（电力电子与电力传动专业论文）一种新型ups智能化平台的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 = _ = = 自女j = = _ = ；_ 自 a b s t r a c t w i t ht h es o a r i n g d e v e l o p m e n to f c o m p u t e r a n dc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k s ，t h e i n f o r m a t i o ni n d u s t r y r e q u i r e sh i g h e rs t a n d a r do f u p s i no r d e rt oo v e r c o m et h e d r a w b a c ko f l a c ko f a n yc o m m u n i c a t i o n r e g u l a r i t yb e t w e e nt r a d i t i o n a lu p s a n dt h e c o m p u t e rl o a d ，b e t w e e nc o m m u n i c a t i o nf a c i l i t i e s ，a l li n t e l l i g e n t i z e du p sp o w e r s u p p l y s y s t e m i sn e e d e d t h i s p a p e r d e a l sw i t ht h en e t w o r kc o n t r o lo f t h ec o r eo f i n t e l l i g e n t i z a t i o n f i r s t ，t h i sp a p e rp r e s e n t sas i m p l ee x p l a n a t i o na b o u tt h ec o m m o nh a r d w a r e s t r u c t u r ef o ru p s i tg i v e sab r i e f a c c o u n to f t h e t o p s t r u c t u r eo f d c d c s t e p - u p t r a n s f o r m e r sa n di t sa p p l i c a t i o n ，t h et o ps t r u c t u r eo f t h em a i nc i r c u i to f i n v e r t e ra n dt h e c o n s t r u c to fe p r o mw h i c hc o n t r o l st h e p u l s ew a v e o fp w ma n dt h e d e s i g nm e t h o d a n dt h ep o s s i b l em i s t a k e s i ta l s oe x p o u n d st h eh a r d w a r en e e d e df o ru p sn e t w o r k c o n t r o ls u c ha sm o d e ma n ds e r i a li n t e r f a c e so f r s - 2 3 2 i th i g h l i g h t st h et h r e e p a r t s o f p p pi nd i a l - u pn e ts u r f i n g ：h d l c ( h i g hl e v e ld a t al i n kc o n t r 0 1 ) ，l c p ( l i n kc o n t r o l p r o t o c 0 1 ) a n d n c p ( n e t w o r k c o n t r o l p r o t o c 0 1 ) i t s i m p l i f i e s t h e ma c c o r d i n g t o t h e a p p l i c a t i o n o f u p s a n d h a sr e d u c e d t h ec a p a c i t y o f s o f t w a r e p r o g r a m s a f t e ra n a l y z i n g t h ep r o t o c o lo f t c p i p ，i t s u g g e s t s t ou s et h es i m p l e r p r o t o c o lo f u d p i nu p s t a i l o r e dt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f c r c ，i nc o m b i n a t i o n o f f u l l yc u s t o m e r i z e dd e s i g n t e c h n i q u e so f a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) ，i ta t t e m p t s t od e s i g nt h e a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o nh a r d w a r ec i r c u i to f t h ec ：r c b a s e do nt h ea b o v e - m e n t i o n e ds t r u c t u r ea n d p r i n c i p l e ，am o d e lm a c h i n e i sb u i l t a n a l y s i sa n d e x a m i n a t i o no f v a r i o u st e c h n i c a ls t a n d a r d sh a sp r o v e dt h a tt h ed e s i g ni s f e a s i b l e k e y w o r d s ：u p s 、i n t e l l i g e n t i z a t i o n p p pt c p i pc r ca s i c i t 华中科技大学硕士学位论文 = j i = j = ；_ i = _ i ；_ _ l l i = ；_ = = = = = = = 一：= ： 1 绪论 1 f 电力电子技术发展现状 电力电子技术( p o w e re l e c t r o n i c s ) 是二十世纪重要的关键技术之一。它 是以电力为对象的电子技术称作电力电子技术，它是一门利用电力电子器件对电 能进行控制和转换的学科如果说微电子技术是信息处理技术，那么电力电子技 术就是电力处理技术。电力电子技术包括电力电予器件、变流电路和控制电路三 个部分，其中以电力电子器件的制造技 术为核心技术。电力电子技术与其他学 科的关系如图1 1 中所示的倒三角图形。 从图中可以看出，电力电子技术是电力、 电子、控制三大电气工程技术领域之间 的交叉学科。随着科学技术的发展，电 力电子技术又与现代控制理论、材料科 学、电机工程、微电子技术等许多领域 图1 1电力电子技术的n e w e l l 定义 密切相关。目前，电力电子技术已逐步发展成为门多学科互相渗透的综合性技 术学科。 电力电子器件是电力电子技术的基础，电力电子技术是随着电力半导体器件 的发展而发展的。从1 9 5 7 年以晶闸管为核心的传统电力电子技术阶段开始，到7 0 年代后期可关断晶闸管、电力晶体管及其模块的问世，期间伴随着微电子技术和 电力电子技术的发展与结合。其后出现的功率场控晶体管、绝缘门极晶体管等形 成了一个新的全控型器件大家族。这些器件正沿着功率化、快速化、模块化和智 能化的方向发展。 在高电压大电流的应用中( 如高压直流输电、无功补偿等) ，目前晶闸管仍占 主导地位，在中小容量的电力电子设备中，i g b t 和m o s f e t 应用则比较广泛。 典型的电力电子产品有斩波器、整流器、变频器、逆变器等，另外还有很多 组合变换器，如不停电电源( 先整流再逆变) 等。 华中科技大学硕士学位论文 = z z _ _ _ = 自t 自- i = = = = = = = = ；= = = = = = = ；= = = 一 电力电子器件和电力电子电路之问的关系十分密切，新器件的山现会促使电 路达到新的水平，新的电路设计又反过来对器件提出新的要求。随着电力屯子器 件的功率化、高速化，电力电予电路的容量水平和工作频率不断提高，电能变换 的质量也越来越好。 1 2 u p s 的技术现状及发展【2 j 3 1 随着电力电子技术的迅速发展和整个社会的进一步信息化，用电设备对电源 质量的要求越来越高，供电中断带来的损失也变得越来越难以承受，因此不停电 电源的应用也日益广泛，对不停电电源性能的要求也越来越高。如今，高性能、 高效率、小型轻量化和智能监控越来越成为各类不停电电源追求的目标，因而u p s 技术的提高也势在必行。u p s 技术包括整流( a c d c ) 、逆变( d c a c ) 、滤波、锁 相、开关调制信号的触发与驱动、信号跟踪与反馈、微处理器控制的数字化、网 络化及智能化等技术。 目前u p s 技术的发展方向主要有： 1 采用高频软开关技术，软开关技术减小器件应力和发热，提高了工作效率； 器件开关频率的提高使动态响应、谐波失真、可闻噪音等指标大幅度提高的同时 也使得装置的体积和重量大大减小【4 l 。 2 采用p f c 功率因数校正技术，将u p s 输入功率因数提高到相当理想的程度， 加强抗电磁干扰能力，降低辐射干扰，从而引出了绿色无污染u p s 的新概念。 3 采用新的电路结构，如熬合u p s 的整流器和充电器等，减小u p s 的体积和 成本，复杂程度嘲【6 l 。 4 采用模块化方式，容量模块方便用户扩容和管理，同时也便于安装和维修。 只需在原来的机箱里增加一个或几个模块。模块之间互相形成热备份并可带电插 拔。功能模块：便于开发，自由选用所需功能，大大缩短开发周期、减少成本。 5 采用完善的蓄电池保护技术和完善的网络管理系统通讯等，通过网络及时向 管理员报告各种消息，便于及时修理维护8 。 6 由于模拟系统存在元器件数量大、分散性强、不利于生产与调试的缺点；且 具有漂移、老化等不良特性，系统可靠性难以提高。而数字控制系统集成度高， 且具有很强的数据、逻辑运算能力，可以实现些复杂的先进算法和智能算法， 这些在模拟系统中甚至是不敢企及的。d s p 技术的优势还在于具有良好的自我诊 华中科技大学硕士学位论文 断功能，能迅速地排除故障；大幅度地减少零件的数量，从而大大降低因元器件 而造成的系统故障，提高其可靠性，并且运算控制起来比原来简单、准确、完美， 同时d s p 技术的引入也极大地推动了并联技术的发展，d s p 也将是日后u p s 技术 向成熟化发展的必然趋势。该技术有利于提高u p s 的效率、可靠性以及并机技术 的发展，是u p s 技术日后的必然发展趋势。另外采用数字控制的系统很容易实现 与计算机网络的通讯，可以通过网络对关键器件进行有效的监视，对已发牛的故 障有冗余措施处理。高档微处理器为u p s 蹩机性能指标的提高提供了强有力的支 持，形成以下特点：具有强大的运算能力，使整个控制系统响应极快；具有 很强的故障诊断能力和自我保护能力；具有很强的通信能力和友好的通信界面； 硬件电路大幅度减少，控制电路可靠性提高。u p s 系统的控制将朝着全数字化 控制的方向发展。 综上所述，u p s 将朝高频化、数字化、智能化、绿色化、网络智能化等趋势发 展。 目前国内市场u p s 品牌众多，大部分都可满足基本的指标要求：比如市r 乜到 电池的不停电切换、输入输出电压稳定度、输出频率稳定度、r s 2 3 2 接口、联网 能力、无人值守等等。从电路结构上来说可以分为下面几类： 图1 2 后备式u p s 结构简图 后备式 后备式( o m i n e ) 输出u p s 电源：又称离线式u p s a 有方波输出和正弦波输出 两种，其单机输出功率从0 2 5 k v a 2 k v a 左右。当市电电源电压在1 7 0 2 6 4 v 的范围内时，它向用户提供经变压器抽头调压处理过的一般市电电源，当市电电 3 华中科技大学硕士学位论文 源的电压异常时，提供具有稳压输出特性的5 0h z 方波电源或者u p s 逆变器j e 弦 波电源。图1 2 是后备式u p s 的结构示意图。 这种u p s 的优点是可靠性高、结构相对简单、效率高、成本低、价格便宜。 缺点是供电波形质量较差，市电异常时需启动逆变器工作因而需要定切换时间： 特别是方波电源不使用感性负载。输入输出直接相连，对电源的浪涌和噪音不能 提供根本上的保护，需加浪涌吸收电路，频率适应性差。因而一般只有无重要设 备和重要信息的用户采用，或者用于对信息处理要求不是非常严格的场合，如小 功率为单台计算机供电。 在线互动式 在线互动式( i n t e r a c t i v e ) u p s 电源：其单机输出功率从o 7 k v a 2 0 k v a 左右。 当市电电源在正常范围内时，经由一条传输电缆所组成的交流旁路直接向用户提 供市电电源。当市电电压在1 5 0 v 1 8 0 v 或2 4 0 v 2 7 6 v 范围内时，经位于交流旁 路供电通道上的变压器抽头调压处理电路所组成的交流调压器向用户提供经过简 单处理的市电电源，其幅值为1 9 7 v 2 5 0 v ( 用户实际上使用的电源仍是来自一般 市电电网的具有频率波动、波形畸变度高及从电网串入的干扰等所困扰的低质量 电源) 。仅仅当市电电源的电压低于1 5 0 v 或高于2 7 6 v 时，才有可能向用户提供 真正的u p s 逆变器正弦波电源。双向变换器作为整流器向蓄电池充电，同时因为 变换器一直连接着输出，所以可以提供附加的滤波，减小市电瞬变对负载的冲击。 仅当市电电源电压异常时，蓄电池经出变流器向用户提供真正的“u p s 逆变器正 弦波，电源，此时双向变换器作为逆变器向负载提供正弦波电源。其结构简图如 图1 3 所示。 华中科技大学项士学位论文 = _ 目e i = _ _ _ _ - _ _ _ _ l - l = t i = 目= = 自j = = 一! 在线互动式u p s 的主要应用场合是对交流电压的精度要求不太高的地方。在 线互动式单变换u p s 省去了输入整流器和充电器，充电器由被称为双向变换器的 逆变器充当其切换效果也是在线式的，即当市咆在一定范围中变化时，负载主 要由经过粗稳和滤波的市电提供，只有当市电异常时，才由逆变器全力向负载供 电，这时的功能和双变换结构一样。其主要的不足就是输出电压稳定度不如双变 换高，对输入功率因数也无调整作用。 双变换在线式 双变换在线式( o n l i n e ) u p s ：其单机输出功率为0 7 1 5 0 0 k v a 。电源当市电正 常时，由市电经a c d c 、d c a c 两次变换后供电给负载。当市电异常时，电池经 d c d c 变换再逆变后供给负载能量。因为市电经过两级变换，因而市电和负载的 波动完全隔离，给负载提供完善的保护。对于这样的机型，可以采用多机“冗余” 并机配置方案时，可将2 9 台具有相同输出功率和相同型号的u p s 电源直接并机 而形成7 0 0 0 8 0 0 0 k v a 的大型u p s 供电系统。它一般由整流回路、逆变回路、旁 路切换回路、充电回路以及d c d c 升压隔离回路或a c a c 输出升压隔离回路， 其原理框图如图1 4 所示。i l o l 旁路 廿酬压娥h 班 。田。占 图1 4 在线i 妣p s 结构简图 双变换在线式u p s 有许多优点：供电质量好，无论任何时候供给负载的都是 真正纯净的正弦波：市电到电池的零切换时间：输出电压无三次谐波；对市电到 负载和负载到市电两个方向上的电压变化都有缓冲作用；允许逆变器在很宽的直 流电压范围工作；中线上无电流等。然而传统双变换在线式u p s 的缺点和局限性 也很明显：电路复杂、系统效率低、成本高，大功率u p s 产品采用的相控整流还 华中科技大学硕士学位论文 墨= _ l _ 电昔_ _ _ l 重_ _ - e 宣皇崔鲁昔喜詈 鲁霉墨= 孟= 会出现对电网的干扰。还有因为逆变器一直处于工作状态，因而对逆变器的可靠 性和寿命有较高的要求。且由于在任何状态下，l o o 的负载功率都要经过两次转 换，因此其整机效率不高，主要功率器件发热厉害，寿命降低，影响整机的可靠 性。由于整机输入功率因数低，输入电流高次谐波可达3 0 ，无功功率和谐波电 流对电网的公害非常严重。 高频双变换结构u p s 的出现解决了传统式双变换结构体积丈、效率低和造价 贵的问题。但是没有输出隅离变压器，因此也就没有隔离和缓冲的余地，其输出电 压直接受负载变化的影响；逆变器功率管在接近满载时比传统式容易坏i 输出电 压零线上有不易限制的谐波电流，因而零线电位不为零；在负载上有直流分量， 容量也不易做大。 d e l t a 变换u p s t 1 i t 2 1 【1 3 】 其单机输出功率从l ok v a 卅8 0 k v 丸，d e l t a 变换u p s 系统取消了整流器( 充 电机) 。系统结构如图1 5 所示。两个功率变换器连接到公共的蓄电池上，其中一 个变换器称为d e l t a 变换器，其容量约为系统的容量的2 0 左右，它通过一个d e l t a 变压器串联连接在市电电源和负载之间。另一个变换器称为主变换器，主变换器 容量等于u p s 系统容量，并联连接在系统输出端。这两个变换器都是四象限p w m 逆变器，可以工作在逆变和整流方式。当市电电压波动小于1 5 ，频率波动小 于_ 3 h z 时，由d e l t a 变换器所提供的幅度不超1 5 的逆变器额定输出电压的补 偿电源，经串联在主供电电路中的补偿变压器与输入电源共同构成串联稳压电源， 其稳压精度为l ( 其中8 5 1 0 0 来自市电电源，1 5 o 来自d e l t a 变换 市电 。由。r 习。厂习 输入 圈1 5d e l t a 变换u p s 系统结构简图 华中科技大学硕士学位论文 器) 。当市电电压超出波动的范围时，系统转入蓄电池供电方式，为负载提供真f 的“u p s 逆变器正弦波电源”。 d e l t a 逆变器：高频双向脉宽调制逆变器控制输入电流，是一个高阻r f 弦波电流 源a 其作用是控制电流充电、补偿输入电压、控制调整输入功率因数。 这种u p s 系统的优点是主变换器始终连接在系统输出端，从市电到蓄电池的 切换不会产生供电中断；市电正常时，d e l t a 变换器只需补偿与市电电压和系统输 出电压差有关的功率，故损耗小，效率高；功率裕量大，过载能力强。 当市电频率在允许的范围内时，u p s 系统的输出频率必须与市电频率同步， 称为外同步；当市电频率变化超出允许范围时。u p s 逆变器频率不再跟踪市电频 率而是由u p s 内部的频率基准同步，称为内同步。d e l t a 变换u p s 系统和双变换 u p s 系统在内同步阶段有一个重要的差别，后者转入内同步阶段可以继续由市电 提供能量，而前者必须由蓄电池供电。因而在频率变动较大的场合，前者电池寿 命极低。这也是一个缺陷。 u p s 智能化的现状 1 4 1 b s 1 6 1 【1 7 j 在计算机网络运行统计中，由于电源质量不高而引起的服务器系统瘫痪的几 率为8 0 ，数据出错和丢失的几率为4 5 ，网络瘫痪的几率为3 4 ，这些数据表 明为网络设备提供可靠的高质量的电源显得越发重要。u p s 的智能化主要是使u p s 有个良好的外部接口，可以使设备的各类功能( 如在线控制、通信、数据采集、 保护、报警、故障的自诊自检和记录、运行状态显示等) 都得以方便的实现，使 得产品具有一定的辨析和判别能力的智能化设备。这样在不提高u p s 的性能指标 的情况下，使系统的可靠性明显提高。如在u p s 电池用完之前或在u p s 出现故障 时，启用后备u p s 或保存数据关机，使用电设备受电网的影响达到最小。 现在对于u p s 的小型化、智能化的研究已经广泛的开展。目前，u p s 已由初 期的单纯供电发展到目前的多功能应用，u p s 不再仅仅是供电电源，向用户提供 高质量的稳压器、稳频，无任何干扰存在的，波形失真度极小的“全天候”电源， 且作为负载的计算机在无人值守时，要求u p s 能自动的定时关机、定时开机，当 供电发生故障后，u p s 能通知计算机对用户数据的自动转存和有序的关机，如a p c 公司的u p s 除联网功能外还可以对环境温度、湿度进行监视，使u p s 具有了智能。 7 华中科技大学硕士学位论文 在最近推出p o w e r w a r ep l u s 系列产品有多种崭新功能，内置式d c e x p e r t 电池监 察系统能够高度准确地提供运行时间和电池状况，避免因突如其来的故障导致数据 丢失，其指示的电池运行时间误差仅为3 。内置式数字化t o k e n r i n g 网络采用 数字讯号处理专利算法，有效地解决并行系统模组之间的相互沟通问题，并采用 有效的设计将产品的元件数量减至最低程度，以减少故障机会，成为业界首家提 供9 9 9 9 可用性的并行冗余系统。新推出的r e m o t e n o t i f y 选件在大部分情况下能 够自行诊断故障，并且随即解决问题，如果遇到重大故障，可以就用户预测的1 9 0 多种故障情况，自动向传呼机或个人电脑发出最多长达4 0 个字的求助信息。r e m o t e n o t i f y 可以向两个不同的电话号码发出呼叫，并且最多可以重拨2 5 6 次，以确保信 息可以顺利地传达，而网络管理人员则可以通过拨号进入系统内部检查u p s 的全 面运行情况。 a p c 新款b a c k - u p sa v r5 0 0 是专为中国的小型商业用户和个人设计的产 品。它适合于为电力供应不稳定环境中的商业计算机用户提供连续的运行时间， 同时也将为国内越来越多的上网用户提供网络保护功能。b a c k u p sa v r5 0 0 采 用了效能更高的后备电池，并能够配合多种燃料发电机一起使用( 包括便携式发 电机) 。它具有2 个兼具电池后备和浪涌保护的固定的输出插1 2 1 一除专门为打印机 提供的1 个浪涌抑制出口外，还为p c 、显示器和其他数据密集型外设提供了2 个 后备电池出口。它还安装了专用端口，可为m o d e m 、传真机或电话机提供浪涌抑 制保护。 目前，u p s 厂商们新推出的多种新产品，包括多种不间断电源供应技术，电源管 理软件以及连接装置，都不会由于电源冲击、浪涌、陡降、电力不足和电力中断等 问题而使受保护的重要信息资源遭受损失。 u p s 智能化的主要功能： 1 ) 实时监控功能。监视电路中各部分的状态，随时获取主机工作时的有关参 数。应用户的要求提供电源品质的历史记录，包括输入、输出电压、频率、负载、 电池质量及环境温度等关键信息。2 ) 人机交互功能。双向通信是未来u p s 发展趋 势。用户可按实际情况，自行设定各种参数。3 ) 自动传呼功能。u p s 软件或软件 诊测到u p s 系统故障时，可通过不同的方式实时通知系统管理员，以最快的速度 华中科技大学硕士学位论文 ；j = l l i _ _ l _ 目_ - _ - _ l = i _ _ ；= ；= = = z 一： 解决问题。4 ) 故障检测功能。发生故障时，在各个用户报警的同时，给出参数且 及时分析，追踪引发电源故障的重要信息，必要时给出处理方法。5 ) 自动保存功 能。u p s 的电力快要耗尽时，执行此项功能，从而保证数据及系统的完整性和可 恢复性。6 ) u p s 的自检及定时开、关机功能。这些预防性功能都可在u p s 系统故 障发生之前采取适当的措旌。7 ) 远程监控功能。提供一个计算机接口，通过r s 2 3 2 或r s 4 8 5 ，经调制解调器实现与异地计算机的终端通信，实现上述的所有功能。 可以l 台主机同时监控多台u p s 。【8 】1 1 9 】 1 3 选题依据 u p s 技术的发展由原来的单纯模拟控制方式到现在常用的半模拟控制和半数 字控制方式，以及现在很流行的全d s p 控制方式，使得u p s 技术同趋成熟。由于 数字化控制具有系统集成度高、运算能力强、系统可靠性高、效率高等优点，尤 其是采用数字控制的系统很容易实现与计算机网络的通讯，可以通过网络对关键 器件进行有效的监视，对已发生的故障有冗余措施处理，因此d s p 控制技术将是 日后u p s 技术发展的必然趋势。对数字化控制的u p s 系统的研究是很有意义的。 由于现在的u p s 技术比较成熟，所以u p s 的控制系统和管理系统的实现方案 是技术的关键。其中最主要的是怎样使控制系统和管理系统比较完美的结合起来， 使得硬件和软件都达到最简，而且易于人工管理和维护。因此，本文针对其硬件 部分的电路提出了一种新型u p s 智能化的平台，从而使在此基础上可以进行u p s 智能化的各种研究。由于d s p 片内资源和计算速度的原因，用d s p 实现基于p p p 协议的拨号上网。同时运用a s i c 的设计方法实现了自适应的串行c r c 校验。 华中科技大学硕士学位论文 2 u p s 硬件电路 2 1 d c d o 升压电路 2 1 1 d c d c 升压变换器 d c d c 升压电路在u p s 中得主要作用是：在市电供电不正常时，将蓄电池 的直流电源变成电压更高的直流电源，为逆变器提供足够的电压，使其输出的交 流电满足要求。 由于u p s 的输出是直接送入电网，所以就要求d c d c 升压电路必须要有隔离 变压器。在能量处理时，最常见的用在开关电源变换器中的赢流变压器，如图2 1 a 所示。直流电压v s ，当原边的两个开关( s l 和s 2 ) 交替导通，通过带中心拍头的 副边绕组_ n s 及二极管d 1 、d 2 就可以得到不同于v s 的另一直流电压、，o ；当副边 采用全桥整流电路的连接方式时，如图2 1 b 所示。 兰” ： 1 】 一 霸键殛 图2 1 直流变压器连接方式 开关s i 和s 2 交替导通，每次导通周期是一个完籀开关周期的0 5 0 。开关 的作用是在t i 的原边n p 产生个对称的交流电压，即通过控制开关s l 和s 2 的动 作速率使变压器t i 成为通常的高频交流变压器。由于在每个开关半周期里，直流 电压加到n p 上，副边n s 感应电压为： 华中科技大学硕士学位论文 = 陈告( 2 1 ) 在直流变压器工作中，不导通的原边开关两端承受的电压是2 v s ，当原边的两 个丌关各自导通的时候，两个开关中的每个开关的峰值电流是相等的，即等于输 入甲均电流i s 。 采用这种方案有线路简单、价格便宜的突出优点，广泛应用在输出为低、中 级功率电路中。但是它也有一些缺点，例如：输入电流是脉动的，幅度由s 1 的占 空比和i s 的平均值决定的。当开关s l 不导通时，其上的电压等于源电压加上从变 压器副边折算到原边的电压。在许多场合，开关的开路电压比2 倍源电压还要高。 同时，它的闭路峰值电流可大于2 倍的平均输入电流。基于这些原因，这种直流 变压电路的使用是有限制的，一般输出功率在1 k w 以下。由于考虑到价格的因数 和实验的性质，所以采用了此种电路。刚本电路采用p w m 型集成控制芯片3 5 2 5 作为驱动芯片。 2 1 23 5 2 5 升压电路f 2 1 s g 3 5 2 5 是美国硅通用公司设计的具有m o s f e t 驱动功能的p w m 型集成控制 器，可用作丌关型稳压电源、d c a c 变换器和其他变换器，其内部电路如图2 2 所示。 它具有以下功能和特点： a 、完整的p w m 控制功能； b 、有交变输出的开关对，可以推挽输出或单端输出； c 、工作频率大于1 0 0 k h z ，最大可至3 5 0 k h z l d 、有超结温保护和过流保护； e 、集电极、发射极开路输出，最大输出电流为1 0 0 m a ； f 、负载调整率典型值为o 2 ； g 、存= ：r 作温度范围内，内部基准电压变化最大为1 ，其输出电流可达 5 0 m a ： 华中科技大学硕士学位论文 h 、工作电压范围为8 4 0 v ： v t 盯 h o u t t v e 0 n d o u t - , s d 。m p 图2 2s g 3 5 2 5 的内部电路及引脚 内部电路介绍 1 、基准电压调整器与欠压锁定电路 基准电压调整器是输出为5 1 v lo ，5 0 m a ，有短路保护的电压调器。它 供电给所有内部电路，同时又可作为外部基准参考电压。若i c 块输入电压小于8 v 时，i c 内部电路锁定，停止工作( 基准源及必要电路除外) ，使之耗电流降至很小 ( 约2 m a ) 。 2 、软启动电路 比较器的反相端即软启动控制端8 可外接软启动电容。该电容由内部v r e f 的5 0 1 x a 恒流源充电。达到2 5 v 所经的时间为t = 2 5 c 8 5 0 i _ t a ( c 8 为第8 脚所 接的电容值) ，占空比由d , n 大( 5 0 ) 变化。 3 、误差放大器 误差放大器是差动输入的放大器，其增益标称值为8 0 d b ，其大小由方馈 或输出负载束决定，输出负载可以是纯电阻，也可以是电阻性元件和电容性元件 ：。 心 3 6 5 7 9 0 2 8 m 华中科技大学硕士学位论文 的组合。该放大器共模输入电压范围在1 8 3 4 v ，需要将基准电压分压送至误差 放大器的1 脚( j 下电压输出) 或2 脚( 负电压输出) 。为使电源系统稳定，在9 脚 埘地之问接r c 网络，补偿系统的幅频、相频响应特性。 4 、闭锁控制端 一般在l o 端接入过流检测信号，当l o 脚有高电平时，可关闭误差放大器 的输出。过流检测信号维持时间长时，软启动端8 接的电容c 8 将被放电，因此， 过流一关闭一放电一重新软起动连成有机配合的作用过程。 5 、比较器有两个反相输入 3 5 2 5 的误差放大器有两个反相输入端，误差放大器与关闭电路各自送至比 较器的反相端。这样避免了彼此相互影响，有利于误差放大器和补偿网络工作精 度的提高。 6 、p w m 锁存器使关闭作用更可靠 比较器( 脉冲宽度调制) 输出送到p w m 锁存器。锁存器由关闭电路置位， 由振荡器输出时间脉冲复位。这样，当关闭电路动作，即使过流信号立即消失， 锁存器也可维持一个周期的关闭控制，直到下一周期时钟信号使锁存器复位为止。 另外，由于p w m 锁存器对比较器来的置位信号锁存，将误差放大器上的 噪音、振铃及系统所有的跳动和振荡信号消除了。只有在下一个时钟周期才能重 新置位，有利于可靠性提高。 7 、振荡器 3 5 2 5 a 的振荡器，除c t 、r t 端外，增加了放电7 、同步端3 。r t 阻值决定 了内部恒流值对c t 电，c t 的放电则由5 、7 端之间外接的电阻值r d 决定。把充电 和放电回路分开，有利于通过r d 来调节死区的时间。这时3 5 2 5 a 的振荡频 率可表为： f ：j 一 ( 2 2 ) c r ( o 7 r r + 3 r d ) 在1 5 2 5 a 中增加了同步端3 专为外同步用，为多个3 5 2 5 a 的联用提供了方便。同 = 步脉冲的3 频率应比振荡频率f s 要低一些。 华中科技大学硕士学位论文 = = t = j = = = j = _ = = = = = = = = = ；= = = = 一 8 、输出级作了结构性改进 为确保其输出电平或者是高电平或者是低电平的一个电平状态中。为了能适 应驱动快速场效应功率管的需要，末级采用了推拉式电路，使关断速度更快。 1 1 端( 或1 4 端) 的拉电流和灌电流，达1 0 0 m a 。在状态转换中，由于存 在开闭滞后，使流出和吸收间出现重迭导通。在重迭处有一个电流尖脉冲，其持 续时间约l o o u s 。使用时v c 接一个1 p - f 电容可以滤去尖峰。 s g 3 5 2 5 a 的振荡频率由( 2 2 ) 式进行确定。选择c t = 2 2 n ，r t = 3 9 k q ，r d = 1 1 8 q 。这样计算得到f = 1 4 7 k h z 。在第9 脚用串联1 i jf 电容和1 0 k o 电阻， 以实现频率补偿。管脚2 接有1 0 k q 的电阻r 4 和1 0 k q 的可变电阻r 5 ，可通过调 节r 5 来改变输出p w m 波的占空比。为了稳定电压，一般由分压电阻提供取样电 压经管脚l 引入误差放大器的反相端，这样可以对输出的电压进行调节。管脚1 5 和1 6 分别接1 5 v 和5 1 v 电源，并分别接有滤波电容c 5 _ 0 1 f 和c l = o 4 7uf 。 管脚“和1 4 分别通过两个3 3q 的小电阻r 6 和r 7 来驱动开关功率管v t l 、v t 2 。 如图2 3 所示。 l 三 一。 l # 丁 j 图2 3s g 3 5 2 5d c d c 变换器 驱动电路的主要功能是将脉宽控制器输出的可变脉冲宽度进行功率放大，以 l4 一：r j 古 华中科技大学硕士学位论文 = = = 目目_ - _ 目= _ 2 = = = ；一 作为高压功率开关器件的驱动信号。主电路选择的丌关功率器件是m o s f e t ，它 是一种单极型的电压控制器件，驱动功率小。而选用的控制集成器s g 3 5 2 5 a 的最 大输出电流为2 0 0 m a ，且其本身具有驱动能力，无需再使用驱动电路进行驱动。 所以本文选用一3 3q 的电阻直接驱动m o s f e t 。在启动的瞬问，极问电容有个充 电过程，这个电阻是为了防止启动时的电流过大而损坏m o s f e t 。 主电路推挽d c d c 变换器中采用了高频变压器，高频变压器是丌关型功率变 换器的核心器件，其作用有：磁能变换、电压变换和绝缘隔离。由于高频变压器 的体积和重量是与开关频率成反比的，因此高频变压器的使用能使设备变得更加 轻便。但变压器的分布参数不能忽略，在设计时必须对变压器进行周密的考虑。 变压器的设计及参数选择就不在这里论述。 2 2 逆变电路 2 2 1 主电路1 2 2 】 逆变电路结构形式主要有三种：半桥式、全桥式和推挽式。这三种结构形式 在单相逆变电路中都有广泛的应用。 + v d i 情冀斥vd, l = 卜“v 、_ 卜- r “ ，1 0 ，则_ 通，如果l 。 0 ，则v d 通，不管哪种情况都是输出电压“。= u 。当“， “。 时，给以导通信号，给k 以关断信号，这时如果 o ，则v d 2 通，不管哪种情况都是输出电压= 一u 。半桥式逆变电路有抗不平衡能力，若 电路发生不平衡现象。则可以通过两个大电容的充放电时间的长短不同，自动补 偿补对称波形，使电路自动回到平衡状态。另外，半桥逆变电路结构简单，使用 器件少。其缺点是输出交流电压的幅值仅为讥2 ，电压利用率低，且直流侧需要 两个电容串联，工作时还要控制两个电容器电压的均衡。因此，半桥逆变电路常 用于几k w 以下的小功率逆变电源。 全桥式逆变电路的结构如图2 4 ( b ) 所示，它共有4 个桥臂。可以看成由两 个半桥电路组合而成。把桥臂i 和4 作为一对，把桥臂2 和3 作为另一对，成对 的两个桥臂同时导通，两个交替1 8 0 度。输出电压的幅值为，也就是说全桥逆 变电路的电压利用率比半桥逆变电路的高一倍。但其结构复杂，成本高，需要多 组驱动电路。全桥逆变电路一般用于功率为几百、n 几百k w 的逆变电源。考虑到 电压等级的关系。在实验中采用了全桥逆变的模式：丽由于在d c d c 升压电路中， 以采用了隔离电路，所以在这里就没有考虑推挽逆变电路。 2 2 3 控制电路 采用一种新型的基于e p r o m 存储的s p w m 调制器，其出发点是逆变电路的 开关管的开关状态，由于开关管的状态只有开、关两种状态，因此可以用0 、1 这 样的数字信号表示，那么将时间按照一定的间隔用离散的数学模型表示，就可以 表示s p w m 波。将一个周期的s p w m 控制状态按时间顺序存储在e p r o m 中，读 出时配合以采样的时序就可以还原s p w m 波。由于该s p w m 调制器可以产牛多路 s p w m 脉冲，则可以驱动半桥、全桥以及三相桥逆变电路。对于全桥电路需要4 路脉冲，下面将说明该调制器是如何工作的。 16 华中科技大学硕士学位论文 = = = ；= = ；= = 目= = = = = = = = = = = = = = 一= 一 ( a ) 桥式逆变电路 ( b )开关管控制脉冲 图2 ，5 一般逆变电路的主电路和控制脉冲 图2 5 为一般逆变电路的主电路和控制脉冲，假设图2 5 ( a ) 中的全桥中的四个 开关管开通时为l 关断时为0 ，则共有2 4 种开关状态，但由于啊与嘎、啊与 啊互为反相位，所以在不计死区时间时，啊、喝、喝所处的丌关状态 共有四种；若考虑死区时，则啊、阳j 、嘎、订j 所处的开关状态共有八种，其 它八种开关在此逆变电路中不会出现。观察图2 5 ( b ) 中的各开关管的控制信号可 知，在载波比为l o ，不计死区时，在o ，l 区间开关状态为0 1 0 1 ：在t ，f ：区 间开关状态为1 0 0 1 ；在f 2 区间开关状态为0 1 0 1 ；在f 3 t 区间开关状态为 1 0 0 1 ；在，区间，开关状态为0 1 0 1 ；在f 6 区间丌关状态为1 0 0 1 ；在t 。f ， 区间开关状态为0 1 0 1 ，以下依此类推，可以得出任意时刻的开关管开关状态。 从另一角度，只要知道任意时刻的开关状态即可得到四个丌关管的控制脉冲。因 l7 l 2 3 w 耵 仆 华中科技大学硕士学位论文 9 2 = = = = = = 。= 日= = j = = = = = 自= = # = = = = 自= = = 一= 此只要将开关管的开关状态存于e p r o m 中，在相应的时刻设定即可。 图2 6s p w m 调制器 图2 6 是上述方案电路的原理性框图，e p r o m 用于存放四个开关管的开关状 态。若使用2 7 3 2 ，则可存储2 ”个开关状态及每个开关管1 0 2 4 个状态点，振荡 器为计数器提供时钟脉冲，e p r o m 根据计数器输出的地址，查出开关管的开关状 态，使数据脚d 。d ，别置为商电平或低电平，再经锁存器输出。输出的s p w m 波 形的基波频率由计数器的时钟频率所决定。假设e p r o m 中存贮的丌关状态数据 为个，计数器时钟频率为，则基波频率为： f o = 正z “* n ( 2 - 2 ) 由上式可以看出，只要改变矗。和的大小即可改变输出的基波频率，而 输出的s p w m 脉冲的精度主要由计数器的时钟频率和e p r o m 的存储空间决定。 现要输出基波为4 0 0 h z 的s p w m 控制脉冲，则e p r o m 可采用2 7 3 2 ，计数器时 钟频率为缸= 4 0 9 6 k h z 时，输出的脉冲精度r 为： a t ：上一；2 4 4 , u s ( 2 3 ) j c “k x 由于该电路的输出电压调节工作由前级d c d c 变换电路负责，因此，在逆变 电路中只需实现逆变和故障时信号封锁功能即可，该s p w m 调制器完全可以胜 任此项工作。 华中科技大学硕士学位论文 = = = 自= = _ i = = = ；_ _ = ；= = = = = = = = = = = 日= 一：= 2 3 m o d e m 及r s 2 3 2 接口 2 3 1 调制解调器( m o d e m ) 由于终端和计算机产生的数字信号与电话线传送的模拟信号的不兼容，需要 一个转换装置使数字信号能够在一个模拟传输媒介上传送，这种转换装簧就是调 制解调器( m o d e m ) ，其名称是术语调制器一解调器( m o d u l a t o r - - - d e m o d u l a t o r ) 的 缩写。调制解调器的调制部分把由计算机和终端产生的数字信号转换成在电话网 络模拟设施上传输的模拟音调。调制解凋器的解调器接收传来的模拟音调并把其 转换成其原始的数字信号格式。因而，调制解调器的调制器部分可以认为是通信 系统的传送器，调制器可以认为是传输系统中的接收器。 所谓调制就是进行波形变换；或者更严格的讲，是进行频谱变换，将数字信 号的频谱变换成为适合于在模拟信道中传输的频谱。最基本的调制方法有以下几 种( 如图2 7 ) ； 基带信号 调幅 调频 调相 o - io olll oo i n 1 九i | vv v u v ! l l 州 ；i 呲?姗z 帆 ! ll zmz 图2 7 调制的几利，模式 1 调幅( a m ) 载波的振幅随数字信号而变化。例如：0 对应于无载波输出，而1 对应于 有载波输出。 华中科技大学硕士学位论文 ；= 自# 日；= _ _ = 目_ = 目_ = = # = = = = = 一= 1 2 调频( f m ) 载波的频率随数字信号而变化。例如：0 对应于频率 ，而1 对应于频率 正。 3 调相( p m ) 载波的初始相位随数字信号而变化。例如：0 对应于相位0 ，而l 对应 于相位1 8 0