文 /qmx1998（排長）

本文選自電源網論壇— 【風采匯】+UPS 后備式不間斷變頻電源 （正弦波逆變）

首先介紹一下UPS

UPS 不間斷電源是由電池組和其他電路組成，能在電網停電時提供交流電力的電源設備，不會因短暫停電而中斷設備的供電，可以一直供應高品質電源，從而有效保護精密儀器。不間斷電源現已廣泛應用于：航天、工業、通訊、國防、醫學院、計算機業務終端等領域。本題目通過 STC15F2K60S2 主控芯片產生 spwm 調制信號，利用單片機的高精度、高效率完成了常用 50hz 工頻和 400hz 中頻的正弦交流電能的產生，并且做到輸出電壓可調、頻率可切換，同時加入了諸多關鍵參數的顯示和對電源智能化的安全保護。輸入加入了主動式功率因數校正器，提高了電源的利用率。前級采用了推挽拓撲，高效的為逆變后級提供穩定的直流電壓。市電電瓶切換速度快，無明顯間斷現象。

UPS 種類多樣，實現方法各不相同，系統復雜。本題目要求完成一臺輸出電壓等級為 24v和 36v 正弦交流、輸出頻率為 50hz 和 400hz 且可切換的 UPS 后備式變頻電源，50hz 和 400hz是工頻和中頻典型值，24v 和 36v 也是工業、軍事常用電壓等級。電瓶充電方法要求采用較為先進的慢脈沖充電法和 Reflex TM 充電法。同時還需要加入功率因數校正電路使功率因數達到 0.9 以上。經過一段時間的研究制作，已完成題目的大部分要求，較好的實現了設計要求。 

原理圖

UPS 種類多樣，實現方法各不相同，系統復雜。本題目要求完成一臺輸出電壓等級為 24v和 36v 正弦交流、輸出頻率為 50hz 和 400hz 且可切換的 UPS 后備式變頻電源，50hz 和 400hz是工頻和中頻典型值，24v 和 36v 也是工業、軍事常用電壓等級。電瓶充電方法要求采用較為先進的慢脈沖充電法和 Reflex TM 充電法。同時還需要加入功率因數校正電路使功率因數達到 0.9 以上。經過一段時間的研究制作，已完成題目的大部分要求，較好的實現了設計要求。

本設計電瓶采用 12V 電動車鉛酸蓄電池，終止放電電壓為 10.8V。市電由工頻變壓器降壓到 12VAC 后進行整流濾波，并送入到 BOOST 型主動式功率因數校正器（APFC）中，校正的同時得到 20VDC 的穩定直流電壓。由此可知，能送入逆變器的電壓為直流 10.8V-20V。題目要求輸出 24V-36V 的交流電壓，在不考慮直流損耗的情況下逆變需要的直流母線電壓為34VDC-51VDC，因此前級需要一個升壓的拓撲結構，將來自電瓶和市電的直流低壓轉化成穩定的直流高壓。能實現這一功能的較為高效的拓撲結構有 BOOST 型和推挽型。 

BOOST 型拓撲是一種非隔離式拓撲，效率較高，制作簡單，適用于小功率應用場合。缺點是抗干擾能力差，異常時對負載損害較大。推挽型是隔離式拓撲，兩個開關管輪流交替工作，相當于兩個開關電源同時輸出功率，其輸出功率相當于兩個單一開關電源的輸出功率，因此，推挽式結構輸出功率很大，效率很高，非常適用于低電壓應用場合，在逆變電路中應用非常廣泛。綜合以上優點，本設計前級選擇隔離推挽式拓撲結構。

逆變信號 SPWM 波的產生有兩種

a.硬件生成法：

硬件生成法就是通過模擬電路構成三角波載波和正弦調制波發生電路，用比較器來確定它們的交點，在交點時刻對開關器件的通斷進行控制，就可以生成 SPWM 波。但是，這種模擬電路結構復雜，難以實現精確的控制。

b.軟件算法生成：

由于微機技術的發展使得用軟件生成 SPWM 波形變得比較容易，因此，軟件生成法也就應運而生。軟件生成法其實就是用軟件來實現調制的方法，通過芯片自帶的 PCA/PWM 模塊或由系統定時器產生一系列寬度不等的脈沖來驅動逆變電路，也可以得到 SPWM 波。

由于題目中有大量的顯示檢測項目，因此不可避免的要用到單片機進行處理。綜合題目要求和實際制作時的難易，本設計中選擇軟件法生成 SPWM 驅動信號。 

而全橋和半橋結構在逆變電路中都有很廣泛的應用。半橋結構由兩個開關管輪流交替導通，輸出功率大，耐壓高，效率高，比全橋結構簡單，但是其自身電壓利用率低，不適用于低電壓應用場合。全橋結構工作時有兩組功率管輪流導通，呈對角導通原則，輸出功率高，損耗較小，效率高，開關器件耐壓值特別低，選擇余量較大。

功率因數（PF）指的是有效功率與總耗電量（視在功率）之間的關系，也就是有效功率除以總耗電量（視在功率）的比值。由于電源中大量的非線性器件，導致從市電中取得的電壓電流波形有了相位差，而且電流波形產生畸變，不再是標準的正弦波。功率因數校正就是盡可能的減小電壓電流相位差，并使電流波形正弦化。

功率因數校正分為主動式和被動式。被動式結構簡單，設計要求低，但是體積大，校正效果不理想，功率因數很難達到 0.8 以上。主動式 PFC 電路具有體積小，重量輕，通過專用IC 去調整電流的波形，對電流電壓間的相位差進行補償。主動式 PFC 可以達到較高的功率因數──通?？蛇_ 98%以上，輸入電壓范圍寬等優越的電氣性能，但成本也相對較高。

雖然主動式功率因數校正設計復雜，但是可以輕松實現題目要求的 0.9 的功率因數，并且可以改善電流畸變，自帶 BOOST 穩壓輸出，在本設計中能體現很高的優越性。所以，綜合題目要求和現實意義，選擇校正效果更好的主動式功率因數校正方案。

UPS 中電瓶在市電正常時一直處于等待接入狀態，在市電失壓或過壓時能立即接入逆變電路中繼續為負載提供不間斷的輸出。而且切換時間盡可能短，無明顯切換間斷現象。這就要求一方面切換管理電路盡可能完善，要做到實時監控，另一方面處于等待狀態的電瓶要保持滿電狀態，或在進行一個階段的電瓶供電后，在市電恢復時能立刻高效的將電瓶充滿。充電可供選擇的方案有普通恒流充電法、分段式充電法和題目要求的滿脈沖充電法。

方案選擇

普通充電法和普通分段式充電法都對蓄電池有極大的損害，如果充電方法不合理，將會引起蓄電池過充電、發熱、失水，容易導致蓄電池失效。由電化學原理可知，蓄電池充電時普遍存在極化現象，如果能在充電過程中提供一個充電間歇期，將會使極化現象減輕，由此帶來的蓄電池充電損害也大大減小。因此，本設計中采用滿脈沖充電法，以提高電瓶壽命。

充電器的設計

UC3909 簡介

UC3909 是由美國 Unitrode 公司（現已被美國 Texas Instrument 收購）推出的一款蓄電池專用充電控制管理芯片（引腳定義見圖 3.1a）。利用 UC3909 充電控制器,可以組成開關型鉛酸電池快速充電器。該芯片中的平均電流型 PWM 控制電路,可產生充電狀態邏輯電平。充電狀態邏輯電平根據充電狀態控制充電器的輸出電壓和電流。該芯片中的欠壓封鎖電路,保證加入足夠的電源電壓。此外該芯片中還含有差動電流取樣放大器、精度為 1%的基準電壓,-3.9mV/℃熱敏電阻線性化電路、電壓和電流誤差放大器、PWM 振蕩器、PWM 比較器、PWM 鎖存器、充電狀態譯碼器和一個 100mA 的集電極開路輸出驅動器。 

基于鉛酸蓄電池的特性，基于 UC3909 的四階段充電方式充電狀態如圖所示。四階段充電方式可以為其提供在不同狀態時合適的充電電壓和電流，將恒流充電快速安全地對蓄電池進行初始充電和恒壓充電進一步對蓄電池充電有效地結合起來，從而使蓄電池的容量達到額定值，延長其壽命。

狀態 1：涓流充電(T0-T1)

當蓄電池的電壓低于終止電壓即所設定的門檻電壓 Vch 時，充電器將提供一個很小的充電電流 Itr 進行充電，這是為了防止把恒流充電時的大電流灌入損壞蓄電

池。對于正常的蓄電池，電池電壓會逐漸上升，直到門檻電壓 Vch，充電器將進入下一個階段，恒流充電。當蓄電池的初始電壓高于門檻電壓 Vch 時，充電器將越過涓流充電狀態而直接進入恒流充電。 

狀態 2：恒流充電(T1-T2)

充電器提供一個恒定的充電電流 Ibulk 給蓄電池。在這個階段，蓄電池的容量快速增加，直到蓄電池的電壓上升到過壓充電電壓 Voc，蓄電池進入過壓充電。

狀態 3：過壓充電(T2-T3)

在過壓充電狀態，充電器提供一個略高于蓄電池額定電壓的恒定電壓 Voc 給蓄電池，以使蓄電池能量最后達到飽和。這個階段充電電流逐漸減小，直到 Ioct，表明蓄電池已被充滿，進入浮充狀態。Ioct 的值可以設定，通常為 Ibulk/5。

狀態 4：浮充充電(T3-)

充電器提供一個恒定的帶有溫度補償的電壓 Vf 給蓄電池，來維持蓄電池容量保持不變，同時會提供很小的浮充電流，彌補蓄電池自身放電造成的容量損失。

充電器設計 外圍電路及元件計算公式

(1) 選擇 RS1 、RS2 、RS3 和 RS4

基本計算公式如下:

V OC = V REF *（RS 1 + RS 2 + RS 3//RS 4）/（RS 3//RS 4）

V T = V REF *（RS 1 + RS 2 + RS 3//RS 4）/（RS 2 + RS 3//RS 4）

V F = V REF *（RS 1 + RS 2 + RS 3）/RS 3

R P = RS 3 // RS 4

電瓶的幾個基本電壓參數為:

VOC = 15V //浮充電壓

V T = 10. 2V //涓流充電電壓

V F = 14V //過充電壓8 / 30

I TC = 40MA //涓流充電電流

IBULK = 2.0A //恒流充電電流

IOCT = 200MA //過充充電電流

計算得到的幾個關鍵原件值：

RS 2 = 23. 7kΩ≈24kΩ RS 1 = 252kΩ

RS 3 = 54kΩ≈56kΩ RS 4 = 466kΩ≈470kΩ

(2) 選擇 RG1 和 RG2

基本計算公式如下:

I TC = T TRCK*RG1 / 5*RS

I TRCK = 0.115V / RS

RG1 / RG2 = 1.852*I BULK*RS

計算得到的幾個關鍵原件值：

RG1 = 2kΩ RG2 = 5. 4kΩ≈5. 6kΩ

原理圖：

充電器主電路由 UC3909結合外圍電路組成，實現四段式智能充電。配合一個 8 位的STC15F104W/DIP8 封裝的單片機，產生 3min/0.5min 的循環控制脈沖，時序為 3min 的使能低電平使充電器工作，0.5min 的關斷高電平使充電暫停，在此間歇期使電瓶去極化，達到增加電瓶壽命，保護電瓶的目的。

逆變器的前級設計

逆變器前級通過TL494設計的，TL494 是一種固定頻率脈寬調制電路（見圖 3.2a），它包含了開關電源控制所需的全部功能，廣泛應用于橋式單端正激雙管式、半、全橋式開關電源。其主要特征有：

1、集成了全部的脈寬調制電路。

2、片內置線性鋸齒波振蕩器，外置振蕩元件僅兩個

3、內置誤差放大器。

4、內置 5V 參考基準電壓源。

5、可調整死區時間。

6、內置功率晶體管可提供 500mA 的驅動能力。

7、推或拉兩種輸出方式。

逆變器的前級電路參數及原理圖

a.推挽結構變壓器參數：

變壓器骨架：EC42

磁芯材質：錳鋅軟磁鐵氧體

初級：0.51mm 漆包線 5 股并繞 5T+5T，中間抽頭，單極感量約 70uh

次級：0.8mm 漆包線單股 25T，感量約為 2mh

工藝：手工繞制，絕緣漆浸封

b.其它結構參數

推挽功率管：IRF3205 N 溝道 MOSFET,Ids-110A,Vds-55V,Vgs±20V

次級輸出整流二極管: SR560,5A/60V,肖特基二極管

π型濾波器：濾波電容：100V/470UF*2PCS 高頻電解電容

濾波電感：鐵硅鋁磁環 33*17*12 820UH/3A

……

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