1 在線式UPS的組成　　隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種各樣的電器設(shè)備越來越多，而這其中的大部分都是非線性負載，即它們從電網(wǎng)汲取的電流波形與電壓波形不一樣。這無疑給電網(wǎng)帶來了大量的諧波以及其他的公害，使供電的質(zhì)量變得較差。另一方面，一些重要的用電部門(如機場、醫(yī)院、銀行)和一些重要的用電設(shè)備(如計算機、通信設(shè)備)對供電質(zhì)量的要求越來越高，不僅要求不停電，還要求電壓、頻率、波形質(zhì)量良好，避免受到電網(wǎng)的干擾，具備一個凈化的電源環(huán)境。這就使負載與電網(wǎng)供電質(zhì)量之間的矛盾日益加劇。為解決這一矛盾，UPS供電系統(tǒng)迅猛發(fā)展并普及起來。

　　隨著計算機、各種辦公設(shè)備、精密電子儀器的普及，UPS得到了廣泛的應(yīng)用�，F(xiàn)在應(yīng)用較多的是在線式UPS，當(dāng)市電正常時，電網(wǎng)電壓一路經(jīng)過整流模塊AC/DC、逆變模塊DC/AC，得到所需的正弦電壓或準(zhǔn)方波電壓供給負載，另一路通過充電模塊給電池充電;市電異常時，電池通過DC/DC模塊、DC/AC模塊，輸出正弦電壓或準(zhǔn)方波電壓，給負載供電;如果UPS異常，電網(wǎng)直接通過旁路給負載供電。

　　2 UPS充電器的設(shè)計要求　　UPS的市電輸入電壓范圍較寬，以輸出220V的UPS為例，輸入電壓為110-270V,充電器從市電取得這個范圍的輸入電壓，輸出還要達到一定的功率。充電器接入UPS后，會加大輸入電流的諧波失真，THDI升高，對THDI要求較高的UPS，有必要再充電器中加入功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)，使輸入電流失真變小，輸入市電有高壓脈沖和浪涌，脈沖持續(xù)幾毫秒，高達七八百伏，浪涌是微妙級但高達4000V，他們會給充電器帶來瞬間高達幾百安培的電流沖擊，這對充電器是很大的考驗。中功率ULPS的電池節(jié)數(shù)不固定，從幾節(jié)到幾十節(jié)可變，充電器輸出電壓從幾十伏到幾百伏可變，輸出電壓如此寬泛，在設(shè)定的每個輸出電壓處，要求對輸入電壓和輸出負載的變化都有良好的響應(yīng)，輸出電流(充電電流)紋波也要比較小，這樣輸出端不再需要耐高壓和高紋波電流的濾波電容。單端反激拓撲有隔離變壓器和輸出整流二極管，降低了效率，因此它難以應(yīng)用于中大功率的充電器。輸出功率也是充電器設(shè)計需要考慮的，當(dāng)然功率也很重要。作為UPS重要部件之一的充電器，不得不考慮成本。歸納一下有如下設(shè)計要求：
　　(1) 要求輸入電壓寬泛;
　　(2) 充電器的THDI值小，且能承受一定市電脈沖和浪涌;
　　(3) 寬范圍可調(diào)節(jié)的輸出電壓，輸出電流波紋較小;
　　(4) 對輸入電壓和輸出負載有良好響應(yīng);
　　(5) 達到設(shè)計的功率要求;
　　(6) 效率較高;
　　(7) 成本較低。

　　3 小功率UPS充電器拓撲的選擇　　以某公司的1～3kVA功率等級的UPS為例，一般選擇單端反擊拓撲結(jié)構(gòu)作為充電器，變壓器原副邊同名端相反，輸入從市電直接獲取，經(jīng)過整流濾波器后得到正弦半波電壓，再變換為所需的輸出電壓，如果按照不連續(xù)模式設(shè)計，變壓器原邊電感值較小且輸出端無電抗元件，控制系統(tǒng)對輸入電壓和輸出負載的響應(yīng)要很快。

　　圖2為該拓撲結(jié)構(gòu)，當(dāng)VT1導(dǎo)通時，以輸入電壓正半周為例，輸入電流由L端經(jīng)VD2、變壓器VR1原邊VT1、R1和VD4回到N端，TR原邊產(chǎn)生上正下負的電壓，原邊電壓為Ui(Ui為市電整流后的半波電壓)，副邊極性相應(yīng)產(chǎn)生下正上負的電壓，二極管VD5承受反向電壓而截止，VD5承受電壓為(Ns/Np)Ui+UB;VT1截止時，為使磁芯工作點順利返回，變壓器原邊產(chǎn)生下負上正電壓，則副邊電壓為上正下負，副邊電流通過VD5向電池充電。原邊相應(yīng)電壓為下正上負，U1=-(Np/Ns)UB，則VT1承受電壓為(Np/Ns)UB+U1。根據(jù)原邊線圈的伏秒平衡，得：

　　但是，變壓器帶來磁滯損耗和繞線損耗，另外輸出電流波紋較大，整體效率不高，VT1導(dǎo)通時輸出靠濾波電容C1維持，要用大容量的濾波電容。

　　小功率UPS的充電器根據(jù)充電電流的打消設(shè)計成模組和充電板，為滿足UPS緊湊化的要求，降低成本，把充電器設(shè)計在功率板上將是一種選擇，輸入從母線電壓獲取

。　　DC/DC和充電器利用一個拓撲實現(xiàn)，即推挽正激電路，它在推挽電路的基礎(chǔ)上變更了線阻N1、N2與開關(guān)管VT1、VT2的為之，增加了一個儲能電容C1。為了形成雙向電路，在高壓側(cè)增加一個開關(guān)管VT4，低電壓側(cè)增加一個輔助充電繞組和開關(guān)管VT3，形成正激充電電路，給電池充電。電路I1路徑如圖4所示。充電時，VT3一直打開，VT4進行PWM調(diào)制，繞組N5電壓大于電池電壓，給電池充電;對于電池模式下的推挽正激電路，以VT1管和N1支路為例，當(dāng)VT1管開通時，電流通過N1、VT1，在繞組N4感應(yīng)出電壓給電容C2充電;VT1關(guān)閉瞬間，電流通過N1、C1、VT2體內(nèi)二極管續(xù)流，當(dāng)VT2開通時，C1電流功過N1、VT2放電，在繞線N3感應(yīng)出電壓給C2充電，路徑見圖中I2。C1電容在VT1、VT2關(guān)斷時刻儲能，當(dāng)相應(yīng)對管開通時刻放電，由此提高了效率，限制了開關(guān)管關(guān)斷時漏極電壓過大。這種拓撲尤其適合低電壓大電流場合，因此可以減少電池節(jié)數(shù)，降低成本。另外，提高了變壓器的利用率，充電時充電器輸出端沒有接輸出電感，充電電流波紋過大。

　　4 中功率UPS充電器拓撲選擇　　一般UPS的電池節(jié)數(shù)是固定的，像1kVA的UPS配備2或3節(jié)電池，3kVA的UPS配備6或8節(jié)，10kVA配備16或20節(jié)，中功率UPS所配備的電池節(jié)數(shù)較多，時間長了，難免有電池損壞，要求相對應(yīng)的充電器電壓能做出調(diào)整。某品牌10kVA UPS，電池在12-24節(jié)數(shù)范圍可調(diào)，對應(yīng)充電器輸出電壓范圍為164-328V，單端反激拓撲輸出電壓幾乎不可能在此寬范圍可調(diào)，為此設(shè)計了BOOST-BUCK變換器。

　　前級采用BOOST結(jié)構(gòu)，把市電升到400V，市電經(jīng)整流橋后得到直流脈動電壓，VT1導(dǎo)通時，L1上電流增加，并儲存能量，VD5承受反向電壓而截止，濾波電容C2給負載提供能量;VT1截止時，市電通過L1和VD5對電池充電，并給負載提供能量，輸入和輸出關(guān)系見式(2)。后級采用BUCK結(jié)構(gòu)，它把輸入端400V降到所需的充電電壓，VT2導(dǎo)通時，VD5承受反向電壓截止，輸入經(jīng)過L2給電容C2充電，并提供能量給負載，VT2截止時，電感電流經(jīng)過VD6續(xù)流，L2和C2共同負載提供能量，輸入輸出關(guān)系見式(3)，聯(lián)立式(2)和式(3)可得充電器輸入輸出關(guān)系，見式(4)，D1不變，D2可變。

　　結(jié)束語　　小功率UPS不要求寬范圍的輸出電壓，希望對輸入電壓和輸出負載有良好相應(yīng)，單端反激拓撲能滿足此要求，盡管其輸出功率和效率不高;推挽正激拓撲同時實現(xiàn)了充電器和DC/DC的功能，減低了整機成本;中功率UPS則希望充電器輸出電壓可調(diào)，BOOST-BUCK和BOOST-半橋都是明智的選擇;大功率UPS采用模塊化結(jié)構(gòu)，對THDI和輸入功率因數(shù)等指標(biāo)要求很高，輸入取自母線電壓的BUCK變換器拓撲簡單實用，當(dāng)然，BOOST一半橋在縮減模塊體積方面表現(xiàn)突出。