24V在线式不间断电源
- 格式：doc
- 大小：156.50 KB
- 文档页数：7
24V交流单相在线式不间断电源
作者单位：绍兴文理学院
小组成员贺星辰（电信082）
樊清滔（电信082）
黄玉婷（电信081）
2010年8月22日
24V交流单相在线式不间断电源
摘要：本文设计了一款输出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，使电压和负载调整率大大提高了；采用恒压恒流的形式对蓄电池进行充电；电路具有过流保护，电池欠压报警及保护等功能。
而逆变部分采用驱动芯片IR2110进行全桥逆变，采用U3990F6完成SPWM的调制，后级输出采用电流互感器进行采样反馈，形成双重反馈环节，增加了电源的稳定性。
关键词：单相正弦波逆变DC-DCDC-ACSPWM
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，但有时会出现市电中断的情况。
为了能不间断提供电能，这种电源是非常必要的。
1.2 总体设计方案
1.2.1方案论证与比较
(1) DC-DC变换器的方案论证与选择
方案一：推挽式DC-DC变换器。
推挽电路由是两不同极性、相同参数的功率BJT 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，损耗较小，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变换器的方案论证与选择
方案一：半桥式DC-AC变换器。
半桥电路只在500W或更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。
半桥式拓扑结构原理图如图1.2.3所示。
方案二：全桥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
V的交流电压，加在变压器一次侧。
in
V。
全桥式电路如图1.2.4所示。
改变开关的占空比，也就改变了输出电压
out
方案比较：方案一和方案二都可以作为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。
所以出于上述考虑，决定采用方案二。
1.2.2 系统组成
本设计的原理框图如图1 所示，该电源由变压器、AC/DC 切换电路、蓄电池充电电路、Boost 升压电路、SPWM 单元、驱动电路、逆变单元、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。
图1系统结构图
2.主要单元硬件模块设计
2.1输入整流滤波与AC/DC 切换电路 2.2Boost 升压电路
要保证交流输出幅度维持在24V ，逆变之前的直流电压至少为24×1.4=33.6V，但蓄电池工作电压下限为29V ，如果逆变前的电压不做处理，会使电压调整率降到很低。
所以本设计在输入滤波和逆变之间加入一级Boost 升压电路。
图3是Boost 升压电路，主控芯片采用UC3843，Q 是开关管，L 是储能电感，终端电阻对升压电路的输出电压进行采样。
图3 Boost 升压电路
AC220V
输入 变压器 切换开关
Boost 升压电路
逆变电路检测
蓄电 池充 电电 路
蓄电池
电池电 压检测 SPWM
逆变 电路
驱动电路
AC24V 输出
输出电压检测
辅助 电源
12V 输出
5V 输出
2.3 DC/AC逆变电路
DC/AC逆变电路如图4所示。
逆变部
分采用H桥式逆变电路的结构，Q为逆变
桥的4个功率开关管；L是滤波电感；T是
逆变输出电压采样变压器，变压整流后
的信号送到采样信号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。
2.4 SPWM控制与驱动电路
为了减小UPS输出的正弦波失真度，同时
还能提高电路的稳定性，本设计决定采
用专用的SPWM芯片U3990F6-50。
驱动电路方面采用专用芯片IR2111。
图4 DC/AC逆变电路U3990F6-50Hz是数字化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正弦脉冲序列，还可以实现稳压、保护、空载时自动休眠等功能，从而可以提供一个性能优良的逆变系统。
而高压悬浮驱动器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控制与驱动电路如图5所示。
图5 SPWM控制与驱动电路
2.5蓄电池充电电路
本设计采用的蓄电池为3节12V串
联的形式，蓄电池型号为NP-13-12，
充电电压为13.5~13.8V时不受限制，
充电电压为14.4~15.0V时最大为
250mA，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。
本
电路采用反激式变换器拓扑结构，输
出采用恒压恒流的形式，图中U4是主
控制芯片UC3843；Q8是开关管；T2是
主功率变压器；D7、C30和R28组成RC
吸收回路；R29、R30和R32对出电压进
行采样；U6是误差比较器，内部基准
为2.5V；光耦合器U5起到信号传递与
电气隔离的作用；U7、U8、R33~R36、
C35和C36组成恒流控制电路，R36的大
小决定了输出恒流的大小。
图6蓄电池充电电路
2.6辅助电源设计
本设计的需要一
个两路输出的辅助电
源，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，本设计的辅助
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7辅助电源电路
3.系统调试
在交流供电U1=36VAC和直流供电U3=36VDC两种情况下,输出电压U2=24.04V,频率为49.99Hz，额定输出功率80W；负载调整率负载调整率的测试数据和结果如表1:
负载调整率Uo S
I
空载
满载
电压调整率的测试数据和结果如表2所示：
电压调整率U
(V) Uo(V) Sr(%)
I
此外，具有短路保护功能；具有欠压保护功能，当蓄电池的放电电压≤29V时整机自动保护停止工作；满载条件下，输出正弦波失真度为2.5%；基波电压为23.6V；
三次谐波电压为0.55V，其他谐波电压为0V；具有给蓄电池充电功能，充电电流为250mA,浮充电压为41.4V。
4.功能测试及结果分析
结论:从实测的数据可以看出，本设计具有效率高、正弦失真度小、电压和负载调整率低、其他保护功能齐全等特点，完全达到并超过了预期指标。
5.设计总结与体会
通过这次电子设计竞赛，我们小组成员齐心协力，自己动手设计制作完成了一个24V 交流单相在线式不间断电源。
这期间我们虽然也遇到了不少的困惑，但通过小组成员的集体讨论，困难一一被我们解决，通过这次比赛我们真正学会了一些解决实际的方法，而且动手能力得到了非常大的提升。
对于这个设计来说，我们总结了以下几点经验和教训。
在完成了该电子设计后，我们觉得这个设计还有可以改进和完善之处。
参考文献
[1] 康华光.电子技术基础模拟部分（第五版）.北京：高等教育出版社，2006
[2] 阎石.数字电子技术基础（第三版）.北京：高等教育出版社，1989
[3]宁武，唐晓宇，闫晓金.全国大学生电子设计竞赛基本技能指导，2009
附录1 使用说明
附录2 主要元器件清单
附录3 方案论证附图。
