【《UPS电源中的常用电路探析案例》4300字】

UPS电源中的常用电路分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u25365UPS电源中的常用电路分析案例 1258281.1整流滤波电路 185401.1.1单相半波可控整流电路 1252731.1.2单相桥式全控整流电路 3176721.1.3电容滤波的单相二极管整流电路 5191591.2逆变电路 749711.2.1逆变的概念 7192271.2.2逆变电路的分类 7208531.2.3逆变电路的基本工作原理 7207611.2.4单相半桥式逆变电路 823751.2.5单相全桥式逆变电路 9117431.3蓄电池充电电路 10167361.4升压斩波电路 121.1整流滤波电路 整流滤波电路在不间断电源中扮演了至关重要的角色，其中整流电路是利用半导体的特性使交流电变为直流电；滤波电路是利用电容的特性使输出的电压波形变得更为平滑。整流电路的分类方法有很多，其中按电路的元器件的特性可分成三类：全控式、半控式、不可控式；按电路的结构框架可分为桥式和零式；按元器件的控制方式又可分为相位控制和斩波控制。1.1.1单相半波可控整流电路图1.1所示为单相半波可控整流电路，其中变压器T有两个作用：一是变换电压，二是对负载起隔离保护。图中变压器一次侧的电压瞬时值用u1表示，由电压表Vm2测量，二次侧的电压瞬时值用u2，由电压表Vm1测量，一次侧的电压有效值用U1表示，二次侧的电压有效值用U2表示，ud是直流输出电压，UU其中，α为晶体管的触发延迟角；当α为零时，直流输出电压的平均值达到最大，Ud=0.45U图1.1单相半波可控整流电路图1.2单相半波可控整流电路的工作波形图在脉冲信号为高电平时，晶体管IGBT1处于导通状态，电路导通，负载电阻两端的电压就是变压器T输出侧的端电压，即u2=ud；在脉冲信号为低电平时，晶体管IGBT1处于断路状态，电路中没有电流，负载电阻两端没有电压，变压器T输出侧的端电压全部施加在IGBT1两端。由于其输出电压波形只在图1.3所示为单相半波可控整流滤波电路，在单相半波可控整流电路的基础上加上电容后可以输出的电压波形变得更加平稳；图1.4所示为单相半波可控整流滤波电路的工作波形图。图1.3单相半波可控整流滤波电路图1.4单相半波可控整流滤波电路的工作波形图1.1.2单相桥式全控整流电路图1.5所示为单相桥式全控整流电路，图1.6所示为单相桥式全控整流电路的工作波形图。图1.5单相桥式全控整流电路图1.6单相桥式全控整流电路的工作波形图在此电路中，Vm1测量的是变压器一次侧两端的电压，即u1的值；Vm2测量的是负载两端的电压，V在图3-1-5中，晶体管IGBT1和IGBT4构成一组桥臂，由脉冲信号作为这组晶体管桥臂的控制信号；晶体管IGBT2和IGBT3构成另一组桥臂，对脉冲信号进行取反操作，所得到的信号作为这组晶体管桥臂的控制信号。当晶体管IGBT1和IGBT4导通时，电流从变压器二次侧a端经晶体管IGBT1、负载电阻R、晶体管IGBT4流回变压器二次侧b端，输出电压ud=u2；当晶体管IGBT2和IGBT3导通时，电流从变压器二次侧b端经晶体管IGBT3、负载电阻R、晶体管IGBT2流回变压器二次侧a端，输出电压udU其中，α为晶体管的触发延迟角；当α为零时，直流输出电压的平均值达到最大，Ud图1.7所示为单相桥式全控整流滤波电路，在单相桥式全控整流电路的基础上加上电容C1后可以输出的电压波形变得更加平稳；图1.8所示为单相桥式全控整流滤波电路的工作波形图。图1.7单相桥式全控整流滤波电路图1.8单相桥式全控整流滤波电路的工作波形图1.1.3电容滤波的单相二极管整流电路生产商在设计不间断电源时，大多采用二极管整流电路通过电容滤波后给负载和逆变器提供波动较小的直流电，有利于增加负载和逆变器的使用寿命。因此，本文将着重介绍带有电容滤波的单相二极管整流电路，以便后续的设计。以下就是对带有电容滤波的单相二极管整流电路的工作原理进行仿真分析和总结。图1.9所示为电容滤波的单相二极管整流电路，图1.10所示为电容滤波的单相二极管整流电路的工作波形图。图1.9电容滤波的单相二极管整流电路图1.10电容滤波的单相二极管整流电路的工作波形图电容滤波的单相二极管整流电路的基本工作过程为：当u1为正弦波的上半周时，经变压器T得到u2，当u2大于ud时，二极管VD1和VD4导通，电源V_ac给电容充电的同时也给负载电阻供电，当u2小于ud时，二极管VD1和VD4截止，电容给负载电阻提供所需电能，使负载两端的电压波动变小，此时电容起到续流的作用；当u1为正弦波的下半周且−u2大于ud时，二极管VDR1电阻的作用为防止短路。当电路刚接通时，由于电容中所存储的电能为零，此时电容直接接在交流电路中相当于是导线，而二极导通时的阻值可以忽略不计，故电容相当于直接接在变压器二次侧两端，会使变压器二次侧发生短路，故在变压器二次侧和电容间接入电阻R1可以防止短路。电容的充放电公式为：U式中：Uc为电容某一时刻的电压瞬时值；U0为电容初始时刻的电压值；Us为换路后电路的等效电源； τ为电容的时间常数，τ=RC，本次设计为了便于计算，认为经过5τ的时间电容的过度过程结束。 t为电容的充放电时间；1.2逆变电路1.2.1逆变的概念逆变电路作为不间断电源中最为重要的环节，有相当高的研究价值，下面先介绍逆变的概念。逆变就是把恒流电变换成交流电的过程，因为与整流操作完全相反，是整流操作的逆向操作，故此称之为逆变。1.2.2逆变电路的分类逆变的分类方法有很多，按逆变电路的输出端是否并入电网可以分为有源逆变电路和无源逆变电路，不间断电源就属于无源逆变；按直流电源的性质可以分为电压型逆变和电流型逆变，在实际的不间断电源设计中常常选用电压型；按输出的交流波形可以将逆变分成正弦波逆变和方波逆变，不间断电源中用到的逆变就属于正弦波逆变，在多数小功率的逆变场合，对出处波形的质量要求比较低，故适合使用方波逆变。1.2.3逆变电路的基本工作原理图1.11所示为逆变电路，通过该图来介绍逆变电路的基本工作原理。图中IGBT1和IGBT4构成一组桥臂，IGBT2和IGBT3构成另一组桥臂。通过脉冲信号控制IGBT的通断，通过示波器记录脉冲信号的波形变化和负载电阻两端的电压波形变化。当晶体管IGBT1和晶体管IGBT4处于导通状态，晶体管IGBT2和晶体管IGBT3处于截止状态时，负载电阻两端的电压为正；当晶体管IGBT2和晶体管IGBT3处于导通状态，晶体管IGBT1和晶体管IGBT4处于截止状态时，负载电阻两端的电压为负。让这两组桥臂交替导通就完成了直流电到交流电的逆变，调整这两组桥臂的交替导通频率就可以改变输出交流电的频率。图1.12所示为逆变电路的工作波形图。图1.11逆变电路图1.12逆变电路的工作波形图1.2.4单相半桥式逆变电路图1.13所示为单相半桥式逆变电路，它由限流电阻R2、负载电阻R1、电容、晶体管和续流二极管组成，其中晶体管IGBT1和反并联二极管D2组成一组桥臂，晶体管IGBT2和反并联二极管D1组成另一组桥臂。电路正常工作时，晶体管IGBT1和IGBT2在一个脉冲周期内交替导通,即在任意时刻IGBT1和IGBT2只能有一个导通，可以使负载电阻两端的电压波形成为矩形波，其工作波形如图1.14所示。图3-2-3中所示电路使用的元器件少，同时电路结构也简单，但输出的电压的幅值只有直流电压的一半。图1.13单相半桥式逆变电路图1.14单相半桥式逆变电路的工作波形图1.2.5单相全桥式逆变电路图1.15所示为单相全桥式逆变电路，其由四个晶体管IGBT、四个二极管D、一个稳压电容、一个电阻负载、一个限流电阻、两个电压表、两个脉冲发生器、一个非逻辑器件和一个示波器组成。晶体管IGBT1和晶体管IGBT4构成一组桥臂，晶体管IGBT2和晶体管IGBT3构成另一组桥臂，一个组的两个晶体管IGBT同时导通，两组晶体管IGBT轮流导通，每组导通180°其输出电压波形如图1.16所示[5]。图1.15单相全桥式逆变电路图1.16单相全桥式逆变电路的工作波形图1.3蓄电池充电电路LM317是一款应用比较普遍的可调稳压电源芯片，它的三个端脚分别为电压输入端、电压输出端和电压调节端。其中，电压输入端和电压输出端都需要接滤波电容来稳定电压，电压调节端和电压输出端之间需要接一个200欧左右的电阻，电压调节端和地之间需要接入一个几千欧的可变电阻。LM317的优点有输出电压的可调性强、噪声低和电压的稳压性能好。其内部原理如下图1.17所示。图1.17LM317内部原理图LM317芯片的输出电压可以在1.25V~37V之间连续调节。LM317正常工作时要求输入端的电压和输出端的电压压差不低于3V，两端压差低于3V时该芯片将失去稳压作用，因此LM317正常使用时要保证输入端电压的最低值要比输出端电压的最高值高3V。本次设计的蓄电池充电电路如下图1.18所示。图1.18蓄电池充电电路LM317的输出电压Vout由电阻R1和可变电阻R2的比值决定，其中Vout=1.25∗（1+R2/R1），当R1为240欧时，R2的阻值为5520欧，故此选择10千欧的滑动变阻器。LM317芯片的电压输出端和电压调节端之间为固定电压，其值为1.25V。在电路元器件已经确定的情况下，电阻R1就是定值，因此流经R1的电流就是定值，又因R1和R2是串联，因此通过改变滑动变阻器R2的阻值就可以改变输出端的输出电压V图1.18中的二极管D5和D6是续流二极管，对LM317芯片起保护作用。在芯片输出端发生短路故障时，电容C3上电能将通过二极管D6释放，从而使芯片内部三极管的发射结不因过电流而击穿。在LM317芯片正常工作时，不允许输出引脚的电压高于输入引脚的电压，否则容易烧坏芯片内的三极管。在使用LM317设计蓄电池充电电路时，由于误操作可能使输出端电压高于输入端电压，这时二极管D5会使电压差钳位在0.7V左右，从而对LM317起到保护作用。电路中的电容C1、C2为滤波电容，C3、C4为稳压电容。电解电容的电容量很大但高频滤波性能很差；瓷片电容的电容量很小但稳定性很好、损耗低。由于上述两类电容的优缺点，因此选择让两类电容的并联电路做整流后的滤波电路，这样既可以消除高频干扰又可以得到稳定的电压输出。图1.18中所示的蓄电池充电电路为浮充方式，即对蓄电池进行恒压充电。本次设计采用的蓄电池的额定电压为24V，浮充电路的输出电压Vout=24V*1.25=27V,当蓄电池电量还剩20%时，充电所耗时间为十小时[6]。1.4升压斩波电路一般而言，蓄电池的电压只有24V，直接逆变后不能供给负载使用，只有先将蓄电池的电压升至220v后再进行逆变处理才能供给负载使用。因此，本节将介绍升压斩波电路，其电路如图图1.19所示，其输出波形如图图1.20所示。图1.19所示电路的工作原理为：当电感和电容分别为理想电感和理想电容时，可认为电路的储能很大，能为负载连续提供能量。当晶体管IGBT1