基于單片機(jī)的在線式UPS研究設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張曉剛 解嘉文

摘要：本文設(shè)計(jì)制作了交流正弦波在線式不間斷電源（UPS），首先闡述了在線式不間斷電源的工作原理及發(fā)展，重點(diǎn)分析了整流電壓、BOOST型電路、全橋逆變電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，基于單片機(jī)發(fā)出PWM（SPWM）控制BOOST升壓電路和全橋逆變，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定，經(jīng)測試符合要求，對(duì)UPS電源智能化具有一定借鑒和參考意義。

關(guān)鍵詞：不間斷電源（UPS）;單片機(jī);在線式;整流器

中圖分類號(hào)：TN86;TP368.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）12-0097-02

0? 引言

數(shù)字化、智能化是UPS發(fā)展的必然趨勢，本文討論的在線式UPS是一種小型、實(shí)用、智能化等為特點(diǎn)的UPS電源。它采用數(shù)字控制技術(shù)，運(yùn)用單片機(jī)進(jìn)行操控，符合UPS的發(fā)展趨勢，具有較好的市場應(yīng)用潛力。由于該電源具有成本低、體積小、便利性，逆變輸出電壓頻率幅值較穩(wěn)定等眾多優(yōu)點(diǎn)，同樣也適合普通計(jì)算機(jī)使用。

1? UPS電源構(gòu)成與原理

UPS的發(fā)明使用，經(jīng)歷了從分立式、全控型功率器件，到今天智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，其發(fā)展還將呈現(xiàn)多樣化的發(fā)展趨勢。UPS是一種帶有儲(chǔ)能裝置，以逆變器為主并具有穩(wěn)壓穩(wěn)頻輸出的電源保護(hù)設(shè)備，系統(tǒng)主要包括整流、逆變和儲(chǔ)能模塊等，其電源包括交流、直流充電、交直流逆變裝置等。按工作模式可分為后備式UPS、在線式UPS和在線互動(dòng)式UPS，按其輸出波形又可分為正弦波輸出和方波輸出兩種，按電路結(jié)構(gòu)可分為雙向變換串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS、雙變換在線式UPS和三端口式UPS等。

在線式UPS電源由市電正常供電時(shí)，首先將交流電經(jīng)整流變成直流電，然后進(jìn)行脈寬調(diào)制、濾波，再將直流電經(jīng)逆變器重新轉(zhuǎn)換成正弦波交流電源向負(fù)載供電。一旦市電停電，立即改由蓄電池提供的直流電經(jīng)逆變器向負(fù)載提供正弦波交流電源。使負(fù)載并不因市電中斷，仍可以正常運(yùn)行，并可避免由市電電網(wǎng)電壓波動(dòng)及干擾而帶來的所有影響。全橋整流提供直流是實(shí)際應(yīng)用中最為廣泛的變流方法。

現(xiàn)如今在公共電網(wǎng)上存在著各種形式的干擾且不容易察覺，嚴(yán)重時(shí)可危害電網(wǎng)。對(duì)于重要、精密或計(jì)算機(jī)設(shè)備等采用UPS供電是比較合適的選擇。本文基于單片機(jī)發(fā)出PWM（SPWM）控制電路升壓和逆變，實(shí)現(xiàn)在線式UPS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2? 在線式UPS電源電路設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)控制的在線式不間斷電源的整體結(jié)構(gòu)，總體上采取一級(jí)升壓電路加上一級(jí)逆變電路實(shí)現(xiàn)（電路原理如圖1所示）。系統(tǒng)電路由可調(diào)節(jié)電壓輸入模塊、全橋整流模塊、BOOST型升壓模塊、電壓采樣模塊、全橋逆變模塊、電路驅(qū)動(dòng)模塊、單片機(jī)控制模塊以及直流電源或儲(chǔ)能模塊組成。其中，自耦變壓器可以調(diào)整電壓輸出，隔離變壓器保證安全性;全橋整流把交流電整流成直流，后接大電容實(shí)現(xiàn)交直流不間斷供電;電壓采樣直接給BOOST電路一個(gè)恒定的占空比（根據(jù)需要也可以不加，后面開環(huán)）;BOOST升壓實(shí)現(xiàn)逆變交流輸出達(dá)到30V，全橋逆變實(shí)現(xiàn)交流輸出，后接LC濾波產(chǎn)生正弦波，用互感器模塊實(shí)現(xiàn)電壓/電流采樣。電壓/電流采樣對(duì)交流輸出電壓進(jìn)行采樣，實(shí)現(xiàn)反饋，達(dá)到30V恒定輸出的效果;輔助電源實(shí)現(xiàn)給單片機(jī)供電（5V）和電壓/電流采樣模塊供電（5V），以及給IR2104驅(qū)動(dòng)電路供電（15V）。

2.1 單片機(jī)控制電路

單片機(jī)采用STM32F103系列芯片，電路控制上，利用單片機(jī)發(fā)出PWM控制BOOST電路開關(guān)管實(shí)現(xiàn)升壓，利用單片機(jī)發(fā)出SPWM控制全橋逆變電路實(shí)現(xiàn)逆變;利用ADC芯片實(shí)現(xiàn)電壓采樣，并與期望值比較，利用PID算法實(shí)現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定在30V。引入靜態(tài)和動(dòng)態(tài)雙重電壓反饋，確保了逆變器的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性?；就瓿闪巳炕竟δ堋?/p>

2.2 BOOST型升壓電路

BOOST升壓電路使用兩個(gè)MOS管搭建而成（電路原理如圖2所示）。這種方案使用IR2104驅(qū)動(dòng)一個(gè)半橋，利用MOS管導(dǎo)通關(guān)斷控制升壓。這種方案效率較高，而且可以調(diào)整MOS的耐壓值，來匹配電路。但是這種方案也較為復(fù)雜，因?yàn)橥鈬骷鄬R2104-3的輸出低端LO與靠近GND的mos的G端連接，將輸出高端HO與另一塊mos的G端連接，將IR2104的VS端接至對(duì)應(yīng)的兩片mos中間。同時(shí)單片機(jī)正常工作。

測試時(shí)，斷開前端不控整流橋，采用學(xué)生直流電源接入BOOST電路的輸入端供電。將學(xué)生電源的輸出電壓設(shè)置為10V左右，此時(shí)程序默認(rèn)占空比為50%，BOOST電路的輸出電壓為20V左右。使用示波器，直接測試BOOST輸出電壓，可觀察是否正常。

2.3 全橋逆變電路

利用IR2104芯片驅(qū)動(dòng)BOOST電路與全橋電路，實(shí)現(xiàn)交流輸出，達(dá)到逆變目的（電路原理如圖3所示）。電路使用H橋（四個(gè)MOSFET），利用SPWM控制，在逆變電路之后加上LC濾波，就可以產(chǎn)生正弦波。電壓型全橋逆變電路輸出電壓U0的波形和半橋電路的波形U0形狀相同都為正弦波形，最終電壓傳送至負(fù)載供電。逆變器主要電路圖采用全橋逆變電路?？刂破鞑捎肧G3525，通過產(chǎn)生一個(gè)幅值在1～3.5V與市電同步的正弦信號(hào)，與鋸齒波比較，生成SPWM脈寬調(diào)制波。

2.4 驅(qū)動(dòng)電路

因單片機(jī)不能直接驅(qū)動(dòng)MOS管導(dǎo)通，所以需要添加中間的驅(qū)動(dòng)電路，本方案采用IR2104型芯片實(shí)現(xiàn)（外圍電路如圖4所示）。驅(qū)動(dòng)電路共使用3組，每組采用一個(gè)IR2104型芯片和兩個(gè)MOS管組成，為半橋驅(qū)動(dòng)型電路。IR2104型芯片能提供較大的柵極驅(qū)動(dòng)電流，并具有硬件死區(qū)、硬件防同臂導(dǎo)通等功用。運(yùn)用兩片IR2104型半橋驅(qū)動(dòng)芯片能夠組成完好的直流電機(jī)H橋式驅(qū)動(dòng)電路，并且IR2104價(jià)錢低廉，功用完善，輸出功率也相對(duì)較低。此方案半橋電路的上下橋臂功率管是交替導(dǎo)通的，電路通過在Vb和Vs腳之間外接“自舉電容”，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)半橋控制。

3? 結(jié)論

通過系統(tǒng)測試，基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的在線式UPS電源電路，在交流輸入電壓范圍在29～43V時(shí)，輸出交流電壓范圍在30±0.2V，50Hz頻率誤差在±0.2Hz內(nèi)。直流供電時(shí)，儲(chǔ)能電壓Ud為24V，輸出交流電流在I0=1A條件下，輸出交流電壓U0為30±0.2V，50Hz頻率誤差在±0.2Hz內(nèi)，與設(shè)計(jì)目標(biāo)和實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊恢?。在U0=30V，I0=1A的條件下，在線式不間斷電源效率也可以達(dá)到要求，對(duì)實(shí)際電路的測試結(jié)果與理論計(jì)算基本一致。在實(shí)際應(yīng)用中，儲(chǔ)能器件也可以采用直流電源代替或多個(gè)蓄電池進(jìn)行并聯(lián)，當(dāng)檢測到某蓄電池放電電壓降低到臨界值時(shí)，立刻切換到另一組蓄電池供電，保證輸出電壓的連續(xù)性。

參考文獻(xiàn)：

[1]廉柯.基于DSP的在線式數(shù)字化UPS的研究[D].中南大學(xué)，2010.

[2]陳瑞霞.單相UPS主逆變電路控制策略研究[J].機(jī)械管理開，2018，33（06）：181-183.

[3]王宇.單相UPS不間斷電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].廣播電視信息，2014（10）：66-68.

[4]丁向榮.單片微機(jī)原理與接口技術(shù)[M].電子工業(yè)出版社，2012.

[5]王光.三相在線式UPS數(shù)字化控制技術(shù)研究[D].哈爾濱理工大學(xué)，2019.

[6]Reduction of Input Current Harmonic Distortions and Balancing of Output Voltages of the Vienna Rectifier Under Supply Voltage Disturbances. Jeevan Adhikari，Prasanna IV，Sanjib Kumar Panda. IEEE Transactions on Power Electronics . 2017.