２４Ｖ交流單相在線式不間斷電源的設計

摘要：設計了一款輸出24V交流單相在線式不間斷電源。設計中采用正弦波單相逆變電源控制芯片U3990F6-50作為主控芯片；采用Boost升壓電路對輸入電壓升壓，使逆變之前的電壓維持在40V以上，使電壓和負載調整率大大提高了；采用恒壓恒流的形式對蓄電池進行充電；電路具有過流保護，電池欠壓報警及保護等功能。

關鍵字：恒壓恒流；SPWM；正弦波失真度

1前言

在很多領域里需要安全的低壓供電電源，可以通過變壓器將市電轉換成用戶所需要的安全電壓，但市電是不穩定的。為了提高供電的質量，并在市電停電時提供不間斷供電電源，在某些領域是很有必要的。

2 電路整體結構和預期達到的指標

2.1 本設計的原理框圖如圖1所示，不間斷電源由變壓器、AC/DC切換電路、蓄電池充電電路、Boost升壓電路、SPWM單元、驅動電路、逆變單元、逆變電流檢測電路、輸出電壓檢測電路和輔助電源電路等組成。

2.２ 本設計預期達到的指標為：

交流輸入：29~43V；輸出電壓：24V；輸出額定功率：80W；輸出頻率50Hz；效率：η≥80%；輸出正弦波失真度：小于5%；電壓調整濾和負載調整濾：均小于2%;具有輸出短路保護、電池欠壓保護等功能；

3 電路設計

3.1 輸入整流濾波與AC/DC切換電路

輸入整流濾波與AC/DC切換電路如圖2所示，T1是輸入變壓器，變比為AC220/AC36，B1是整流橋，繼電器K1用來進行市電和蓄電池切換，C1、C2和C3是輸入濾波電容，當有市電輸入時繼電器K1吸合，開關切換到市電，負載由市電供電。當市電停止時繼電器K1放開，開關切換到蓄電池，負載由蓄電池供電。在切換過程中，由于輸入濾波電容的儲能作用，且容量較大，保證在切換過程中負載不間斷供電。

3.2Boost升壓電路

要保證交流輸出幅度維持在24V，逆變之前的直流電壓至少為24×1.4=33.6V，但蓄電池工作電壓范圍的下限為29V，如果逆變前的電壓不做處理，會使電壓調整率降到很低。所以本設計在輸入濾波和逆變之間加入一級Boost升壓電路。圖3是Boost升壓電路，主控芯片采用UC3843，Q1是開關管，L1是儲能電感，D1是升壓二極管，R5和R6升壓電路的輸出電壓進行采樣，R4是開關電流檢測電阻。

3.3 DC/AC逆變電路

DC/AC逆變電路如圖4 所示。逆變部分采用橋式逆變電路的結構，Q2~Q5是逆變橋的4個功率開關管；L2和L3是濾波電感；T2是逆變輸出電壓采樣變壓器，變壓器變比設計為24：9，變壓之后進行整流，整流后的信號經R51分壓等到采樣信號AV_CK，AV_CK送到SPWM控制芯片的逆變輸出電壓反饋引腳，由芯片對逆變輸出電壓實現穩壓、調壓，調節電位器R51可以調節逆變器輸出電壓；R90是過流檢測電阻，當輸出短路時，電阻R90上的壓降大到可以使U13導通，SPWM控制芯片停止脈沖輸出。

3.4 SPWM控制與驅動電路

為了減小UPS輸出的正弦波失真度，還要提高電路的穩定性，本設計決定采用專用的SPWM芯片U3990F6-50。驅動電路部分為了減少電源的路數，決定采用自舉電路的形式，而不是采用光耦隔離的形式，驅動電路采用專用芯片IR2110。

SPWM控制芯片采用正弦波逆變器專用芯片U3990F6-50Hz，U3990是數字化的、專為車載、太陽能。風力及數碼發電機而設計的 純正弦波單相逆變電源主控芯片，它不僅可以輸出高精度的SPWM正弦脈沖序列，還可以實現穩壓、保護、空載時自動休眠等功能，并且具備LED指示燈驅動、蜂鳴器控制、逆變橋控制引腳，從而可以利用該芯片組成一個性能優良的逆變系統。

SPWM控制與驅動電路如圖5所示。圖中U11A~U11D、R41、R42、R54、R55、C47~C50組成死區控制電路；U10A~U10B是反相器，對U9輸出的兩個SPWM脈沖序列進行反相，和各自反相之前的信號組成逆變橋一個橋臂的上下兩個功率開關管的驅動信號；U4和U12是高壓懸浮驅動器IR2110，IR2110是具有兩個輸出的橋臂MOSFET柵極驅動器集成電路，由于IR2110具有快速完整的保護功能，因而可提高控制系統的可靠性，縮小控制板的尺寸。

3.5 蓄電池充電電路

本設計采用的蓄電池為3節12V串聯的形式，蓄電池型號為NP-13-12，充電電壓為13.5~13.8V時不受限制，充電電壓為14.4~15.0V時最大充電電流為0.39A。所以本設計的充電器的浮沖電壓設定為13.8×3=41.4V，輸出最大電流為250mA，充電器的輸出采用恒壓恒流的形式

蓄電池充電電路如圖6所示。本電路采用反激式變換器拓撲結構，輸出采用恒壓恒流的形式，圖中U4是主控制芯片UC3843；Q8是開關管；T2是主功率變壓器；D7、C30和R28組成RC吸收回路； R29、R30和R32對出電壓進行采樣；U6是誤差比較器，內部基準為2.5V；光耦合器U5起到信號傳遞與電氣隔離的作用；U7、U8、R33~R36、C35和C36組成恒流控制電路，R36的大小決定了輸出恒流的大小。

3.6 輔助電源電路

本設計的需要一個兩路輸出的輔助電源，兩路輸出共地，輸入輸出不要求隔離。因為反激式電源輸出功率一般在150W以下，本設計的輔助電源就采用反激式的電源拓撲結構。

輔助電源電路如圖7所示?？刂齐娐方Y構與蓄電池充電電路控制結構相似，只不過這里反饋沒有光耦隔離。電源輸出設為12V，12V再經過穩壓器LM7805得到5V電壓，12V給Boost升壓電路和逆變橋驅動電路供電，5V給SPWM控制電路供電。

4測試數據：

在交流供電U1=36VAC和直流供電U3=36VDC兩種情況下，輸出電壓U2=24.04V， 頻率為49.99Hz，額定輸出功率80W；切斷交流電源后，在輸出滿載情況下工作時間8分30秒；負載調整濾負載調整濾的測試數據和結果如表1所示。

具有短路保護功能；

具有欠壓保護功能，當蓄電池的放電電壓≤29V時整機自動保護停止工作；

滿載條件下，輸出正弦波失真度為2.5%；

基波電壓為23.6V

三次諧波電壓為 0.55v 其他諧波電壓為0v；;

具有給蓄電池充電功能，充電電流為250MA浮充電壓為41.4v。

結論

從實測的數據可以看出，本設計具有效率高、正弦失真度小、電壓和負載調整率低、其他保護功能齊全等特點，完全達到并超過了預期指標。

參考文獻

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[3]黃智偉，全國大學生電子設計競賽系統設計.北京航空航天大學出版社.2006.12

[4]U3990F3數據手冊.www.sup-way.com

作者簡介：張秀，男，1977年7月生，碩士學位，助教，研究方向為高頻開關電源。