【正文】 。同時(shí)，它還具有下列特點(diǎn)： (1)逆變輸出波形接近正弦波； (2)動(dòng)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(gè)非常重要的組成部分，它對(duì)提高電力電子裝置的性能，推動(dòng)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?yàn)?PWM 控制技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，逆變電路越來(lái)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(gè)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(gè)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(shuō)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(gè)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(diǎn)和相應(yīng)正弦等分的中點(diǎn)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(duì)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(jí)上加一個(gè)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(chǎng)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(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制，因此常常作為開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)能量變換。一般來(lái)說(shuō)， MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路比 BJT 簡(jiǎn)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(lái)的復(fù)合型電力電子器件，既有單極性電壓驅(qū)動(dòng)的MOSFET 得優(yōu)點(diǎn)，又有雙極性器件 BJT 耐高壓、電流大的優(yōu)點(diǎn)。其開關(guān)速度顯然較功率 MOSFET 低，但遠(yuǎn)高于 BJT，又因?yàn)樗请妷嚎刂破骷?，故控制電路?jiǎn)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(shí)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(yùn)算放大器 LM324 LM324 是四運(yùn)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(yùn)算放大器，除電源共用外，兩組運(yùn)算放大器相互獨(dú)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(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于各種電路中。 圖 27 運(yùn)算放大器 變壓器 變壓器采用普通工頻變壓器，初級(jí)為 12V,次級(jí)為 220V,外形見圖 28。 圖 28 變壓器 壓敏電阻 壓敏電阻器簡(jiǎn)稱 VSR，是一種對(duì)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(hào)“ RV”或“ R”表示，圖 29 是外形 圖，圖 210 為電路圖形符號(hào)。 23 圖 29 壓敏電阻外形圖 圖 210 電路圖形符號(hào) 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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)直流電流。 整流變壓器在設(shè)計(jì)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(lái)，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(duì)整流 /充電電路的干擾和影響，同時(shí)也減少了整流 /充電電路對(duì)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(jí)電 壓低于原邊初級(jí)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(wú)源元件電容或電感 ,利用其對(duì)電壓 ,電流的儲(chǔ)能特性達(dá)到濾波的目的 . 由于電抗元件在電路中有儲(chǔ)能作用，并聯(lián)的電容器C 在電源供給的電壓升高時(shí)，能把部分能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，而當(dāng)電源電壓降低時(shí)，就把能量釋放出來(lái)，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(shí)，它把能量?jī)?chǔ)存起來(lái)， 而當(dāng)電流減小時(shí)，又把能量釋放出來(lái)，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(shí)，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(shí)，限幅放大器輸出的信號(hào)對(duì)地短路，后級(jí)電路停止工作達(dá)到關(guān)機(jī)目的。 前置驅(qū)動(dòng)：前置驅(qū)動(dòng)電路為電壓跟隨器，組成此電路不起放大作用，只為驅(qū)動(dòng) 功率放大電路，為功率管提供足夠的驅(qū)動(dòng)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(dòng)負(fù)載，帶載能力要強(qiáng)。 功率放大電路采用簡(jiǎn)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(shí)，雙刀雙擲的繼電器吸合輸出自動(dòng)切換到常用電源，不存在時(shí)，輸出切換到由升壓電路提供的電源。 25 電源檢測(cè)：當(dāng)輸入電源 AC220V 存在時(shí)，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(wú)電源輸入 AC220V 存在時(shí)，此時(shí)失壓告警電路開始報(bào)警。 失壓報(bào)警電路：失壓報(bào)警電路由 2 個(gè)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(hào)，并擁有報(bào)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(duì)取樣電阻的電壓進(jìn)行放大，調(diào)整放大電路的靜態(tài)點(diǎn)。檢波電路，將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流電壓。過流保護(hù)指示電路，LED 點(diǎn)亮?xí)r過流保護(hù)啟 動(dòng)。 26 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 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(hào)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(shí)過流保護(hù)電路對(duì)整體電路提供保護(hù)，從而保障系統(tǒng)運(yùn)行。整個(gè)系統(tǒng)主要由逆變主電路， SPWM 信號(hào)產(chǎn)生電路，驅(qū)動(dòng)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(jì)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(jì)的基本點(diǎn)有兩個(gè)：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(shí)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(jì) SPWM 時(shí)要考慮死區(qū)的影響，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)間重點(diǎn)放在死區(qū)延時(shí)上。其死區(qū)延時(shí)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(lái)確定他們的交點(diǎn)，在交點(diǎn)時(shí)刻來(lái)控制開關(guān)管通斷，可以生成 SPWM波，方法簡(jiǎn)單便于實(shí)現(xiàn)，所以采用此方案。 CD4538 由兩個(gè)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(duì)稱。該器件工作時(shí)，需外接一個(gè)電阻 Rx 和一個(gè)電容 Cx，調(diào)節(jié) Rx 和Cx 數(shù)值，可得到兩個(gè)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(shí)間，并且傳輸延遲時(shí)間不受 Rx 和 Cx 變化地影響。 SPWM 信號(hào)產(chǎn)生電路如圖 35。 28 圖 35 PWM產(chǎn)生電路 驅(qū)動(dòng)電路 輸出 SPWM 信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)逆變橋的開關(guān)管。本文驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)采用的是驅(qū)動(dòng)芯片。驅(qū)動(dòng)芯片采用 IR 公司生產(chǎn)的大功率 MOSFET 和 IGBT 專用驅(qū)動(dòng)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(dòng)集成電路，可以實(shí)現(xiàn)對(duì) MOSFET 和 IGBT 的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)，該芯片具有光耦隔離和電磁隔離的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)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(gè)功率 MOS 的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)輸入端。兩路輸出 HO 和 LO 分別與兩輸入 HIN 和 LIN 相對(duì)應(yīng)， SD 為保護(hù)信號(hào)輸入端，當(dāng)該腳接高電平時(shí)， IR2110 的輸出信號(hào)全被封鎖，其對(duì)應(yīng)的輸出端 HO 和 LO 恒為低電平；而當(dāng)該腳接低電平時(shí)，IR2110 的輸出信號(hào)跟隨 HIN 和 LIN 而變化，兩路均能正常輸出，在實(shí)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(hào)， Vdd/Vcc 電平轉(zhuǎn)換電路把輸入邏輯信號(hào)電平轉(zhuǎn)換為輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)電平，其兩路輸出均采用圖騰柱輸出，輸出級(jí)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(jí)可提供的驅(qū)動(dòng)電壓為 15V— 20V。驅(qū)動(dòng)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(duì)電容 C7 充電自舉獲得（因?yàn)閷?duì)于橋式電路，每一路驅(qū)動(dòng)都必須獨(dú)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(dòng)信號(hào)輸出端，驅(qū)動(dòng)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(lái)說(shuō)， 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(shí)間內(nèi)無(wú)法達(dá)到自舉電壓，實(shí)驗(yàn)表明采用 33μ F 的自舉電容時(shí)，驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路 過流保 護(hù) 電流過大可以使驅(qū)動(dòng)信號(hào)關(guān)斷，以達(dá)到保護(hù)開關(guān)管避免因?yàn)殚_關(guān)管因?yàn)殡娏鬟^大而燒毀管子的目的。本文采用的是電流互感器的方法來(lái)測(cè)量電流的，采用電流互感器測(cè)量電流。電流互感器可以將電流量線性變換為電壓量，通過測(cè)量電壓可以方便的測(cè)量電流，電流電壓變換器可以作測(cè)量用