微功耗不間斷電源

郁百超

(湖北省電力信息通信公司，湖北 武漢430077)

1 傳統(tǒng)不間斷電源

傳統(tǒng)不間斷電源先把輸入正弦波電壓或蓄電池的直流電壓變成高頻率的方波電壓，然后用電容、電感濾波，再變成交流電壓輸出，這種事倍功半、吃力不討好的方法，顯然效率低而浪費能源，有以下毛?。?/p>

（1）采用PWM脈寬調(diào)制的方法，高頻率、大功率方波的產(chǎn)生過程，也就是強(qiáng)烈EMI干擾產(chǎn)生的過程，大功率直流逆變器相當(dāng)于一個高頻功率發(fā)射臺，可以想象，所產(chǎn)生的干擾何其嚴(yán)重。

（2）功率變換過程中，輸入功率的全部必須進(jìn)行實際的功率變換，所有變換的功率必須通過磁芯變壓器或電感傳遞才能到達(dá)輸出端，損耗大，效率低。

2 微功耗不間斷電源

圖1 是微功耗不間斷電源的原理框圖，當(dāng)市電正常時，整流升壓器對輸入的市電進(jìn)行整流、升壓、功率因數(shù)校正，同時對蓄電池進(jìn)行無損充電[1]，然后通過微分逆變器，把直流電壓逆變成穩(wěn)頻穩(wěn)壓的正弦波電壓輸出。

當(dāng)市電停電時，蓄電池電壓通過微分逆變器，逆變成穩(wěn)頻穩(wěn)壓的正弦波電壓輸出。

3 整流升壓器

圖2 是整流升壓器的原理電路，V1、V3是功率MOS管Q1、Q2的柵極驅(qū)動信號，都是100 kHz的方波信號，V1超前V3半個周期。

電路啟動后，Q2飽和導(dǎo)通，電池V2通過Q2向電感L1充電，電感電流線性增加，電感中存貯的能量不斷增多，與此同時，電容C2上的電壓向負(fù)載R2放電。半個周期后，Q2截止，Q1飽和導(dǎo)通，存貯在電感L1中的電能通過Q1向電容C1充電。C1上的電壓疊加在電池電壓V2之上，在向負(fù)載電阻R2供電的同時，也向電容C2充電。圖2右邊是各點電壓的仿真波形，從上到下依次是：輸出電壓Vo、輸入電壓Vi、補(bǔ)償電壓Vc。從圖可以看到，輸出電壓Vo（12 V），是輸入電壓 Vi（10.5 V）和補(bǔ)償電壓 Vc（1.5 V）之和。

圖2 的電路也可以對饅頭波進(jìn)行補(bǔ)償，即用一個補(bǔ)償電壓（Y=1-sinx）疊加在整流后的饅頭波（Y=sinx）之上，使得饅頭波變成一條直線（Y=1），即饅頭波電壓因電壓補(bǔ)償變成了直流電壓，而非因大電容濾波變成直流電壓。此時市電所有幅值對應(yīng)的所有時刻，都可以對電容充電，都有電流從網(wǎng)側(cè)流出，于是輸入交流電流波形和輸入交流電壓波形完全吻合，功率因數(shù)為1而THD為零。

圖3 是對饅頭波進(jìn)行補(bǔ)償?shù)碾娐?，圖2電路中的電池V2代之以整流后的饅頭波電壓，補(bǔ)償電路要使輸出電壓成為直流電壓，必須在饅頭波電壓之上疊加形如（1-sinx）的電壓進(jìn)行補(bǔ)償，其結(jié)果正是我們?yōu)橹非蟮哪繕?biāo)。圖3右邊是饅頭波電壓補(bǔ)償電路各點電壓的仿真波形，從上到下依次是：輸入電壓Vi、補(bǔ)償電壓Vc、輸入電流Ii，從仿真圖可以看到，輸入電流與輸入電壓同頻、同相、同步，波形完全相似。

圖4 是正負(fù)對稱電壓輸出的升壓整流器電路，市電正半周期間，正饅頭波經(jīng)過二極管D3接到由Q1組成的正整流升壓器的輸入端，進(jìn)行功率因數(shù)校正，市電負(fù)半周期間，負(fù)饅頭波經(jīng)過二極管D4接到由Q2組成的負(fù)整流升壓器的輸入端，進(jìn)行功率因數(shù)校正，圖4右邊是輸入電壓和輸出電壓的仿真波形，可以看到，輸入電壓和輸入電流完全同步、同頻、同相，有關(guān)微功耗功率因數(shù)校正器的詳細(xì)論述，請參考文獻(xiàn)[4]。

4 微分逆變器

圖5 是一個直流逆變器的原理電路，V1、V3是正負(fù)對稱直流電壓，分別加在Q1、Q2的漏極，柵極和地之間同時接幅值為318 V的正弦波電壓V2，R1、C1接在共同源極。

V2的正半周，Q1導(dǎo)通，直流電壓V1加在負(fù)載電阻R1上，由于源極電壓跟蹤柵極電位，所以在電阻R1上產(chǎn)生幅值約為308 V（V2幅值減去一個柵源電壓Vgs）的正半周饅頭波電壓，V2的負(fù)半周，Q2導(dǎo)通，直流電壓V3加在負(fù)載電阻R1上，由于源極電壓跟蹤柵極電位，所以在電阻R1上產(chǎn)生幅值約為308 V（V2幅值減去一個柵源電壓Vgs）的負(fù)半周饅頭波電壓，一個周期結(jié)束，在負(fù)載電阻R1上得到一個周期的正弦波輸出電壓Vsin。圖5右邊是輸出電壓Vsin的仿真波形，可以看到，輸出電壓的頻率、相位、幅值只和柵極所加控制信號有關(guān)，Q1、Q2組成的電路，正是電壓切割電路[7、8]，Q1、Q2柵極控制信號像一把刀，從漏極電壓切下來一塊，這一塊的形狀與柵極所加信號波形完全相同。

圖5 電路有兩個缺陷：

（1）外加電壓經(jīng)切割后剩下來的面積太大，若外加電壓為1，則由柵極信號電壓切下來的正弦波為 Y=sinx，剩下來的面積就是 S=（1-sinx），占輸入電壓的36%；

（2）切下正弦波后所剩部份 （1-sinx）全部在Q1、Q2的漏源極發(fā)熱浪費掉。

圖6 是微分逆變器工作原理示意圖，工作過程如下：

（1）正弦波前10 ms面積沿Y軸N等分，此處以4等分為例；

（2）每等分以下底為一邊作4個長方形，堆累成塔形；

（3）利用電容網(wǎng)絡(luò)由輸入直流電壓產(chǎn)生塔形波，這是實施直流逆變的第一步；

（4）用正弦波從內(nèi)部切割此塔形，正弦波的幅值選擇原則是，使得正弦波在內(nèi)部剛好和塔形波相切；

（5）塔形波被切去多余部份后的實體，剛剛好是輸出的正弦波電壓Va；

（6）塔形波切下來的多余部份打散、揉合，變換成正弦波電壓Vb，與前述Va同時輸出，產(chǎn)生輸出電壓Vo的前10 ms波形；

（7）正弦波后10 ms面積處理方法同上，產(chǎn)生輸出電壓Vo的后10 ms波形。

5 四階塔形波的產(chǎn)生電路

圖5 是4階微分逆變器實際電路，上下兩部份電路完全對稱。對于下部份電路說來，從0 ms開始，的MOS管Q4開通（V2高電平），電源正電壓 V4通過 Q3、Q6、Q8、Q11的體內(nèi)二極管對電容 C1、C3、C5、C7充電，都充至四分之一電源電壓；10 ms后，Q4關(guān)斷，MOS 管 Q9開通， 電容 C7、C5、C3、C1分別通過 Q11和D6、Q8和 D3、Q6和 D1、Q3依次對負(fù)載 R1放電， 放電時間依次遞減，遞減時間按正弦規(guī)律變化，在負(fù)載電阻R1上產(chǎn)生正的寶塔波電壓。

對于上部份電路說來，從10 ms，MOS管Q2開通 （V1低電平）， 電源負(fù)電壓 V6通過 Q1、Q5、Q7、Q10的體內(nèi)二極管對電容 C2、C4、C6、C9充電，都充至四分之一電源電壓；10 ms后，Q1關(guān)斷，MOS管 Q12開通，電容 C9、C6、C4、C2分別通過 Q10和 D6、Q7和 D4、Q5和D2、Q1依次對負(fù)載R1放電，放電時間依次遞減，遞減時間按正弦規(guī)律變化，在負(fù)載電阻R1上產(chǎn)生負(fù)的寶塔波電壓。上部份電路開關(guān)的動作時間全部滯后下部份電路10 ms，則加在Q9、Q12漏極是對稱的寶塔波電壓，圖8中間是寶塔波的仿真波形。

MOS管Q8、Q12組成了圖4所示的電壓切割電路，加在Q9、Q12漏極的正負(fù)對稱寶塔波電壓，由加在柵極的正弦波V12切割，切下一個正弦饅頭波以后，剩下來的是8個小直角三角形，其總面積比S=（1-sinx)要小得多。

上述微分逆變過程分兩步，第一步由C1-C7、C9組成的電容網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生如圖中所示的寶塔波電壓，第二步以Q9、Q12柵極正弦波電壓V12為刀，從寶塔波電壓內(nèi)部切割寶塔波，恰好使得寶塔波內(nèi)部的直角和正弦波相切，于是，把寶塔波在外部的直角全部切下來，剩下的部份形成了完整的正弦波電壓。

由電容網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的寶塔波電壓，實際上是四個微分電壓的疊加，設(shè)正弦波幅值為1，把正弦波在Y軸上分成N等分，以每一等分的下底作長方形，這些長方形疊加后形成了寶塔波電壓，由于正弦波電壓完全由微分電壓疊加而成，故稱微分逆變器，由幾個微分疊加，就稱幾階微分逆變，這里的逆變器由四個微分疊加而成，故稱四階微分逆變器，微分逆變的階數(shù)，也是電容網(wǎng)絡(luò)中電容器的個數(shù)。圖5左邊的仿真波形是正弦電壓波從其內(nèi)部切割寶塔電壓波的全過程，圖6右邊是經(jīng)過正弦波切割后的輸出電壓Vsin。有關(guān)微功耗功率直流逆變的詳細(xì)論述，請參考文獻(xiàn)[5]。

6 微功耗不間斷電源的實際電路

圖9 是微功耗不間斷電源實用電路，由Q3、Q8組成的正負(fù)雙向整流升壓器與圖4電路相同。

圖9 是微功耗清潔能源存貯系統(tǒng)實際電路，其中充電恒流、恒壓電源由Q3、Q8等組成的正負(fù)整流升壓器完成，蓄電池充電部份由Q1、Q2和Q19、Q20等組成無損充電機(jī)完成， 逆變部份由 Q12、Q13、Q14、Q16、Q17、Q18等組成的三相微分逆變器完成。

單相交流電壓V4以倍壓整流方式進(jìn)入A、B兩點，正負(fù)對稱整流升壓器完成正負(fù)直流電壓的升壓、穩(wěn)定、恒流、恒壓，輸入直流電壓的穩(wěn)定和升壓，前已詳述。恒流功能是檢測電阻R11上的直流電壓完成的，根據(jù)輸入正負(fù)對稱直流電壓的高低，選擇最佳充電電池的個數(shù)N，選擇的原則是使得N個蓄電池的端電壓等于或高于輸入直流電壓，這樣整流升壓器可以根據(jù)電阻R11上的直流電壓調(diào)整充電電流達(dá)恒定值，如果N個蓄電池的端電壓低于輸入直流電壓，則充電電流將會失去控制。恒壓功能是檢測C、D兩點的直流電壓完成的，根據(jù)各種蓄電池不同的端電壓，確定恒流轉(zhuǎn)恒流、恒壓充電的轉(zhuǎn)折點，根據(jù)輸入正負(fù)對稱直流電壓的高低，選擇最佳充電電池的個數(shù)N，選擇的原則與上述恒流的情況相同。

圖9 所示輸入電壓是單相倍壓整流電路，正負(fù)對稱310 V，如果是正負(fù)對稱直流電壓，直接接入A、B兩點，如果是三相交流電壓，以雙半波整流方式接入A、B兩點。

整流升壓電路產(chǎn)生的恒流、恒壓電源直接進(jìn)入由 Q1、Q2和 Q19、Q20組成的無損充電部份，由 Q12、Q13、Q14、Q16、Q17、Q18等組成的三相微分逆變器從 E、F兩點獲得電池正負(fù)對稱直流電壓，這里寶塔波電壓產(chǎn)生電路和電壓切割電路省略，逆變原理已于前述，無損充電請參考文獻(xiàn)[2]。

圖10 左邊是微功耗不間斷電源寶塔波電壓仿真波形（8階），右邊是寶塔波被正弦波切割過程的仿真波形，當(dāng)寶塔波階數(shù)N=8時，所切下來的小三角形總面積已經(jīng)非常小。

圖11 是當(dāng)N=16時寶塔波電壓的仿真波形，從圖可以看到，用正弦波來切割這個16階寶塔波時，所切割下來的小三角形總面積更小。

7 結(jié)語

（1）整流升壓器產(chǎn)生補(bǔ)償電壓為Vc=1-sinx，占輸出總功率的很小部份，其余絕大部份功率并不參加實際的功率變換，占總功率很小部份的功率進(jìn)行功率變換，產(chǎn)生的功率損耗非常小，所以整流升壓器的效率接近100%，有關(guān)整流升壓器的微功耗分析，詳見文獻(xiàn)[4]。

（2）微分逆變器采用電容網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生寶塔波電壓，然后用正弦波切割寶塔波，寶塔波產(chǎn)生的過程，只有功率MOS管和功率二極管的飽和壓降，電壓切割過程所切下來的小三角形總面積非常小，這些小面積進(jìn)行功率變換的功率損耗非常小，所以微分逆變器的效率接近100%，有關(guān)微分逆變器的微功耗分析，詳見文獻(xiàn)[5]。

（3）微功耗不間斷電源的充電部份采用無損充電機(jī)，可使蓄電池壽命大大提高，可充分利用蓄電池容量，而不會影響整機(jī)效率，有關(guān)無損充電機(jī)的詳細(xì)論述，請參考文獻(xiàn)[2]。

[1]周志敏.周紀(jì)海.紀(jì)愛華.開關(guān)電源功率因數(shù)校正電路設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社.2004.

[2]李嘉明.郁百超.鋰離子動力電池?zé)o損充電機(jī).化學(xué)與物理電源系統(tǒng).2010年9/10.

[3]郁百超.百超功率變換器的原理和應(yīng)用.中國電源學(xué)會第18屆學(xué)術(shù)年會論文集P301.

[4]郁百超.微功耗功率因數(shù)校正器.中國，201110166360.5.[P].2011-06-17.

[5]郁百超.微功耗直流逆變器.中國，201110166349.9.[P].2011-0617.

[6]郁百超.微功耗不間斷電源.中國，201110173752.4.[P].2011-06-24.

[7]郁百超.綠色功率變換器.中國，201010130192.X.[P].2010-03-19.