【導(dǎo)讀】穩(wěn)定，穩(wěn)壓精度高、電壓失真度小的正弦波電源。設(shè)計在線式三進(jìn)三出10KVA全數(shù)字化無人監(jiān)守三相UPS。以及檢測和保護(hù)電路。決實際問題的能力；③工作量的大??；④取得的主要成果及創(chuàng)新點；⑤寫作的規(guī)范程度；位，能在市電正?；蚬收锨闆r下為負(fù)載提供可靠、干凈的電源。本文研究一種基于DSP芯片的在線式UPS，這是一種功能完備、性能良好的新型UPS。DSP/TMS320LF2407做為UPS的主控芯片，保證系統(tǒng)高速、實時、可靠性的要求。實現(xiàn)等優(yōu)點,仿真結(jié)果證明該算法能夠很好的實現(xiàn)全數(shù)字UPS電源系統(tǒng)的技術(shù)要求。

　　

【正文】 動勢為左負(fù)右正，電 感能量釋放，與輸入電壓順極性一起經(jīng)二極管向負(fù)載供電，并同時向電容充電。這樣把低壓直流變換成高壓直流。在電感電流連續(xù)的條件下，電路工作于如圖 28 所示的兩種狀態(tài)。 LCIU i+U 0i cZI o模式 1V DCLU o ZI oU i+ 模式 2 圖 2－ 8 等效電路 在電力電子開關(guān) VT 導(dǎo)通期間， VD 截止， iL上升， eL = ?U 0， uvT = 0； VT 阻斷期間，VD導(dǎo)通， iL下降， eL = Ud ?U 0， uvT = U+ eL = Ud。穩(wěn)態(tài)時， 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 15 頁 uvT = { 0 0 ≤ t ≤ DTUd DT ?? ≤ ?? 據(jù)電路工作狀態(tài)，各電量間數(shù)量關(guān)系為 ? ?DT IILUeUU L M INL M A XLd ?????? 1 DT IILU LM INLM AX ?? 求解可得輸入電壓 U與輸出電壓 Ud的變換關(guān)系為 UDUd ?? 1 1 要想輸入 300V輸出 515V的直流電壓，此時： 515 = 11 ?D ?300 可以求得： D= （一） 放電電感電容的選擇： 設(shè)開關(guān)頻率為 1KHz，電流變化值為 1A， 脈沖 下降時間為 1ms；由于放電電路輸入電壓為300V，輸出電壓為 515V，則 ?U = 515 ?300 = 215V 據(jù) ?U = L ?I?t (?U為瞬時反電動勢電壓； ?t 為脈沖下降時間 ) 則 L = ?U?T?I = 215?10?31 = 215mH 取電感 L 為 215 mH。 據(jù)充電電路輸入輸出電壓值的差可得，這里取濾波電容為 。 （二）放電電路的仿真 圖 210為 蓄電池放電仿真電路， 該仿真 主要對 BOOST 電路 調(diào)節(jié) 給定輸入電壓值和占空比，對輸出電壓是否和理論值相同給予驗證。此處脈沖頻率為 1KHz，占空比為 ，電感為 215mH，電容為 ，電阻去 20歐，直流電壓 DC Votlage source 取 300V。 Pulse取的參數(shù)如圖 2－ 9所示 圖 2－ 9 Pulse參數(shù)設(shè)置 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 16 頁 圖 2－ 10 充電電路的仿真模型 圖 2－ 11 BOOST電路的輸出電壓及諧波 智能功率模塊 把 MOS 管技術(shù)引入功率半導(dǎo)體器件的思想開創(chuàng)了革命性的器件 :絕緣柵雙極晶體管IGBT。 隨著 IGBT 在工作頻率為 20KHZ 的硬開關(guān)及更高的軟開關(guān)中的應(yīng)用 ,它已經(jīng)代替了MOSFET 和 GTR,成為最主要的電力電子器件。 IGBT 的發(fā)展使集外圍電路內(nèi)置于一塊功率模塊的智能功率 IPM 脫穎而出。 IPM 內(nèi)含柵極驅(qū)動、 短路保護(hù)、過流保護(hù)、過熱保護(hù)和欠壓鎖定等功能 ,被廣泛用于無噪聲逆變器 ,低噪聲 UPS 系統(tǒng)和伺服控制器等設(shè)備上。 IPM 使產(chǎn)品的體積減小 ,縮短了開發(fā) 時間 ,簡化了開發(fā)步驟。 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 17 頁 IPM 的特點 一、 IPM 的構(gòu)成 智能功率模塊 IPM(Intel l igent PowrModule)不僅把功率開關(guān)器件和驅(qū)動電路集成在一起 ,而且還內(nèi)藏有過電壓 ,過電流和過熱等故障檢測電路 ,并可將檢測信號送到 CPU或 DSP作中斷處理。 它由高速低工耗的管芯和優(yōu)化的門級驅(qū)動電路以及快速保護(hù)電路構(gòu)成。 即使發(fā)生負(fù)載事故或使用不當(dāng) ,也可以 IPM 自身不受損壞。 IPM 一般使用 IGBT 作為功率開關(guān)元件 ,并內(nèi)藏電流傳感器及驅(qū)動電路的集成結(jié)構(gòu)。 二、 IPM 的優(yōu)點 (1)開關(guān)速度快。 IPM 內(nèi)的 IGBT 芯片都選用高速型 ,而且驅(qū)動電路緊靠 IGBT 芯片 ,驅(qū)動延時小 ,所以 IPM 開關(guān)速度快 ,損耗小。 (2)低功耗。 IPM 內(nèi)部的 IGBT 導(dǎo)通壓降低 ,開關(guān)速度快 ,故 IPM 功耗小。 (3)快速的過流保護(hù)。 IPM 實時檢測 IGBT 電流 ,當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重過載或直接短路時 ,IGBT 將被軟關(guān)斷 ,同時送出一個故障信號。 (4)過熱保護(hù)。 在靠近 IGBT 的絕緣基板上安裝了一個溫度傳感器 ,當(dāng)基板過熱時 ,IPM 內(nèi)部控制電路將截止柵級驅(qū)動 ,不響應(yīng)輸入控制信號。 (5)橋臂對管互鎖。 在串聯(lián)的橋臂上 ,上下橋臂的驅(qū)動信號互鎖。 有效防止上下臂同時導(dǎo)通。 (6)抗干擾能力強。 優(yōu)化的門級驅(qū)動與 IGBT 集成 ,布局合理 ,無外部驅(qū)動線。 (7)驅(qū)動電源欠壓保護(hù)。當(dāng)?shù)陀隍?qū)動控制電源 (一般為 15V)就會造成驅(qū)動能力不夠 ,增加導(dǎo)通損壞。 IPM 自動檢測驅(qū)動電源 ,當(dāng)?shù)陀谝欢ㄖ党^ 10μ s 時 ,將截止驅(qū)動信號。 (8)IPM 內(nèi)藏相關(guān)的外圍電路。 縮短開發(fā)了時間。 (9)無須采取防靜電措施。 (10)大大減少了元件數(shù)目。 體積相應(yīng)小。 三、 IPM 的分類 IPM 根據(jù)內(nèi)部功率電路配置的不同可分為 4 類： H 型（內(nèi)部封裝一個 IGBT）、 D 型（內(nèi)部封裝兩個 IGBT）、 C 型（內(nèi)部封裝 6 個 IGBT）和 R 型（內(nèi)部封裝 7 個 IGBT）。小功率的 IPM 使用多層環(huán)氧絕緣，中大功率的 IPM 使用陶瓷絕緣。 IPM 內(nèi)置驅(qū)動和保護(hù)電路，隔離接口電路需用戶自己設(shè)計。 四、 IPM 的保護(hù)功能 IPM 內(nèi)置有驅(qū)動和保護(hù)電路，用以防止系統(tǒng)相互干擾或者過載時損壞功率芯片。它采用的故障檢測和關(guān)斷方式使功率芯片的容量得到最大限度的利用。 IPM內(nèi)置各種保護(hù)功能，只要有一個保護(hù)電路作用。 IGBT 的柵極驅(qū)動電路就關(guān)閉，同時產(chǎn)生一個故障信號。 （ 1） 過電流保護(hù)（ OC） 由 IPM 內(nèi)藏的電流傳感器檢測各橋臂電 流，當(dāng)過電流時間超過允許時間時， IPM 就輸出動作信號 ，并封鎖輸入信號，對模塊實行軟關(guān)斷。在過流期間， IPM 不再接受輸入信號；過流信號過后，輸入信號才能導(dǎo)通。如果 IGBT 中的電流超過過流斷開閾值（ OC）且持續(xù)時間大于 toff(oc),IGBT 就會關(guān)斷， toff(oc)設(shè)置為 10μs(典型值 )。電流在 OC 以上但持續(xù)時間小于 toff(oc)時，過流保護(hù)電路不工作。 （ 2） 短路電流保護(hù)（ SC） 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 18 頁 由 IPM 內(nèi)藏的電流傳感器檢測各橋臂電流，當(dāng)短路電流超過允許電平時， IPM 就輸出動作信號，并封鎖輸入信號，對模塊實行軟關(guān)斷。 這個過程與過電流保護(hù)相同，其動作時間更短。負(fù)載短路或系統(tǒng)控制器因相互干擾而發(fā)生直通現(xiàn)象時， IPM 內(nèi)的短路保護(hù)電路就會產(chǎn)即關(guān)斷 IGBT 的電流超過電流斷開閾值（ SC）時，就會立即開始關(guān)斷，同時產(chǎn)生一個故障信號。 （ 3） 超溫保護(hù) 靠近 IGBT 芯片的絕緣基板上裝有溫度傳感器， IPM 的超溫保護(hù)單元實時監(jiān)測 IPM 基板的溫度，基板的溫度超過過熱斷開閾值時， IPM 內(nèi)的溫度保護(hù)電路就會中止柵極驅(qū)動，對模塊實行軟關(guān)斷，不響應(yīng)控制輸入信號，直至過熱根源被排除。溫度下降到過熱復(fù)位閾值以下且控制輸入為高電平（斷態(tài)）時 ，功率芯片將恢復(fù)工作；當(dāng)下一個低電平輸入信號（通態(tài)）來臨時，就恢復(fù)正常運行。 （ 4） 欠壓保護(hù)（ UV） IPM 的欠壓保護(hù)電路實時監(jiān)測控制電源電壓，欠壓時間超過允許時間時，欠壓保護(hù)電路就輸出動作信號并封鎖輸入信號，對模塊實行軟關(guān)斷。當(dāng)欠壓信號恢復(fù)到允許值時， IPM才停止輸出動作信號，重新招收輸入信號。內(nèi)部控制電路由 15V直流電源供電。無論什么原因，只要該電源電壓降到欠壓斷開閾值（ UV）以下， IPM 就關(guān)斷，同時會產(chǎn)生一個故障信號。小毛刺干擾電壓的持續(xù)時間小于規(guī)定的延時時間 tdey 時，控制電路不受影響，欠壓鎖定保護(hù) 電路也不動作。該 tdey 值約為 ，電源電壓必須超過欠壓復(fù)位閾值（ UV）。在控制電源上電和掉電期間，欠壓鎖定保護(hù)電路都有可能起作用，這屬于正?，F(xiàn)象，系統(tǒng)控制器程序所要考慮的只是所產(chǎn)生的故障輸出信號的脈沖寬度 （ 5） 誤動作報警輸出信號 各種故障動作時間如果持續(xù) 1ms 以上， IPM 即向外部 CPU發(fā)出誤動作信號，直到故障撤消為止。 的選擇 由于本系統(tǒng) 交流線 電壓為 220V， 功率因數(shù)為 ，容量 10KVA 滿載時額定直流電流為 ，考慮 200%的過載余量和一定的電流尖峰因素，最大電流為 37A。 本設(shè)計中 逆變電路采用三菱公司 PM50RSA120 智能功率模塊。 PM50RSA120 內(nèi)部電路如圖 2－ 12 所示 圖 2－ 12 PM50RSA120內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 該 IPM 模塊的主要特點有 : 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 19 頁 額定電壓為 1200V，額定電流為 50A，最高工作頻率為 20kHz，內(nèi)設(shè)低損耗的 IGBT功率開關(guān)器件 。IPM 模塊內(nèi)置保護(hù)功能齊全，具有欠壓保護(hù)、過熱保護(hù)、短路保護(hù)，如果模塊內(nèi)有任何一種保護(hù)電路動作， IGBT 柵極驅(qū)動單元就會關(guān)斷，并輸出一個故障信 號 (FO)，向系統(tǒng)控制器 提供報替信號，使控制器的 柵 極 控制信號為全高或全低，進(jìn)一步封鎖 IGBT的輸出，完成對系統(tǒng)的保護(hù)。 IPM 的 F0 故障信號經(jīng)光偶隔離送 PDPINTA 引腳即功率驅(qū)動保護(hù)中斷輸入引腳。PDPINTA 是一個下降沿有效的中斷。 一般來說，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障時，應(yīng)首先由硬件來保護(hù)，這類保護(hù)通常由系統(tǒng)不可屏蔽的硬件中斷來完成。 可以用于向電動機(jī)的監(jiān)視程序提供過電壓 ,過電流和過高溫升等故障信息 .如果 DPINTA中斷被使能即 PDPINTA引腳電平變低后 ,所有 PWM 輸出引腳均為高阻狀態(tài) .即 PWM被封鎖 .DSP2407 在 HI時鐘的下降 沿檢測中斷引腳 ,并且 2 個 HI 時鐘周期從同一個中斷源接收一次中斷 ,為使 DSP 芯片只識別一次中斷 ,低電平窄脈沖必須至少包含一個 HI 的下降沿 ,至多包含兩個 HI 的下降沿 ,即窄脈沖的寬度 ? 必須滿足 : PP 2??? 其中 P 為 HI 的周期 ,中斷轉(zhuǎn)換電路可用單穩(wěn)態(tài)電路實現(xiàn) .如圖 2－ 13 為采用 74LS221 觸發(fā)器實現(xiàn)的轉(zhuǎn)換電路 .圖中 RC 決定窄脈沖的寬度 , .RC?? 對 ,HI周期為 60 ns ,RC值應(yīng)該在 60～ 120 ns之間 ,取 pFCKR 47,2 ??? 脈沖寬度為 94ns ,可以滿足要求 .對 40MHZ 時鐘 ,HI 周期為 50 ns ,RC 值應(yīng)該在 50～ 100ns之間 ,取 pFCKR 47, ??? 脈沖寬度為 ,可以滿足要求 . 圖 2－ 13 采用 74LS221 觸發(fā)器實現(xiàn)的轉(zhuǎn)換電路 . 光電隔離電路與驅(qū)動電路 由于 IPM 模塊內(nèi)部已經(jīng)包含功率器件的驅(qū)動及保護(hù)電路，使用時只需提供驅(qū)動電源和PWM 波形的開關(guān)控制信號，驅(qū)動電源需要 4 路相互獨立的電源，其 3 路獨立電 源分別提供給逆變器上橋臂的 3 個開關(guān)器件，而下橋臂的 3 個開關(guān)器件由于共地，所以只需要 1 路獨立的電源。驅(qū)動電源的典型電壓值為 15V，由于功率器件采用 IGBT 開關(guān)器件，每一個IGBT 開關(guān)器件的驅(qū)動功率約為 ，在本實驗系統(tǒng)中采用 4 個 DCDC 電源作為 IPM 模型的驅(qū)動電源。為了盡量減小光電隔離電路對 PWM 控制信號的延遲影響，系統(tǒng)采用 6N137高速光電隔離器，這樣就提高了驅(qū)動電路參數(shù)的一致性。同時，這種以電一光一電轉(zhuǎn)換來完成隔離功能，也是現(xiàn)代電力電子系統(tǒng)中廣泛采用的一種有效的強電部分與弱電部分隔離措施。其具體的 實現(xiàn)原理如圖 2－ 14 所示。 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 20 頁 圖 2－ 14 光電隔離與驅(qū)動電路原理圖 檢測電路 系統(tǒng)的逆變輸出電壓為 220V、 50HZ 交流電，為實現(xiàn)閉環(huán)控制，則必須通過傳感器進(jìn)行隔離采樣；蓄電池為實現(xiàn)恒流恒壓充電也必須實時的監(jiān)控其端電壓和充電電流也需要進(jìn)行電壓電流采樣。需要檢測的電路信號包括 :逆變器輸出電壓，逆變器輸出電流；蓄電池的端電壓電壓，充電電流 ；市電的電壓，電流。 本設(shè)計通過 LEM 電壓、電流傳感器對這些信號采樣測量 。 1)LEM 傳感器工作原理 本實驗系統(tǒng)電量傳感器為 LEM 傳感器 。 LEM 電流傳感器是霍爾效應(yīng) 閉環(huán)電流傳感器，它是一種模塊化的有源電子傳感器，由 J． P． Etter 首先在日內(nèi)瓦研制成功，它的突出優(yōu)點在于把普通互感器與霍爾器件、電子電路有機(jī)地結(jié)合起來，既發(fā)揮了普通互感器測量范圍寬的優(yōu)勢，又利用了電子電路反應(yīng)速度快的長處，可以對直流、交流、脈動電流進(jìn)行測量。圖 2－ 15 是 LEM 電流傳感器的工作原理圖 .。 LEM 模塊的工作原理是磁場平衡式的，即主電流回路所產(chǎn)生的磁場，通過一個次級線圈的電流所產(chǎn)生的磁場進(jìn)行補償，使霍爾器件始終處于檢測零磁通的工作狀態(tài)。其具體工作過程為：當(dāng)主回路有一大電流 pI 流過時，在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生一個強磁場，這一磁場被聚磁環(huán)聚集，并作