基于SiC MOSFET的高性能高效不间断电源系统设计与控制研究

《IEEE Access》：Design and Control of Advanced Uninterruptible Power Supplies With SiC MOSFETs for Enhanced Performance and Efficiency

本文针对传统UPS系统效率低、体积大等问题，提出了一种采用图腾柱PFC和T型三电平逆变器的新型单相在线式UPS拓扑。研究人员通过2p2z补偿器和P-3R控制算法实现了97.8%的超高效率，并开发了快速电网故障检测技术，确保了在电网断电时负载电压的稳定。该研究为高可靠性电力供应系统提供了创新解决方案。

　　

在现代电力电子技术领域，不间断电源(UPS)系统犹如电力供应的"守护神"，它们为数据中心、医疗设备和通信系统等关键负载提供稳定可靠的高质量电能。然而，传统UPS系统却面临着效率低、体积大、成本高等诸多挑战，特别是在应对非线性负载和电网故障时，其性能往往难以满足日益增长的高标准需求。

目前广泛使用的在线式双变换UPS系统虽然能提供电网与负载间的电气隔离，但其典型效率仅约92%，且普遍采用工频变压器导致系统笨重。更令人困扰的是，当电网电压突然中断时，传统检测方法需要较长时间才能识别故障，造成输出电压的短暂中断，这对精密医疗设备或数据中心服务器而言可能是灾难性的。此外，非线性负载产生的谐波电流会严重污染输出电压波形，影响连接设备的正常运行。

针对这些技术痛点，来自越南岘港大学与阿联酋高等技术学院的QUOC NAM TRINH和THANH HAI NGUYEN研究团队在《IEEE Access》上发表了创新性研究成果。他们巧妙地将宽禁带半导体SiC MOSFET与先进控制算法相结合，设计出一套效率高达97.8%的3.6 kVA单相在线式UPS系统，为高可靠性电力供应设立了新的技术标杆。

关键技术方法

研究团队采用多学科交叉的技术路线：首先设计基于SiC MOSFET的图腾柱PFCAC/DC变换器和T型三电平DC/AC逆变器的新型拓扑结构；其次开发2p2z数字补偿器实现PFC级的电压电流双环控制，采用P-3R(比例-多谐振)控制器保证逆变器输出电压质量；然后提出基于电压极性检测的快速电网故障识别算法(500μs内)；最后通过PSIM仿真和3.6 kVA实验平台验证系统性能。

系统配置与工作模式

研究人员设计的UPS系统包含两个核心部分：前级采用无桥图腾柱PFC整流器，后级采用T型三电平逆变器。这种配置的巧妙之处在于，电池DC-DC转换器直接利用PFC级的一个桥臂(S3-S4)，无需额外的电池充电器，显著降低了系统成本和体积。

系统具有三种智能工作模式：当电网正常时，UPS工作于电网模式，电池处于断开状态；当需要给电池充电时，系统通过继电器切换实现边供电边充电；当检测到电网故障时，系统在500微秒内无缝切换到电池模式，由电池维持DC母线电压。

控制策略创新

在PFC控制方面，研究团队摒弃了传统的PI控制器，采用了更先进的2p2z(两极点两零点)补偿器。这种控制器的独特优势在于能在低频段提供高增益，同时有效抑制DC链路电压中的二倍频纹波，避免其对输入电流质量造成影响。

对于逆变器控制，团队开发了P-3R(比例-三谐振)控制器，通过在基波、三次和五次谐波频率处设置谐振点，有效补偿非线性负载引起的电压畸变。即使负载电流THD高达78.5%，输出电压THD仍能保持在2%以下。

电网故障快速检测技术

研究中最具创新性的突破是电网电压丢失检测算法。传统方法基于RMS值检测，响应速度慢，导致切换过程中输出电压出现扰动。新方法通过监测整流后的电压信号，在电压低于20V阈值时启动计时器，若持续时间超过500μs（比正常情况长20%），立即判定为电网故障。

仿真与实验结果

稳态性能测试显示，PFC级输入电流THD低至1.82%，功率因数达到0.995，DC链路电压稳定在420V。逆变器在非线性负载条件下，输出电压THD仅为1.72%，远优于传统UPS系统。

动态响应测试表明，当非线性负载接入时，系统能在20ms内将输出电压恢复为正弦波。即使在输入电压畸变（含有5%三次谐波和3%五次谐波）的情况下，输出电压THD仍保持在1.92%的优异水平。

最令人印象深刻的是模式切换测试：采用传统检测方法时，DC链路电压骤降至220V，导致输出电压出现5个周期的扰动；而新方法实现了无缝切换，负载电压完全不受影响。

效率测试结果显示，该系统在50%负载时峰值效率达到97.8%，全负载范围内效率均高于商业UPS产品（典型值为95%-95.5%）。这一突破性成果主要归功于SiC MOSFET的低导通损耗和开关损耗，以及优化的磁元件设计。

研究结论与意义

这项研究成功展示了基于SiC MOSFET的高性能UPS系统的巨大潜力。通过拓扑结构创新（图腾柱PFC+T型三电平逆变器）和控制算法突破（2p2z补偿器+P-3R控制器+快速电网检测），解决了传统UPS在效率、体积和动态响应方面的技术瓶颈。

该研究的实际意义在于：为数据中心、医疗设施等关键电力应用提供了更高效、更可靠的电源解决方案；提出的快速故障检测技术确保了关键负载的连续供电；数字控制算法的优化设计证明了复杂控制策略在低成本微控制器上实施的可行性。

未来，这种高性能UPS架构可与可再生能源系统、微电网等结合，构建更智能、更高效的电力供应生态系统。研究团队也指出，虽然当前系统针对单相应用开发，但相同技术原理可扩展至三相大功率场合，具有广阔的应用前景。