【導(dǎo)讀】空航天等眾多領(lǐng)域。然而，我國目前僅有少數(shù)地區(qū)剛剛解決了電力緊張的問題，大。部分地區(qū)和大城市還面臨著電力供應(yīng)緊張的迫切問題，供電質(zhì)量更是不能得到保證。由于電網(wǎng)本身的問題與各種偶然因素的作用，電壓浪涌，電磁噪聲，持續(xù)電壓。源頻率的漂移和不穩(wěn)；電源輸入波形畸變；各種尖峰干擾和噪音等等。高精度的敏感儀器和不能中斷的設(shè)備來說是非常有害的。因此研發(fā)一種可靠的電源。因此對UPS電源的研究是順應(yīng)社會發(fā)展的趨勢，而后備式UPS. 優(yōu)點而在社會上應(yīng)用的比較廣泛，所以對后備式UPS的研究就顯得尤為重要。補結(jié)構(gòu)，并提出了一套基于SPWM控制的單相后備式UPS電源的設(shè)計方案。上本文采用模塊化的設(shè)計方法，先將其分成幾個功能模塊，然后按照一定的次序，與此同時，本文還通過一定的算法根據(jù)本文的要求計算選擇功能電。各個電路組成、功能與工作原理。

　　

【正文】 程中 bq2031 時刻都在檢測電池溫度。當溫度在允許的范圍時， bq2031 檢測是否加有電池。如果管腳 BAT和 SNS 之間的電壓（ VCELL ）在低壓關(guān)斷門限電壓（ VLCO ）和高壓關(guān)斷門限電壓（ VHCO ）之間。 bq2031 則認為電池存在。在延時 500ms（典型值）后，開始預(yù)充電測試過程。如果 VCELL 小于 VLCO 或大于 VHCO ， bq2031 則認為沒有接入電池， bq2031 進入故障狀態(tài)并使管腳 MOD 保持為低。 bq2031 只有在VLCO ? VBAT ? VLCO 時才會脫離故障狀態(tài)。如果此時溫度在允許范圍內(nèi)，那么在延時 500ms 后開始電池測試過程。在測試過程 1， bq2031 將加在電池組的電壓調(diào)節(jié)為VFLT +（ VFLT 為溫度補償浮充電壓）。此時 bq2031 的監(jiān)視電流 ISNS （充電電 33 流）應(yīng)升高到 ICOND = 5IMAX 。如果充電電流在定時器定時期間不能升高到這一水平。bq2031 則進入故障狀態(tài)，同時使管腳 MOD 輸出變?yōu)榈碗娖揭躁P(guān)斷充電電流并使bq2031 保持這種狀態(tài)直到一個新的充電周期開始，如果測試過程 1順利通過，則可進行測試過程 2，此時 bq2031 需將電池組的電壓升高到 VMIN （開始快速充電的最低電壓）。如電壓在定時期間不能升高到這一水平 .系統(tǒng)將進入故障狀態(tài)。測試 2 通過后 將開始快速充電過程。 bq2031 可以采用 兩階段恒流充電方式。兩階段恒流充電方式和脈沖恒流充電方式 ， 通過恒壓 /恒流選擇腳和快速充電終止選擇腳的不同連接可以選擇以上三種快速充電方式 。 ③ 基于 bq2031的充電控制器設(shè)計 圖 bq2031兩階段恒流充電器 圖 。 為了簡化使用該電路沒有接入溫度傳感器 ， 為使其正常工作 . 在 SNS腳和 TS腳之間接有一個 100KΩ 電阻RNTC 最大充電電流可由電阻 RSNS 通過 IMAX = 來決定 。 電阻 Rt 及電容Ct 用來確定安全充電時間 t。 如若將 IGSEL腳接高電平 ， 則最小充電電流應(yīng)為 20IMAX 。 MOD管輸出的 PWM方波可控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷 ， 從而控制充電電流 。 開關(guān)頻率可由 TOWM腳接的電容 34 CPWMt 決定 ， 開關(guān)頻率 f（ Khz） = （ F? ） 。 ICOMP、 VCOMP為電流環(huán) 。 電壓環(huán)補償輸入。 LED1～ LED3用于指示充電控制器的狀態(tài) ， 輸入直流充電電壓 Vcc可由電池串接數(shù)目來決定 .公式為 .VDC = +2其中 VBLX 為單體電池最高門限電壓具體值由電池廠家提供 。 當 bq2031采用該充電模式時 .充電電流不是連續(xù)的，圖 式的充電曲線 。 圖 兩階段恒流充電模式的充電曲線 在充電過程中 .當單體電池的電壓 VCELL 超過快速充電終止電壓 VBLX ， 或者當單體電池電壓的二階增量 V?2 （ bq2031）根據(jù)專利算法來計算二階負增量小于零時 ，快速充電狀態(tài)立即終止 ， 充電器轉(zhuǎn)入維護狀態(tài) 。 在該狀態(tài)下 ， 充電電流為零 ， 電池電壓開始下降 。 當單體電壓低于或等于設(shè)定的浮充電壓時 ， 快速充 電狀態(tài)重新開始 。單體電池電壓迅速上升 ， 當 VCELL 等于 VBLX 時 ， VCELL 將緩慢下降到浮充電壓 ， 此后將重復(fù)上述過程 。 在整個充電過程中 ， 快速充電電流脈沖寬度逐漸減小 ， 維護充電狀態(tài)持續(xù)時間逐漸增加 。 整流濾波單元組成方案 整流是半導(dǎo)體交流過程中的正變過程，交流電能通過變換為人們需要的直流電能的過程就稱之為整流。能夠完成交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的設(shè)備稱為整流器。 在一般小型 UPS 中，為了向逆變器提供合適的工作電壓 及提供內(nèi)部控制電路中常用的直流輔助電源，通常將 220V 市電經(jīng)隔離變壓器降壓后，再經(jīng)各種整流電路和 35 濾波電路而獲得。本文整流電路采用單相橋式整流電路，它的功能是：將交流電能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡痪哂休敵霰３帜芰?；抑制電網(wǎng)的干擾信號。單相橋式整流電路是由輸入變壓器 B、整流管 D1～ D濾波電容器 C 以及等效負載 R組成，其電路如圖 所示。 圖 單相橋式整流電路 其工作原理如下： 單相橋式整流電路是最基本的將交流轉(zhuǎn)換為直流的電路，如圖 所示。 當 ?2 為正半周期時， 即 1 端為正、 2 端為負，整流管 D D4 導(dǎo)通， D D3 截止。 ?2 通過 D D4 向 C充電，由于 D D4 導(dǎo)通時電阻很小，故充電很快，電容器C兩端電壓可以充到接近 ?2 的峰值 V22 。當 ?2 通過峰值開始下降時，則 ?? 2?c ，加到 D D4 兩端的電壓反向， D D4 截止，于是電容器 C 向負載 R 緩慢放電，隨著放電的進行， ?c 緩慢下降。 當 ?2 負半周期時， 2端為正， 1端為負。當 ??2?c時，整流管 D D3導(dǎo)通，?2 通過 D D3向 C充電， ?c 又重新升高到接近 ?2 。隨后 ?2 開始下降，由于 ?? 2?c ，D D3 截止，電容器 C 又向負載 R放電， ?c 下降。以后重復(fù)上述過程。 在分析整流電路工作原理時，整流電路中的二極管是作為開關(guān)運用，具有單向?qū)щ娦?。根?jù)圖 的電路圖可知： 當正半周時，二極管 D D3導(dǎo)通，在負載電阻上得到正弦波的正半周。 當負半周時，二極管 D D4導(dǎo)通，在負載電阻上得到正弦波的負半周。 在負載電阻上正、負半周經(jīng)過合成，得到的是同一個方向的單向脈動電壓。 36 ②元器件的選擇 輸入變壓器的選擇 由于本文所選課題中以給出輸入、輸出技術(shù)參數(shù)，因此， Vv 2751? ， Vv 242? ，AiMax ? ；根據(jù)公式 UIS? ，可得輸入變壓器視在功率 ?S v2 iMax1 =275V=2145（ W）；又根據(jù)公式 vvk21? ，可得輸入變壓器變比為 ?? VVk ， 又根據(jù)公式 iik12? ，可得輸入變壓器次級線圈電流 ????? Ak ii M a xM a x （ A），因此，所選的變壓器為視在功率為 2145W，變比為 的變壓器。 整流二極管的選擇 二極管所承受的最大反向電壓 （ ） 因此 VVVV R 342422 2m a x ???? ，又因為，考慮的器件的安全二極管承受的電壓應(yīng)留有一定的裕量，一般取為 2～ 3倍，因此應(yīng)選二極管的電壓等級為 68～ 102V，因為電路中最大電流就是二極管的整流電流，因此，二極管的最大整流電流為。 故選擇電壓等級為 100V，電流為 90A的整流二極管。 轉(zhuǎn)換開關(guān)單元方案組成 UPS中一般均設(shè)置有市電與 UPS逆變器輸出相互切換的轉(zhuǎn)換開關(guān)，以便實現(xiàn)二者的互補供電，增強系統(tǒng)的可靠性。轉(zhuǎn)換開關(guān)在主回路中的作用 可見圖 。 37 圖 UPS中的位置示意圖 對轉(zhuǎn)換開關(guān)的研究主要涉及安全轉(zhuǎn)換條件、執(zhí)行轉(zhuǎn)換的主體元件和測量電路等，下面就這三方面的問題進行簡要討論。 （ 1）轉(zhuǎn)換開關(guān)的安全轉(zhuǎn)換條件 假設(shè) ?1 表示市電電壓， ?2 表示 UPS逆變器輸出電壓；在轉(zhuǎn)換開關(guān)實現(xiàn) ?1 與 ?2 相互轉(zhuǎn)換時，要求 ?1 與 ?2 最好先實現(xiàn)同步然后再切換。但是，即便是 UPS中設(shè)置了鎖相同步環(huán)節(jié)，也很難實現(xiàn) ?1 與 ?2 的安全同步，于是仍有可能出現(xiàn)切換瞬間的環(huán)流或切換瞬間負載端呈現(xiàn)高壓均可造成轉(zhuǎn)換開關(guān)及逆變器的損壞，因此在轉(zhuǎn)換瞬間最好是負載電流過零。以上兩個條件就是實現(xiàn)市電與 UPS逆變器輸出相互安全條件轉(zhuǎn)換的條件。 （ 2）執(zhí)行轉(zhuǎn)換的主體元件 UPS的轉(zhuǎn)換開關(guān)因采用的執(zhí)行轉(zhuǎn)換元件不同而分為三種，即機械式、電子式和混合 式。 （ 2）轉(zhuǎn)換開關(guān)電路的選擇 由于電子開關(guān)有開關(guān)速度快、無觸點火花等優(yōu)點，因此本文選擇電子式轉(zhuǎn)換開關(guān)。 ①主電路的選擇 轉(zhuǎn)換開關(guān)分為手動開關(guān)和自動開關(guān)兩種。正常情況下，負載通過自動轉(zhuǎn)換開關(guān)由一種電源供電切換為另一種電源供電。當自動轉(zhuǎn)換開關(guān)損壞或在緊急情況下，便采用手動轉(zhuǎn)換開關(guān)。 38 自動轉(zhuǎn)換開關(guān)由兩個交流電子開關(guān) KS KS2組成，每一個交流電子開關(guān)均由兩只晶閘管（ T1 和 T2 、 T3 、 T4 ）反向并聯(lián)而成，其電路如圖 （ a） （ b）所示。 圖 （ a）轉(zhuǎn)換開關(guān)主電路 39 4V D174V D214V D184R234R24R64R324R224R84R94R144C14C44C34C24C64C54C84V T 164T 34V T 2RESETVCCGNDGND1TRIG2OUT3R E S E T4CVOLT5THOLD6DISCHG7V C C8G4 K44D4 4D34D1 4D24R104R114C9G3 K34D8 4D74D5 4D612534657B24R154V T 14V T 4+ 12V+ 18V4V T 8+ 18V4R254R264C12G1 K14D16 4D154D13 4D144R174R184C10G2 K24D12 4D114D9 4D103412657B14C154C144V T 74V T 64R54R204R21+ 18V4R74R194R12 4R13+ 18V4V T 124R504V T 144C184R194R184V T 94R11+ 18V4R104V T 54C114R10A4C7NE5554R15 圖 （ b）轉(zhuǎn)換開關(guān)控制電路 在正常情況下，交流電子開關(guān) KS1 不工作， KS2 工作，市電通過旁路閘刀開關(guān) NFB2 ，電子開關(guān) KS2 加到負載。 其工作原理如下： 設(shè)市電電壓為： tV m ?? 222 sin? （ ） ?2 為正半周期時， T3 兩端加的是正向電壓， T4 兩端加的是反向電壓， T3 、 T4的控制極，雖然均加上正向電壓，但是只有 T3 導(dǎo)通。故 VVT ? ， VVT ?? ，?? 20? 。 以后便以 2π為周期重復(fù)上述過程。 市電出現(xiàn)故障或中斷時，交流電子開關(guān) SK1 工作、 SK 2 不工作，蓄電池組電 40 壓通過電子開關(guān) SK1和逆變器逆變以后加到負載。 其工作過程如下： 設(shè)逆變器電壓為： tV m ?? 111 sin? () 設(shè)蓄電池組電壓為 E ，則 T2 兩端加的是正向電壓， T1 兩端加的是反向電壓，雖然 T1 、 T2 的控制級均加上正向電壓，但是只有 T2 導(dǎo)通。故 VVT ? ，VVT ?? ， ?? 10? 。其中要使逆變器中的一對功率開關(guān)管與另一對功率開關(guān)管相互轉(zhuǎn)換工作，并且逆變器中有變壓器的存在，所以經(jīng)逆變器中對應(yīng)的二極管以及靜態(tài)開關(guān)中的 T1 為能量釋放回蓄電池組提供了通道。 由市電輸出切換到逆變器輸出時，市電輸出電壓已被切斷， SK1 又未立即工作，UPS 輸出端出現(xiàn)中斷，輸出電壓中斷時間等于轉(zhuǎn)換開關(guān) SK1 、 SK2 的切換時間。輸出電壓波形如圖 （ a）所示。 圖 UPS 切換時輸出波形 由逆變器輸出切換為市電輸出，逆變器輸出電壓及市電電壓均存在。 SK1 及SK2 的控制極電壓在 t1 時刻切換，但是 SK1 一直延時導(dǎo)通至 01?? 時才能關(guān)斷，而SK1 在 t1 時刻因其控制極加上正向電壓而導(dǎo)通。由于 SK1 與 SK2 同時導(dǎo)通，故保證輸出電壓不間斷，輸出電壓波形為如圖 （ b）所示。 若逆變器與自動轉(zhuǎn)換開關(guān)出現(xiàn)故障，則采用手動轉(zhuǎn)換開關(guān) K2 。 K2 閉合時，市電通過旁路閘刀開關(guān) NFB2 及 K2 加在負載上。若旁路閘刀開關(guān) NFB2 ，損壞，則采用手動轉(zhuǎn)換開關(guān) K3 。 K3 閉合時，可以直接將市電加到負載。手動轉(zhuǎn)換開關(guān)所處位置如圖 （ a）所示。 41 ②觸發(fā)電路的選擇 觸發(fā)電路的功能是為主電路中晶閘管的控制極提供正向電壓。觸發(fā)電路由由觸發(fā)脈沖發(fā)生器、脈沖分配器、變換器等三部分組成。 脈沖發(fā)生器的選擇 —— 脈沖發(fā)生器是由 555 時基芯片，電阻 R415 、 R423 、電容器 C45 及二極管 D418 、 D417 組成。