1、不间断电源 UPS 的设计毕业论文目录摘要错误！未定义书签。Abstract错误！未定义书签。第一章 绪论1一、UPS 的发展历史1二、UPS 的分类和结构1（一）动态式 UPS 工作原理2（二）静止式 UPS 工作原理2三、本章小结5第二章 UPS 的总体结构及原理6一、本设计参数6二、系统结构图和原理6三、本章小结8第三章 电池升压电路设计9一、电路设计9（一）主电路设计9（二）控制电路设计11二、电路仿真16（一）系统电路图16（二）输出电压波形图17第四章逆变电路设计18一、电路设计18（一）主电路设计18（二）控制电路设计19二、逆变总电路仿真29（一） 逆变总电路系统仿真电路图29
2、（二） 输出电压波形图30三、SPWM 脉冲的实现30（一）EG8010 简介30（二）EG8010 引脚介绍31（三）EG8010 应用设计32四、本章小结34第五章电池充电电路设计35一、电路设计35（一）主电路设计35（二）控制电路设计37II二、电路仿真41（一）恒流充电过程41（二）恒压充电过程43三、本章小结44结论45致谢错误！未定义书签。参考文献46外文原文47附录：系统总电路图61第一章 绪论一、UPS 的发展历史早期的 UPS 装置是采用柴油（或汽油）发电机电动机发电机组来实现电能变换， 其设备笨重，占地面积大，。后来随着晶闸管的推广普及，使 UPS 装置摆脱了大量的机组设
3、备，因此晶闸管控制的 UPS 迅速发展，逐渐取代了发电机电动机发电机组式的 UPS 装置，但因晶闸管没有自关断能力，因此每只晶闸管需要配备换向单元电路，因此仍然使系统庞大而笨重。从 80 年代以后，全控型器件蓬勃发展，这些器件开关速度快，控制驱动方便，因此成为 UPS 装置的最佳选择。由这些器件制作的 UPS 装置重量轻、效率高、噪声小、操作控制灵活，使 UPS 装置进入一个新的时代。目前，国内外学者都对 UPS 开展了广泛的研究工作，各种先进的控制技术被引入。在此基础上，许多国外知名 UPS 生产厂商，如山特、梅兰日兰、APC 等，纷纷利用自己的技术优势推出了多款集数字化、智能化、网络化于一
4、身的新一代 UPS。于此同时，作为 UPS 消费大国的中国，不论是大功率市场还是小功率市场，我国的国产 UPS 市场占有率都小于 50%,甚至 30%都不到。由此可见，与国外相比，我国在 UPS 研究与生产领域都还处于一个弱势阶段。对我国来说，UPS 的研究更为紧迫。二、UPS 的分类和结构所谓不间断电源就是当交流电网输入发生异常或中断时，它可以继续向负载供电， 并能够保证供电质量，使负载供电不受影响。这种供电装置称为不间断电源装置，或者称为不间断供电系统，简称 UPS(Uninterruptible Power System)。不间断供电装置依据其向负载提供的是交流还是直流可分成两大类型，即
5、直流不间断供电系统和交流不间断供电系统，但习惯上人们总是将交流不间断供电系统简称为 UPS。正因为如此，本书也沿用这一习惯称呼而将交流不间断电源简写为 UPS。不间断电源通常分为动态式 UPS 和静止式 UPS。随着技术的进步和发展，动态式UPS 逐渐被淘汰，静止式 UPS 逐渐成为主流。本文主要介绍了静止式 UPS。静止式UPS又可分为在线式 UPS 和后备式 UPS。12（一）动态式 UPS 工作原理所谓动态 UPS 就是指供电不间断是靠动能来实现的，也就是早期的采用柴油发电机电动机发电机组来实现电能变换的装置，其结构如图 1.1 所示。当电网供电正常时， 交流电驱动交流电动机旋转，从而带
6、动交流发电机和同轴的惯性飞轮同速运转，由发电机发电供给负载。当电网电压出现波动或某些尖峰干扰时，由于惯性飞轮的作用，较短时间的电压波动或短时间干扰并不影响惯性飞轮的正常运转，从而保证了负载上电压的稳定性；一旦电网供电间断，电动机就停止运转这时发电机依靠同轴飞轮上所储存的巨大动能而继续发电，使负载的供电时间得以延长，以便现场工作人员保护现场。但在这种方案中，依靠动能储存的飞轮延长市电断电时的供电时间势必受到限制。动态 UPS 需要较多的电机设备，因此成本比较高，而且设备笨重，随着静止式 UPS轮飞市电电动机发电机载负的发展，动态 UPS 逐渐被代替。图 1.1动态 UPS 结构图（二）静止式 U
7、PS 工作原理静止式(静态)UPS 与动态(旋转式)UPS 相比较而言，没有电动机、发电机和飞轮之类旋转体，它通过由功率半导体器件组成的电能变换主电路对电能实现变换。现在人们概念中的 UPS 均是静止式 UPS。静止式 UPS 的经典方案如图 1-2 所示，其原理是：电网正常时，市电经整流器变成直流，再经逆变器将直流变成交流，后经转换开关送给负载； 在电网异常时，由蓄电池给逆变器提供直流电能，经逆变器变成交流后送给负载；当整流器、逆变器或蓄电池等单元出现故障时，可经过转换开关将市电旁路给负载。对静止型 UPS 而言，按其工作方式又可分为在线式(online)和后备式(offline)两种，但无
8、论是后备式还是在线式 UPS，其基本结构大体相同，只是在工作方式上和为负载供电的质量上有一定的差异。下面简要说明在线式和后备式 UPS 的异同点。1. 在线式 UPS 工作过程在线式 UPS 的工作过程如图 1.2 所示。电网正常供电时，交流电经输入变压器后， 一方面经充电器给蓄电池充电，另一方面经整流器变成直流后送至逆变器，经逆变器变成交流后送给负载。能量流动的过程是：电网、变压器、整流器、逆变器、负载。电网供电异常时(过压、欠压、断电)，保护电路将切断输入市电与 UPS 的联系，让蓄电池为逆变器提供直流电能。能量流动的过程是：蓄电池、逆变器、负载。由上述可见，在线式 UPS 就是指电网正常
9、供电时，电网一方面对蓄电池充电，另一方面经过 UPS 内部处理和变换后再送给负载；电网停电或供电异常时，由蓄电池向逆变器提供电能，保证负载供电不间断。在电网供电转为电网中断、蓄电池供电时，负载供电没有任何中断。当然，这是UPS 内部无任何故障时的情况。若UPS 内部任何一个单元出现故障，则控制电路可使转换开关实现旁路输出。这样的转换一是有转换时间(供电有间断)，二是此时市电必须不中断，否则负载供电就无保障了。为了使转换过程不影响负载工作，应该使转换时间尽可能短，考虑到较大的滤波电容的储能作用，转换时间一般应小于 3ms。在线式 UPS 的的性能优于后备式 UPS，体现在在线式 UPS 可以没有
10、转换时间，同时在线式 UPS 对电网电压进行整形处理，因此正常工作情况下，其供电质量优于电网。但在线式 UPS 的成本高于后备式 UPS。因此在线式 UPS 用于电能质量要求比较高的场合。旁路开关输出电网变压器整流器逆变器充电器图 1.2 在线式 UPS 结构框图2. 后备式 UPS 工作过程后备式 UPS 的工作过程如图 1.3 所示。电网供电正常时，电网一方面经变压器至充电器给蓄电池组充电；另一方面经变压器和旁路开关(K 接 B 点)送给负载。供电异常时，控制电路立即切断电网与负载的联系，同时起动逆变器并使 K 由接 B转为接A，继续由蓄电池提供电能向负载供电。这时的能量流向和在线式是一样
11、的，只是转换为蓄电池输送电能这个过程和在线式UPS 有区别，即在线式 UPS 当电网异常转为蓄电池提供电能时不存在转换时间，而后备式 UPS 存在一定的转换时间，这种转换时间和在线式 UPS 中的转换旁路时间一样，一般希望其愈短愈好。通过上述可见，后备式 UPS 就是指电网正常供电时，电网通过旁路开关直接送给了负载，同时也给 UPS 的蓄电池充电。送给负载的是没有经过 UPS 加工和处理的电网的电， 供电质量明显不及在线式 UPS 的供电质量好。在电网供电出现异常时，才启动 UPS 内部的逆变器工作，将蓄电池提供的直流电能变成交流电能后送给负载。后备式 UPS 和在线式 UPS 虽然其基本结构
12、大致一样，但在电网正常供电时，在线式UPS 的输出较后备式 UPS 的输出交流电质量好，这主要是说在线式 UPS 的输出是稳压、稳频的，而后备式 UPS 最多对输出采取粗稳压而没有稳频等其他处理功能。不但如此， 在电网供电异常、蓄电池组开始向逆变器提供能量时，在线式 UPS 没有转换时间，后备式 UPS 是有一定的转换时间的。因此从工作方式和供电质量上看，电网供电时和电网供电转为蓄电池组提供电能的转换过程，在线式 UPS 的性能优于后备式。有的后备式 UPS 的生产厂家加了电网滤波装置，有的在输出变压器上增加了一些抽头，以实现对输出的简单稳压，使其产品的性能有所改善，但终究和在线式还有一定差距
13、。输出电网变压器旁路开关充电器逆变器图 1.3后备式 UPS 结构框图三、本章小结本章主要介绍了 UPS 的发展历史，结构，分类和基本原理。UPS 的发展历程从柴油（或汽油）发电机电动机发电机组式 UPS 到晶闸管控制的 UPS，再到使用全控型器件的 UPS。UPS 的结构分为动态式 UPS 和静止式 UPS。静止式 UPS 又可分为在线式 UPS 和后备式 UPS。现在动态式 UPS 已经逐渐被静止式 UPS 所代替。UPS 一般都由变压电路， 整流电路，逆变电路，充电电路和旁路电路组成。其基本工作原理是在电网正常时由电网对负载供电，电网电压异常时由蓄电池供电。第二章UPS 的总体结构及原理
14、一、本设计参数本文设计的是静止型不间断电源，而在线式和后备式相比，有着明显的优势，所以本文设计在线式的 UPS。其技术性能如下：(1) 输入电压：单相两线制 220V、50Hz 交流电压输入电压范围：220V 土 10输入频率范围：50Hz 土 5(2) 输出电压：单相 220V、50Hz 交流电压电压稳定度：220V 土 2频率稳定度：50Hz 土 0.5(3) 额定功率：500W(4) 蓄电池组：采用松下 UP-VW1220 铅酸蓄电池（12V）2 块满载工作时(500W)：蓄电池组能维持 3min半载工作时(250W)：蓄电池组能维持 10min供 PC 工作（100W）：蓄电池组能维持
15、 30min二、系统结构图和原理如图 2.1 所示，系统分为4 个部分：电池升压电路、逆变电路、电池充电电路、旁路电路。电池升压电路的结构是隔离型推挽式直流直流变换电路。通过控制变压器原边的两个桥臂的开启和关断，将电池电压（24V）升高到 400V,作为逆变器的直流源。逆变电路采用全桥式逆变桥电路，利用 PWM 技术控制开关管的开启和关断，再通过输出滤波器滤除高次谐波，最终得到正弦基波。电池充电电路是一个反激式开关电源电路，通过控制开关管的开启和关断，实现电池的三阶段充电：当电池电压低于 27.4V 时，以恒定电流的方式对电池快速充电，当电池电压高于 27.4V 时，开始以恒定电压对电池充电，
16、 最后随着充电电流的减小，电池进入浮充阶段。旁路电路是用一个双触点的继电器实现的。AC-DC 变换：将电网来的交流电经全波整流、滤波变为直流电压，供给逆变电路。AC-DC 输入如果有软启动电路，可避免开机时对电网的冲击。DC-AC 逆变电路：采用大功率 IGBT 模块全桥逆变电路，具有很大的功率富余量， 在输出动态范围内输出阻抗特别小，具有快速响应特性。如果采用高频调制限流技术及快速短路保护技术，可以使逆变器无论是供电电压瞬变还是负载冲击或短路，均可安全可靠地工作。控制驱动：控制驱动是完成整机功能控制的核心，它除了提供检测、保护、同步以及各种开关和显示驱动信号外，还完成 SPWM 正弦脉宽调制
17、的控制，如果采用静态和动态双重电压反馈，可以极大地改善了逆变器的动态特性和稳定性。UPS 电源包括了两种类型：在线式、后备式。在线式UPS 工作原理是输入的市电经整流滤波后，一方面经逆变后变成纯净的50Hz、220V 交流电压输出;另一方面经充电器输出直流电给电池组充电，在市电中断时，由电池组经逆变电路逆变成 220V、50Hz 的交流电输出，零时间自动转换，有效地保证输出不间断的电源，全面解决市电中存在的电源故障，提供高层次的电源保护，适用于保护关 键系统、重要数据，被广泛应用于数据中心、大型网络、行业系统（金融、邮电、医院、电力、航天航空、军事等）。后备式 UPS 在市电供电时由旁路开关直
18、接输出，只有当市电断电时，电池组经逆变电路逆变成 220V、50Hz 的交流电路输出。直流300V直流24V单端反激式开关电整流电路源S2直流400V推挽式 DC/DC 变换全桥式逆变S1交流220V 输入交流220V 输出图 2.1 UPS 系统结构图正常工作情况：旁路开关S1 闭合,S2 断开。电网电压分为两路，一路通过S1 供负载使用。第二路经过整流电路变为直流 300V，300V 经过反激式开关电源得到大约直流 24V 给电池充电。当电网断电时：旁路开关断开S1 断开，S2 开启。此时直流24V 电池电压通过 S2 和电池升压电路变换变为直流 400V,送到全桥式逆变电路，逆变后供负载
19、使用 。三、本章小结本章主要介绍了 UPS 的设计参数，系统结构图和基本原理。本设计要求在电网电压为交流 220V 左右的输入情况下，输出也为 220V 左右的正弦交流电，负载额定功率为500W。在电网断电时，UPS 可以为负载供电几分钟。系统可以分为电池升压电路、逆变电路、电池充电电路、旁路电路四个部分。电网正常工作时，电网电压分为两路。一路供负载使用，第二路经过整流电路变为直流 300V，300V 经过反激式开关电源得到大约直流 24V 给电池充电。电网工作异常时，此时直流 24V 电池电压通过 S2 和电池升压电路变换变为直流 400V,送到全桥式逆变电路，逆变后供负载使用 。第三章电池
20、升压电路设计本设计的目标是完成从直流 24V 到直流 400V 带隔离变压器的 DC/DC 变换。将24V 的电池电压升高到 400V,做为逆变器的直流电源。现拟采用下图 3.1 所示的电路图，它由带隔离变压器的推挽式 DC-DC 变换电路和输出滤波电路组成，输出滤波电路为LC 低通滤波器，现分析整个电池升压电路的基本工作原理。平稳的直流电压（24V）供给高频变压器的原边。两个开关管和高频变压器共同组成 了带隔离变压器的推挽式 DC/DC 变换器，通过开关管的轮流导通，在变压器副边绕组两端分别形成相位相反的交流电压，变压器的副边交流电压经过二极管整流，然后经一个倒L 型低通滤波电路，得到稳定的
21、直流输出电压。一、电路设计（一）主电路设计1. 高频变压器设计本设计要求输出电压U0 为 400V，开关管的占空比最大值定为 Dmax=0.3。所以，高频变压器的次级输出电压U 次应能够在最大输出占空比的情况下，保证输出电压为 400V,UUo次2Dmax40020. 36 6 7 V（3.1）高频变压器初级输入电压U 初24V（3.2）由此可得高频变压器的匝数比 nU初U次24166728（3.3）输出功率为Po500W（3.4）图 3.1 电池升压电压主电路结构图2. 输出滤波电路的设计a. 滤波电感：一般工程设计算法中，要求输出电流的最大脉动量 i 为最大输出电流的 20%， 因为iI
22、o20%1.250.20.25A (3.5)则：LULti400 3 0.256.4mH(3.6)b. 电容的选择根据工程经典值3. 主开关元件设计C500uF(3.7)场效应管是一种体积小、重量轻、耗电省、寿命长，利用电场效应来控制电流大小的半导体器件，这种器件有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单等优点，因而获得了广泛的应用。场效应管的开关频率可以非常高，因此在高频的情况下，使用场效应管比 IGBT 更加符合要求。同时场效应管为电压驱动型器件，因此驱动电路简单。与二极管的选型类似，主开关器件的选型，主要是确定开关器件的正向平均电流和正向电压峰值。根据全桥式DC-DC
23、变换器的特点，每个开关管的承受的电压为 Ui，即：UdspUi24V(3.8)额定电压一般取为正常工作时 MOSFET 所承受峰值电压的 23 倍，即：U DS(2 3)U dsp32472V (3.9) 确定了 MOSFET 的峰值电压，还需要计算开关管工作时的平均工作电流，输入电流：Iin500/2421A(3.10)则： IV0.5Iin0.5 2110.5A (3.11)额定电流为正常工作时的 23 倍，即：ID(2 3)Iv25A (3.12)4. 整流二极管设计每个二极管承受最大反向电压为高频变压器次级输出电压U次 ，即 667V。额定电压一般取为正常工作时所承受峰值电压的 23
24、倍，此处选取 800V,每个二极管工作时平均电流为输出电流的 0.5 倍，即 0.625A，额定电流为正常工作电流的 23 倍， 此处取为 1.5A。可选用东芝 3JH61，耐压 800V,额定电流 3A，反向恢复时间 0.5s。（二）控制电路设计1. UC3825 简介UC3825 是一款针对开关电源的高频率高效率 PWM 控制芯片，它使用电压控制模式， 其最高工作频率可达 1MHz，带有基准电压输出、软启动和过流保护模块。其脉宽比较器的输入端可以用负载输出的电压信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。使用 UC3825 的开关电源的电压调
25、整率、负载调整率和瞬态响应特性都较高。因此 UC3825 是比较理想的 PWM 控制芯片。2. UC3825 的引脚功能（1） 引脚 1（INV）：闭环系统中接反馈信号，为误差放大器反相输入端，用于形成电压比较电路。（2） 引脚2 (NV)：此脚为与INV 端行比较的误差放大器同相输入端。通常是设置的基准电压。（3） 引脚 3（E/A Out）：与 INV 端构成比例积分反馈电路的误差放大器的输出端。（4） 引脚 4（Clock）：两片PWM 芯片链接运行时，提供给芯片同步时钟信号的时钟输出端。输出与震荡频率一致的时钟信号。（5） 引脚 5 和引脚 6 (CT 和 RT)：这两脚设置芯片的工作
26、时钟，通过接不同的电容和电阻，形成不同的锯齿波信号。（6） 引脚 7（Ramp）：此脚为斜坡补偿端。（7） 引脚 8 (Soft Start)：此引脚接一个电容，在整个电路上电时可以抑制电路的冲击电流，为软启动端，有保护功率元件的作用。（8） 引脚 9 (ILIM/SD)：此引脚具有过流保护的功能，只要将输出电流反馈至此端， 当电源输出短路情况或者输出电流过大出时，即一旦超过内部设定值，芯片可以迅速封锁输出，让整个电路处于关闭状态。（9） 引脚 10，引脚 13 和引脚 15（Gnd，Pwr Gnd 和 Vcc）：这些脚分别接信号地，功率地，和电源电压。（10） 引脚 11 和引脚 14（Ou
27、t A 和 Out B）：这两脚输出互补的高低驱动脉冲信号。（11） 引脚13 和引脚 16 (Vc 和 Vref)：引脚13 是为了能够获得足够的驱动能力或者配合不同的驱动电压等级设置的驱动电路的电压输入端，设计者可以随意调整。引脚 16为稳定的 5.1V 基准电压输出端。3. UC3825 的工作原理UC3825 的内部电路包含多个功能的子模块，有锯齿波和时钟产生，误差放大与比较， 电源和内部故障检测，软启动，过流保护和输出逻辑控制驱动等模块。a. 锯齿波和时钟产生模块。引脚 5 接芯片内部 3V 的稳定电压，引脚 6 接芯片内部的一个恒流源。如果引脚 5 和对地端接上一个电阻，电阻上就会
28、流过电流 Ir，芯片内部经过检测引脚 5 上的电流而产生一个与之一样的恒定充电电流 Ic=Ir。如果在引脚 6 和对地端接一个电容，这个充电电流 Ic 就对电容 C 进行恒流充电，CT 端电压就会呈线性的斜坡增加，在刚开始的时候，引脚 6 端电压较低，与之连接的电压比较器输出为低电平，图中的两个三极管截止。可是当引脚 6 端的电压大于迟滞比较器的预定值时，电压比较器的输出跳变为高电平，使两个三极管迅速开通，与引脚 6 连接的三极管使电容 C 中的电荷迅速释放，与引脚4 连接的三极管开通，Clock 端就输出高电平。当外接电容的电压降至使迟滞比较器的输出为低电平后，两个三极管截止。然后外接电容重
29、新进行恒流充 电，电路进入下一个工作周期，线性度良好的锯齿波信号就是在这样过程中不断产生的。b. 误差放大与比较模块，由引脚 1,2,3 连接成的一个反相误差放大器和一个电压比较器组成。电压比较器通过误差放大器将电路输出的电压信号转换后与引脚 7 接入锯齿波电压相比较，随之输出高低电平。由此可得：比较器输出的高低电平时间是由误差放大器的输出电压与锯齿波电压相比较决定的。若误差放大电压越小，比较器输出的高电平时间越长，反之越短。c. 电源欠压保护和内部故障检测模块。两个电压比较器组成了此模块的功能。电源欠压保护通过输入电源电压与一个 9V 的稳定电压进行比较实现，内部故障检测通过由稳压器得到的基
30、准电压与一个 4V 电压进行比较实现。只有当电源电压和基准电压都正常稳定时，后方电路才正常工作，从而使芯片正常工作。如果有一个电压不稳定，后方电路就会使输出驱动电路停止工作，从而达到保护主电路的目的。d. 软启动模块。因为整个电路刚上电的瞬间，电路输出电压值很小，反馈给给误差放大电压值比较大，误差放大的电压接近饱和，进而使输出端的占空比接近最大，使驱动电路输出电压极高，形成很大的冲击电流，很有可能会损坏开关器件。软启动模块是就是在引脚 8 外接一个充电电容，使该脚上的电压不能突变为 0V。在电路刚上电时封锁了误差放大器的电源地，使误差放大器在这一瞬间丧失作用。然后芯片内部的恒流源持续对引脚外接的电容进行充电，使“inhibit”
