小功率UPS电源的设计与制作

小功率UPS电源的设计与制作

摘要：本文在对整流滤波电路和逆变电路的分析中，选取了多种电路进行分析，通过参数对比、性能对比，以及根据小功率ups 应用中的实际要求，从中选择出较为合适的电路，例如在对整流滤波电路的选择中，详细对比了单相桥式整流滤波电路和单相全波整流滤波电路，并给出了选择单相桥式整流滤波电路的原因。

关键词：ups；结构设计；供电系统

ups电源已从上世纪60年代的旋转发电机发展至今天的具有智能化程度的静止式全电子化电路，并且还在继续发展。目前，ups电源一般均指静止式ups电源，按其工作方式分类可分为后备式、在线互动式及在线式三大类，按照ups电源功率的大小可分为大、中和小三个分区类别，其中小功率ups电源系统定义为功率小于3kva 的电源产品。

一、概述

ups电源主要由主机及蓄电池、电池柜等组成，分为在线式、后备式及在线互动式等多种，根据频率分高频机和工频机，它在机器有电工作时，就将市电交流电整流，并储存在自己的电源中，一旦停止供电，它就能提供电源，使用电设备维持一段工作时间，保持时间可能是10分钟、半小时等，延时时间一般由蓄电池的容量决定。

在电网电压工作正常时，给负载供电如所示，而且，同时给储能电池充电；当突发停电时，ups电源开始工作，由储能电池工给负

载所需电源，维持正常的生产；当由于生产需要，负载严重过载时，由电网电压经整流直接给负载供电。

二、设计要求

主要研究小功率ups的设计原理及简单设计，设计方案采用ups 后备式工作状态，对非严格要求的供电场所提供较为优质的不间断电源系统，防止突然断电而影响正常工作或是给机器造成损害，论文着重对ups供电设计方案中的整流滤波电路部分、逆变电路部分、蓄电池部分进行介绍和分析，对该ups小功率的供电系统进行简单的介绍，包括其功能、用途、工作方式等，根据已掌握的知识对小功率ups供电系统的原理进行分析和简单设计，并且能满足非严格要求的供电场所不间断供电的要求，通过针对ups的各不同工作方式进行比较分析，并根据设计要求进行方案设计，其电路主要参数：输入电压：单相220v0%；输入频率：50hz% ；输出电压：220v；输出频率：50hz。

三、小功率ups供电系统方案设计

（一）整流滤波电路部分

在ups中，输入电路的第一个环节就是整流器/充电器，不过小功率的整流器和充电器是分开的，在对ups进行设计分析时，非常有必要对整流滤波电路进行分析。

由于变化多端的市电输入后，首先由整流器进行加工，所以掌握整流器中电流的流向和一般计算方法，知道几种整流的区别及特点，对于正确使用ups和判断故障是很重要的。

1、单相半波整流滤波电路

图3-1 单相半波整流滤波电路原理图

如图3-1所示为单相半波整流滤波电路原理图，由于整流器具有单向导通的特性，所以输入电压u1经二极管vd整流后就变成了单相脉动波u0 ，而输入的负半周被隔离掉。一般整流器后面都有电容滤波器，如图3-1所示中c将脉动波变成直流波uc。

2、单相全波整流滤波电路

图3-2 单相全波整流电路原理图及整流波形图

单相半波整流电路一般都用于小功率的情况，当功率稍微增大时必须用全波整流。如图3-2所示为单相全波整流电路原理图及整流波形图，不难看出，这是两个单相半波整流器的组合，电路前增加变压器，目的是为了使次级电压可以根据设计的要求随意变换。3、单相桥式整流滤波电路

单相桥式整流滤波电路原理图，这种整流工作方式和前两者不同，前两者的工作过程中电流在每半波只流过一只整流二级管，而这种工作方式下每半波的电流流过两只整流二极管。

综合讨论上述三种整流滤波电路，均非常简单，但是各有特点。全波整流虽然只用了两只二极管，但是却多用了一组变压器绕组，且要求二极管反向耐压值为输入电压峰值的二倍，单相桥式整流电路虽然多用了两只二极管，却少用了一组变压器绕组，对二极管反向耐压的要求也低了一半，因此，虽然后两种电路都是输出全波，但综合各自优缺点，最终选用单相桥式整流滤波电路。

（二）开关电源部分

在电网电压工作正常时，给负载供电如所示，而且，同时给储能电池充电；当突发停电时，ups电源开始工作，由储能电池工给负载所需电源，维持正常的生产；当由于生产需要，负载严重过载时，由电网电压经整流直接给负载供电。

开关电源原理，额定输出功率的大小取决于主机部分，并与负载属那种性质有关，因为ups电源对不同性能的负载驱动能力不同，通常负载功率应满足ups电源70%的额定功率。储能电池容量的选取当负载功率确定后主要取决其后备时间的长短，这个时间因各企业情况不同而不同，主要由备用电源的接入时间来定，通常在几分钟或几个小时不等。ups电源系统在检测到电网电压中断后，可自行启动供电，且随着储能电池慢慢放电，储能电池的容量随着时间会逐渐降低，考虑到寿命终止时储能电池容量下降到50%并留有一定的余量，ups电源系统的工作时间当储能电池满容量时为2小时，半容量为1小时。

（三）逆变电路部分

在逆变器中，完成直流变交流的电能前向主通道为逆变主电路，它主要由功率开关元件，变压器及电解电容等构成，通过控制功率开关元件有规律的通和断，使电流按预期的途径流通而实现直流到交流的变换。

单相半桥式逆变电路是由直流电源e、分压电容器c1和c2、功率开关器件vt1、vt2和输出变压器t等所组成，工作原理：在说明半

桥式逆变电路的工作原理之前，要明确的是电路中的分压电容器c1与c2的容量相等，即c1= c2，同时，假设电容器的容量足够大以至于在电路工作过程中c1和c2两端电压几乎不变，即此时有uc1= uc2=e/2。下面说明电路的工作原理。

首先，令ug1>0，ug20，ug1<0，于是vt2导通，vt1截止。期间，电容器c1充电，其路径为e+→c1→变压器初级绕组→vt2→e-，电容器c2放电，其路径为c2+→变压器初级绕组→vt2→c2-。

在vt2关断而vt1未导通前这段时间，电路中”1”端和”2”端间的等效串联电感通过vd1向电容c1释放能量。

通过对单相推挽式逆变电路的分析可知，若在直流电压e和输出功率相同的条件下，该电路与全桥式逆变电路相比较，虽然少用了两个功率开关器件，但是所用的器件的耐压值却要高一倍，而且变压器的初级要有中心抽头，这给变压器的制作增加了难度。但是由于小型ups中的蓄电池组电压较低，功率开关器件耐压值就算取4倍的直流电压值也不过几百伏，加上推挽式逆变电路的变压器初级回路只有两个功率开关管，因而其功率开关管的导通损耗比全桥电路的少，所以在小功率ups供电系统中逆变电路部分选择使用单相推挽式逆变电路。

（四）充电电路部分

在介绍蓄电池充电电路之前，先介绍蓄电池的充电电压、充电电流、充电方式。

1、充电电压