【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ) 輸入電壓：?jiǎn)蜗鄡删€制 220V、 50Hz 交流電壓 輸入電壓范圍： 220V土 10％ 輸入頻率范圍： 50Hz 土 5％ (2) 輸出電壓：?jiǎn)蜗?220V、 50Hz 交流電壓 電壓穩(wěn)定度： 220V土 2％ 頻率穩(wěn)定度： 50Hz 土 ％ (3) 額定功率： 500W (4)蓄電池組：采用松下 UPVW1220 鉛酸蓄電池（ 12V） 2 塊 滿載工作時(shí) (500W)：蓄電池組能維持 3min 半載工作時(shí) (250W)：蓄電池組能維持 10min 供 PC 工作（ 100W）：蓄電池組能維持 30min 二 、 系統(tǒng) 結(jié)構(gòu) 圖 和原理 如圖 所示，系統(tǒng)分為 4 個(gè)部分：電池升壓電路、逆變電路、電池充電電路、旁路電路 。電池升壓電路的結(jié)構(gòu)是隔離型推挽式直流 —直流變換電路。通過(guò)控制變壓器原邊的兩個(gè)橋臂的開啟和關(guān)斷，將電池電壓（ 24V）升高到 400V,作為逆變器的直流源。逆變電路采用全橋式逆變橋電路，利用 PWM 技術(shù)控制開關(guān)管的開啟和關(guān)斷，再通過(guò)輸出濾波器濾除高次諧波，最終得到正弦基波。電池充電電路是一個(gè)反激式開關(guān) 電源電路，通過(guò)控制開關(guān)管的開啟和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)電池的三階段充電：當(dāng)電池電壓低于 時(shí)，以恒定電流的方式對(duì)電池快速充電，當(dāng)電池電壓高于 ，開始以恒定電壓對(duì)電池充電，最后隨著充電電流的減小，電池進(jìn)入浮充階段。旁路電路是用一個(gè)雙觸點(diǎn)的繼電器實(shí)現(xiàn) 7 的。 ACDC 變換：將電網(wǎng)來(lái)的交流電經(jīng)全波整流、濾波變?yōu)橹绷麟妷海┙o逆變電路。ACDC 輸入如果有軟啟動(dòng)電路，可避免開機(jī)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。 DCAC 逆變電路：采用大功率 IGBT 模塊全橋逆變電路，具有很大的功率富余量，在輸出動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)輸出阻抗特別小，具有快速響應(yīng)特性。如果采用高頻調(diào)制限流技術(shù)及快速短路保護(hù)技術(shù)，可以使逆變器無(wú)論是供電電壓瞬變還是負(fù)載沖擊或短路，均可安全可靠地工作。 控制驅(qū)動(dòng)：控制 驅(qū)動(dòng)是完成整機(jī)功能控制的核心，它除了提供檢測(cè)、保護(hù)、同步以及各種開關(guān)和顯示驅(qū)動(dòng)信號(hào)外，還完成 SPWM 正弦脈寬調(diào)制的控制，如果采用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)雙重電壓反饋，可以極大地改善了逆變器的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性。 UPS 電源包括了兩種類型：在線式、后備式。 在線式 UPS工作原理是輸入的市電經(jīng)整流濾波后，一方面經(jīng)逆變后變成純凈的 50Hz、220V交流電壓輸出 。另一方面經(jīng)充電器輸出直流電給電池組充電，在市電中斷時(shí)，由電池組經(jīng)逆變電路逆變成 220V、 50Hz 的交流電輸出，零時(shí)間自動(dòng)轉(zhuǎn)換，有效地保證輸出不間斷的電源，全面解決市電中存 在的電源故障，提供高層次的電源保護(hù)，適用于保護(hù)關(guān)鍵系統(tǒng)、重要數(shù)據(jù)，被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心、大型網(wǎng)絡(luò)、行業(yè)系統(tǒng)（金融、郵電、醫(yī)院、電力、航天航空、軍事等）。 后備式 UPS 在市電供電時(shí)由旁路開關(guān)直接輸出，只有當(dāng)市電斷電時(shí)，電池組經(jīng)逆變電路逆變成 220V、 50Hz 的交流電路輸出。 整 流 電 路單 端 反 激 式 開 關(guān) 電源推 挽 式 D C / D C 變 換 全 橋 式 逆 變交 流 2 2 0 V 輸 入交 流 2 2 0 V 輸 出直 流3 0 0 V直 流2 4 V直 流4 0 0 VS 1S 2 圖 UPS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 8 正常工作情況：旁路開關(guān) S1 閉合 ,S2 斷開。電網(wǎng)電壓分為兩路，一路通過(guò) S1 供負(fù)載使用。第二路經(jīng)過(guò)整流電路變?yōu)橹绷?300V， 300V經(jīng)過(guò)反激式 開關(guān)電源得到大約直流 24V給電池充電。 當(dāng)電網(wǎng)斷電時(shí)：旁路開關(guān)斷開 S1 斷開， S2 開啟。此時(shí)直流 24V電池電壓通過(guò) S2 和電池升壓電路變換變?yōu)橹绷?400V,送到全橋式逆變電路，逆變后供負(fù)載使用 。 三、本章小結(jié) 本章主要介紹了 UPS 的設(shè)計(jì)參數(shù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和基本原理。本設(shè)計(jì)要求在電網(wǎng)電壓為交流 220V 左右的輸入情況下，輸出也為 220V 左右的正弦交流電，負(fù)載額定功率為500W。在電網(wǎng)斷電時(shí)， UPS 可以為負(fù)載供電幾分鐘。系統(tǒng)可以分為電池升壓電路、逆變電路、電池充電電路、旁路電路四個(gè)部分。電網(wǎng)正常工作時(shí)，電網(wǎng)電壓分為 兩路。一路供負(fù)載使用，第二路經(jīng)過(guò)整流電路變?yōu)橹绷?300V， 300V 經(jīng)過(guò)反激式開關(guān)電源得到大約直流 24V 給電池充電。電網(wǎng)工作異常時(shí)，此時(shí)直流 24V 電池電壓通過(guò) S2 和電池升壓電路變換變?yōu)橹绷?400V,送到全橋式逆變電路，逆變后供負(fù)載使用 。 9 第三 章 電池升壓電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的目標(biāo)是完成從直流 24V到直流 400V 帶隔離變壓器的 DC/DC 變換。 將 24V的電池電壓升高到 400V,做為逆變器的直流電源。 現(xiàn)擬采用 下 圖 所示的電路圖，它由帶隔離變壓器的 推挽式 DCDC 變換電路 和輸出濾波電路組成， 輸出濾波電路為 LC 低 通濾波器， 現(xiàn)分析整個(gè)電池升壓電路的基本 工作原理。 平穩(wěn)的直流電壓 （ 24V） 供給 高頻變壓器的原邊 。兩個(gè)開關(guān)管和高頻變壓器共同組成了 帶隔離變壓器的 推挽式 DC/DC 變換器，通過(guò)開關(guān)管的輪流導(dǎo)通，在變壓器副邊繞組兩端分別形成相位相反的交流電壓， 變壓器的副邊交流電壓 經(jīng)過(guò)二極管整流，然后經(jīng)一個(gè)倒 L 型 低通 濾波電路，得到穩(wěn)定的 直流 輸出電壓。 一、電路設(shè)計(jì) （一）主電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)要求輸出電壓 U0為 400V，開關(guān)管的占空比最大值定為 Dmax=。所以，高頻變壓器的次級(jí)輸出電壓 U 次 應(yīng) 能夠在最大輸出占空比 的情況下，保證輸出電壓為 400V, 667V 004D2 U m a xo ?????次U （ ） 高頻變壓器初級(jí)輸入電壓 24V?初U （ ） 由此可得高頻變壓器的匝數(shù)比 28166724UUn ??? 次初 （ ） 輸出功率為 W500Po ? （ ） 10 圖 電池升壓電壓主電路結(jié)構(gòu)圖 ： 一般工程設(shè)計(jì)算法中，要求輸出 電流的最大脈動(dòng)量 i? 為最大輸出電流的 20%，因?yàn)? 0 .2 5 A0 .21 .2 52 0 %i ?????? oI () 則： 3400tUL L ???? ??? i () 500uFC? () 場(chǎng)效應(yīng)管是一種體積小、重量輕、耗電省、壽命長(zhǎng)，利用電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制電流大小的半導(dǎo)體器件，這種器件有輸入阻 抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)和制造工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。 場(chǎng)效應(yīng)管的開關(guān)頻率可以非常高，因此在高頻的情況下，使用場(chǎng)效應(yīng)管比 IGBT 更加符合要求。同時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管為電壓驅(qū)動(dòng)型器件，因此驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。 與二極管的選型類似，主開關(guān)器件的選型，主要是確定開關(guān)器件的正向平均電流和正向電壓峰值。根據(jù)全橋式 DCDC 變換器的特點(diǎn)，每個(gè)開關(guān)管的 承受的 電壓為 Ui，即： 24VUU dsp ?? i () 11 額定電壓一般取為正常工作時(shí) MOSFET 所承受峰值電壓的 2～ 3 倍，即： 7 2 V243U3)~(2U d s pDS ????? () 確定了 MOSFET 的峰值電壓，還需要計(jì)算開關(guān)管工作時(shí)的平均工作電流 ， 輸入電流： 21A500/24I in ?? () 則： 1 0 . 5 A210 . 5I0 . 5I inV ????? () 額定電流為正常工作時(shí)的 2～ 3倍，即： 25AIv3)~(2I D ??? () 設(shè)計(jì) 每個(gè)二極管承受最大反向電壓為高頻變壓器次級(jí)輸出電壓 次U ，即 667V。額定電壓一般取為正常工作時(shí)所承受峰值電壓的 2～ 3 倍，此處選取 800V,每個(gè)二極管工作時(shí)平均電流為輸出電流的 倍，即 ，額定電流為正常工作電流的 2～ 3 倍，此處取為 ?？蛇x用東芝 3JH61，耐壓 800V,額定電流 3A，反向恢復(fù)時(shí)間 。 （二）控制 電路設(shè)計(jì) 1． UC3825 簡(jiǎn)介 UC3825 是一款針對(duì)開關(guān)電源的高頻率高效率 PWM控制芯片，它使用電壓控制模式，其最高工作頻率可達(dá) 1MHz，帶有基準(zhǔn)電壓輸出、軟啟動(dòng)和過(guò)流保護(hù)模塊。其脈寬比較器的輸入端可以用負(fù)載輸出的電壓信號(hào)與誤差放大器輸出信號(hào)進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。使用 UC3825 的開關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都較高。因此 UC3825 是比較理想的 PWM 控制芯片。 2． UC3825 的引腳功能 （ 1）引腳 1（ INV）：閉環(huán)系統(tǒng)中接反饋信號(hào)，為誤差放 大器反相輸入端，用于形成電壓比較電路。 （ 2）引腳 2 (NV)：此腳為與 INV端行比較的誤差放大器同相輸入端。通常是設(shè)置的基準(zhǔn)電壓。 （ 3）引腳 3（ E/A Out）：與 INV端構(gòu)成比例積分反饋電路的誤差放大器的輸出端。 （ 4）引腳 4（ Clock）：兩片 PWM 芯片鏈接運(yùn)行時(shí)，提供給芯片同步時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)鐘輸出端。輸出與震蕩頻率一致的時(shí)鐘信號(hào)。 12 （ 5）引腳 5 和引腳 6 (CT 和 RT)：這兩腳設(shè)置芯片的工作時(shí)鐘，通過(guò)接不同的電容和電阻，形成不同的鋸齒波信號(hào)。 （ 6）引腳 7（ Ramp）：此腳為斜坡補(bǔ)償端。 （ 7）引腳 8 (Soft Start)：此引腳接一個(gè)電容，在整個(gè)電路上電時(shí)可以抑制電路的沖擊電流，為軟啟動(dòng)端，有保護(hù)功率元件的作用。 （ 8）引腳 9 (ILIM/SD)：此引腳具有過(guò)流保護(hù)的功能，只要將輸出電流反饋至此端，當(dāng)電源輸出短路情況或者輸出電流過(guò)大出時(shí)，即一旦超過(guò)內(nèi)部設(shè)定值，芯片可以迅速封鎖輸出，讓整個(gè)電路處于關(guān)閉狀態(tài)。 （ 9）引腳 10，引腳 13 和引腳 15（ Gnd， Pwr Gnd 和 Vcc）：這些腳分別接信號(hào)地，功率地，和電源電壓。 （ 10）引腳 11 和引腳 14（ Out A 和 Out B）：這兩腳輸出互補(bǔ)的高低驅(qū)動(dòng)脈沖 信號(hào)。 （ 11）引腳 13 和引腳 16 (Vc 和 Vref)：引腳 13 是為了能夠獲得足夠的驅(qū)動(dòng)能力或者配合不同的驅(qū)動(dòng)電壓等級(jí)設(shè)置的驅(qū)動(dòng)電路的電壓輸入端，設(shè)計(jì)者可以隨意調(diào)整。引腳 16為穩(wěn)定的 。 3. UC3825 的工作原理 UC3825 的內(nèi)部電路包含多個(gè)功能的子模塊，有鋸齒波和時(shí)鐘產(chǎn)生，誤差放大與比較，電源和內(nèi)部故障檢測(cè)，軟啟動(dòng)，過(guò)流保護(hù)和輸出邏輯控制驅(qū)動(dòng)等模塊。 。引腳 5 接芯片內(nèi)部 3V的穩(wěn)定電壓，引腳 6 接芯片內(nèi)部的一個(gè)恒流源。如果引腳 5 和對(duì)地端接上一個(gè)電阻，電阻上就會(huì) 流過(guò)電流 Ir，芯片內(nèi)部經(jīng)過(guò)檢測(cè)引腳 5 上的電流而產(chǎn)生一個(gè)與之一樣的恒定充電電流 Ic=Ir。如果在引腳 6 和對(duì)地端接一個(gè)電容，這個(gè)充電電流 Ic 就對(duì)電容 C 進(jìn)行恒流充電， CT 端電壓就會(huì)呈線性的斜坡增加，在剛開始的時(shí)候，引腳 6 端電壓較低，與之連接的電壓比較器輸出為低電平，圖中的兩個(gè)三極管截止?？墒钱?dāng)引腳 6 端的電壓大于遲滯比較器的預(yù)定值時(shí)，電壓比較器的輸出跳變?yōu)楦唠娖剑箖蓚€(gè)三極管迅速開通，與引腳 6 連接的三極管使電容 C 中的電荷迅速釋放，與引腳 4 連接的三極管開通， Clock 端就輸出高電平。當(dāng)外接電容的電壓降至使遲滯比較器的 輸出為低電平后，兩個(gè)三極管截止。然后外接電容重新進(jìn)行恒流充電，電路進(jìn)入下一個(gè)工作周期，線性度良好的鋸齒波信號(hào)就是在這樣過(guò)程中不斷產(chǎn)生的。 b. 誤差放大與比較模塊，由引腳 1,2,3 連接成的一個(gè)反相誤差放大器和一個(gè)電壓比較器組成。電壓比較器通過(guò)誤差放大器將電路輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換后與引腳 7 接入鋸齒波 13 電壓相比較，隨之輸出高低電平。由此可得：比較器輸出的高低電平時(shí)間是由誤差放大器的輸出電壓與鋸齒波電壓相比較決定的。若誤差放大電壓越小，比較器輸出的高電平時(shí)間越長(zhǎng)，反之越短。 c. 電源欠壓保護(hù)和內(nèi)部故障檢測(cè)模塊。兩 個(gè)電壓比較器組成了此模塊的功能。電源欠壓保護(hù)通過(guò)輸入電源電壓與一個(gè) 9V的穩(wěn)定電壓進(jìn)行比較實(shí)現(xiàn)，內(nèi)部故障檢測(cè)通過(guò)由穩(wěn)壓器得到的基準(zhǔn)電壓與一個(gè) 4V電壓進(jìn)行比較實(shí)現(xiàn)。只有當(dāng)電源電壓和基準(zhǔn)電壓都正常穩(wěn)定時(shí)，后方電路才正常工作，從而使芯片正常工作。如果有一個(gè)電壓不穩(wěn)定，后方電路就會(huì)使輸出驅(qū)動(dòng)電路停止工作，從而達(dá)到保護(hù)主電路的目的。 d. 軟啟動(dòng)模塊。因?yàn)檎麄€(gè)電路剛上電的瞬間，電路輸出電壓值很小，反饋給給誤差放大電壓值比較大，誤差放大的電壓接近飽和，進(jìn)而使輸出端的占空比接近最