二极管D1～DN组成的,是通过N个控制开关S1～SN与N个叠加二极管分别对应并联连接而成的。控制开关一般选用具有内置反馈二极管的IGBT,而叠加二极管D1～DN则选用单体二极管。直流电源级联电路的主要作用,是将N个独立直流电源,通过对控制开关S1～SN的SPWM控制,叠加生成类似于单相桥式整流输出电压波形的N电平SPWM直流电源。

                                    图1  直流电源的级联叠加原理电路

N个独立直流电源的叠加原理,是利用叠加二极管D1～DN的单向导电特性实现的:当二极管的正极电位比负极电位高时,处于正偏置状态,二级管导通;反之,当二极管的正极电位比负极电位低时,处于反偏置状态,二极管关断。通过对叠加控制开关S1～SN的通、断控制,就可以控制叠加二极管的正、反偏置状态,以实现N个独立直流电源E1～EN有选择地进行叠加,叠加后的输出电压。

叠加控制开关S1～SN中的任意一个或几个开关开通时,与开通开关相对应的叠加二级管就会因反偏置而关断,相应的独立直流电源就会被接入到输出电路中,叠加后的输出电压就会包括那些相应的独立直流电源。

1.2   直流电源级联叠加SPWM控制的实现

直流电源级联叠加SPWM控制的实现与通常的钳位式或2H桥级联式多电平逆变器是不同的,即SPWM控制不是在逆变器的逆变开关上实现,而是在直流电源的级联叠加控制开关S1～SN上实现的,这样做的目的有两个:一是为了减少逆变器的开关数目,降低成本;二是为了减少逆变器的总等效开关次数,降低开关损耗,使逆变开关自然地工作在ZVS状态,以提高逆变效率。

1.3   直流电源SPWM级联式多电平逆变器

这种多电平逆变器是采用SPWM控制在直流电源上实现的。直流电源SPWM级联式多电平逆变器的原理电路如图2所示。这是一种N=3的直流电源级联式多电平逆变器。它是由直流电源SPWM级联电路和后面的2H桥逆变电路两部分组合而成,采用的是载波三角波移相SPWM控制方式(PSCPWM),N个载波三角波的移相角α=2π/N,对于图2所示的电路,N=3,故载波三角波的移相角α=2π/3。假定载波三角波uc1的初相位角α1=0°,则载波三角波uc2的初相位角α2=2π/3,uc3的初相位角α3=4π/3。3个载波三角波与一个共用的正弦调制波usA进行比较,所产生的3个SPWM控制脉冲分别去控制叠加开关SA1～SA3。用uc1与usA进行比较,在usA>uc1的部分产生SPWM脉冲去控制开关SA1,使电源E1的输出电压波形为Ud1;用uc2与usA进行比较,在usA>uc2的部分产生SPWM脉冲去控制开关SA2,使E2的输出电压波形为Ud2;用uc3与usA进行比较,在usA>uc3的部分产生SPWM脉冲去控制开关SA3,使E3的输出电压波形为Ud3。这样,3个独立直流电源E1～E3的输出电压Ud1～Ud3叠加后的输出电压为UdA=Ud1+Ud2+Ud3。此输出电压波形是一个类似于单相全桥整流器输出电压波形的3电平SPWM电压波形(见图2)。此电压经过由SA4～SA7组成的2HA桥逆变器的同步逆变后,就可以得到交流7电平SPWM电压输出。从图2所示的直流电压UdA的波形可知,UdA的过零点电压等于零,因此2HA桥中的4个逆变开关是自然工作在ZVS零电压开关状态,故可以选用低速廉价的GTO或SCR作为逆变开关。

                   图2  直流电源SPWM级联式多电平逆变器的原理电路

1.4   叠加开关SA1~SA3的ZVS构成

由上述可知,图2中2HA桥逆变器的4个逆变开关SA4～SA7是自然工作在ZVS零电压开关状态,但图中的叠加开关SA1～SA3仍然是工作在SPWM硬开关状态,仍具有较大的开关损耗和较大的EMI。为此,对叠加开关SA1～SA3采用了准谐振ZVS软开关技术,以进一步减少开关损耗和EMI。

叠加开关SA1～SA3可能采用的准谐振软开关方式有两种,即ZVS软开关和ZCS软开关,如图3所示,图中谐振电感Lr包括电路中可能有的杂散电感和变压器漏感,谐振电容Cr包括开关管的结电容。ZVS谐振开关和ZCS谐振开关之间具有对偶关系,如表1所示。在图3(a)所示的ZVS零电压开关中,当SA开关管关断时,LrCr串联谐振,电容Cr(包括开关SA的输出电容)上的电压,按照准正弦规律变化,当它谐振过零时,令开关管SA开通,因此图3(a)是一种ZVS谐振开关。在图3(b)所示的ZCS零电流开关中,当SA开关管开通时,LrCr并联谐振,SA中的电流按照准正弦规律变化,当电流谐振到零时,令开关管SA关断,因此图3(b)是一种ZCS谐振开关。由于谐振是按照准正弦规律变化的,所以把图3(a)、(b)所示的软开关称为准谐振软开关。这两种软开关都适合于叠加开关SA1～SA3使用,本UPS采用了ZVS软开关方式。

                          图3  ZVS与ZCS准谐振软开关电路的                                                   

                  表1  ZVS谐振开关和ZCＳ谐振开关的对偶关系

2   18相三重叠加市电输入整流电源

18相三重叠加市电输入整流电源电路,如图4所示。它的移相角为360°/(3×6)=20°。其中图(a)为电路图,图(b)～(f)为电压、电流波形,图(g)为18相矢量图。用输入整流变压器形成具有20°相角差、大小相等的3组输出电压,每组分别接入一个三相桥式全控整流器构成的18相输入整流电源。各整流桥以对其所施加电压相同的相位控制角α工作。可以看出,交流输入电流由18梯级的梯形波构成如图(f)所示,将合成的市电输入电流波形用傅里叶级数展开,则在傅里叶级数式中将不包含零序谐波。各次谐波的幅值如下:

基波幅值:

6k±1次谐波(k=1,2,3,…):

残存的谐波为17、19;35、37;53、55;…次,其幅值与次数成反比减小。

18相整流三重叠加的特性值为:

直流输出电压Ud=9Umcosα/π

直流输出电压纹波频率为18×50=900Hz

合成输入电流有效值Ia1=2.351Id(电压变比为1:1)

输入电流畸变率=0.1011

位移因数ε1=cosα

输入总功率因数PF=0.9949cosα

                              图4  18相三重叠加市电输入整流电源

3   完美无谐波多电平ZVS UPS电路

完美无谐波多电平ZVS UPS的原理电路如图5所示(市电旁路开关未画出)。它是由18相三重叠加市电输入整流电路,直流电源SPWM级联式ZVS软开关多电平逆变器组成的,在图5所示的UPS电路中,没有使用输入或输出交流滤波器,这是本UPS的特点。对于图5中的三相直流电源SPWM级联式ZVS软开关多电平逆变器,当采用图6所示的控制电路(稳压控制电路部分未画出)对其进行控制时,就可以得到三相7电平SPWM正弦波交流电压输出,输出电压的波形如图7所示。这是一种输入输出波形最接近于正弦波,使用开关器件最少、开关损耗最小的一种新型ZVS 7电平 UPS。

   图5  三相完美无谐波多电平ZVS UPS的原理电路(B、C相与A相同,市电旁路开关未画出)

3.1   输出电压方程式的推导

三相完美无谐波多电平ZVS UPS,采用的是载波三角波移相SPWM控制方式,其工作波形如图7所示。3个载波三角波uc1～uc3的初相位角依次滞后2π/3,假定uc1的初相位角α1=0°,则uc2的初相位角α2=2π/3,uc3的初相位角α3=4π/3。uc1～uc3共用一个正弦调制波uS4。用载波三角波uc1与正弦调制波usA进行比较,在usA>uc1部分产生的SPWM控制脉冲去控制开关SA1。使2HA逆变器的输出电压为up1;用uc2与usA进行比较,在usA>uc2部分产生的SPWM控制脉冲去控制开关SA2,使2HA的输出电压为up2;用uc3与usA进行比较,在usA>uc3部分产生的SPWM控制脉冲去控制开关SA3,使2HA的输出电压为up3,则A相UPS的输出电压uA=up1+up2+up3。

载波三角波uc1的表示式为:

k=0, ±1, ±2, …

正弦调制波表示式为:

假定载波比   调制度

则直流电源E1通过2HA的输出电压up1的双重傅里叶级数表示式由参考文献[2]可得

由于sinm(π-0)+ sinm(π-2π/3)+ sinm(π-4π/3)=0，cosm(π-0)+ cosm(π-2π/3)+ cosm(π-4π/3)= ±3或0. 当m为3的奇次倍时等于(-3),当m为3的偶次倍时等于(+3),当m为3的整数倍以外的数时等于0,所以:

由uA的表示式可知,在A相输出电压uA中,将会消除掉3F±1次以下的谐波和m<3以下的载波谐波,只包含3F±1次以上的谐波和m>3以上的载波谐波。当载波比F=120时,可以消除3×120±1=360±1次以下的谐波,故可以称为完美无谐波UPS。

3.2   派生电路及其参数
图5所示的三相完美无谐波ZVS UPS电路,是每相独立直流电源个数N=3的一种UPS电路，这是为了叙述方便而设定的,当N=2、3、4、5时UPS所用独立直流电源个数、叠加开关IGBT个数、2H桥用GTO或SCR个数，市电输入整流电源型式、uA输出电压的通用表示式及输出电压的电平数，如表2所示。设计者可以根据不同的要求进行选择，一般地说，N越大输出电压的波形越接近于正弦，但电路也最复杂，成本也越高，通常选用N=3就可以了。当N=5时，A相输出电压的仿真波形如图8所示，可以看出，它是非常接近于正弦波形的。

                                表2  UPS的参数结构与N的关系

                                  图8  当N=5时,输出电压uA的仿真波形

4   结束语

本文所介绍的完美无谐波多电平ZVS UPS,采用了三项最新技术:在逆变器部分,采用了我们独自研制的直流电源SPWM级联式多电平逆变技术。它把级联叠加和SPWM控制与逆变器分开,移到了直流电源的叠加控制开关上实现,达到了减少元器件数目(特别是开关器件的数目)和减少开关损耗的目的,并使2H桥逆变器中的开关管自然工作在ZVS状态,为低速开关器件GTO或SCR的应用创造了条件。对于逆变器中的直流电源叠加控制开关SA1～SA3采用了准谐振ZVS软开关技术,使开关损耗进一步减少。市电输入整流电源采用了相应的18相三重叠加整流电源,使输入功率因数提高。综合起来,通过上述三项新技术的应用,使得本文介绍的UPS具有以下特点:

(1)具有完美的输入、输出波形,无需附加任何的滤波装置,就可以满足各国供电部门对谐波的严格要求,实现了UPS的绿色革命。

(2)全部实现了ZVS零电压软开关,减小了开关损耗与EMI,最大限度地提高了逆变效率,使总效率可以达到97.5%以上。

(3)具有优良的抗浪涌能力。

(4)可以使市电输入功率因数达到0.98以上。

(5)与其他多电平逆变器相比,所用元器件数目最少,减少了制造成本。

(6)控制简单、动态响应快、体积重量小。

(7)适合于中、大功率UPS应用,是当前中、大功率绿色UPS的发展方向。

参考文献

[1]刘凤君.直流电源PWM级联与多电平逆变器的技术改革[J],电源技术应用,2008,4.

[2]刘凤君.一种新型完美无谐波UPS[J].UPS应用,2007,7.

作者简介

刘凤君,男,研究员,研究方向为航天电源与电力电子技术,著书10本,发表文章320余篇。