【導(dǎo)讀】間斷電源，這已成為信息業(yè)界乃至各行各業(yè)的共識。置的結(jié)構(gòu)和形式來考慮其設(shè)計方案。整個UPS主電源裝置由整流/充電器、逆變。器、靜態(tài)旁路、維修旁路等部分組成。整流/充電器為UPS提供在。出；靜態(tài)旁路為UPS在整流/充電器或者逆變器故障情況下提供旁路工作電源，部分都有其典型的控制芯片組成。程，最終實現(xiàn)頻率50HZ的220V交流電壓輸出。

　　

【正文】 等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。按照一定的規(guī)則，對各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變輸出電壓的大小，又可改變輸出頻率。理論和實踐證明 PWM 逆變電路具有很強(qiáng)的諧波抑制能力。同時，它還具有下列特點： (1)逆變輸出波形接近正弦波； (2)動態(tài)響應(yīng)快； (3)功率因數(shù)高。 隨著自關(guān)斷器件的出現(xiàn)并成熟后， PWM 控制技術(shù)得到了很快的發(fā)展， PWM 型 20 逆變電路獲得了廣泛的應(yīng)用。如今， PWM 控制技術(shù)己成為電力電子技術(shù)中一個非常重要的組成部分，它對提高電力電子裝置的性能，推動電力電子技術(shù)的發(fā)展起著巨大作用。 PWM 型三相橋式逆變電路 正因為 PWM 控制技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，逆變電路越來越多地采用 PWM控制方式。 下面詳述 PWM 逆變器的基本原理。 在采 樣控制理論中，有一個重要結(jié)論 :沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，其效果基本相同即環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。這個結(jié)論是PWM 控制的重要理論基礎(chǔ)。下面以正弦脈寬調(diào)制 SPWM 為例說明 PWM 控制的基本原理。 (a） (b) 圖 24 PWM控制的基本原理示意圖 如圖 24 所示，在圖 24a 中，將正弦半波分成 N 等份，把正弦半波 看成由N 個彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于 n/N，但幅值不等，脈 沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按 正弦規(guī)律變化。如果此脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點和相應(yīng)正弦等分的中點重合，并且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦部分面積即沖量相等，就得到了如圖 24b 所示的脈沖序列。這就是 PWM 波形。從中可看出 PWM 各脈沖的寬度是按正弦規(guī)律變化的。根 據(jù)沖量相等效果相同的原理，此 PWM 波形和正弦半波是等效的。對于正弦負(fù)半周，可用同樣的方法得到相應(yīng)的 PWM 波形。這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的 PWM 波形，成為 SPWM 波形。 在 PWM 波形中，要改變等效輸出正弦波的幅值只要按同一比例改變各脈 沖的寬度即可。 主要器件介紹 晶閘管 SCR 晶閘管是最早出現(xiàn)得可控器件。其功率最大，使用最廣泛，在電力電子應(yīng)用 21 領(lǐng)域中占有很重要的地位。普通型 SCR 電壓高達(dá) 6000V，電流達(dá)數(shù)千安培，自身電壓降 ，開通僅需要在控制級上加一個小觸發(fā)脈沖，然后想要關(guān)斷這種器件必須用電感、電容和輔助開關(guān)器件組成強(qiáng)迫環(huán)流電路。由于工作頻率低，關(guān)斷電路復(fù)雜，效率低，功耗大，因此在 PWM 調(diào)制中產(chǎn)生的正弦波還不夠完善，而且噪音較大。目前 UPS 中，主要把 SCR 器件用作整流器和靜態(tài)開關(guān)。 如圖 25 圖 25 SCR外形圖 場效應(yīng)管 MOSFET 功率 MOSFET 是一種全控型三端器件。其開關(guān)速度快，安全工作區(qū)寬，熱穩(wěn)定性好，線性控制能力強(qiáng)，采用電壓控制，易于實現(xiàn)計算機(jī)控制，因此常常作為開關(guān)器件實現(xiàn)能量變換。一般來說， MOSFET 驅(qū)動電路比 BJT 簡單。 MOSFET 的缺陷是輸入阻抗高，抗靜電干擾能力低，承載能力和工作電壓低。功率 MOSFET 晶體管多用于電壓為 500V 以下的低功率高頻率能量變換裝置。由于器件受功率的限制，因此只應(yīng)用與小型 UPS 的斬波器或逆變器中。如圖 26 圖 26 MOSFET 外形圖 絕緣柵晶體管 IGBT IGBT 是一種新發(fā)展起來的復(fù)合型電力電子器件，既有單極性電壓驅(qū)動的MOSFET 得優(yōu)點，又有雙極性器件 BJT 耐高壓、電流大的優(yōu)點。其開關(guān)速度顯然較功率 MOSFET 低，但遠(yuǎn)高于 BJT，又因為它是電壓控制器件，故控制電路簡單、穩(wěn)定性好。 IGBT 的最高電壓為 1200V，最大電流為 1000A，工作頻率高達(dá) 1000KHZ，它具有電壓控制和極短的開關(guān)時間。在 UPS 中，普遍用于逆變器和斬波器，也有的用于整流器。 22 運算放大器 LM324 LM324 是四運放集成電路，它采用 14 腳雙列直插塑 料封裝，其內(nèi)部包含 4組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，兩組運算放大器相互獨立，引腳及內(nèi)部方框圖如圖 27 所示， LM324 具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價格低廉等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于各種電路中。 圖 27 運算放大器 變壓器 變壓器采用普通工頻變壓器，初級為 12V,次級為 220V,外形見圖 28。 圖 28 變壓器 壓敏電阻 壓敏電阻器簡稱 VSR，是一種對電壓敏感的非線性過電壓保護(hù)半導(dǎo)體元件。它在電路中用文字符號“ RV”或“ R”表示，圖 29 是 外形 圖，圖 210 為 電路圖形符號 。 23 圖 29 壓敏電阻外形圖 圖 210 電路圖形符號 各功能模塊電路介紹 整流 電路 整流電路的作用是將交流降壓電路輸出的電壓較低的交流電轉(zhuǎn)換成單向脈動性直流電，這就是交流電的整流過程，整流電路主要由整流 二極管 組成。經(jīng)過整流電路之后的電壓已經(jīng)不是 交流電壓 ，而是一種含有 直流電壓 和 交流電壓 的混合電壓。習(xí)慣上稱單向脈動性直流電壓。 。 圖 211 全波整流電路 圖 212 輸入曲線與輸出曲線 圖 211 為全波整流電路，圖 212 是輸入曲線與 輸出曲線，將交流電轉(zhuǎn)換成 24 單向脈動性直流電。通過二極管的單相導(dǎo)通的特性，使輸出曲線全在正半軸，輸出脈動直流電流。 整流變壓器在設(shè)計中的作用有三 ： (1)它可擴(kuò)大整流電路中 晶閘管 控制角的調(diào)節(jié)范圍，提高調(diào)節(jié)性能。 (2)起隔離作用。它使整流電路與電網(wǎng)電源隔離開來，使它們之間不發(fā)生電的直接聯(lián)系，這樣可減輕電網(wǎng)對整 流 /充電電路的干擾和影響，同時也減少了整流 /充電電路對電網(wǎng)上其他用電設(shè)備的干擾。 (3)降壓作用。 整流變壓器將電網(wǎng)電壓變換成與負(fù)載相匹配的電壓，這有助于提高 晶閘管整流器的性能。一般情況 下，整流器的副邊次級電 壓低于原邊初級電壓，因此這里的整流變壓器屬降壓變壓器。它的接線方式要與同步變壓器接線相配合，以滿足主回路電路與同步電壓之間的相位關(guān)系。 其余電路 濾波電路 ： 濾波的方法一般采用無源元件電容或電感 ,利用其對電壓 ,電流的儲能特性達(dá)到濾波的目的 . 由于電抗元件在電路中有儲能作用，并聯(lián)的電容器C 在電源供給的電壓升高時，能把部分能量儲存起來，而當(dāng)電源電壓降低時，就把能量釋放出來，使負(fù)載電壓比較平滑，即電容 C 具有平波的作用；與負(fù)載串聯(lián)的電感 L,當(dāng)電源供給的電流增加（由電源電壓增加引起）時，它把能量儲存起來， 而當(dāng)電流減小時，又把能量釋放出來，使負(fù)載電流比較平滑，即電感 L 也有平波作用。 濾波電路形式很多，為了掌握它的分析規(guī)律，把它分為電容輸入式（電容器 C 接在最前面）和電感輸入式（電感器接在最前面）。前一種濾波電路多用于小功率電源中 ，而后一種濾波電路多用于較大功率電源中（而且當(dāng)電流很大時，用 電感器與負(fù)載串聯(lián)） 開關(guān)機(jī)控制：開關(guān)機(jī)控制電路由繼電器作為執(zhí)行部件，當(dāng)繼電器吸合時，限幅放大器輸出的信號對地短路，后級電路停止工作達(dá)到關(guān)機(jī)目的。 前置驅(qū)動：前置驅(qū)動電路為電壓跟隨器，組成此電路不起放大作用，只為驅(qū)動 功率放大電路，為功率管提供足夠的驅(qū)動電流。 功率放大電路： 功率放大電路 是一種以輸出較大功率為目的的放大電路。它一般直接驅(qū)動負(fù)載，帶載能力要強(qiáng)。 功率放大電路采用簡單的 OCL 功放電路。 升壓變壓器：升壓變壓器為普通的工頻變壓器，壓敏電阻標(biāo)稱值為 220V，此電阻為過壓保護(hù)電阻，防止電壓過高傷及人身安全。 輸出切換電路：有雙刀雙擲的繼電器，線圈工作電壓為 DC220V，當(dāng)輸入的AC220V 電壓存在時，雙刀雙擲的繼電器吸合輸出自動切換到常用電源，不存在時，輸出切換到由升壓電路提供的電源。 25 電源檢測：當(dāng)輸入電源 AC220V 存在時，光電耦合器導(dǎo)通，控制繼電器吸合，升壓電路停止工作，當(dāng)無電源輸入 AC220V 存在時，此時失壓告警電路開始報警。 失壓報警電路：失壓報 警電路由 2 個多諧振蕩電路組成，音頻振蕩電路，振蕩頻率約為 2kHz。間隙振蕩電路周期為 2Hz，通過隔離后調(diào)制音頻信號，并擁有報警音控制電路。 過流保護(hù)電路：過流保護(hù)電流由取樣電阻、三極管放大電路、檢波電路、電壓比較電路和鎖存電路組成。放大電路，將對取樣電阻的電壓進(jìn)行放大，調(diào)整放大電路的靜態(tài)點。檢波電路，將交流信號轉(zhuǎn)換成直流電壓。過流保護(hù)指示電路，LED 點亮?xí)r過流保護(hù)啟 動。 26 第 3 章 系統(tǒng) 硬件設(shè)計 系統(tǒng)總體框圖 圖 31系統(tǒng)整體框圖 系統(tǒng)由直流穩(wěn)壓電源提供穩(wěn)定輸入，直流穩(wěn)壓電源向逆變電路和 SPWM 信號產(chǎn)生電路提供穩(wěn)壓電流，電流通過逆變主電路，將輸入的直流逆變?yōu)榻涣?，并通過濾波電路得到預(yù)期正弦交流輸出，同時過流保護(hù)電路對整體電路提供保護(hù)，從而保障系統(tǒng)運行。整個系統(tǒng)主要由逆變主電路， SPWM 信號產(chǎn)生電路，驅(qū)動電路，過流保護(hù)電路等構(gòu)成。 逆變電路結(jié)構(gòu) UPS 不間斷電源設(shè)計的基本原理是將輸入的交流電整流轉(zhuǎn)換為直流電，一方面為備用蓄電池充電，另一方面再將其逆 變轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電。設(shè)計的基本點有兩個：一是 UPS 輸出的穩(wěn)定性，即輸出電壓和頻率都必須保持穩(wěn)定；二是UPS 輸出的不間斷性，即要能實現(xiàn)不間斷供電 。如下圖 32,圖 33 圖 32 逆變主電路 27 圖 33 PCB布線圖 PWM 脈寬調(diào)制 在設(shè)計 SPWM 時要考慮死區(qū)的影響，所以在設(shè)計的時間重點放在死區(qū)延時上。其死區(qū)延時主要是由高精度的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 CD4538 完成， CD4538 管腳和功能表如圖 34 所示。 圖 34 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 CD3538 管腳屬性及其功能表 產(chǎn)生 SPWM 電路可以有 如下幾種方法，本文選用的是用自然采樣法去獲得SPWM 的。自然采樣法即是正弦波作為調(diào)制波，三角波作為載波，通過三角波的調(diào)制得到 SPWM 的波形，可以采用模擬電路構(gòu)成三角載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路，用比較器來確定他們的交點，在交點時刻來控制開關(guān)管通斷，可以生成 SPWM波，方法簡單便于實現(xiàn)，所以采用此方案。 CD4538 由兩個高精度可重觸發(fā)地單穩(wěn)態(tài)觸發(fā) 器組成， Q 和 Q 非輸出有緩沖，輸出特性對稱。該器件工作時，需外接一個電阻 Rx 和一個電容 Cx，調(diào)節(jié) Rx 和Cx 數(shù)值，可得到兩個不同寬度地單穩(wěn)態(tài)脈沖，既可以調(diào)節(jié) Rx 和 Cx 數(shù)值就可以改變死區(qū)時間，并且傳輸延遲時間不受 Rx 和 Cx 變化地影響。 SPWM 信號產(chǎn)生電路如圖 35。 28 圖 35 PWM產(chǎn)生電路 驅(qū)動電路 輸出 SPWM 信號經(jīng)驅(qū)動電路驅(qū)動逆變橋的開關(guān)管。本文驅(qū)動電路的設(shè)計采用的是驅(qū)動芯片。驅(qū)動芯片采用 IR 公司生產(chǎn)的大功率 MOSFET 和 IGBT 專用驅(qū)動集成電路芯片 IR2110， IR2110 是 IR 公司生產(chǎn)的大功率 MOSFET 和 IGBT 專用驅(qū)動集成電路，可以實現(xiàn)對 MOSFET 和 IGBT 的最優(yōu)驅(qū)動，該芯片具有光耦隔離和電磁隔離的優(yōu)點，同時還具有快速完整 的保護(hù)功能和自帶死區(qū)，因而它可以提高控制系統(tǒng)的可靠性，減少電路的復(fù)雜程度。所以選用此方案。 IR2110 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理框圖如圖 36。 圖中 HIN 和 LIN 為逆變橋中同一橋臂上下兩個功率 MOS 的驅(qū)動脈沖信號輸入端。兩路輸出 HO 和 LO 分別與兩輸入 HIN 和 LIN 相對應(yīng)， SD 為保護(hù)信號輸入端，當(dāng)該腳接高電平時， IR2110 的輸出信號全被封鎖，其對應(yīng)的輸出端 HO 和 LO 恒為低電平；而當(dāng)該腳接低電平時，IR2110 的輸出信號跟隨 HIN 和 LIN 而變化，兩路均能正常輸出，在實際電路里，該端接用戶的保護(hù)電路的輸出。 IR2110 的輸入端為滯環(huán)施密特出發(fā)電路，以提高抗干擾能力和接受上升沿環(huán)慢的輸入邏輯信號， Vdd/Vcc 電平轉(zhuǎn)換電路把輸入邏輯信號電平轉(zhuǎn)換為輸出驅(qū)動信號電平，其兩路輸出均采用圖騰柱輸出，輸出級由兩只峰值電流為 2A 以上，內(nèi)阻為 3 歐姆以下的 N 溝道 FET 組成，輸出級可提供的驅(qū)動電壓為 15V— 20V。驅(qū)動電路接線圖如圖 37 所示，懸浮電源 VB 可以從電源 VCC 通過二極管 DIODE 對電容 C7 充電自舉獲得（因為對于橋式電路，每一路驅(qū)動都必須獨立的直流電源）其二極管必須是快恢復(fù)二極管其耐壓值必須超過主電路直流輸入電壓，電容 C7 的電容值的選取決定于開關(guān)頻率及 MOSFET 輸入電 29 容充放電的要求等。 H0 和 L0 是兩路驅(qū)動信號輸出端，驅(qū)動同一橋臂的 MOSFET， IR2110 的自舉電容選擇不好，容易造成芯片損壞或不能正常工作。 VB 和 VS 之間的電容為自舉電容。自舉電容電壓達(dá)到 以上，才能夠正常工作，一般來說， SPWM 的開關(guān)頻率較高，應(yīng)采用小容量電容，以提高充電電壓，否則在有限的時間內(nèi)無法達(dá)到自舉電壓，實驗表明采用 33μ F 的自舉電容時，驅(qū)動電路的工作狀態(tài)良好。 圖 36 IR2110內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 37 驅(qū)動電路 過流保 護(hù) 電流過