基于單片機的在線式UPS研究設計與實現

張曉剛 解嘉文

摘要：本文設計制作了交流正弦波在線式不間斷電源（UPS），首先闡述了在線式不間斷電源的工作原理及發展，重點分析了整流電壓、BOOST型電路、全橋逆變電路的設計與實現，基于單片機發出PWM（SPWM）控制BOOST升壓電路和全橋逆變，實現輸出電壓的穩定，經測試符合要求，對UPS電源智能化具有一定借鑒和參考意義。

關鍵詞：不間斷電源（UPS）;單片機;在線式;整流器

中圖分類號：TN86;TP368.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）12-0097-02

0? 引言

數字化、智能化是UPS發展的必然趨勢，本文討論的在線式UPS是一種小型、實用、智能化等為特點的UPS電源。它采用數字控制技術，運用單片機進行操控，符合UPS的發展趨勢，具有較好的市場應用潛力。由于該電源具有成本低、體積小、便利性，逆變輸出電壓頻率幅值較穩定等眾多優點，同樣也適合普通計算機使用。

1? UPS電源構成與原理

UPS的發明使用，經歷了從分立式、全控型功率器件，到今天智能化、網絡化的發展，其發展還將呈現多樣化的發展趨勢。UPS是一種帶有儲能裝置，以逆變器為主并具有穩壓穩頻輸出的電源保護設備，系統主要包括整流、逆變和儲能模塊等，其電源包括交流、直流充電、交直流逆變裝置等。按工作模式可分為后備式UPS、在線式UPS和在線互動式UPS，按其輸出波形又可分為正弦波輸出和方波輸出兩種，按電路結構可分為雙向變換串并聯補償式UPS、雙變換在線式UPS和三端口式UPS等。

在線式UPS電源由市電正常供電時，首先將交流電經整流變成直流電，然后進行脈寬調制、濾波，再將直流電經逆變器重新轉換成正弦波交流電源向負載供電。一旦市電停電，立即改由蓄電池提供的直流電經逆變器向負載提供正弦波交流電源。使負載并不因市電中斷，仍可以正常運行，并可避免由市電電網電壓波動及干擾而帶來的所有影響。全橋整流提供直流是實際應用中最為廣泛的變流方法。

現如今在公共電網上存在著各種形式的干擾且不容易察覺，嚴重時可危害電網。對于重要、精密或計算機設備等采用UPS供電是比較合適的選擇。本文基于單片機發出PWM（SPWM）控制電路升壓和逆變，實現在線式UPS的設計與實現。

2? 在線式UPS電源電路設計

基于單片機控制的在線式不間斷電源的整體結構，總體上采取一級升壓電路加上一級逆變電路實現（電路原理如圖1所示）。系統電路由可調節電壓輸入模塊、全橋整流模塊、BOOST型升壓模塊、電壓采樣模塊、全橋逆變模塊、電路驅動模塊、單片機控制模塊以及直流電源或儲能模塊組成。其中，自耦變壓器可以調整電壓輸出，隔離變壓器保證安全性;全橋整流把交流電整流成直流，后接大電容實現交直流不間斷供電;電壓采樣直接給BOOST電路一個恒定的占空比（根據需要也可以不加，后面開環）;BOOST升壓實現逆變交流輸出達到30V，全橋逆變實現交流輸出，后接LC濾波產生正弦波，用互感器模塊實現電壓/電流采樣。電壓/電流采樣對交流輸出電壓進行采樣，實現反饋，達到30V恒定輸出的效果;輔助電源實現給單片機供電（5V）和電壓/電流采樣模塊供電（5V），以及給IR2104驅動電路供電（15V）。

2.1 單片機控制電路

單片機采用STM32F103系列芯片，電路控制上，利用單片機發出PWM控制BOOST電路開關管實現升壓，利用單片機發出SPWM控制全橋逆變電路實現逆變;利用ADC芯片實現電壓采樣，并與期望值比較，利用PID算法實現輸出電壓穩定在30V。引入靜態和動態雙重電壓反饋，確保了逆變器的動態特性和穩定性。基本完成了全部基本功能。

2.2 BOOST型升壓電路

BOOST升壓電路使用兩個MOS管搭建而成（電路原理如圖2所示）。這種方案使用IR2104驅動一個半橋，利用MOS管導通關斷控制升壓。這種方案效率較高，而且可以調整MOS的耐壓值，來匹配電路。但是這種方案也較為復雜，因為外圍器件多將IR2104-3的輸出低端LO與靠近GND的mos的G端連接，將輸出高端HO與另一塊mos的G端連接，將IR2104的VS端接至對應的兩片mos中間。同時單片機正常工作。

測試時，斷開前端不控整流橋，采用學生直流電源接入BOOST電路的輸入端供電。將學生電源的輸出電壓設置為10V左右，此時程序默認占空比為50%，BOOST電路的輸出電壓為20V左右。使用示波器，直接測試BOOST輸出電壓，可觀察是否正常。

2.3 全橋逆變電路

利用IR2104芯片驅動BOOST電路與全橋電路，實現交流輸出，達到逆變目的（電路原理如圖3所示）。電路使用H橋（四個MOSFET），利用SPWM控制，在逆變電路之后加上LC濾波，就可以產生正弦波。電壓型全橋逆變電路輸出電壓U0的波形和半橋電路的波形U0形狀相同都為正弦波形，最終電壓傳送至負載供電。逆變器主要電路圖采用全橋逆變電路?？刂破鞑捎肧G3525，通過產生一個幅值在1～3.5V與市電同步的正弦信號，與鋸齒波比較，生成SPWM脈寬調制波。

2.4 驅動電路

因單片機不能直接驅動MOS管導通，所以需要添加中間的驅動電路，本方案采用IR2104型芯片實現（外圍電路如圖4所示）。驅動電路共使用3組，每組采用一個IR2104型芯片和兩個MOS管組成，為半橋驅動型電路。IR2104型芯片能提供較大的柵極驅動電流，并具有硬件死區、硬件防同臂導通等功用。運用兩片IR2104型半橋驅動芯片能夠組成完好的直流電機H橋式驅動電路，并且IR2104價錢低廉，功用完善，輸出功率也相對較低。此方案半橋電路的上下橋臂功率管是交替導通的，電路通過在Vb和Vs腳之間外接“自舉電容”，進而可實現半橋控制。

3? 結論

通過系統測試，基于單片機設計的在線式UPS電源電路，在交流輸入電壓范圍在29～43V時，輸出交流電壓范圍在30±0.2V，50Hz頻率誤差在±0.2Hz內。直流供電時，儲能電壓Ud為24V，輸出交流電流在I0=1A條件下，輸出交流電壓U0為30±0.2V，50Hz頻率誤差在±0.2Hz內，與設計目標和實驗目的一致。在U0=30V，I0=1A的條件下，在線式不間斷電源效率也可以達到要求，對實際電路的測試結果與理論計算基本一致。在實際應用中，儲能器件也可以采用直流電源代替或多個蓄電池進行并聯，當檢測到某蓄電池放電電壓降低到臨界值時，立刻切換到另一組蓄電池供電，保證輸出電壓的連續性。

參考文獻：

[1]廉柯.基于DSP的在線式數字化UPS的研究[D].中南大學，2010.

[2]陳瑞霞.單相UPS主逆變電路控制策略研究[J].機械管理開，2018，33（06）：181-183.

[3]王宇.單相UPS不間斷電源系統設計[J].廣播電視信息，2014（10）：66-68.

[4]丁向榮.單片微機原理與接口技術[M].電子工業出版社，2012.

[5]王光.三相在線式UPS數字化控制技術研究[D].哈爾濱理工大學，2019.

[6]Reduction of Input Current Harmonic Distortions and Balancing of Output Voltages of the Vienna Rectifier Under Supply Voltage Disturbances. Jeevan Adhikari，Prasanna IV，Sanjib Kumar Panda. IEEE Transactions on Power Electronics . 2017.