1、 電力電子技術 課程設計（論文）題目：宿舍用后備式UPS電源指導教師簽字： 教師職稱： 起止時間：09-7-6至09-7-12 目 錄第1章 設計目的與方案論證11.1選題與設計目的11.2 系統功能框圖21.3 逆變電路方案論證3第2章硬件電路設計3 2.1 PWM脈寬調制電路32.2 整體電路與基本參數7第3章 課程設計總結9參考文獻9第1章 設計目的與方案論證1.1 選題與設計目的UPS供電系統是電力、通信、銀行等行業的必備電源，從產生到現在已有幾十年的發展歷程，在技術不斷發展和改進的過程中，其保護功能也在不斷地發生變化。UPS根據主機內逆變器的工作狀態可分為：后備式、在線式及在線互動式

2、。他們的作用是對市電進行濾波、穩壓調整，以便向負載提供更為穩定的電壓，同時，通過充電器把電能轉變為化學能儲存在蓄電池內，一旦電力中斷、電網電壓或電網頻率超出UPS的輸入范圍，可在極短的時間內開啟自身的儲備電源，向負載供電。基于UPS的技術日漸成熟，同時許多重要部門對電能供應要求的提高使得UPS成為常見的供電設備，尤其是隨著儲能技術的發展，蓄電池容量在增大、體積在減小、壽命也明顯增長使UPS電源更是如虎添翼隨處可見，如：許多重要的工業生產環節或銀行等機構的服務器、計算機都是全日制工作并要求不間斷供電等，都離不開UPS。作為一名在校學生雖然與上述設備及動作過程沒有親身經歷，但在學校的日常生活中也需

3、要后備電源。例如，筆者所在學校因出于安全等方面因素考慮，學生宿舍在晚上固定時間統一熄燈斷電，使得住在宿舍同學的人身安全得到可靠的保障，但同時也給學生還來一些不便。比如，有些同學在寢室熄燈時沒能按時完成那里的網絡交易或沒來得及在編輯的文檔，這樣就造成交易失敗太第二天的工和冗余。應寢室同學的要求筆者做了一套逆變電源，學以致用，以饗同學。1.2 系統功能框圖AC-DC為蓄電池充電DC-AC逆變器負載（功率<300W）市電閥控蓄電池組圖1 系統整體框圖 正常情況下，后備式UPS的逆變器處于非工作狀態，電網電能通過穩壓和濾波環節直接供給負載；此時，電池處于充電狀態。當電網電壓超出UPS的輸入范圍，

4、即非正常情況下，UPS通過轉換開關切換到電池狀態，后備電池開始工作，此時電池的電能通過逆變器變換成交流正弦波或方波供給負載。 后備式UPS采用的是抗干擾分級調壓穩壓技術，當市電電壓正常時，它能向負載提供抗高頻干擾的穩壓電源，但供電質量不高，輸出電壓的幅度、頻率隨市電電壓的幅度和頻率而變。正弦波輸出的后備式UPS的波形失真系數在5%以內。從市電供電到電池逆變供電的轉換時間小于10ms，對一般的計算機設備不會造成影響。 后備式UPS的優點是產品價格低廉、運行費用低。由于正常情況下逆變器處于非工作狀態，電網電能直接供給負載，因此后備式UPS的電能轉換效率很高。電池壽命一般為35年。 后備式UPS的缺

5、點在于它的轉換時間較長。由于逆變器不是經常工作（或者頻繁地切換），因此容易形成單點故障。故后備式UPS一般應用在一些非關鍵性的小功率設備上。 由以上敘述可知UPS只在市電停電后提供短暫的持續電能以緩沖發電機等其它設備的啟動時間，通常小容量的UPS可以帶額定負載3-5分鐘，在這期間可將電腦資料保存或及時起動發電機續航。在此次設計中由于要求UPS不間斷供電時間較長通常為3小時左右，因此一定要考慮到系統的散熱設計。1.3 逆變電路方案論證一、采用高頻變壓器的開關電源變換器開關電源就是用通過電路控制開關管進行高速的道通與截止。將直流電轉化為高頻率的交流電提供給變壓器進行變壓，從而產生所需要的一組或多組

6、電壓。轉化為高頻交流電的原因是高頻交流在變壓器變壓電路中的效率要比Hz高很多。所以開關變壓器可以做的很小，而且工作時不是很熱，成本很低。如果不將Hz變為高頻那開關電源就沒有意義。開關變壓器也不神，就是一個普通的高頻變壓器，這就是開關電源。    開關電源，是通過電子技術實現的，主要環節：整流成直流電逆變成所需電壓的交流電（主要來調整電壓）再經過整流成直流電壓輸出。    開關電源的結構中由于中間沒有變壓器和散熱片，因而體積非常小。同時，開關電源內部都是電子元件，效率高、發熱小。雖然，具有電磁干擾等缺點，但現在的屏蔽技術已經非常到位。二

7、、采用以工他變壓器為變換元件的逆變電路在以前的大功率或小功率UPS中經常使用工頻變壓器，因為其工作頻率低，變壓器體積、重量很大，通常一臺1000W的山特UPS重量達到15kg以上（不含內部蓄電池）。變壓器有渦流損耗和磁滯損耗，這導致其效率低下，蓄電池僅有的那點容量有相當一部分消耗在變壓器損耗上。這種逆變電路的電壓也不容易控制。但相比工作在高頻的開關電源采用工頻變壓器的逆變電路線路較簡單，適于業余條件下制作，運行起來比較穩定，只是變壓器成本隨著功率的增大而提高。業余條件下自己制作的開關電源運行穩定度不容易做好，考慮到宿舍的防火與安全，這里選擇以工頻變壓器為能量變換原件的UPS。第2章 硬件電路設

8、計2.1 PWM脈寬調制電路 1 PWM控制的基本原理 理論基礎： 沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指環節的輸出響應波形基本相同。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。 面積等效原理： 分別將如圖1所示的電壓窄脈沖加在一階慣性環節（R-L電路）上。其輸出電流i(t)對不同窄脈沖時的響應波形如圖2b所示。從波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形狀也略有不同，但其下降段則幾乎完全相同。脈沖越窄，各i(t)響應波形的差異也越小。如果周期性地施加上述脈沖，則響應i(t)也是周期性的。用傅里葉級數分解后將可看出，各i(t)在低頻

9、段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。 用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波，正弦半波N等分，看成N個相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點重合，面積（沖量）相等，寬度按正弦規律變化。 SPWM波形脈沖寬度按正弦規律變化而和正弦波等效的PWM波形。 圖2 用PWM波代替正弦半波 要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。 PWM電流波： 電流型逆變電路進行PWM控制，得到的就是PWM電流波。 PWM波形可等效的各種波形： 直流斬波電路：等效直流波形 SPWM波：等效正弦波形，還可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理

10、和SPWM控制相同，也基于等效面積原理。 2 PWM控制芯片SG3525及應用電路SG3525是電流控制型PWM控制器，所謂電流控制型脈寬調制器是按照接反饋電流來調節脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈的信號與誤差放大器輸出信號進行比較，從而調節占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結構上有電壓環和電流環雙環系統，因此，無論開關電源的電壓調整率、負載調整率和瞬態響應特性都有提高，是目前比較理想的新型控制器，圖3是SG3525內部電路。圖3 SG3525內部電路SG3525內置了5.1V精密基準電源，微調至 1.0%，在誤差放大器共模輸入電壓范圍內，無須外接分壓電組

11、。SG3525還增加了同步功能，可以工作在主從模式，也可以與外部系統時鐘信號同步，為設計提供了極大的靈活性。在CT引腳和Discharge引腳之間加入一個電阻就可以實現對死區時間的調節功能。當輸出晶體管開通時，R1上會有電流流過，R1上的壓降將使VT1導通。因此VT1是在SG3525內部的輸出晶體管導通時間內導通的，因此其開關頻率等于SG3525內部振蕩器的頻率。 當采用推挽式輸出時，應采用如下結構，如圖4aVT1和VT2分別由SG3525的輸出端A和輸出端B輸出的正向驅動電流驅動。電阻R2和R3是限流電阻，是為了防止注入VT1和VT2的正向基極電流超出控制器所允許的輸出電流。C1和C2是加速

12、電容，起到加速VT1和VT2導通的作用。 由于SG3525的輸出驅動電路是低阻抗的，而功率MOSFET的輸入阻抗很高，因此輸出端A和輸出端B與VT1和VT2柵極之間無須串接限流電阻和加速電容，就可以直接推動功率MOSFET。圖4a 3525推挽輸出控制Q1、Q2S可用常見的場效應管代替，電流在25A以上均可，如：75N06、50N06等，耐壓60V電流分別為75A和50A有足夠的裕量。相比又極型晶體三極管場效應管的輸入阻抗高容易驅動，輸入阻抗隨頻率的變化比較小；輸入結電容小（反饋電容），輸出端負載的變化對輸入端影響小，使用時在柵極串一100歐電阻防止自激震蕩。圖4b為SG3525焊板及推挽功率

13、管實物圖4b2.2 整體電路與基本參數一、整休電路設計 后備式UPS的主體電路如圖5所示，電路可分為兩部分前半部分是以SG3525脈寬調制芯片為核心的矩形波驅動電路用來驅動功率電子器件。后半部分主要是逆變執行部分，Q1、Q2和中心抽頭的工頻變壓器組成推挽電路，在變壓器的二次側感應出220V的準正弦波交流電。圖5 整體電路二、基本參數：1.輸入電壓:DC9.6V-DC15.5V2.輸出電壓:AC220V±10%3.頻率 :50Hz±2Hz準正弦波4.內置容絲:25A×15.低壓關斷:9.6V-10V6.過壓保護:15.5V-16V7.低壓報警:10V-10.5V8.

14、空載電流:<0.49.空載功率:<6W10.持續輸出功率:260W11.峰值功率:500W三、電磁兼容與屏蔽設計 輻射EMI的抑制措施 如前所述，開關電源是一個很強的騷擾源，它來源于開關器件的高頻通斷和輸出整流二極管反向恢復。很強的電磁騷擾信號通過空間輻射和電源線的傳導而干擾鄰近的敏感設備。除了功率開關管和高頻整流二極管外，產生輻射干擾的主要元器件還有脈沖變壓器及濾波電感等。 雖然，功率開關管的快速通斷給開關電源帶來了更高的效益，但是，也帶來了更強的高頻輻射。要降低輻射干擾，可應用電壓緩沖電路，如在開關管兩端并聯RCD緩沖電路，或電流緩沖電路，如在開關管的集電極上串聯2080H的電

15、感。電感在功率開關管導通時能避免集電極電流突然增大，同時也可以減少整流電路中沖擊電流的影響。 功率開關管的集電極是一個強干擾源，開關管的散熱片應接到開關管的發射極上，以確保集電極與散熱片之間由于分布電容而產生的電流流入主電路中。為減少散熱片和機殼的分布電容，散熱片應盡量遠離機殼，如有條件的話，可采用有屏蔽措施的開關管散熱片。 整流二極管應采用恢復電荷小，且反向恢復時間短的，如肖特基管，最好是選用反向恢復呈軟特性的。另外在肖特基管兩端套磁珠和并聯RC吸收網絡均可減少干擾，電阻、電容的取值可為幾和數千pF，電容引線應盡可能短，以減少引線電感。第3章 課程設計總結持續幾天的課程設計結束了，從中我學到了很多東西且感悟良多,體會到了課本聯系實際,學以至用,設計思想,實際動手能力都有所提高。由于這次做的設備是為自己使用所以積極性相對更高。通過課程設計我體會到了編程的靈活性并對它產生了濃厚的興趣。以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。整個設計過程中從開始有想法到最后出成品,我失敗很多次也修改很多次,可謂是屢敗屢戰，可我并未氣餒,堅持到了最后,雖然最后做出的電路板外觀不如成品板,但功能毫不遜色,當制做完畢達到預期結果時頓時感到很興奮，很有成就感。同時也使我知道在實驗室好用