交流单相在线式不间断电源的设计

摘 要：设计在市电正常时先将交流电整流、滤波为直流，再逆变为交流。本设计采用正弦波单相逆变电源控制芯片U3990F6-50作为主控芯片；设计由九个单元构成：主电路单元、主控制单元、反馈单元、辅助电源单元、充电单元、功能保护单元、驱动单元、显示单元、Boost升压电路单元。当输入电压过低时，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。

关键词：不间断电源（UPS）；正弦脉宽调制；电压电流双闭环控制

中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 12-0000-01

一、设计方案论证

方案一：采用DSP作为核心控制器，主电路采用半桥逆变。这种方案控制部分功能强大，可同时控制逆变主电路和各个分支电路。但半桥逆变电压利用率低，要求输入电压很高。而且DSP控制的成本较高，程序复杂，给设计增加了难度.

方案二：SPWM逆变器

SPWM型变换器是给逆变器固定的直流电压，通过开关元件有规律的导通和关断，得到由宽度不同的脉冲组成的电压波形，削弱和消除某些高次谐波，得到具有较大基波分量的正弦输出电压。

方案三：采用U3988作为控制核心，逆变主电路采用全桥逆变。这样可以做到硬件电路简单，电路可靠性增强，设计周期变短。这样输入电压不用提到很高就可输出要求的电压。

方案四：采用SA866控制芯片，SA866所有的运行参数，包括载波频率、波形、最小脉冲宽度、死区脉宽等都是通过外接的EEPROM编程，由于数字电路在高频电路中会受到严重干扰，因此SA866在应用上有了一定的局限性。

方案五：采用多重移相叠加阶梯波合成逆变器阶梯波合成逆变器的输出波形为阶梯波，其阶高按正弦规律变化。这种阶梯波中的谐波含量比方波显著减少，如阶梯波数为18的阶梯波总谐波含量为基波的9.48%。如果阶梯数越多，则总的谐波含量就越小。但这种电路过于复杂，因此本方案不予采用。

综上所述，在方案二中，由于采用恰当的芯片，使电路简单，无须编程，成本低廉，能够满足系统设计的要求，所以选择方案二。

二、组成单元

主电路单元：采用全桥逆变电路共有四个臂，可以看成是两个半桥逆变的组合而成，成对的两个桥臂同时导通，两对交替各导通180度，全桥逆变电路是单相逆变电路中应用最多的。

主控制单元：采用采用U3990F6-50控制芯片，在逆变状态下，OUTA输出的SPWM脉冲序列经过逆变后对应正弦波的正半周；OUTB输出的SPWM脉冲序列经过逆变后对应正弦波的负半周，并且要注意的是加在反馈引脚上的电压必须是实时的。

反馈单元：利用变压器将生成的交流信号变到9V，再将整流之后的电压反馈给U3990F6-50的2脚，从而实现稳压、调压。

辅助电源单元：采用UC3842控制芯片，此芯片构成的反激电源，电路简单而且效率高，可以满足各个用电单元的需求。

充电单元：采用的是恒流充电电路，充电电流可以达到0.4A，而且还具有过充保护功能。设计采用运放LM358，通过调节同相端与反相端的分压电阻可以实现对电池过充的保护。本设计的过充电压设定为38V。当电池电压超过36V时，反相端的电压将超过同相端的设定值，使得放大器输出发生翻转，输出低电平，三极管截至，使得TIP42截至，停止充电，实现了过充保护的功能。

功能保护单元：过流保护和短路保护是利用电流互感器来实现的，通过示波器的观察电流互感器能快捷准确的采集输出的交流信号，这样使得保护动作快，整个电路受到的冲击降到了最小。欠压保护和升压变换通过运放构成的比较电路来控制继电器实现的，在实际运行过程中有完美的表现，完全到达了要求。

驱动单元：采用的光耦隔离驱动能很好的将主电路与控制电路分开，达到了利用弱电控制强电的目的。

显示单元：采用的是单片机89S52和TLC2543组成的信号采集处理方案，可以准确的显示输出的电压、电流以及输出功率。

Boost升压电路单元：为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，但蓄电池工作电压范围的下限为29V，如果逆变前的电压不做处理，会使电压调整率降到很低。所以本设计在输入滤波和逆变之间加入一级Boost升压电路，主控芯片采用UC3843

三、部分电路的分析

（一）控制电路的分析

控制电路共分两部分，一部分为逻辑量控制，一部分为模拟量控制，根据主逆变电路为单极性的要求，电路采用正负半周分别驱动的方式，当正半周时，LM339比较器输出为低电平，通过与非门4011B转换成高电平，从而打开与门4081B，使得输出脉冲在整个正半周期间通过与门4081B的4脚，控制输出主电路开关管Q2、Q3导通；同理，当正弦波为负半周时，LM339输出为高电平，从而控制对角桥臂Q1、Q4导通，这样就实现了SG3525双组驱动脉冲在每个半周期内同时输出的要求，保证了整流后的正弦波与三角波比较，完整输出的要求。

模拟量控制采用电压、电流双闭环控制调节，其基准为标准正弦波，电压反馈通过电压互感器再经放大器放大后进入PI调节器与标准正弦波进行比较，从而达到消除误差正弦跟随的目的，PI调节器的输出作为电流比例调节器的基准输入，同时电流反馈信号经电流互感器输入比例调节器，经比例调节器对电压信号和电流信号的综合调节，输入至精密整流电路，达到SG3525仅能输入单极性的要求，其中重要的一点电流反馈信号的引入对增加系统的阻尼、改善波形的失真度都起到了良好的作用。

考虑输出空载情况，电压上升过高，故此该电路设计了空载电压限制电路。

（二）充电单元的分析

充电电流较小，主控制管损耗不大，所以蓄电池充电电路采用线形电源结构，线形电路的主调节管为2SC3281，控制调节管为C2383，调节器采用OP37放大器，充电电路的最大充电电流为0.5A，最高充电电压为40V，采用倒接二极管的形式，当电池电压升至40V时，二极管自然截止，防止电池过充。

四、结论

由于在电源逆变之前加入了Boost升压电路，使逆变电源的电压调整率很小；所有经过大电流的线路均尽量采用粗导线，开关器件均选用优良器件，器件的各项指标参数均远大于额定值，所以电压调整率和负载调整率均得到提高；充电电源采用恒压恒流的形式，输出电流达到250mA，浮充电压41.4V，既能快速充电又能产生过充；逆变器的控制芯片采用正弦波逆变器专用芯片U3990F6-50Hz，大大降低了输出正弦波的失真度。所以本设计具有效率高、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。

五、创新点

（1）逆变之前加入了Boost升压电路，提高了电压和负载调整率；

（2）采用了专用U3990F6-50控制芯片，使电路结构简单，可靠性提高；

（3）采用恒压恒流的形式给蓄电池充电，使蓄电池不至于过充。