一種小型UPS不間斷電源的設(shè)計(jì)

摘要：本文設(shè)計(jì)一種小型的UPS不間斷電源，采用市電和蓄電池供電，通過(guò)無(wú)觸點(diǎn)控制的晶體管開(kāi)關(guān)電路轉(zhuǎn)換，在市電發(fā)生停電時(shí)，由蓄電池充電和逆變轉(zhuǎn)換的方法，輸出電壓220V的交流穩(wěn)定電壓。電路采用大功率電壓控制器件VMOS管，輸入阻抗高，可以不用推動(dòng)電路，而直接從震蕩電路取得激勵(lì)電壓，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，具有過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)電路，工作性能穩(wěn)定，帶負(fù)載能力強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：UPS VMOS管 過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)

一、UPS設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，各行各業(yè)廣泛地采用了高精設(shè)備，這些設(shè)備往往要求工作時(shí)不能斷電，如機(jī)場(chǎng)設(shè)備、程控交換機(jī)設(shè)備及目前已廣泛采用的微型計(jì)算機(jī)等，即使是極短的供電中斷也會(huì)造成極為嚴(yán)重的后果。正是由于這種原因，不間斷供電系統(tǒng)（uninterruptile power system-UPS）迅速發(fā)展起來(lái)。

本文所設(shè)計(jì)的電源電路為小功率后備式的單相輸出的UPS。其主要功能是當(dāng)市電斷電時(shí)，由UPS及時(shí)地向用電設(shè)備提供電能，使用電設(shè)備在市電斷電之后，仍能不間斷地工作一段時(shí)間。

當(dāng)市電輸入正常時(shí)，由市電—逆變供電轉(zhuǎn)換控制電路輸出三電路信號(hào)，其中一路控制單刀雙擲開(kāi)關(guān)s1（實(shí)際上是繼電器觸點(diǎn)）接通市電供電，此時(shí)，負(fù)載直接由市電供電；第二路控制信號(hào)送“面板顯示電路”，以指示市電狀態(tài)；第三路控制信號(hào)送逆變?nèi)龢O管，關(guān)斷逆變電路。另外，市電還經(jīng)降壓、整流和充電電路給蓄電池充電，以備市電斷電后由蓄電池輸出電能。

當(dāng)市電斷電后，市電—逆變供電轉(zhuǎn)換控制電路輸出信號(hào)發(fā)生變化，其中第一路控制信號(hào)使s1倒向逆變供電一邊；第二路信號(hào)送面板顯示電路，以指示逆變供電狀態(tài)；第三路控制信號(hào)送逆變?nèi)龢O管，將蓄電池的直流電源逆變成交流電，經(jīng)輸出變壓器升壓后，向負(fù)載提供近似220V的交流電源。

二、主要性能指標(biāo)

額定輸出功率：≥100W、輸出電壓：交流220V、工作頻率：50赫茲、輸出電壓波形：方波、空載逆變電流：≤0.5A、

充電電流：3～8A、市電供電與逆變供電轉(zhuǎn)換時(shí)間：<0.2s

1、整流濾波電路：整流濾波電路是不間斷電源的重要組成部分。電網(wǎng)提供的交流電為220V或380V（本文采用220V、50Hz），而各種電子設(shè)備所需要的電壓是幅值不同的直流電壓，因此，首先要對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行整流濾波處理。

2、整流二極管的功能：利用二極管單向?qū)щ娦裕梢园逊较蚪惶孀兓慕涣麟娮儞Q成單一方向的脈動(dòng)直流電。

3、整流濾波電路的功能是：將交流電變換成直流電；具有輸出電壓保持能力；抑制電網(wǎng)的干擾信號(hào)。

4、對(duì)整流濾波電路的要求：

（1）整流濾波輸出的電壓的大小要能調(diào)節(jié)，以滿足對(duì)蓄電池進(jìn)行浮動(dòng)充電和均等充電的要求。

（2）整流濾波輸出電壓要穩(wěn)定，一般要求靜態(tài)穩(wěn)壓精度要能達(dá)到1%

（3）具有一定的過(guò)載能力

（4）整流濾波輸出電壓波紋要小，一般要求在額定負(fù)載時(shí)小于額定輸出電壓1%

（5）具有過(guò)載、短路、過(guò)熱、過(guò)電壓、欠電壓等保護(hù)和報(bào)警功能。

（6）起動(dòng)要平穩(wěn)，運(yùn)行要穩(wěn)定可靠。

三、充電與逆變電路

蓄電池是一種可逆電池，靜止型UPS常用蓄電池作儲(chǔ)能元件。UPS一般要輸出220V交流電，帶動(dòng)較大功率的用電設(shè)備，在電池串聯(lián)數(shù)目有限的情況下（中小型UPS一般由2～8個(gè)電池串聯(lián)），必須有較大的輸出電流能力。蓄電池的品種很多，但適于作UPS蓄電池的主要有三類：

（1）價(jià)格便宜的HS電池和適用于低溫工作條件的AHH型電池。

（2）適用于長(zhǎng)放點(diǎn)時(shí)間的CS型電池。

（3）小型密封式M型電池。

逆變電路是不間斷交流電源的核心，它把蓄電池輸出的直流電變換成50Hz的交流電。后備式UPS，當(dāng)市電中斷后，由于繼電器觸點(diǎn)從市電供電狀態(tài)切換到逆變邊，需要一定的時(shí)間，大約需要2～4ms，因此，以繼電器作切換元件的后備式UPS具有2～4ms的供電轉(zhuǎn)換時(shí)間。像微型機(jī)這樣的用電設(shè)備，由于機(jī)內(nèi)電源的濾波電容存在，即使微機(jī)的輸入交流電源斷電，也可以利用濾波電容上儲(chǔ)存的電能維持工作10ms左右，但是，對(duì)于不允許斷電時(shí)間超過(guò)4ms的用電設(shè)備，小型離線式（有稱后備式）UPS一般采用快速繼電器作切換元件，觸點(diǎn)動(dòng)作時(shí)間為2～4ms，為縮短轉(zhuǎn)換時(shí)間，在較高檔一些得UPS中采用雙向可控硅，或雙向可控硅與繼電器觸點(diǎn)并聯(lián)的靜態(tài)式開(kāi)關(guān)（static switch）作切換元件，當(dāng)然采用在線式UPS更是一種行之有效得方法。本文在設(shè)計(jì)中選用雙向可控硅作切換元件。

圖中VT1、VT2、VT3、VT4、VT5及橋式整流管VD1～4、變壓器T2組成了UPS的電子開(kāi)關(guān)電路。多諧振蕩源，VT6、VT7，大功率VMOS場(chǎng)效應(yīng)管VT8、VT9以及電源變壓器T1，組成了逆變開(kāi)關(guān)主體電路。VT10、VT11以及發(fā)光二極管LED1、LED2則構(gòu)成了充電與放電狀態(tài)指示電路。

在市電電源供電正常時(shí)，電源變壓器T2的次級(jí)L2繞組產(chǎn)生18V的低壓，經(jīng)VD1～4組成的橋式整流器整流后、其直流輸出的電壓作為一個(gè)觸發(fā)電壓，由電阻R1加到晶體管VT1的基極，使VT1飽和導(dǎo)通。VT1的導(dǎo)通迫使VT2、VT3組成的施密特觸發(fā)電路由導(dǎo)通翻轉(zhuǎn)為截止，VT4、VT5也隨之關(guān)斷，因VT5的集、射極串接在多諧振蕩源的直流電源供電回路里，由VT5的截止，切斷多諧振蕩源的直流電源供電，使電路不做逆變工作，逆變無(wú)輸出。電源變壓器T2的L1繞組輸出3V的低壓，觸發(fā)雙向可控硅SCR導(dǎo)通，使電源變壓器T1的初級(jí)加入220V的交流電壓，經(jīng)次級(jí)將壓后，加入VT8、VT9大功率VMOS管的漏極D，由VMOS管源、漏極整流后的直流電壓經(jīng)蓄電池充電。

在蓄電池電壓充到15V以上時(shí)，LED1紅色發(fā)光管點(diǎn)亮，發(fā)出蓄電池充滿的告警信號(hào)，此時(shí)應(yīng)關(guān)閉直流電源開(kāi)關(guān)SA2，以防蓄電池形成過(guò)充電而損壞。

在市電交流電源停電后，由于電源變壓器T2的次級(jí)L1繞組無(wú)觸發(fā)電壓，雙向可控硅SCR關(guān)斷，使電源變壓器T1的初級(jí)與市電回路分離。另一路，L2繞組因無(wú)18V電壓，使VT1無(wú)觸發(fā)電壓，VT1由飽和導(dǎo)通變?yōu)榻刂埂T2、VT3等組成的施密特觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)，VT4、VT5飽和導(dǎo)通，由蓄電池的“+”極12V電源，通過(guò)VT5的e、c極，向VT6、VT7多諧振蕩電源供電。VT6、VT7起振工作，大功率VMOSVT8、VT9的柵極G，得到推動(dòng)信號(hào)電壓，而做大功率開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換工作，從而逆變輸出電壓。

在本電路中，大功率開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器件使用了高效大功率新型元件VMOS場(chǎng)效應(yīng)管，因其輸入阻抗高，跨導(dǎo)高，所需激勵(lì)功率小等優(yōu)點(diǎn)，故前級(jí)推動(dòng)電路只用一級(jí)小信號(hào)振蕩電路就能很好地工作。

在逆變工作過(guò)程中，當(dāng)蓄電池電壓低于11V時(shí)，綠色二極管LED2熄滅，告警蓄電池已近放電完畢，不可再放電了，以防蓄電池形成過(guò)放電而損壞。

四、交流穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)

交流穩(wěn)壓電路也是UPS電源的一個(gè)重要組成部分。交流電源是大部分用電設(shè)備的能源。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，電的用量正在日益增加，但同時(shí)也帶來(lái)了一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題：交流電壓不穩(wěn)定。原來(lái)很穩(wěn)定的電壓現(xiàn)在變得忽高忽低，有時(shí)波動(dòng)還很大，這使用電設(shè)備常常出于危險(xiǎn)之中，輕則工作不正常，重則毀壞用電設(shè)備。因此，在UPS電源電路中設(shè)計(jì)一個(gè)交流穩(wěn)壓器（如圖3）變得非常重要。

當(dāng)輸入電壓低于220V時(shí)，SCR2的控制電壓小于定植，使SCR2導(dǎo)通角變小，C1端電壓上升，致使SCR1導(dǎo)通角增大，電壓升高。反之，則C1端電壓下降，使SCR1導(dǎo)通角減小，電壓下降，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓（允許輸入電壓范圍為160V～260V，在此范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓）。

六、結(jié)論

電力電子技術(shù)是發(fā)展高新技術(shù)的基礎(chǔ)，它拓寬了微電子技術(shù)、信息技術(shù)與傳感器技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，推動(dòng)了新技術(shù)與高精技術(shù)的發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，它將發(fā)揮更為重要的作用。UPS不間斷電源電路作為電力電子技術(shù)的一個(gè)范疇，也得到了很快的發(fā)展，本文所設(shè)計(jì)的電源的逆變電路簡(jiǎn)單、性能可靠，采用VMOS管作用功率輸出級(jí)，逆變效率高。

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作者簡(jiǎn)介：楊濤，男，新疆克拉瑪依人，1082年3月，大學(xué)本科，助理工程師，研究?jī)?nèi)容：油氣田地面建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督

工作單位：石油天然氣克拉瑪依工程質(zhì)量監(jiān)督站