（交通信息工程及控制专业论文）基于无恢复时间二极管的小功率UPS研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 i 摘 要 不间断电源在一些关键性的负载，如民航数据中心、空管控制中心、通信系统等中扮演十 分重要的角色，它们在市电故障情况下能为负载提高稳定可靠的电源。近年来，随着电力电子 技术的迅猛发展，对 ups 相应的提出了更高的要求，即 ups 趋向于高效率、高频化、小型化、 轻量化。其中趋向于高效率、高频化是 ups 发展的一个重要趋势，但是目前 ups 功率器件在 高频条件下会产生大量开关损耗、噪声污染、电磁干扰等，阻碍了高频化的发展。sic 二极管 作为新型电力电子器件，它有着无反向恢复电流的显著优点，能降低开关损耗、提高变换器效 率，因此，研究 sic 二极管在 ups 中的应用显得尤为重要。 论文主要研究基于碳化硅二极管的小功率 ups 的设计与实现，重点是设计出 ups 拓扑电 路、控制电路及辅助电路的结构和参数，并分析研究 sic 二极管应用于 ups，对电路性能、效 率、噪声等方面带来的好处。本文首先介绍了论文的选题来源、选题意义、国内外 ups 发展现 状及 ups 分类。接下来提出了系统总体设计方案，给出了系统各模块电路的拓扑结构方案。选 择非隔离式全桥变换器作为 dc/dc 拓扑架构，详细介绍了全桥变换器的工作原理，研究了全 桥变换器的控制原理，并给出了控制方案设计。sg3525 作为脉宽调制控制芯片，是采用双极型 工艺制作的新型模拟数字混合集成电路，性能优异，所需外围器件较少，管脚比较少只有 16 脚，功能齐全，更适合应用于以 mosfet 作为开关器件的变换器。本文重点分析了 sic 二极管 在全桥变换器中的应用，sic 二极管作为新型的二极管，它的特性非常接近理想二极管，在截 止时反向恢复电流几乎为 0，文中通过试验分析了 sic 二极管对电路性能、效率等方面带来的 好处。在以上理论研究的基础上，搭建出了电路平台，并对 ups 进行相关的性能测试，给出了 试验波形及结果分析。 最后，作者对论文的研究工作和创新点进行了总结，并对系统设计中存在的不足之处和需 进一步研究的问题进行了探讨。 关键词：关键词：不间断电源，全桥变换器，碳化硅二极管，逆变器，脉宽调制 基于无恢复时间二极管的小功率 ups 研究 ii abstract ups plays a very important role in pivotal loads,such as civil aviaton data center, air trafic control center and communications system. it can provide steady and reliable power supply for loads when mains supply is blooey. as modern power electronics technique fast develops, it is wished that ups could tend to be more efficiency, frequency,miniaturization and weightless. more efficiency and frequency becomes a direction, but it is limited by high switch power waste, noise pollition and electron magneticlly when switch frequency gets high.sic diode as one new type of power diodes, it has no recovery current and can reduce switch power waste, increase efficiency of convertor. therefore,the development of sic diode in ups has became especially important. the main content of this article is design and achieve of sic diode in low power ups. it is should be achieved to design topology of ups, control circuit,assistant circuit and research the use of sic diode in ups for capability, efficiency and electron magneticlly. the paper introduce the origin, meaning, develop status and sorts of ups.system collectivity design and topology of every module is presebted.non- insulate full bridge convertor is choosed for dc/dc topology. it introduces the theory of full bridge convertor and control and make a scheme of control.sg3525 as a pwm control ic,is a new type of a/d mixed integration circuit with double poles technics. it has good performance,less component. it has just 16 pins and prolific function. it is adapt to the convertor witn mosfet as switch component. the paper analyses the use of sic diode in full bridge convertor. as a new type of diodes,sic diode has the good characteristic of ideal diodes and zero recovery current.the paper analyses the advantage of sic diode for performance and efficiency. by upwards analyse,the sample is made up and is tested. the results of test are presented,including lots of waveforms. finally, the author summarizes research results and innovation points of the thesis, and also analyzes and discusses deficiencies and further issues of the system design. keywords: ups, full bridge convertor, sic diode, invertor, pwm 基于无恢复时间二极管的小功率 ups 研究 vi 图、表清单 图 1.1 后备式 ups 原理框图.4 图 1.2 在线互动式 ups 原理框图 .5 图 1.3 双变换在线式 ups 原理框图 .6 图 1.4 delta 变换型 ups 原理框图.6 图 2.1 系统总体框图.8 图 2.2 系统架构图.10 图 2.3 单相桥式逆变电路.11 图 2.4 电池充电电路.12 图 2.5 stc89c58rd+单片机结构图.14 图 3.1 dc-ac 电源框图.15 图 3.2 全桥变换器主电路.16 图 3.3 全桥变换器的主要工作波形.16 图 3.4 非隔离式全桥变换器.18 图 3.5 非隔离全桥变换器 s2、s3 导通时的工作状态 .19 图 3.6 非隔离全桥变换器 s1、s2、s3、s4 截止时的工作状态.19 图 3.7 sg3525 引脚图 .20 图 3.8 sg3525 结构框图 .21 图 3.9 3525 工作波形.24 图 3.10 功率放大和驱动变压器电路.24 图 3.11 sg3525 频率设计电路.26 图 4.1 肖特基二极管导通压降.27 图 4.2 反向恢复电荷比较.28 图 4.3 四种常见增强二极管的反向恢复波形.28 图 4.4 非隔离全桥变换器拓扑.29 图 4.5 反向恢复前期等效电路.29 图 4.6 反向恢复后期等效电路.30 图 4.7 二极管反向恢复电流波形.31 图 5.1 低频交流电源低通滤波器.33 图 5.2 市电电压侦测电路.33 南京航空航天大学硕士学位论文 vii 图 5.3 pwm 反馈控制电路.35 图 5.4 3525 与 3843pwm 波形.36 图 5.5 型低通滤波器.39 图 6.1 mosfet 驱动电压.41 图 6.2 上下桥臂 mosfet 漏源电压.41 图 6.3 mosfet 电流.42 图 6.4 变压器次级电压.42 图 6.5 igbt 驱动电压.43 图 6.6 带 1800va 非线性载时输出电压电流波形.43 图 6.7 带 3000va 非线性载时输出电压电流波形.43 图 6.8 市电模式转电池模式时输出电压波形.44 图 6.9 快速 si 二极管两端尖峰电压波形 .45 图 6.10 sic 二极管两端尖峰电压波形.45 图 6.11 电池模式辐射测试（天线水平放置）.48 图 6.12 电池模式辐射测试（天线垂直放置）.48 图 6.13 市电模式辐射测试（天线水平放置）.49 图 6.14 市电模式辐射测试（天线垂直放置）.49 表 6.1 ups 效率测试结果.46 表 6.2 ups 温升测试结果.47 表 6.3 ups 放电试验结果.48 基于无恢复时间二极管的小功率 ups 研究 viii 注释表 ac 交流电 avr 电压自动调整 boost 升压电路 buck 降压电路 dc 直流电 emc 电磁兼容能力 gaas 砷化镓 gnd 地 iin 输入电流 il 电感电流 igbt 绝缘栅双极晶体管 mcu 微控制处理器 mosfet 场效应晶体管 n 变压器变比 np 变压器初级侧匝数 ns 变压器次级侧匝数 po 输出功率 pid 比例微分积分控制 pfc 功率因数校正 pwm 脉宽调制 si 硅 sic 碳化硅 spwm 正弦脉宽调制 uin 输入电压 ups 不间断电源 效率 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。 对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件， 允许 论文被查阅和借阅， 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 (保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日 期： 南京航空航天大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 引言 如今计算机已在各行各业中得到了广泛的应用，而作为直接关系到计算机软硬件能否安全 运行的一个重要因素电源质量的可靠性成为很多企业首要考虑的问题。因此伴随着计算机 的诞生而出现的 ups(uninterrupted power supply)现已被广大计算机用户所接受。 ups 主要用于 给单台计算机、计算机网络系统或其它电力电子设备提供不间断的电力供应，保证了输出电源 质量的可靠性。目前，ups 正在被广泛地应用于计算机、民航、交通、银行、证券、通信、医 疗、工业控制等行业。 所谓不间断电源， 顾名思义就是不管市电输入是否正常， 它总能为用户提供所需电源。 ups 从诞生起就被认为是数据的保护神，因为早期计算机的数据输入程序非常复杂，首先要将数据 在纸带上穿孔， 然后将已被穿孔的纸带通过光电机读数， 最后将读入的数据代码送到计算机中。 在整个工作过程中万一计算机断电，则整个数据就会完全丢失，要等到供电恢复后又必须重新 将被穿孔的纸带通过光电机把数据输入到计算机中。为了避免这种由于断电而引起的重复性工 作，这时就希望有一个备用电源在市电断电后能再继续维持供电 5 秒钟，以保证计算机能将现 场的运算结果保存到磁心存储器中，待市电恢复后，计算机能接着原来的结果继续运行下去， 根据这个需求，一种称之为 ups 的不间断电源就应运而生了12。 一台设计完善的 ups 不间断电源要完成的主要任务是向用户的关键设备（例如：互联网数 据中心、银行的清算中心和通存通取网控系统、证券交易及期货贸易系统、民航和铁路系统、 财税信息系统、气象和地震预报监控系统等）提供高质量的无时间中断的交流电源。一般的微 机和服务器所允许的瞬态供电中断时间在 810ms 的范围。如果想微型计算机所提供的电源的 瞬态中断时间超过上述范围时，就会造成微机进入微机自检误动作的状态，从而造成正在运行 的数据或程序均被破坏和丢失的不幸局面3。因此，ups 从诞生的那一天起，就成为计算机的 亲密伙伴和有力的支持者。信息技术的发展，带动了各行各业，随着局域网、广域网和互联网 的普遍实施，多数单位有了自己的网站，系统之间又形成互联网，所以，对系统可靠性的要求 就提高了，电源是系统可靠性的基础，于是 ups 得到普遍应用。除计算机外，各种服务器也普 遍配备了 ups，各种类型的计算中心需配备更大容量的 ups，从几十千伏到几百千伏安 ups 的需求量越来越大。 ups 一般是由常用电源和备用电源通过转换开关组合而成的，它们之间由逻辑电路进行控 制，以保证无论在电网正常与否的状态下，整个系统都能可靠地工作。当市电正常时，ups 相 当于一台交流稳压电源，它将市电稳压后再供给计算机用户，与此同时，它还对 ups 内蓄电池 基于无恢复时间二极管的小功率 ups 研究 2 进行充电，把能量储存在电池中。当市电突然中断时，ups 立刻转为逆变工作状态，小容量 ups 一般能持续供电 520 分钟，所以能保证计算机系统的正常退出，使软硬件不受损失。 1.2 ups 相关技术及发展动态 1.2.1 ups 发展历程 自从 ups 问世以来，经过了几个阶段：开始的服务对象是计算机，电路形式也只是传统双 变换型。其不足之处是效率太低，不能充分利用市电，即在在线工作模式下即使输入电压非常 稳定，ups 也必须进行两次变换后才能将能量送出。因此在两次变换中无谓地损失了一部分不 该损失的那部分能量，降低了效率，增加了机器的发热量，从而增加了机器的故障率，降低了 可靠性；又由于其输入电路结构所致，使得输入功率因数很低，对电网造成了很大的干扰。在 线互动式 ups 的出现为提高系统的效率开辟了一条新路，它不但充分利用市电，而且由于省掉 了笨重而耗电的整流/充电器，就将整机效率提高了一个新水平，一般在 95%以上45。不过这 种电路的不足之处是输出电压稳定度一般不如传统双变换型高。 以上两种结构 ups 的潜力都已 达到了极限，串并调整电路的推出，打破了这个长期以来无法解决的问题，而且在一些关键指 标上还有突破67。 1.2.2 ups 发展趋势 （1）功率变换技术 ups 一个主要的发展趋势就是小型轻量化，这就涉及到主电路结构的简化。各种结构更简 单、性能更优越的电路拓扑的研究是当一前一大热点。产品的小型轻量化趋势对于 ups 来说其 开关器件的高频化要求是必然的8。第一代 ups 的功率开关为可控硅，第二代为功率晶体管， 第三代为场控型器件（mosfet 和 igbt） 。功率晶体管开关速度比可控硅高一个数量级，场效 应晶体管 mosfet 比功率晶体管又高一个数量级，而 igbt 功率器件电流容量比 mosfet 大 得多， 且导通电阻小， 工作频率比mosfte低， 但也可以使功率变换电路的载波频率高达50khz。 开关频率的提高可以有效地减小装置的体积和重量，并可消除变压器和电感的声音噪声，同时 改善输出电压的动态响应能力。在 ups 输入端采用高频整流，可以获得较高的功率因数，较低 的谐波电流， 使 ups 具有较好的输入特性。 采用高频隔离装置可以取掉笨重的工频隔离变压器， 进一步减小装置的体积和重量。 （2）数字控制技术 最初的 ups 采用模拟控制方法有以下局限性9：电路结构复杂，元器件多，因器件特性 差异造成各电源特性有所差别，电源一致性不好。一旦控制方法变动，必须修改硬件控制板， 工作量大，设计周期长。因为硬件电路的局限性，一些先进的控制方法用模拟电路实现很困 南京航空航天大学硕士学位论文 3 难或者无法实现。 随着数字处理器计算速度的不断提高，使得各种先进的控制方法得以实现，使 ups 的设计 具有很大的灵活性，设计周期缩短，性能大为提高。大多数 ups 使用数字模拟混合电路或 8 位 微处理器作为控制核心，部分公司采用了高档微处理器（16 位主机，主频 160mhz） ，具有强 劲数据及逻辑运算能力的芯片运行相对单一和规模不大的程序，极大加快了控制速度，使 ups 的性能大大提高。这些 ups 不仅有很强的故障诊断和自我保护能力以及通信能力，还具有友好 的人机通信界面，而且减少了控制电路，提高了可靠性。 （3）ups 的监控及网络管理技术 为了适应计算机网络的发展，ups 中己经开始配置 rs232 接口、rs485 接口、snmp 卡和 modem，成为计算机网络的一部分。这可使 ups 具有以下优异特性10： （1）实时监控功能。 它对 ups 电源的各模拟参量（市电的输入电压、电流和功率因数，电池组的充放电电压、充放 电电流，逆变器的充放电电压、电流、功率因数及波形失真度，逆变器电源和交流旁路电源的 相位差和瞬态电压差等运行参数）进行实时高速采样，实现数字式监控。类似的，对 ups 中的 表示工作状态的开关量（主电源与交流旁路电源的输入与否，断路器的接通与断开，输入保险 丝是否完好，电池组短路开关及静态开关的接通与断开等）进行实时监控。 （2）自诊断、自保 护功能。ups 将实时采集来的各项模拟参量和工作状态数据以及系统中的关键硬件设备的数据 与正常值进行分析比较，以判断 ups 电源是否有故障隐患存在。如果有故障，根据相应的故障 信息级别在控制面板的显示屏上以友好的图形界面、文字提示方式报警，或者在现场和控制室 以指示灯一光、报警器鸣叫方式报警，也可以用自动拨通电话等方式报警，并作出相应的保护 动作。 （3）人机对话的控制方式。大型 ups 电源可向用户提供监控器液晶显示屏以图形和文字 方式显示工作流程和参数信息，可以提供让用户操作的可视化菜单，并以帮助和不断提示的方 式引导用户按既定方式处理故障，有效防止误操作。 （4）远程控制功能。由于 ups 和计算机网 络融为一体，在远离 ups 电源机房的计算机网络上的任一个管理平台上经过身份校验后，可以 对网络中的任一个 ups 电源的各种资料进行访问和远程控制，从而实现电源机房的无人值守。 （4）冗余并联技术 目前不少 ups 单机可靠性已很高，整机平均无故障时间可以达到 50 万小时。而在一些特 别重要的场所如：银行、民航、石化、电信、通讯社、军队等的计算机和网络的供电是不允许 有任何间断的，所以单机 ups 的可靠性还无法满足，需要采用双机或多机并联冗余备份，来提 高整个系统电源的可靠性。在以 ups 为电源的交流供电系统中，因负载的增加需扩大电网容量 时，一般可以通过两个方案来解决11：方案一是提高单台 ups 的设计容量，这就要求采用具有 更高电压和电流耐量的功率开关器件，并且需要对原 ups 的结构与电路参数进行重新设计、计 算；方案二是以原有的 ups 为基础，通过并联技术使多台 ups 并联运行，以提高电网容量。 基于无恢复时间二极管的小功率 ups 研究 4 很显然采用方案一需要较大的工作量，而且新型 ups 的可靠性和稳定性都需要较长的实践检 验。 而方案二只要采用可靠的并联技术， 就可以使得 ups 稳定工作， 可以节省大量的人力物力。 所以 ups 冗余并联技术是提高 ups 源系统可靠性，扩充系统容量的有效方法，ups 冗余并联 技术的发展过程表现了以下的特点：模块化设计，实现完全冗余；并联的单元数越来越多； 无需专门的外部控制设备，并联操作更加简单灵活；控制策略更加复杂，控制方法由经典 控制理论向现代控制理论转变；采用全数字化控制技术；无连线并联将成为研究热点。随 着现代控制思想的逐渐引入， 各种控制策略的提出、 发展和完善， 配以高性能的硬件设备，ups 冗余并联技术将得到很快发展，它将使 ups 得到更广泛的应用。 1.3 ups 分类 电力电子技术的不断进步、现代控制理论的不断完善及计算机技术的飞速发展，使得 ups 的性能也不断提高，朝着体积小、效率高、动态性能好、可靠性高、功能全面、控制灵活、高 频化及智能化的方向发展。 如今， ups 的产品种类越来越齐全， 包括从几百 va 的小型单相 ups 直至数千 kva 的大型三相 ups 供电系统，满足了生产、生活中不同的需要121314。从结构上 来说，可分为以下几类： 1.3.1 后备式 其原理框图如图 1.1 所示，是静止式 ups 的最初形式。其应用广泛，技术成熟，电路简单， 价格，一般适应于小功率范围。市电存在时，通过自动稳压器给负载提供能量的同时，通过充 电器对蓄电池进行充电。当市电中断时，切换开关切换至逆变器供电状态，蓄电池通过逆变器 向负载提供不间断的能量供应。 图 1.1 后备式 ups 原理框图 自动稳压器 充电器 dc ac 转换开关 市电 输出 南京航空航天大学硕士学位论文 5 1.3.2 在线互动式 在线互动式 ups 如图 1.2 所示， “在线”的含意是逆变器工作，但不输出功率，处于热备 份状态，同时兼顾对蓄电池充电，增大了 ups 在市电正常时的功率容量，并且减少了在市电中 断的转换时间，提高了输出电压的滤波作用，属于并联功率调整式，输出功率多在 5kva 以下。 图 1.2 在线互动式 ups 原理框图 市电供电正常时，送往用户负载的电源实际上是一路稳压精度不高的市电电源，在此过程 中，还需要自动稳压器通过升压或降压来调整市电，以达到精度要求。市电供电不正常时，逆 变器/充电器控制模块将会从原来的充电器工作方式转入逆变器工作方式， 由蓄电池经逆变器向 负载供电。 1.3.3 双变换在线式 双变换在线式 ups 框图如图 1.3 所示。双变换在线式 ups，特别是在大功率不间断电源的 应用场合中，目前仍多采用这种电路结构，属于串联功率传输方式。不管有无市电，负载的全 部功率都由逆变器提供，保证高质量的电能输出。 市电正常时，市电电源经整流和逆变器的调整向负载提供高质量的电能，同时经整流器向 蓄电池组充电；市电中断时，蓄电池组经逆变器继续向负载提供电能，输出电压不受任何影响， 由于采用晶闸管在静态开关，几乎没有转换时间。 市电 输出 充电器 逆变器 滤波器 自动稳压器转换开关 基于无恢复时间二极管的小功率 ups 研究 6 图 1.3 双变换在线式 ups 原理框图 1.3.4 delta 变换型 系统结构如图 1.4 所示。两个四象限运行的 pwm 功率变换器都连接到公共的蓄电池上， 一个称为 delta 变换器，其容量约为系统容量的 20%左右，它通过 delta 变压器串联在市电电源 和负载之间；另一个变换器称为主变换器，其容量等于 ups 系统容量，并联在系统输出端。当 输入电源电压波动小于15%，频率波动小于3%时，由 delta 变换器和市电电源共同对负载 供电，其稳压精度为1%(其中 85%100%来自市电电源，15%0%来自 delta 变换器)。当输入 电源超过上述电压和频率范围时，系统转入蓄电池供电方式，由主变换器为负载提供 100%的 不间断纯净正弦波电源。 在市电正常时， delta 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。主要缺点是在电网电压波动较大时工作方式会频繁切换。 图 1.4 delta 变换型 ups 原理框图 1.4 本文主要的研究内容 近几年来， 随着计算机网络在我国的迅猛发展， ups 作为维持计算机稳定运行的 “保护神” 输出 市电 ac acdc dc 静态开关 旁路开关 ac/dcdc/ac 市电 输出 南京航空航天大学硕士学位论文 7 而逐渐成为网络产品中重要组成部分之一，其市场需求量逐渐上升。在中小功率市场中，主要 为传统厂商山特、apc15。在伊顿集团收购 mge 办公保护系统和飞瑞集团后，其一跃成为全 球第二大 ups 厂商，在国内 ups 中小功率市场，伊顿也加大了投入力度。 本课题为导师的横向课题，研究设计工作是在伊顿集团优比仕电子有限公司研发部合作下 进行的。课题目标为设计一款 3kva 的后备式 ups，选择合适的拓扑结构及控制方法，并将新 型器件 sic 肖特基二极管应用于 ups，对比其与普通超快恢复 si 二极管的优缺点。 主要技术指标： （1）输入指标： 额定电压：单相 230vac 电压范围：额定电压+15%，-25% 频率：4565hz （2）输出指标： 电压：单相 230vac 稳压精度：1% 频率：50hz0.5% 功率：3000va/2700w 功率因数：0.8（容性负载） 过载能力：105125%时 5min 整机效率：80% 切换时间： 所以： conv u2.96 基于无恢复时间二极管的小功率 ups 研究 36 令 3843 的 1 脚电压为 3 u， 由图 5.3 可得： 3conv u5.13 1.05u= （5.10） 因为 3843 的 3 脚（比较器反相输入端）的最低电压为 0.28v，所以同相输入端电位应高于 0.28v， 比较器的输出端才输出高电平，3843 才有 pwm 输出。 即 3 u0.312 3 1.4 + conv 5.13 1.05u0.312 3 1.4 + 所以 conv u2.7时，3525 工作； 当 conv u2.7时，3843 工作。试验波形如图 5.4 所示： 图 5.4 3525 与 3843pwm 波形 5.4 高频变压器设计 高频变压器的设计是变换器设计中的一个难点。 因为高频变压器不但参数多， 如输入电压、 输入电流、输出电压、频率、温升、漏感、磁性元件参数、铜损、铁损等等。而且高频变压器 还有其高频工作产生的高频特性，主要有涡流效应、高频铁损、瞬态饱和等。高频变压器在电 sine conv 3525 pwm3843 pwm 南京航空航天大学硕士学位论文 37 路中，主要起变压的作用。理想的变压隔离器有如下的特征： （1）从输入到输出能够通过所有的信号的频率，从理想的直流到不理想的直流都能变换； （2）变换时可不考虑能量损耗； （3）变换中，无论从原边到副边，或副边到原边，都是一样方便有效。 5.4.1 高频变压器的设计步骤 桥式变压器的设计相对比较容易，两个半周期都用同一个原边绕组，磁心和绕组使用率比 较高。为了减少磁化电流，最好原边绕组匝数较多，电感量大，为此，选用高导磁率的合金材 料的磁心，而且磁心不带气隙。 （1）选择铁芯型号 输出功率为 2700w， 工作频率为 40khz， 所以选用铁氧体 pc40ee65 型铁芯， b 取 0.6t。 （2）线圈匝数计算 原边匝数： inminmax p e vd68 0.45 n2.86 ba f0.5 0.535 40 = 匝 所以原边取匝数为：3 匝 上式中： vinmin ：原边线圈所加最小电压（v） ； dmax ：变压器最大占空比（s） ； b：总磁感应强度增量（t） ； e a：磁芯有效面积（mm2） ； f ：开关频率。 副边匝数： sp 300 nnn312.5 72 = =匝 所以副边取匝数为：13 匝 （3）导线选取 在 ups 机箱前后共有 3 个风扇，元器件冷却方式为风冷，故取电流密度 j=5a/mm2。 初级侧电流： o p inminmax p2700 i49 vd0.9 68 0.9 a= 原边导线截面积： p p i 49 a9.8mm j5 = 次级侧电流： o s o p2700 i11.7a u230 = 基于无恢复时间二极管的小功率 ups 研究 38 副边导线截面积： s s i11.7 a2.34mm j5 = 考虑到导线的集肤效应，导线的直径不能太粗。 穿透深度： 3 76.576.5 3.8mm f 40 10 = 所以导线直径不能大于2，即 7.6mm。 取初级侧为宽 34mm、厚 3mm 的铜箔；次级侧为 24 股导线并绕，每一股直径取 0.35mm。 校核窗口系数 w k0.4时，型滤波器开始有衰耗。通带 内的衰耗为零，因为这时的输入、输出阻抗均为纯电阻，只有滤波器的阻抗相当于电阻时，它 才能从输入端吸收能量，而当滤波器元件没有损耗时，能量才能完整地送入负载中，因此损耗 为零；在阻带中，特性阻抗具有电抗性质，滤波器从电源吸收的能量将部分返回电源，负载只 能部分得到电源供给的能量，呈现出巨大的衰耗。 滤波网络的衰耗常数可以表示为： 121212 bin | u /u | in( 1 | z /z | z /z |)=+ （5.15） u1 u2 zc1zc2 l c 基于无恢复时间二极管的小功率 ups 研究 40 若 b 用双曲线 h-h chb(ee )/2=+表示，令 c f/f=为无量纲频率或通用频率，将各参数带 入可得阻带衰耗公式为： 12ffcc chb| z /z | l c/f /f= （5.16） 5.5.2 滤波器参数设计 由式（5.12）及（5.13）可得： fc lr /2f= （5.17） 22 ffcc cl /rr /2f r1/2f r= （5.18） f l与 f c的值取决于 c f和 r 选择。理论上将 c f定在开关频率的左右，可以得到谐波含量极 低的正弦波，从而只需很小的 f l与 f c的值。然而由于功率晶体管动态压降或饱和电压不一致， 死区效应的影响以及各种非线性因素，实际电路中往往具有较大的低次谐波电压，故在实际滤 波器 c f的选取要低才能得到满意的正弦波。 在本设计中， 输出电压其波为 50hz， c f选在 2000hz 左右。在通带内只有当负载电阻 rl等于特性阻抗时才能使衰耗为零，然后在通带内 zc的正负 偏差中，滤波器才能传送较多的有功功率，而返回至逆变器的无功功率较少。一般取： r=（0.50.8）rl 当逆变器输出功率和输出电压给定， rl就是已知量， 从而可以选定 r， 即可以根据式 （5.17） 和（5.18）决定 f l与 f c的值。 型滤波器对各次谐波的衰减式（5.14）决定，当 c f选定后即可进行计算。若最后结果不 满足要求，减小 c f的值重新设计直到满足谐波含量要求。 在本设计中，设计了单相样机，设计指标为：额定容量 3kva，输出电压 230v/50hz。要 求任意次谐波不超过其波的 1%。 将 c f定为 2000hz，由于额定负载电阻 rl=2302/3000=17.6，取定 r=0.8rl=14.1。根据 式（5-13） （5-14）决定 f l与 f c的值： fc l =r/2f=14.1/(23