２４Ｖ交流單相在線式不間斷電源的設(shè)計

摘要：設(shè)計了一款輸出24V交流單相在線式不間斷電源。設(shè)計中采用正弦波單相逆變電源控制芯片U3990F6-50作為主控芯片；采用Boost升壓電路對輸入電壓升壓，使逆變之前的電壓維持在40V以上，使電壓和負(fù)載調(diào)整率大大提高了；采用恒壓恒流的形式對蓄電池進(jìn)行充電；電路具有過流保護(hù)，電池欠壓報警及保護(hù)等功能。

關(guān)鍵字：恒壓恒流；SPWM；正弦波失真度

1前言

在很多領(lǐng)域里需要安全的低壓供電電源，可以通過變壓器將市電轉(zhuǎn)換成用戶所需要的安全電壓，但市電是不穩(wěn)定的。為了提高供電的質(zhì)量，并在市電停電時提供不間斷供電電源，在某些領(lǐng)域是很有必要的。

2 電路整體結(jié)構(gòu)和預(yù)期達(dá)到的指標(biāo)

2.1 本設(shè)計的原理框圖如圖1所示，不間斷電源由變壓器、AC/DC切換電路、蓄電池充電電路、Boost升壓電路、SPWM單元、驅(qū)動電路、逆變單元、逆變電流檢測電路、輸出電壓檢測電路和輔助電源電路等組成。

2.２ 本設(shè)計預(yù)期達(dá)到的指標(biāo)為：

交流輸入：29~43V；輸出電壓：24V；輸出額定功率：80W；輸出頻率50Hz；效率：η≥80%；輸出正弦波失真度：小于5%；電壓調(diào)整濾和負(fù)載調(diào)整濾：均小于2%;具有輸出短路保護(hù)、電池欠壓保護(hù)等功能；

3 電路設(shè)計

3.1 輸入整流濾波與AC/DC切換電路

輸入整流濾波與AC/DC切換電路如圖2所示，T1是輸入變壓器，變比為AC220/AC36，B1是整流橋，繼電器K1用來進(jìn)行市電和蓄電池切換，C1、C2和C3是輸入濾波電容，當(dāng)有市電輸入時繼電器K1吸合，開關(guān)切換到市電，負(fù)載由市電供電。當(dāng)市電停止時繼電器K1放開，開關(guān)切換到蓄電池，負(fù)載由蓄電池供電。在切換過程中，由于輸入濾波電容的儲能作用，且容量較大，保證在切換過程中負(fù)載不間斷供電。

3.2Boost升壓電路

要保證交流輸出幅度維持在24V，逆變之前的直流電壓至少為24×1.4=33.6V，但蓄電池工作電壓范圍的下限為29V，如果逆變前的電壓不做處理，會使電壓調(diào)整率降到很低。所以本設(shè)計在輸入濾波和逆變之間加入一級Boost升壓電路。圖3是Boost升壓電路，主控芯片采用UC3843，Q1是開關(guān)管，L1是儲能電感，D1是升壓二極管，R5和R6升壓電路的輸出電壓進(jìn)行采樣，R4是開關(guān)電流檢測電阻。

3.3 DC/AC逆變電路

DC/AC逆變電路如圖4 所示。逆變部分采用橋式逆變電路的結(jié)構(gòu)，Q2~Q5是逆變橋的4個功率開關(guān)管；L2和L3是濾波電感；T2是逆變輸出電壓采樣變壓器，變壓器變比設(shè)計為24：9，變壓之后進(jìn)行整流，整流后的信號經(jīng)R51分壓等到采樣信號AV_CK，AV_CK送到SPWM控制芯片的逆變輸出電壓反饋引腳，由芯片對逆變輸出電壓實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓、調(diào)壓，調(diào)節(jié)電位器R51可以調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓；R90是過流檢測電阻，當(dāng)輸出短路時，電阻R90上的壓降大到可以使U13導(dǎo)通，SPWM控制芯片停止脈沖輸出。

3.4 SPWM控制與驅(qū)動電路

為了減小UPS輸出的正弦波失真度，還要提高電路的穩(wěn)定性，本設(shè)計決定采用專用的SPWM芯片U3990F6-50。驅(qū)動電路部分為了減少電源的路數(shù)，決定采用自舉電路的形式，而不是采用光耦隔離的形式，驅(qū)動電路采用專用芯片IR2110。

SPWM控制芯片采用正弦波逆變器專用芯片U3990F6-50Hz，U3990是數(shù)字化的、專為車載、太陽能。風(fēng)力及數(shù)碼發(fā)電機(jī)而設(shè)計的 純正弦波單相逆變電源主控芯片，它不僅可以輸出高精度的SPWM正弦脈沖序列，還可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓、保護(hù)、空載時自動休眠等功能，并且具備LED指示燈驅(qū)動、蜂鳴器控制、逆變橋控制引腳，從而可以利用該芯片組成一個性能優(yōu)良的逆變系統(tǒng)。

SPWM控制與驅(qū)動電路如圖5所示。圖中U11A~U11D、R41、R42、R54、R55、C47~C50組成死區(qū)控制電路；U10A~U10B是反相器，對U9輸出的兩個SPWM脈沖序列進(jìn)行反相，和各自反相之前的信號組成逆變橋一個橋臂的上下兩個功率開關(guān)管的驅(qū)動信號；U4和U12是高壓懸浮驅(qū)動器IR2110，IR2110是具有兩個輸出的橋臂MOSFET柵極驅(qū)動器集成電路，由于IR2110具有快速完整的保護(hù)功能，因而可提高控制系統(tǒng)的可靠性，縮小控制板的尺寸。

3.5 蓄電池充電電路

本設(shè)計采用的蓄電池為3節(jié)12V串聯(lián)的形式，蓄電池型號為NP-13-12，充電電壓為13.5~13.8V時不受限制，充電電壓為14.4~15.0V時最大充電電流為0.39A。所以本設(shè)計的充電器的浮沖電壓設(shè)定為13.8×3=41.4V，輸出最大電流為250mA，充電器的輸出采用恒壓恒流的形式

蓄電池充電電路如圖6所示。本電路采用反激式變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輸出采用恒壓恒流的形式，圖中U4是主控制芯片UC3843；Q8是開關(guān)管；T2是主功率變壓器；D7、C30和R28組成RC吸收回路； R29、R30和R32對出電壓進(jìn)行采樣；U6是誤差比較器，內(nèi)部基準(zhǔn)為2.5V；光耦合器U5起到信號傳遞與電氣隔離的作用；U7、U8、R33~R36、C35和C36組成恒流控制電路，R36的大小決定了輸出恒流的大小。

3.6 輔助電源電路

本設(shè)計的需要一個兩路輸出的輔助電源，兩路輸出共地，輸入輸出不要求隔離。因?yàn)榉醇な诫娫摧敵龉β室话阍?50W以下，本設(shè)計的輔助電源就采用反激式的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

輔助電源電路如圖7所示?？刂齐娐方Y(jié)構(gòu)與蓄電池充電電路控制結(jié)構(gòu)相似，只不過這里反饋沒有光耦隔離。電源輸出設(shè)為12V，12V再經(jīng)過穩(wěn)壓器LM7805得到5V電壓，12V給Boost升壓電路和逆變橋驅(qū)動電路供電，5V給SPWM控制電路供電。

4測試數(shù)據(jù)：

在交流供電U1=36VAC和直流供電U3=36VDC兩種情況下，輸出電壓U2=24.04V， 頻率為49.99Hz，額定輸出功率80W；切斷交流電源后，在輸出滿載情況下工作時間8分30秒；負(fù)載調(diào)整濾負(fù)載調(diào)整濾的測試數(shù)據(jù)和結(jié)果如表1所示。

具有短路保護(hù)功能；

具有欠壓保護(hù)功能，當(dāng)蓄電池的放電電壓≤29V時整機(jī)自動保護(hù)停止工作；

滿載條件下，輸出正弦波失真度為2.5%；

基波電壓為23.6V

三次諧波電壓為 0.55v 其他諧波電壓為0v；;

具有給蓄電池充電功能，充電電流為250MA浮充電壓為41.4v。

結(jié)論

從實(shí)測的數(shù)據(jù)可以看出，本設(shè)計具有效率高、正弦失真度小、電壓和負(fù)載調(diào)整率低、其他保護(hù)功能齊全等特點(diǎn)，完全達(dá)到并超過了預(yù)期指標(biāo)。

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[4]U3990F3數(shù)據(jù)手冊.www.sup-way.com

作者簡介：張秀，男，1977年7月生，碩士學(xué)位，助教，研究方向?yàn)楦哳l開關(guān)電源。