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，執行這個任務的裝置就叫逆變器。逆變器電路的種類很多，在UPS中常見的有推挽變換器、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，具體的跟隨小編來了解一下吧。

一、直流變換器

直流變換器是一種最簡單最基本的逆變器電路，主要應用于后備式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的觸發信號，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是當電源電壓E為額定值時的輸出情況（其中陰影部分除外）。自激直流變換器電路主要用于對電壓穩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燈等，供電條件差的農村居民也有不少采用了這種電路作不間斷電源。由于它的電路簡單、價格便宜、可靠性高，故也很受歡迎。

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

Ub1=Ub2=0， （1）

所示二者不具備開啟條件，但在它們的集電極和發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方向相反，由于器件的分散性，使得

I1-I2=ΔI≠0， （2）

這個差值電流ΔI就在繞組中產生一個磁通量，于是就在基極繞組中感應出電壓Ub1和Ub2，由同名端的標志可以看出，這兩個電壓的極性是相反的，即一個Ub給晶體管基極加正電壓，使其開通，另一個Ub給另一個晶體管基極加負壓，使其進一步截止。電路的設計正好是漏電流大的那一個晶體管基極所感應出的Ub給自己基極加正壓，而漏電流小的那一個晶體管基極所加的是負壓，基極加正壓管子的集電極電流進一步增加，又進一步使它的基極電壓增大，這樣一個雪崩式的過程很快使該管（設為V1）電流達到飽和值，即V1集電極-發射極之間的壓降UCE1=0，繞組N1和N2上的電壓也達到了最大值UN1=UN2=E，此后由于磁芯進入飽和階段，磁芯中磁通的變化量減小，各繞組感應的電壓也相應減小，原來導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，使繞組感應的電壓進一步減小，這樣一個反變化過程使得V1雪崩式地截止而V2達到飽和，如圖1（b）t1所示。而后就再重復上面的過程，于是就形成了如圖1（b）所示的方波波形。有時為了使啟動更快和更可靠，就加一個RC啟動觸發環節。

該電路方案的不足之處就在于它的不穩壓。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定的要求，它激式推挽變換器就得到了廣泛地應用。所謂“它激”就是電路的振蕩工作是由外加控制信號的激發而實現的。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，代替它的功能的環節是電源控制組件IC，在早期用的是TDA1060，后來多采用LM3842或LM3845等。采用電源控制組件IC發出方波控制脈沖使UPS工作，在變壓器輸出端有一個與輸出電壓成正比的反饋信號回送給IC，使其根據輸入端電壓的變化和輸出負載的變化來調整控制脈沖的寬度，以保證輸出電壓穩定在設計范圍內。

下面就介紹一下該電路的工作原理。

當接通電源控制脈沖時，電源控制組件IC開始工作并發出方波控制脈沖，使推挽變換器的兩個功率管按照脈沖的同樣寬度輸出方波電壓，設在E為額定值時，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，設此時的輸出脈沖寬度為δ2，如果由于某種原因使電源電壓升至UH，這時的測量與控制電路就會自動將控制信號的脈沖寬度由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，輸出電壓不變。同樣，當由于某種原因使電源電壓降低到UL時，這時的測量與控制電路就會自動將控制信號的脈沖寬度由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定的條件為：

（5）

當輸出端負載變化時，由于輸出線路和UPS內阻的共同作用也必然導致輸出電壓的變動，這種瞬間地變動通電壓過反饋電路送入電源控制組件IC的相應輸入端，經比較和轉換后，去改變控制脈沖的寬度，以保證輸出電壓的穩定。

由這種它激式推挽變換器輸出的具有穩壓功能的脈沖電壓波形稱為準方波，以區別于不具穩壓功能的自激式直流變換器輸出的波形。有的將準方波叫成階梯波，這是一種誤會，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的情況單畫出來的波形）。而實際上并非如此，因為輸出電壓分正半波和負半波，并且每個半波僅有一個臺階，不在階梯定義范疇之內。是否可以當階梯來看呢？不可以。因為若把該半波當成階梯波來看，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：正半波或負半波。這和正負半波交替的事實完全不符，因此階梯波之說是一種誤會。{{分頁}}

圖3 準方波輸出電壓波形

準方波輸出電壓波形的采用又引出另一個誤會，有不少工程師和用戶在對輸出電壓的測量中發現原來應該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，甚至認為UPS出了故障。實際上問題就出在測量表上，普通的電壓表大都是在正弦波失真很?。ū热纭?%）的情況下給測量值定義的，而且這些表也不是測量的有效值。準方波是失真非常大的正弦波，普通表根本無法用，只有用可以測有效值的儀表才行，如FLUKE-87或相應的示波器、計算機等才能反映出它的實際值。

二、橋式逆變器

橋式逆變器名稱的來源是它的電路結構形式很像“惠斯登”電橋。由于對輸出電壓要求穩定的原因，故橋式逆變器的觸發方式幾乎都是它激。在線式UPS多采用橋式逆變器，因為它有著比推挽變換器更大的優點。比如推挽變換器功率管上的電壓為電源電壓的2倍，更加上狀態轉換時的上沖尖峰，要求該器件的耐壓就更高，這樣以來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，并且根據要求的不同，電路又分成半橋逆變器和全橋逆變器，下面將分別進行討論。

1、半橋逆變器

所謂半橋逆變器實際上電路的結構形式也是橋式的，所差的是兩個橋臂上的器件不同。圖4所示的是半橋逆變器結構及電原理圖，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，電橋的左邊由電容器構成，右邊由功率管構成，輸出端就設在兩電容器連接點和兩功率管連接點之間。下面就討論一下它的簡單工作原理。

圖4 半橋逆變器結構及電原理圖

假設電路已處于工作的準備狀態，即電容C1和C2已充滿電。在時間t=0功率管V1被打開，電流I1由電容器C1的正極出發，如空心箭頭所示，流經功率管V1、變壓器Tr初級繞組N1的BA、回到C1的負極，一直到t=t1，形成正半波，如圖4（b）所示。在t=t1時，V1由于正觸發信號的消失而截止，此時正觸發信號加到了V2的控制極，使其開通，電流I2由電容器C2的正極出發流經變壓器Tr初級繞組N1的AB，如圖中的實心箭頭所示，可以看出這時的電流方向是相反的，電流I2通過變壓器后流經功率管V2的集電極-發射極回到電容器C2的負極，一直到t=t2由于觸發信號消失而截止，這一過程形成了負半波，如圖4（b）所示。以后就再重復上面的過程，于是就形成了一系列連續不斷的正弦波。

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點，但由于一個橋臂由電容構成，這就決定了它的輸出功率不會很大。因此在要求輸出功率較大的場合，比如500VA以上時，一般都采用全橋式逆變器電路結構。全橋式逆變器電路結構又分為單相橋和多相橋。單相橋多用于小功率的單進單出UPS中，一般在10kVA左右，在特殊情況下，比如三進單出UPS中也有大功率，比如30kVA或以上。不過在大功率時多用三進三出全橋式逆變器電路結構。

圖7 單相全橋逆變器電路結構圖

圖7所示就是單相全橋逆變器電路結構圖。它和半橋電路的不同之處僅在于其橋臂都是由具有開關功能功率管構成，如圖7（a）中的V1、V2、V3和V4，這樣一來就賦予了電路以更大的輸出功率能力。在半橋電路中無論那一只功率管開通，流過它的電流還要通過一只電容器，隨著電容器電荷量的增加，電容器上的電壓也在逐漸升高，這時的電流也會隨著時間而變化，就必須增加電容器的容量或減小功率管的開通時間。電容量的增加會造成設備體積的增大和寄生參量的增大。頻率的提高又會提高對功率管的要求。因此限制了它的功率的提高。{{分頁}}

在全橋時，就順利地解決了上述這些問題。因為在全橋時的功率管開通是成對的，如圖7（a）所示，V1、V4和V2、V3是成對導通的，比如V1、V4被觸發而開通時，電流I的流經途徑是：

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

同樣當V2和V3被觸發開通時，電流I的流經途徑是：

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

由這個簡單的過程可以看出，不論哪一對管子開通，電流I的路徑上都沒有任何使其變化的因素，只要觸發信號足夠強，這個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。在無輸出變壓器的情況下，對脈沖寬度和調制頻率的要求就更不嚴格。當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，這兩種結構在UPS中都有應用。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，三相全橋由6只功率管構成，這種結構的UPS逆變器后面一般都有一個隔離變壓Tr，這是因為通常的用戶多是采用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“D-Y”變壓器將三相三線制轉換成三相四線制。這個變壓器大都只是一個普通的電源變壓器，只起對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，也是兩只管子同時導通，它們的導通配對情況是：V1V5、V1V6、V2V4、V2V6、V3V4和V3V5，其脈寬調制波經濾波后就得出如圖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一控制，這就造成了對輸出端三相不平衡負載的限制，就有的要求三相負載的不平衡度不要超過50%。但三相負載極度不平衡的情況是經常發生的。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載最重的那一相調整功率管的開關時間，以使降低了的電壓恢復到正常值。這樣調整的結果，在重載的一相恢復到正常值的同時，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制造商對控制電路進行了重新設計，將統一控制改成了分別控制，改善了原來的功能，但仍不夠理想，因為三相全橋逆變器的輸出變壓器是“D”連接，這種結構又將三個橋臂有機地連接起來，因此就導致了三相電壓的相互牽制，換言之，調整任何一相必然會或多或少地影響其他相的電壓。不過只要細心地調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載不平衡而造成的三相輸出電壓的差異，半橋電路是一個很好的解決方案，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真正地具有了適應三相負載100%不平衡的能力。由圖中看出，原來的三個橋臂V1、V4、V2、V5和V3、V6的輸出是各自獨立的，各自與中線N之間形成了獨立的相電壓輸出?，F以V1、V4為例把簡單的工作原理介紹一下。

當V1開通時，電流的流經途徑是：

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

當V4開通時，電流的流經途徑是：

UB-“+”→中線N→負載→反向通過L3→V4→UB-“-”，形成負半波。

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

①半橋電路由一個臂就可以形成正負半波，比如V1和其他臂上的功率管不發生任何關系。而全橋電路V1導通時和V5、V6都發生關系。

②半橋電路的輸出本身就是具有中線的三相四線制結構，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過一個LC濾波器將脈寬調制波解調成正弦波，在解調過程中，每次諧波經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

逆變器的概念來自三端口和在線互動式UPS。因為在這些UPS的結構中已經取消了單獨的輸入整流器/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所示虛線方框內就是構成三端口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中的一個普通逆變橋電路結構。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，雙向變換器的作用就是逆變器，其工作過程和其他UPS的逆變器完全一樣，其中二極管VD1~VD4的作用是：在功率管由導通而轉為截止的瞬間在變壓器繞組上將有反電勢出現，二極管就是將反電勢泄放回電池。比如V1、V4導通時，變壓器Tr的繞組AB的電勢極性為A“-”、B“+”，在V1、V4截止的瞬間在該繞組中激起的反電勢極性變為A“+”、B“-”，此反電勢會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，這個電勢就可以通過A“+”→VD2→UB→VD3→B“-”形成泄放回路，將繞組中的儲能回授給電池，從而保證了下一周期V2、V3的順利開啟。V2、V3導通和截止時的過程完全一樣，不再重復。

VD1~VD4除了具有泄放作用外，由于它又是一個整流橋結構，故在這里又可作為整流橋。三端口或在線互動式UPS平時由市電UIN供電時，在變壓器Tr次級繞組AB上就出現了經降壓后的交流市電電壓，這個交流電壓經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不逆變，逆變時不整流。

圖11 三端口UPS的雙向變換器電原理圖