24V在线式不间断电源

24V交流单相在线式不间断电源

作者单位：绍兴文理学院

小组成员贺星辰（电信082）

樊清滔（电信082）

黄玉婷（电信081）

2010年8月22日

24V交流单相在线式不间断电源

摘要：本文设计了一款输出24V交流单相在线式不间断电源。设计中采用正弦波单相逆

变电源控制芯片U3990F6-50作为主控芯片；采用Boost升压电路对输入电压升压，使逆变之前的电压维持在40V以上，使电压和负载调整率大大提高了；采用恒压恒流的形式对蓄电池进行充电；电路具有过流保护，电池欠压报警及保护等功能。而逆变部分采用驱动芯片IR2110进行全桥逆变，采用U3990F6完成SPWM的调制，后级输出采用电流互感器进行采样反馈，形成双重反馈环节，增加了电源的稳定性。

关键词：单相正弦波逆变DC-DCDC-ACSPWM

1.系统方案设计

1.1引言

在很多领域里需要安全的低压供电电源，可以通过变压器将市电转换成用户所需要的安全电压，但有时会出现市电中断的情况。为了能不间断提供电能，这种电源是非常必要的。

1.2 总体设计方案

1.2.1方案论证与比较

(1) DC-DC变换器的方案论证与选择

方案一：推挽式DC-DC变换器。推挽电路由是两不同极性、相同参数的功率BJT 管或MOSFET管组成，以推挽方式存在于电路中。电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小效率高。

方案二：Boost升压式DC-DC变换器。开关的开通和关断受外部PWM信号控制，通过改变PWM控制信号的占空比可以相应实现输出电压的变化。该电路采取直接直流升压，电路结构较为简单，损耗较小，效率较高。

方案比较：方案一和方案二都适用于升压电路，但Boost升压电路结构简单，易于实现，且效率很高。所以采用方案二。

(2) DC-AC变换器的方案论证与选择

方案一：半桥式DC-AC变换器。半桥电路只在500W或更低输出功率场合下使用，但同时它具有抗不平衡能力而得到广泛应用。半桥式拓扑结构原理图如图1.2.3所示。

方案二：全桥DC-AC变换器。全桥电路中互为对角的两个开关同时导通，而同一侧半桥上下两开关交替导通，将直流电压成幅值为

V的交流电压，加在变压器一次侧。

in

V。全桥式电路如图1.2.4所示。

改变开关的占空比，也就改变了输出电压

out

方案比较：方案一和方案二都可以作为DC-AC变换器的逆变桥，在获得同样的输出电压的时候，全桥的供电电压可以比半桥的供电电压低一半。而且，半桥电路选取的电容量通常较大，使得成本上升。所以出于上述考虑，决定采用方案二。

1.2.2 系统组成

本设计的原理框图如图1 所示，该电源由变压器、AC/DC 切换电路、蓄电池充电电路、Boost 升压电路、SPWM 单元、驱动电路、逆变单元、逆变电流检测电路、输出电压检测电路和辅助电源电路等组成。

图1系统结构图

2.主要单元硬件模块设计

2.1输入整流滤波与AC/DC 切换电路 2.2Boost 升压电路

要保证交流输出幅度维持在24V ，逆变之前的直流电压至少为24×1.4=33.6V，但蓄电池工作电压下限为29V ，如果逆变前的电压不做处理，会使电压调整率降到很低。所以本设计在输入滤波和逆变之间加入一级Boost 升压电路。图3是Boost 升压电路，主控芯片采用UC3843，Q 是开关管，L 是储能电感，终端电阻对升压电路的输出电压进行采样。

图3 Boost 升压电路

AC220V

输入 变压器 切换开关

Boost 升压电路

逆变电路检测

蓄电 池充 电电 路

蓄电池

电池电 压检测 SPWM

逆变 电路

驱动电路

AC24V 输出

输出电压检测

辅助 电源

12V 输出

5V 输出

2.3 DC/AC逆变电路

DC/AC逆变电路如图4所示。逆变部

分采用H桥式逆变电路的结构，Q为逆变

桥的4个功率开关管；L是滤波电感；T是

逆变输出电压采样变压器，变压整流后

的信号送到采样信号AV_CK，AV_CK送到

SPWM控制芯片的逆变输出电压反馈引

脚，由芯片对逆变输出电压实现稳压、

调压。

2.4 SPWM控制与驱动电路

为了减小UPS输出的正弦波失真度，同时

还能提高电路的稳定性，本设计决定采

用专用的SPWM芯片U3990F6-50。驱动电路方面采用专用芯片IR2111。

图4 DC/AC逆变电路U3990F6-50Hz是数字化设计的纯正弦波单相逆变电源主控芯片，它不仅可以输出高精度的SPWM正弦脉冲序列，还可以实现稳压、保护、空载时自动休眠等功能，从而可以提供一个性能优良的逆变系统。而高压悬浮驱动器IR2111是具有两个输出的桥臂MOSFET 栅极驱动器集成电路，具有快速完整的保护功能，因而可提高控制系统的可靠性，缩小控制板的尺寸。

SPWM控制与驱动电路如图5所示。

图5 SPWM控制与驱动电路

2.5蓄电池充电电路

本设计采用的蓄电池为3节12V串

联的形式，蓄电池型号为NP-13-12，

充电电压为13.5~13.8V时不受限制，

充电电压为14.4~15.0V时最大为

250mA，充电器的输出采用恒压恒流的

形式。蓄电池充电电路如图6所示。本

电路采用反激式变换器拓扑结构，输

出采用恒压恒流的形式，图中U4是主

控制芯片UC3843；Q8是开关管；T2是

主功率变压器；D7、C30和R28组成RC

吸收回路；R29、R30和R32对出电压进

行采样；U6是误差比较器，内部基准

为2.5V；光耦合器U5起到信号传递与

电气隔离的作用；U7、U8、R33~R36、

C35和C36组成恒流控制电路，R36的大

小决定了输出恒流的大小。

图6蓄电池充电电路

2.6辅助电源设计

本设计的需要一

个两路输出的辅助电

源，两路输出共地，

输入输出不要求隔

离。因为反激式电源

输出功率一般在150W

以下，本设计的辅助

电源就采用反激式的

电源拓扑结构。辅助

电源电路如图7所

示。控制电路结构与

蓄电池充电电路控制

结构相似，只不过这

里反馈没有光耦隔

离。电源输出设为

12V，12V再经过稳压

器LM7805得到5V电压，12V给Boost升压电路和逆变桥驱动电路供电，5V给SPWM控制电路供电。

图7辅助电源电路

3.系统调试

在交流供电U1=36VAC和直流供电U3=36VDC两种情况下,输出电压U2=24.04V,频率为49.99Hz，额定输出功率80W；负载调整率负载调整率的测试数据和结果如表1:

负载调整率Uo S

I

空载

满载