【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 保證供電質(zhì)量，使負(fù)載供電不受影響的裝置。 ■ 廣義地說， UPS包括輸出為直流和輸出為交流兩種情況，目前通常是指輸出為交流的情況 UPS是 恒壓恒頻（ CVCF）電源 中的主要產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用于各種對(duì)交流供電可靠性和供電質(zhì)量要求高的場(chǎng)合。 圖 1015 UPS基本結(jié)構(gòu)原理圖 ■ UPS的結(jié)構(gòu)原理 ◆ 圖 1015給出了 UPS最基本的結(jié)構(gòu)原理 ? 基本工作原理是，當(dāng)市電正常時(shí)，由市電供電，當(dāng)市電異常乃至停電時(shí)，由蓄電池向逆變器供電，因此從負(fù)載側(cè)看，供電不受市電停電的影響；在市電正常時(shí)，負(fù)載也可以由逆變器供電，此時(shí)負(fù)載得到的交流電壓比市電電壓質(zhì)量高，即使市電發(fā)生質(zhì)量問題（如電壓波動(dòng)、頻率波動(dòng)、波形畸變和瞬時(shí)停電等）時(shí)，也能獲得正常的恒壓恒頻的正弦波交流輸出，并且具有穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的性能，因此也稱為 穩(wěn)壓穩(wěn)頻電源 。 曲阜師范大學(xué) 新能源技術(shù)研究所 26/21 不間斷電源 圖 1016 具有旁路開關(guān)的 UPS系統(tǒng) 圖 1017 用柴油發(fā)電機(jī)作為后備電源的 UPS ◆ 為保證市電異?；蚰孀兤鞴收蠒r(shí)負(fù)載供電的切換，實(shí)際的 UPS產(chǎn)品中多數(shù)都設(shè)置了 旁路開關(guān) ，如圖 1016所示，市電與逆變器提供的 CVCF電源由轉(zhuǎn)換開關(guān) S切換；還需注意的是，在市電旁路電源與 CVCF電源之間切換時(shí)，必須保證兩個(gè)電壓的相位一致，通常采用 鎖相同步 的方法。 ◆ 在市電斷電時(shí)由于由蓄電池提供電能，供電時(shí)間取決于蓄電池容量的大小，有很大的局限性，為了保證長(zhǎng)時(shí)間不間斷供電，可采用 柴油發(fā)電機(jī)（簡(jiǎn)稱油機(jī)）作為后備電源 ，如圖 1017所示，蓄電池只需作為市電與油機(jī)之間的過渡，容量可以比較小。 曲阜師范大學(xué) 新能源技術(shù)研究所 27/21 不間斷電源 圖 1018 小容量 UPS主電路 圖 1019 大功率 UPS主電路 ■ UPS的主電路結(jié)構(gòu) ◆ 容量較小的 UPS主電路 ? 整流部分使用二極管整流器和直流斬波器（用作 PFC），可獲得較高的 交流輸入功率因數(shù) 。 ? 由于逆變器部分使用 IGBT并采用 PWM控制 ，可獲得良好的控制性能。 ◆ 使用 GTO的大容量 UPS主電路 ? 逆變器部分采用 PWM控制，具有 調(diào)節(jié)電壓 和 改善波形 的功能。 ? 為減少 GTO的開關(guān)損耗，采用較低的開關(guān)頻率 。 ? 輸出電壓中所含的最低次諧波為 11次，從而使交流濾波器小型化。 曲阜師范大學(xué) 新能源技術(shù)研究所 28/21 開關(guān)電源 開關(guān)電源的結(jié)構(gòu) 開關(guān)電源的控制方式 開關(guān)電源的應(yīng)用 曲阜師范大學(xué) 新能源技術(shù)研究所 29/21 開關(guān)電源 引言 ■ 在各種電子設(shè)備中，需要多路不同電壓供電，如數(shù)字電路需要 5V、 、 等，模擬電路需要 177。 12V、 177。 15V等，這就需要專門設(shè)計(jì)電源裝置來提供這些電壓，通常要求電源裝置能達(dá)到一定的 穩(wěn)壓精度 ，還要能夠提供 足夠大的電流 。 ■ 線性電源和開關(guān)電源 ◆ 圖 1020所示為 線性電源 ，先用工頻變壓器降壓，然后經(jīng)過整流濾波后，由線性調(diào)壓得到穩(wěn)定的輸出電壓。 ◆ 圖 1021所示為 開關(guān)電源 ，先整流濾波、后經(jīng)高頻逆變得到高頻交流電壓，然后由高頻變壓器降壓、再整流濾波。 ◆ 開關(guān)電源在效率、體積和重量等方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于線性電源，因此已經(jīng)基本取代了線型電源，成為電子設(shè)備供電的主要電源形式。 +Vr e f~ 2 2 0 V~ 2 2 0 V圖 1020 線性電源的基本電路結(jié)構(gòu) 圖 1021 半橋型開關(guān)電源電路結(jié)構(gòu) 曲阜師范大學(xué) 新能源技術(shù)研究所 30/21 開關(guān)電源的結(jié)構(gòu) 圖 1022 開關(guān)電源的能量變換過程 ■ 交流輸入的開關(guān)電源 ◆ 交流輸入、直流輸出的開關(guān)電源將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。 ◆ 整流電路普遍采用二極管構(gòu)成的橋式電路，直流側(cè)采用大電容濾波，較為先進(jìn)的開關(guān)電源采用有源的功率因數(shù)校正(Power Factor Correction PFC)電路。 ◆ 高頻逆變－變壓器－高頻整流電路 是開關(guān)電源的核心部分，具體的電路采用的是隔離型直流直流變流電路。 ◆ 高性能開關(guān)電源中普遍采用了 軟開關(guān)技術(shù) 。 ◆ 可以采用給高頻變壓器設(shè)計(jì) 多個(gè)二次側(cè)繞組 的方法來實(shí)現(xiàn)不同電壓的多組輸出，而且這些不同的輸出之間是相互隔離的，但是僅能選擇 1路作為輸出電壓反饋，因此也就只有這 1路的電壓的穩(wěn)壓精度較高，其它路的穩(wěn)壓精度都較低，而且其中 1路的負(fù)載變化時(shí)，其它路的電壓也會(huì)跟著變化。 ++圖 1023 多路輸出的整流電路 高 高 高 高 高 高 高 高 高 高 高 高 高 高高 高 高 高高 高高 高高 高高 高高 高高 高高 高高 高高 高高 高曲阜師范大學(xué) 新能源技術(shù)研究所 31/21 開關(guān)電源的結(jié)構(gòu) ■ 直流輸入的開關(guān)電源 ◆ 也稱為 直流－直流變換器 (DCDC Converter)，分為 隔離型 和 非隔離型 ，隔離型多采用反激、正激、半橋等隔離型電路，而非隔離型采用 Buck、 Boost、BuckBoost等電路。 ◆ 負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器 (POLPoint Of the Load regulator) ? 僅僅為 1個(gè)專門的元件（通常是一個(gè)大規(guī)模集成電路芯片）供電的直流－直流變換器。 ? 計(jì)算機(jī)主板上給 CPU和存儲(chǔ)器供電的電源都是典型的 POL。 ◆ 非隔離的直流－直流變換器、尤其是 POL的輸出電壓往往較低，為了提高效率，經(jīng)常采用 同步 Buck (Sync Buck)電路 ，該電路的結(jié)構(gòu)為 Buck，但二極管也采用 MOSFET，利用其低導(dǎo)通電阻的特點(diǎn)來降低電路中的通態(tài)損耗，其原理類似同步整流電路。 輸 入輸 出輸 入輸 出圖 1024 a)同步降壓電路 圖 1024 b)同步升壓電路 曲阜師范大學(xué) 新能源技術(shù)研究所 32/21 開關(guān)電源的結(jié)構(gòu) A C D CA C D C4 8 V 直 流 母 線D C D CD C D C交 流電 網(wǎng)負(fù) 載負(fù) 載一 次 電 源二 次 電 源圖 1025 通信電源系統(tǒng) ■ 分布式電源系統(tǒng) ◆ 在通信交換機(jī)、巨型計(jì)算機(jī)等復(fù)雜的電子裝置中，供電的路數(shù)太多，總功率太大，難以用一個(gè)開關(guān)電源完成，因此出現(xiàn)了 分布式的電源系統(tǒng) 。 ◆ 如圖 1025，一次電源完成交流－直流的隔離變換，其輸出連接到直流母線上，直流母線連接到交換機(jī)中每塊電路板，電路板上都有自己的 DCDC變換器，將 48V轉(zhuǎn)換為電路所需的各種電壓；大容量的蓄電池組保證停電的時(shí)候交換機(jī)還能正常工作 。 ◆ 一次電源采用多個(gè)開關(guān)電源并聯(lián)的方案，每個(gè)開關(guān)電源僅僅承擔(dān)一部分功率，并聯(lián)運(yùn)行的每個(gè)開關(guān)電源有時(shí)也被成稱為“ 模塊 ”，當(dāng)其中個(gè)別模塊發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)還能夠繼續(xù)運(yùn)行，這被稱為“ 冗余 ”。 曲阜師范大學(xué) 新能源技術(shù)研究所 33/21 開關(guān)電源的控制方式 控 制 器u*+ufLCRLV c c＋－P W M 比 較 器鋸 齒 波evcLCV c c電 流 控 制 器u*+ufe電 壓 控 制 器i*+ifRL圖 1026 開關(guān)電源的控制系統(tǒng) 圖 1027 電流模式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) ■ 典型的開關(guān)電源控制系統(tǒng)如圖 1026 所示，采用 反饋控制 ，控制器根據(jù)誤差e來調(diào)整控制量 vc。 ■ 電壓模式控制 ◆ 圖 1026 所示即為電壓模式控制，僅有一個(gè)輸出 電壓反饋控制環(huán) 。 ◆ 其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但有一個(gè)顯著的缺點(diǎn)是不能有效的控制電路中的電流。 ■ 電流模式控制 ◆ 在電壓反饋環(huán)內(nèi)增加了 電流反饋控制環(huán) ，電壓控制器的輸出信號(hào)作為電流環(huán)的參考信號(hào)，給這一信號(hào)設(shè)置限幅，就可以限值電路中的最大電流，達(dá)到短路和過載保護(hù)的目的，還可以實(shí)現(xiàn)恒流控制。 曲阜師范大學(xué) 新能源技術(shù)研究所 34/21 開關(guān)電源的控制方式 + RSSiRiS+Ui niSiLLC L KQC L KSiSt0t1t20iR0iLiR圖 1028 峰值電流模式控制的原理 ? 峰值電流模式控制 √峰值電流模式控制系統(tǒng)中電流控制環(huán)的結(jié)構(gòu)如圖 1028a所示，主要的波形如圖 1028b所示。 √基本的原理：開關(guān)的開通由 時(shí)鐘 CLK信號(hào) 控制， CLK信號(hào)每隔一定的時(shí)間就使 RS觸發(fā)器 置位，使開關(guān)開通；開關(guān)開通后 iL上升，當(dāng) iL達(dá)到電流給定值 iR后，比較器輸出信號(hào)翻轉(zhuǎn)，并復(fù)位 RS觸發(fā)器，使開關(guān)關(guān)斷。 a) b) 曲阜師范大學(xué) 新能源技術(shù)研究所 35/21 開關(guān)電源的控制方式 +S iRiL+Ui niLL+uSuc oiLiRe0M1M2MSuSS圖 1029 平均電流模式控制的原理 a) b) √峰值電流模式控制的不足： 該方法控制電感電流的峰值，而不是電感電流的平均值，且二者之間的差值隨著 M1和 M2的不同而改變，這對(duì)很多需要精確控制電感電流平均值的開關(guān)電源來說是不能允許的；峰值電流模式控制電路中將電感電流直接與電流給定信號(hào)相比較，但電感電流中通常含有一些開關(guān)過程產(chǎn)生的噪聲信號(hào)，容易 造成比較器的誤動(dòng)作 ，使電感電流發(fā)生不規(guī)則的波動(dòng)。 ? 平均電流模式控制 √平均電流模式控制采用 PI調(diào)節(jié)器 作為電流調(diào)節(jié)器，并將調(diào)節(jié)器輸出的控制量 uc與鋸齒波信號(hào) uS相比較，得到周期固定、占空比變化的PWM信號(hào)，用以控制開關(guān)的通與斷。 曲阜師范大學(xué) 新能源技術(shù)研究所 36/21 開關(guān)電源的應(yīng)用 ■ 開關(guān)電源廣泛用于各種電子設(shè)備、儀器，以及家電等，如臺(tái)式計(jì)算機(jī)和筆記本計(jì)算機(jī)的電源，電視機(jī)、 DVD播放機(jī)的電源，以及家用空調(diào)器、電冰箱的電腦控制電路的電源等，這些電源功率通常僅有幾十 W～幾百 W；手機(jī)等移動(dòng)電子設(shè)備的充電器也是開關(guān)電源，但功率僅有幾 W；通信交換機(jī)、巨型計(jì)算機(jī)等大型設(shè)備的電源也是開關(guān)電源，但功率較大，可達(dá)數(shù) kW～數(shù)百 kW；工業(yè)上也大量應(yīng)用開關(guān)電源，如數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化流水線中，采用各種規(guī)格的開關(guān)電源為其控制電路供電。 ■ 開關(guān)電源還可以用于蓄電池充電、電火花加工，電鍍、電解等電化學(xué)過程等，功率可達(dá)幾十～幾百 kW；在 X光機(jī)、微波發(fā)射機(jī)、雷達(dá)等設(shè)備中，大量使用的是高壓、小電流輸出的開關(guān)電源。 曲阜師范大學(xué) 新能源技術(shù)研究所 37/21 功率因數(shù)校正技術(shù) 功率因數(shù)校正電路的基本原理 單級(jí)功率因數(shù)校正技術(shù) 曲阜師范大學(xué) 新能源技術(shù)研究所 38/21 功率因數(shù)校正技術(shù) 引言 ■ 以開關(guān)電源為代表的各種電力電子裝置帶來一些負(fù)面的問題：輸入電流不是正弦波，就涉及到 諧波 和 功率因數(shù) 的問題。 ■功率因數(shù)校正 PFC (Power Factor Correction)技術(shù)即對(duì)電流脈沖的幅度進(jìn)行抑制，使電流波形盡量接近正弦波的技術(shù)，分成 無源功率因數(shù)校正 和 有源功率因數(shù)校正 兩種。 ◆ 無源功率因數(shù)校正技術(shù)通過在二極管整流電路中增加電感、電容等無源元件和二極管元件，對(duì)電路中的電流脈沖進(jìn)行抑制，以降低電流諧波含量，提高功率因數(shù)。 ◆ 有源功率因數(shù)校正技術(shù)采用全控開關(guān)器件構(gòu)成的開關(guān)電路對(duì)輸入電流的波形進(jìn)行控制，使之成為與電源電壓同相的正弦波。 曲阜師范大學(xué) 新能源技術(shù)研究所 39/21 功率因數(shù)校正電路的基本原理 圖 1030 典型的單相有源 PFC電路及主要原理波形 ■ 單相功率因數(shù)校正電路的基本原理 ◆ 實(shí)際上是二極管整流電路加上升壓型斬波電路構(gòu)成的。 ◆ 原理 ? 給定信號(hào) 和實(shí)際的直流電壓 ud比較后送入 PI調(diào)節(jié)器 ，得到指令信號(hào) id， id和整流后正弦電壓相乘得到輸入電流的指令信號(hào) i*，該指令信號(hào)和實(shí)際電感電流信號(hào)比較后，通過 滯環(huán) 對(duì)開關(guān)器件進(jìn)行控制，便可使輸入直流電流跟蹤指令值，這樣交流側(cè)電流波形將近似成為與交流電壓同相的正弦波，跟蹤誤差在由滯環(huán)環(huán)寬所決定的范圍內(nèi)。 *du曲阜師范大學(xué) 新能源技