3KW单相在线式UPS系统设计

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1.  设计需求分析->功率等级：3kW单相在线式UPS是保障中小型关键业务核心基础设施稳定运行的“电力守护神”，是从普通用电到高质量、高可靠性用电升级的关键设备。
->电池输入电压范围：48V铅酸电池，通常在40V-57.6V之间。
->AC输入电压范围：单相交流90~264Vac。
->AC输出电压：230±5%Vac，频率50Hz。
2.  拓扑结构选择（交错BOOST+推挽+H4桥）        交错BOOST整流拓扑通过多相并联、谐波抵消和集成化设计，在效率、功率密度、EMI和动态响应等方面全面超越传统单相PFC拓扑。其技术优势的核心在于 “分散应力、集中控制”，尤其适合高功率、高可靠性需求的现代电力电子系统（如新能源、汽车电子和工业电源）。
推挽非常适用于中低功率（通常≤5KW）、48V低压输入的场景，主要原因有：
1、结构简单，仅需两个开关管（MOSFET或IGBT）和带中心抽头的高频变压器，成本低。
2、高效升压，通过高频变压器将48V升压至直流400V，适合低压电池输入。
3、抗电池电压波动，变压器隔离设计能适应铅酸电池的电压波动（如40V-57.6V）。
         H4拓扑因其功率处理能力、波形质量、效率与成本的平衡，成为单相离网逆变器的首选。尤其在24V/48V铅酸电池系统中，全桥结构能有效解决低压输入、高电流应力等问题，同时满足纯正弦波输出的需求。

3. 控制策略

• 交错BOOST：使用两相BOOST交错整流，实现母线超低纹波，系统高度集成化。
• 推挽半闭环控制：轻载闭环，重载开环，实现推挽最大效率转换。
• 逆变双环控制：采用电流内环和电压外环的双闭环控制策略，保证了系统带载的稳定性。
• 逆变PWM调制：采用正弦脉宽调制（SPWM）生成高质量的正弦波。
  

4. 交错BOOST实现4.1 交错BOOST驱动实现
相位差180°，两个开关管（Q1和Q2）的驱动信号必须交替导通，当Q1为高电平时，Q2必须为低电平，反之亦然。搭建驱动如下：

4.2 交错BOOST控制实现
控制框架如下：使用PI控制器，将母线电压环输出转换成BOOST的驱动信号，实现母线电压稳定控制到400V；

4.3 交错BOOST闭环系统如下：

仿真结果如下：

5. 推挽升压实现5.1 推挽驱动信号实现
相位差180°，两个开关管（Q1和Q2）的驱动信号必须交替导通，且占空比不超过50%。当Q1为高电平时，Q2必须为低电平，反之亦然。需要配置死区时间防止两个管子同时导通导致电源短路（直通）。搭建驱动如下：

5.2  推挽升压实现
将母线电压控制到略高于变压器变比，这样就能够实现轻载闭环，重载开环，实现推挽最大效率转换；使用PSIM仿真软件搭建推挽系统如下：

仿真波形如下：

6. 逆变实现6.1 逆变双闭环控制
双闭环控制通过分层优化（电流环快速响应、电压环精准稳压），在动态性能、鲁棒性和波形质量之间取得平衡，是离网逆变器高可靠性设计的核心策略。控制框架如下如下：

6.2 逆变闭环实现
逆变离网闭环系统如下:

仿真波形如下：

7. 交错BOOST+推挽+H4桥     上面已经单独实现了交错BOOST闭环控制、推挽升压系统和逆变双闭环系统，要将三个系统整合成在线式UPS系统只需简单加控制策略如下：将交错BOOST闭环控制系统的输出电压给定为400V，推挽升压系统的输出电压给定为380V；然后将两路直流输出并联接入到逆变双闭环系统的直流高压输入端口即可。
       功能介绍：当有市电输入时，交错BOOST工作将母线电压控制在400V，而推挽升压系统的输出电压目标是控制到380V，这样由于母线电压一直高于推挽的控制目标，推挽升压一直处于关闭状态；当没有市电输入时，母线电压会掉落到380V，这时候推挽升压系统开始工作将母线维持在380V，这时候实现了AC输入掉电到电池接入的无缝对接，而逆变系统由于母线电压一直存在，维持正常稳定输出。

仿真波形：

8. 系统总结        本文先从3KW单相在线式UPS拓扑选择讲起，接着分别搭建交错BOOST闭环控制、推挽升压系统和逆变双闭环系统；然后通过分析UPS的功能，通过增加控制策略将交错BOOST闭环控制、推挽升压系统和逆变双闭环系统三个单独控制系统串联起来，构成了完整功能的3KW单相在线式UPS，并通过仿真验证了系统在市电掉电切换到电池供电的稳定可靠运行。