在线式UPS的原理分析

图3－7单相全桥逆变电路

出的UPS装置中，逆变器所需的滤波器尺寸可以大大减小。实际上，在目前的中、小型电源中，一般都是利用输出电源变压器的漏电感再并联一个8～10μF的滤波电容即可构成逆变器的输出滤波器。

3．2逆变器电路

　　在线式UPS多采用单相桥式逆变电路，如图3－7所示。它是由直流电源E、输出变压器T及场效应管V1～V4管组成。

图3-7 单相全桥逆变电路

　　单相桥式逆变电路按其工作方式可分为：同频逆变电路、倍频逆变电路。

（1）同频逆变电路

　　在同频逆变电路中，场效应管V1、V2、V3、V4的栅极G1、G2、G3及G4分别加上正弦脉宽触发信号，其波形如图3－8所示。在ωto～ωt1期间，uG1与uG2为一组相位相反的脉冲。uG3=0,uG4为高电平；在ωt1～ωt2期间，uG3与uG4为一组相位相反的脉冲，uG1=0,uG2为高电平，其工作过程如下：V1栅极出现第一个脉冲时，V2的栅极脉冲消失，于是V1、V4导通；V2、V3截止。输出变压器初级电流i1沿着E＋→V1→变压器初级→V4→E－路径流动。由于V1、V4导通，电源电压几乎全部加在变压器初级两端，即：电源的能量转换到变压器，变压器次级感应出电压为：

　　在这个电压推动下，变压器次级出现电流iO，它沿着“3”→R→L→“4”路径流动。变压器储存的能量一部分消耗在负载电阻R上，另一部分储存在负载电感L中。uO的波形如图3－8（e）所示。

图3－8同频逆变电路主要波形

　　V1栅极的第一个脉冲消失时，V2的栅极出现第二个脉冲，V1截止。iO不能突变，仍按原来路径流动，负载电感中的能量一部分消耗在负载电阻上，另一部分储存在变压器中。它使电流i1也不能突变，i1一方面沿着“2”→V4→V6→“1”流动，变压器储存的能量消耗在回路电阻上；另一方面i1沿着“2”→V7→E→V6→“1”流动，变压器能量反馈给电源E。由于V4、V6导通，变压器初级短路，故u12≈0,uO≈0,故不会出现反向尖脉冲。变压器中能量释放完后，V2截止。

　　由此可见，V1的栅极出现第一个触发脉冲时，变压器初、次级同时出现宽度相同的脉冲。不难推出，V1的栅极出现第二至第九个触发脉冲时，变压器初、次级也同时出现与图3－8宽度相同的第二个至第九个脉冲。其输出电压波形如图3－8（e）所示。

　　在ωt1～ωt2期间，分析方法与ωt0～ωt1相同，读者可自行分析，由分析可见：

　　·uO是正弦脉宽调制波。

　　·uO中脉冲频率与驱动信号（uG1～uG4)中脉冲频率相同，故将这种逆变电路称为同频逆变电路。

（2）倍频逆变电路

　　在倍频逆变电路中，场效应管V1、V2、、V3、V4栅极G1、G2、G3及G4分别加上正弦脉宽触发信号如图3－9所示。图中uG1与uG2，uG3与uG4相位相反，其工作过程如下：

　　在t0～t1期间：

　　uG1>0、uG4>0，uG2=0、uG3=0，V1、V4导通，V2、V3截止。变压器初级电流i1沿着E＋→V1→变压器初级→V4→E－路径流动，由于V1、V4导通，故：电流的能量转移到变压器，变压器次级感应出电

图3－9倍频逆变电路主要波形

压为：在这个电压推动下，变压器次级感应电流iO沿着“3”→R→L→“4”路径流动。变压器中能量一部分消耗在R上，另一部分储存在L中，uO的波形如图3－9（e）图所示。

　　在t1～t2期间：

　　uG1>0、uG3>0，uG2=0、uG4=0，V4截止。iO不能突变，iO继续按原来方向流动，负载电感中的能量一部分消耗在负载电阻上，另一部分储存在变压器中。i1也不能突变，它沿着“2”→V7→V1→“1”路径流动，变压器中的能量消耗在回路电阻上；i1另一方面沿着“2”→V7→E→V6→“1”流动，使变压器中的能量反馈电源。由于V7、V1导通，u21≈0,uO≈0。故不会出现尖脉冲。变压器中能量释放完后，V1自动截止。

　　在t2～t3期间：

　　uG1>0、uG4>0，uG2=0、uG3=0，V1、V4导通，V2、V3截止。i1沿着E＋→V1→变压器初级→V4→E－路径流动，由于V1、V4导通，故：i0沿着“3”→R→L→“4”路径流动。

　　在t3～t4期间：

　　uG2>0、uG4>0，uG1=0、uG3=0，V1截止。iO继续沿着原来路径流动，负载电感L中的能量一部分消耗在负载电阻R上，另一部分储存在变压器中。i1一方面沿着“2”→V4→V6→“1”路径流动，变压器中的能量消耗在回路电阻上；i1另一方面沿着“2”→V7→E→V6→“1”使变压器中的能量反馈给电源。由于V6、V4导通，u21≈0,uO≈0，故不会出现尖脉冲。变压器中能量释放完后，V4自动截止。

　　以后便重复上述过程，uO的波形如图3－9(e)所示。由图看出：

　　·输出电压uO也是正弦脉宽度调制波。

　　·输出电压uO中脉冲频率是驱动信号中脉冲频率的两倍，故将这种逆变电路称为倍频逆变电路。

4具有双闭环的在线式UPS控制电路

　　为了提高输出电压的稳压精度、改善输出波形，UPS往往采用闭环电压控制电路和闭环波形控制电路。具有这种双闭环调节系统的UPS反馈控制电路如图3－10所示。

图3-10 UPS的双闭球反馈控制电路

4.1电压闭环控制电路

　　电压闭环控制电路是由直流电压检测电路、给定电压、误差放大器组成。

　　（1）直流电压检测电路

　　直流电压检测电路是由检测变压器T、单相全波整流电路V1～V2、电阻分压器R1、R4、R5组成。设变压器变比为n，电阻分压器输出电压为UV，反馈系数为β，经推导：则UV=βUO

　　（2）给定电压

　　给定电压Un是由12V电源、电位器RP、电阻R3构成分压器提供的。

　　（3）误差放大器

　　误差放大器是由运放N1、电阻R6构成的反相放大器，C1的作用是抑制高频振荡，放大器输出电压Uk为：Uk=K1(Un－Uv）

　　（4）跟随器

　　跟随器由运放N2构成，其输出电压UL=UK。

　　（5）SigmaPWM集成芯片

　　N4是SigmaPWM集成芯片。跟随器N2输出电压UL加在N4的控制端（16脚）。N4输出标准的正弦波交流电压US，其电压的幅值受跟随输入电压控制。

4．2波形闭环控制电路

　　（1）交流电压检测电路

　　交流电压检测电路由检测变压器T（U21）、电阻分压器R9、R11组成。

　　（2）给定电压

　　给定电压由SigmaPWM集成芯片提供，15脚输

图3－10UPS的双闭环反馈控制电路

出，它通过R17、C8加在N3的反相端，设给定电压为UM。

　　（3）误差放大器

　　误差放大器由运放N3、R12～R16、C4～C7组成。图中：R14、C6构成校正环节：C4、R12、R13也构成校正环节，C5、R16是为了减少运放N3失调电压的；C7是抑制放大器高频振荡的，静态时校正环节不起作用，故误差放大器输出电压UC,4．3闭环反馈调节系统

　　（1）闭环波形控制环路

　　4.3 闭环波形控制框图如图3－11所示。

图3－11闭环波形调节系统框图

　　图中：K3是交流电压误差放大器的增益；K4是正弦脉宽调制器的传递函数；K5是逆变器的传递函数；F是检测电路的反馈系数。根据图3－11可以写出：

U0=K3·K4·K5（UM－Uf）

令K=K3·K4·K5

——环路总增益

由于FK?1

则UO=UM/F

　　由于F是常数，并且是小于1的常数。因此UPS输出电压UO波形与给定电压UM波形相同，也是高质量的正弦波。

　　（2）闭环电压控制环路

图3－12闭环电压调节系统框图

　　闭环电路调节系统框图如图3－12所示。图中：K1是直流电压误差放大器的增益；K2是SigmaPWM集成芯片控制系数。

　　上式表明：双闭环系统的稳压精度比单闭环系统的稳压精度高。

5在线式UPS的同步锁相电路

　　在线式UPS同步锁相电路如图3－13所示，它