24V交流单相在线式不间断电源

仅供个人参考不得用于商业用途24V交流单相在线式不间断电源小组成员：摘要：本文是关于设计一款输出24V交流单相在线式不间断电源。设计中采用正弦波单相逆变电源控制芯片U3990F6-50作为主控芯片；采用Boost升压电路对输入电压升压，使逆变之前的电压维持在40V以上，使电压和负载整调率大仅供个人参考不得用于商业用途大提高了；采用恒压的形式对蓄电池进行充电；电路具有果留保护，电池欠压报警及保护等功能。关键词：SPWM;整流器；逆变器1.系统方案设计1.1引言在很多领域里需要安全的低压供电电源，可以通过变压器将市电转换成用户所需要的安全电压，但市电是不稳定的，所以通过设计使变压后的市电稳定是很有必要的。为了供电质量，并在市电突然断开是提供不间断供电电源，在某些领域给予了很大的帮助。1.2总体设计方案1.2.1方案论证与比较（1）DC-DC（直流-直流）变换器的方案论证与选择方案一：推挽式DC-DC变换器。推挽电路是由两个不同极性、相同参数的功率BJY管或MOSFET管组成，以推挽方式存在于电路中。电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小效率高。方案二：Boost升压式DC-DC变换器。开关的开通和关断受外部PWM信号控制，通过改变PWM控制信号的占空比可以相应实现输出电压的变化。该电路采取直接直流升压，电路结构较为简单，损耗娇小，效率较高。方案比较：方案一和方案二都适用于升压电路，但Boost升压电路结构简单，易于实现，且效率很高。所以采用方案二。（2）DC-AC（交流-直流）变换器的方案论证与选择方案一：半桥式DC-AC变换器。其优点是简单、使用器件少；其缺点是只在低输出功率场合下使用。但同时它具有抗不平衡能力而得到广泛应用。方案二：全桥式DC-AC变换器。全桥电路中互为对角的两个开关同时导通，而同一侧半桥上下两开关交替导通，将直流电压成幅值为Vin的交流电压，加在变压器一次侧。改变开关的占空比，比就改不了输出电压Vout。方案三：推挽式DC-AC变换器。只有两个功率开关器件，功率开关管的导通损耗小。但是所用器件的耐压值高。方案比较：方案一、二、三都可以作为DC-AC变换器的逆变桥。在获得同样的输出电压的时候，全桥的供电电压可以比半桥的供电电压低一半。而且，半桥电路选取的电容量通常较大，使得成本上升。而推挽式必须要有输出变压器，切变压器要求高。所以采用方案二。1.2.2系统组成仅供个人参考不得用于商业用途如图1所示为本设计的原理框图，此24V交流单相在线式不间断电源由变压器、AC/DC切换电路（整流器）、蓄电池充电电路、电池电压检测、Boost升压电路、SPWM单元、驱动电路、DC/AC切换点路（逆变器）、逆变电流检测电路、输出电压检测电路和辅助电源电路等组成。1.3预期达到的指标交流供电为29~43V；输出交流电压为24V；输出频率为50Hz；输出额定功率为80W；效率为η≥80%；满载条件下，输出正弦波失真度不大于5%；切断交流电源后，在输出满载情况下工作时间不少于2分钟；电压调整率和负载率均小于2%；具有输出短路保护、电池欠压保护等功能。2.主要单元硬件模块设计2.1输入变压与整流滤波电路输入变压与整流滤波电路如图2所示，输入变压器AV-AV的变比为AC220/AC36，DB103为整流桥，继电器K1用来进行市电和蓄电池切换，C1、C2、C3是输入滤波电容。当有市电输入时，继电器K1吸合，开关闭合，负载由市电经过变压整流后供电，且对蓄电池进行充电。当市电停止时，继电器K1断开，负载由蓄电池进行供电。在切换过程中，由于输入滤波电容的储能作用，且容量较大，保证在切换过程中的负载不间断供电。AC220V输入变压器整流器切换开关蓄电池充电电路蓄电池辅助电源Boost升压电路逆变电路检测逆变电路驱动电路电池电压检测SPWM输出电压检测AC12V输出12V输出5V输出图1原理框图仅供个人参考不得用于商业用途2.2Boost升压电路要保证交流输出复读维持在24V，逆变前的直流电压至少为24*1.4=33.6V，但蓄电池工作电压的下限为29V，如果逆变前的电压不做处理，会使电压调整率降到很低。因此需要在输入滤波和逆变之间加入一级Boost升压电路。图3为Boost升压电路，采用UC3843为主控芯片，U1是开关管，L1是储能电感，D2、D3、D4是升压二极管，R6和R7为升压电路的输出电压进行采样，R5是开关电流检测电阻。图2输入变压与整流滤波电路仅供个人参考不得用于商业用途2.3DC/AC逆变电路DC/AC逆变电路如图4.1所示。逆变部分采用桥式逆变电路的结构，U2~U5是逆变桥的4个功率开关管；L1是滤波电感；R2是过流检测电阻，当输出短路时，电阻R2上的压降到可以使U1导通，SPWM控制芯片与停止脉冲输出。输出电压检测电路如图4.2所示。变压器是逆变输出电压采样变压器，变压器变比设计为24:9，变压之后进行整流，蒸馏后的信号经过R2分压得到采样信号AV_CK，AV_CK送到SPWM控制芯片的逆变输出电压反馈引脚，由芯片对逆变输出电压实现稳压、调压，调节电位器R2可以调节逆变器输出电压。2.4SPWM控制与驱动电路为了减小UPS输出的正弦波失真度，还要提高电路的稳定性，需要采用专图3Boost升压电路图4.1DC/AC逆变电路图4.2输出电压检测电路仅供个人参考不得用于商业用途用的SPWM芯片U3990F6-50。驱动电路部分为了减少电源的路数，决定采用自举电路的形式，而不是采用光耦隔离的形式，驱动电路采用专用芯片IR2111。U3990是数字化的、专为车载、太阳能、风力、数码发电机而设计的纯正弦波单相逆变电源主控芯片，它不仅可以输出高精度的SPWM正弦波脉冲序列，还可以实现稳压、保护、空载时自动休眠等功能，并且具备LED指示灯驱动、蜂鸣器控制、逆变桥控制引脚，从而可以利用该芯片组成一个性能优良的逆变电源系统。全自动运行、降低空载功耗是该芯片的设计宗旨：所有的保护功能都具备试探性恢复功能，尽量为用户提供使用操作上的方便；该芯片独有的空载时自动休眠功能，可以大幅度降低正弦波逆变电源的空载功耗。用该芯片控制的逆变桥输出，既可以是传统的工频变压器结构，也可以是高频升压后的直接逆变结构。为方便生产过程中的调试，该芯片还具备测试模式，在该模式下，所有的保护功能、自动休眠均不起作用，仅工作在可以稳压的逆变状态，为最基本的调试和测试提供了方便。高压悬浮驱动器IR2111是具有两个输出的桥臂MOSFET栅极驱动器集成电路，具有快速完整的保护功能，因而可提高控制系统的可靠性，缩小控制板的尺寸。SPWM控制如图5.1所示与驱动电路如图5.2所示。图5.1SPWM控制仅供个人参考不得用于商业用途2.5蓄电池充电电路蓄电池选择为3节12V串联的形式，型号为NP13-12，充电电压为13.5~13.8V是不受限制，充电电压为14.4~15.0V时最大充电电流为0.39A。所以设计的充电器的浮充电压设定为13.8*3=41.4，输出最大电流为250mA。对恒压充电电路，一定要合理调整其输出的充电电压。若充电电压过高，则充电初期的充电电流会过大，容易损坏蓄电池，而充电电压过低，则充电后期的充电电流就会过小，造成充电不足。并采用分级充电电路，即在充电初期采用恒流充电，当蓄电池电压达到其浮充电压后，采用恒压充电。使蓄电池的充电基本上沿着理想的充电曲线进行，从而延长蓄电池的使用寿命。而且恒压电路电路简单，成本低廉。因此充电器的输出采用恒压恒流的形式蓄电池充电电路，如图6所示。UC3843为主控芯片，R3进行降压，D1进行稳压；Q1为提升式开关稳压器；R1、R2为分压器；R10对电流进行采样，可通过R9、C4平滑，来实现对电流的控制。图5.2驱动电路仅供个人参考不得用于商业用途2.6辅助电源系统需要一个两路输出的辅助电源如图7，两路输出共地，输入输出不要求隔离。因为反激式电源输出功率一般在150W以下，所需的辅助电源就采用反激式的电源拓扑结构。辅助电源电路如图7所示。控制电路结构与蓄电池充电电路控制结构相似，只不过这里反馈没有光耦隔离。电源输出设为12V，12V再经过稳压器LM7805得到5V电压，12V给Boost升压电路和逆变桥驱动电路供电，5V给SPWM控制电路供电。图6蓄电池充电电路仅供个人参考不得用于商业用途2.7显示模块为了对整个系统进行可视化监视，设计需要一个显示电路，采用的是液晶现实，液晶显示具有显示内容广泛、准确、实时的优点，适合在不间断供电系统，如图8所示。取样来的各类电压、电流经整流后的模拟信号送到多路转换开关ADC0809（模数转换器）的输入端，经ADC0809转换为数字信号由P1口送入单片机。单片机通过信号选择段顺序读取各路参数值，并通过P0口送到液晶显示屏进行顺序显示，现实内容也可以通过单片机的P3.2口的选择开关进行选择。图7辅助电源电路Iifi···5V交流输入取样蓄电池电压EUoIofoERSR/WDB0...DB7单片机P0口OE5VRD———WR———液晶显示屏选择开关显示内容控制ADC0809EABUS图8现实模块仅供个人参考不得用于商业用途仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途。Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse.NurfürdenpersönlichenfürStudien,Forschung,zukommerziellenZweckenverwendetwerden.Pourl'étudeetlarechercheuniquementàdesfinspersonnelles;pasàdesfinscommerciales.толькодлялюдей,которыеиспользуютсядляобучения,исследованийинедолжныиспользоватьсявкоммерческихцелях.以下无正文