UPS的设计后备式不间断电源的设计.doc

1、 摘要随着电力电子技术的发展，提供更高质量的电能成为可能。不间断电源几乎成为一些行业的必然选择，比如信息业界。不间断电源内置蓄电池，在电网电源中断时，利用蓄电池继续给负载供电，保持负载供电的连续性。本文详细的介绍了一款小容量的后备式不间断电源的设计方法。此不间断电源包括电池升压电路，电池充电电路，逆变电路，旁路电路等组成。电网正常时，负载直接通过电网供电，当电网断电时，负载由蓄电池供电，实现了电源的不间断。电池升压电路采用隔离型推挽式直流直流变换电路，其控制核心是UC3825。电池升压电路将24V的蓄电池电压变为400V，为逆变电路提供直流源。逆变电路采用全桥式逆变电路，控制方式采用正弦脉冲宽

2、度调节方式。逆变电路产生220V的交流电压供负载使用。电池充电电路则采用单端反激式开关电源电路，其控制核心是UC3842。此充电电路能实现对蓄电池的分阶段充电。首先以恒定电流对蓄电池快速充电，当蓄电池电压达到一定值时，以恒定电压对蓄电池充电，最后使蓄电池进入浮充模式。另外旁路电路实现电网供电和蓄电池供电的切换。通过检测电网电压，当电网断电时，自动进行切换。本文中设计的电路都用saber进行仿真，以验证其正确性。关键词：不间断电源；电池充电；逆变；仿真The design of off-line UPSAbstractWith the development of power electroni

3、c technology, it is possible to provide better electronic energy. Uninterruptible power supply almost become the inevitable choice of some industries, such as information industry. There is battery in the uninterruptible power supply.When the power supply is interrupted, the battery supplies power t

4、o loads, thus maintaining the continuity of load power supply.This paper introduces the design method of a small-capacity off-line uninterruptible power supply. The uninterruptible power supply includes a battery boost circuit, battery charging circuit, inverter circuit, the bypass circuit and so on

5、. When the power is on, the load is powered directly from the power supply; when the power is off, the load is powered from the battery, thus maintaining the continuity of load power supply. The battery boost circuit is isolated push-pull DC-DC converter circuit, the core of the control circuit is U

6、C3825. Battery boost circuit boosts the battery voltage of 24V to 400V, providing DC source for inverting circuit. The inverter circuit is bridge circuit, the control method is SPWM. The inverter circuit generates an AC 220V for the load. Battery charging circuit uses the flyback switching power sup

7、ply circuit, the core of the control circuit is UC3842. The charging circuit can charge the battery in different stages. First, battery is charged quickly with a constant current. When the battery voltage reaches a certain value, battery is charged with a constant voltage. Finally, the battery is in

8、to the float mode. In addition, the bypass circuit switches the power supply and battery power supply. Through the detection of the power supply, when power is off, the bypass circuit runs automatically. The circuits designed in this paper are simulated by saber to verify its correctness.Key words:

9、UPS; Battery charging; Inverter; simulateIV目录摘要IAbstractII第一章 绪论1一、UPS的发展历史1二、UPS的分类和结构1（一）动态式UPS工作原理2（二）静止式UPS工作原理2三、本章小结5第二章 UPS的总体结构及原理6一、本设计参数6二、系统结构图和原理6三、本章小结8第三章 电池升压电路设计9一、电路设计9（一）主电路设计9（二）控制电路设计11二、电路仿真16（一）系统电路图16（二）输出电压波形图17第四章 逆变电路设计18一、电路设计18（一）主电路设计18（二）控制电路设计19二、逆变总电路仿真29（一）逆变总电路系统仿真电

10、路图29（二）输出电压波形图30三、SPWM脉冲的实现30（一）EG8010简介30（二）EG8010引脚介绍31（三）EG8010应用设计32四、本章小结34第五章 电池充电电路设计35一、电路设计35（一）主电路设计35（二）控制电路设计37二、电路仿真41（一）恒流充电过程41（二）恒压充电过程43三、本章小结44结论45致谢46参考文献47外文原文48附录：系统总电路图62第一章 绪论一、UPS的发展历史早期的UPS装置是采用柴油（或汽油）发电机电动机发电机组来实现电能变换，其设备笨重，占地面积大，。后来随着晶闸管的推广普及，使UPS装置摆脱了大量的机组设备，因此晶闸管控制的UPS迅速

11、发展，逐渐取代了发电机电动机发电机组式的UPS装置，但因晶闸管没有自关断能力，因此每只晶闸管需要配备换向单元电路，因此仍然使系统庞大而笨重。从80年代以后，全控型器件蓬勃发展，这些器件开关速度快，控制驱动方便，因此成为UPS装置的最佳选择。由这些器件制作的UPS装置重量轻、效率高、噪声小、操作控制灵活，使UPS装置进入一个新的时代。目前，国内外学者都对UPS开展了广泛的研究工作，各种先进的控制技术被引入。在此基础上，许多国外知名UPS生产厂商，如山特、梅兰日兰、APC等，纷纷利用自己的技术优势推出了多款集数字化、智能化、网络化于一身的新一代UPS。于此同时，作为UPS消费大国的中国，不论是大功

12、率市场还是小功率市场，我国的国产UPS市场占有率都小于50%,甚至30%都不到。由此可见，与国外相比，我国在UPS研究与生产领域都还处于一个弱势阶段。对我国来说，UPS的研究更为紧迫。二、UPS的分类和结构所谓不间断电源就是当交流电网输入发生异常或中断时，它可以继续向负载供电，并能够保证供电质量，使负载供电不受影响。这种供电装置称为不间断电源装置，或者称为不间断供电系统，简称UPS(Uninterruptible Power System)。不间断供电装置依据其向负载提供的是交流还是直流可分成两大类型，即直流不间断供电系统和交流不间断供电系统，但习惯上人们总是将交流不间断供电系统简称为UPS。

13、正因为如此，本书也沿用这一习惯称呼而将交流不间断电源简写为UPS。不间断电源通常分为动态式UPS和静止式UPS。随着技术的进步和发展，动态式UPS逐渐被淘汰，静止式UPS逐渐成为主流。本文主要介绍了静止式UPS。静止式UPS又可分为在线式UPS和后备式UPS。（一）动态式UPS工作原理所谓动态UPS就是指供电不间断是靠动能来实现的，也就是早期的采用柴油发电机电动机发电机组来实现电能变换的装置，其结构如图1.1所示。当电网供电正常时，交流电驱动交流电动机旋转，从而带动交流发电机和同轴的惯性飞轮同速运转，由发电机发电供给负载。当电网电压出现波动或某些尖峰干扰时，由于惯性飞轮的作用，较短时间的电压波

14、动或短时间干扰并不影响惯性飞轮的正常运转，从而保证了负载上电压的稳定性；一旦电网供电间断，电动机就停止运转这时发电机依靠同轴飞轮上所储存的巨大动能而继续发电，使负载的供电时间得以延长，以便现场工作人员保护现场。但在这种方案中，依靠动能储存的飞轮延长市电断电时的供电时间势必受到限制。动态UPS需要较多的电机设备，因此成本比较高，而且设备笨重，随着静止式UPS的发展，动态UPS逐渐被代替。图1.1 动态UPS结构图（二）静止式UPS工作原理静止式(静态)UPS与动态(旋转式)UPS相比较而言，没有电动机、发电机和飞轮之类旋转体，它通过由功率半导体器件组成的电能变换主电路对电能实现变换。现在人们概念

15、中的UPS均是静止式UPS。静止式UPS的经典方案如图1-2所示，其原理是：电网正常时，市电经整流器变成直流，再经逆变器将直流变成交流，后经转换开关送给负载；在电网异常时，由蓄电池给逆变器提供直流电能，经逆变器变成交流后送给负载；当整流器、逆变器或蓄电池等单元出现故障时，可经过转换开关将市电旁路给负载。对静止型UPS而言，按其工作方式又可分为在线式(online)和后备式(offline)两种，但无论是后备式还是在线式UPS，其基本结构大体相同，只是在工作方式上和为负载供电的质量上有一定的差异。下面简要说明在线式和后备式UPS的异同点。1在线式UPS工作过程在线式UPS的工作过程如图1.2所示

16、。电网正常供电时，交流电经输入变压器后，一方面经充电器给蓄电池充电，另一方面经整流器变成直流后送至逆变器，经逆变器变成交流后送给负载。能量流动的过程是：电网、变压器、整流器、逆变器、负载。电网供电异常时(过压、欠压、断电)，保护电路将切断输入市电与UPS的联系，让蓄电池为逆变器提供直流电能。能量流动的过程是：蓄电池、逆变器、负载。由上述可见，在线式UPS就是指电网正常供电时，电网一方面对蓄电池充电，另一方面经过UPS内部处理和变换后再送给负载；电网停电或供电异常时，由蓄电池向逆变器提供电能，保证负载供电不间断。在电网供电转为电网中断、蓄电池供电时，负载供电没有任何中断。当然，这是UPS内部无任

17、何故障时的情况。若UPS内部任何一个单元出现故障，则控制电路可使转换开关实现旁路输出。这样的转换一是有转换时间(供电有间断)，二是此时市电必须不中断，否则负载供电就无保障了。为了使转换过程不影响负载工作，应该使转换时间尽可能短，考虑到较大的滤波电容的储能作用，转换时间一般应小于3ms。在线式UPS的的性能优于后备式UPS，体现在在线式UPS可以没有转换时间，同时在线式UPS对电网电压进行整形处理，因此正常工作情况下，其供电质量优于电网。但在线式UPS的成本高于后备式UPS。因此在线式UPS用于电能质量要求比较高的场合。图1.2 在线式UPS结构框图2后备式UPS工作过程后备式UPS的工作过程如

18、图1.3所示。电网供电正常时，电网一方面经变压器至充电器给蓄电池组充电；另一方面经变压器和旁路开关(K接B点)送给负载。供电异常时，控制电路立即切断电网与负载的联系，同时起动逆变器并使K由接B转为接A，继续由蓄电池提供电能向负载供电。这时的能量流向和在线式是一样的，只是转换为蓄电池输送电能这个过程和在线式UPS有区别，即在线式UPS当电网异常转为蓄电池提供电能时不存在转换时间，而后备式UPS存在一定的转换时间，这种转换时间和在线式UPS中的转换旁路时间一样，一般希望其愈短愈好。通过上述可见，后备式UPS就是指电网正常供电时，电网通过旁路开关直接送给了负载，同时也给UPS的蓄电池充电。送给负载的

19、是没有经过UPS加工和处理的电网的电，供电质量明显不及在线式UPS的供电质量好。在电网供电出现异常时，才启动UPS内部的逆变器工作，将蓄电池提供的直流电能变成交流电能后送给负载。后备式UPS和在线式UPS虽然其基本结构大致一样，但在电网正常供电时，在线式UPS的输出较后备式UPS的输出交流电质量好，这主要是说在线式UPS的输出是稳压、稳频的，而后备式UPS最多对输出采取粗稳压而没有稳频等其他处理功能。不但如此，在电网供电异常、蓄电池组开始向逆变器提供能量时，在线式UPS没有转换时间，后备式UPS是有一定的转换时间的。因此从工作方式和供电质量上看，电网供电时和电网供电转为蓄电池组提供电能的转换过

20、程，在线式UPS的性能优于后备式。有的后备式UPS的生产厂家加了电网滤波装置，有的在输出变压器上增加了一些抽头，以实现对输出的简单稳压，使其产品的性能有所改善，但终究和在线式还有一定差距。图1.3 后备式UPS结构框图三、本章小结本章主要介绍了UPS的发展历史，结构，分类和基本原理。UPS的发展历程从柴油（或汽油）发电机电动机发电机组式UPS到晶闸管控制的UPS，再到使用全控型器件的UPS。UPS的结构分为动态式UPS和静止式UPS。静止式UPS又可分为在线式UPS和后备式UPS。现在动态式UPS已经逐渐被静止式UPS所代替。UPS一般都由变压电路，整流电路，逆变电路，充电电路和旁路电路组成。

21、其基本工作原理是在电网正常时由电网对负载供电，电网电压异常时由蓄电池供电。第二章 UPS的总体结构及原理一、本设计参数本文设计的是静止型不间断电源，而在线式和后备式相比，有着明显的优势，所以本文设计在线式的UPS。其技术性能如下：(1) 输入电压：单相两线制220V、50Hz交流电压输入电压范围：220V土10输入频率范围：50Hz土5(2) 输出电压：单相220V、50Hz交流电压电压稳定度：220V土2频率稳定度：50Hz土0.5(3) 额定功率：500W(4)蓄电池组：采用松下UP-VW1220铅酸蓄电池（12V）2块满载工作时(500W)：蓄电池组能维持3min半载工作时(250W)：

22、蓄电池组能维持10min供PC工作（100W）：蓄电池组能维持30min二、系统结构图和原理如图2.1所示，系统分为4个部分：电池升压电路、逆变电路、电池充电电路、旁路电路。电池升压电路的结构是隔离型推挽式直流直流变换电路。通过控制变压器原边的两个桥臂的开启和关断，将电池电压（24V）升高到400V,作为逆变器的直流源。逆变电路采用全桥式逆变桥电路，利用PWM技术控制开关管的开启和关断，再通过输出滤波器滤除高次谐波，最终得到正弦基波。电池充电电路是一个反激式开关电源电路，通过控制开关管的开启和关断，实现电池的三阶段充电：当电池电压低于27.4V时，以恒定电流的方式对电池快速充电，当电池电压高于

23、27.4V时，开始以恒定电压对电池充电，最后随着充电电流的减小，电池进入浮充阶段。旁路电路是用一个双触点的继电器实现的。AC-DC变换：将电网来的交流电经全波整流、滤波变为直流电压，供给逆变电路。AC-DC输入如果有软启动电路，可避免开机时对电网的冲击。DC-AC逆变电路：采用大功率IGBT模块全桥逆变电路，具有很大的功率富余量，在输出动态范围内输出阻抗特别小，具有快速响应特性。如果采用高频调制限流技术及快速短路保护技术，可以使逆变器无论是供电电压瞬变还是负载冲击或短路，均可安全可靠地工作。 控制驱动：控制驱动是完成整机功能控制的核心，它除了提供检测、保护、同步以及各种开关和显示驱动信号外，还

24、完成SPWM正弦脉宽调制的控制，如果采用静态和动态双重电压反馈，可以极大地改善了逆变器的动态特性和稳定性。UPS电源包括了两种类型：在线式、后备式。在线式UPS工作原理是输入的市电经整流滤波后，一方面经逆变后变成纯净的50Hz、220V交流电压输出;另一方面经充电器输出直流电给电池组充电，在市电中断时，由电池组经逆变电路逆变成220V、50Hz的交流电输出，零时间自动转换，有效地保证输出不间断的电源，全面解决市电中存在的电源故障，提供高层次的电源保护，适用于保护关键系统、重要数据，被广泛应用于数据中心、大型网络、行业系统（金融、邮电、医院、电力、航天航空、军事等）。 后备式UPS在市电供电时由

25、旁路开关直接输出，只有当市电断电时，电池组经逆变电路逆变成220V、50Hz的交流电路输出。图2.1 UPS系统结构图正常工作情况：旁路开关S1闭合,S2断开。电网电压分为两路，一路通过S1供负载使用。第二路经过整流电路变为直流300V，300V经过反激式开关电源得到大约直流24V给电池充电。当电网断电时：旁路开关断开S1断开，S2开启。此时直流24V电池电压通过S2和电池升压电路变换变为直流400V,送到全桥式逆变电路，逆变后供负载使用 。三、本章小结 本章主要介绍了UPS的设计参数，系统结构图和基本原理。本设计要求在电网电压为交流220V左右的输入情况下，输出也为220V左右的正弦交流电，

26、负载额定功率为500W。在电网断电时，UPS可以为负载供电几分钟。系统可以分为电池升压电路、逆变电路、电池充电电路、旁路电路四个部分。电网正常工作时，电网电压分为两路。一路供负载使用，第二路经过整流电路变为直流300V，300V经过反激式开关电源得到大约直流24V给电池充电。电网工作异常时，此时直流24V电池电压通过S2和电池升压电路变换变为直流400V,送到全桥式逆变电路，逆变后供负载使用 。第三章 电池升压电路设计本设计的目标是完成从直流24V到直流400V带隔离变压器的DC/DC变换。将24V的电池电压升高到400V,做为逆变器的直流电源。现拟采用下图3.1所示的电路图，它由带隔离变压器

27、的推挽式DC-DC变换电路和输出滤波电路组成，输出滤波电路为LC低通滤波器，现分析整个电池升压电路的基本工作原理。平稳的直流电压（24V）供给高频变压器的原边。两个开关管和高频变压器共同组成了带隔离变压器的推挽式DC/DC变换器，通过开关管的轮流导通，在变压器副边绕组两端分别形成相位相反的交流电压，变压器的副边交流电压经过二极管整流，然后经一个倒L型低通滤波电路，得到稳定的直流输出电压。一、电路设计（一）主电路设计1.高频变压器设计本设计要求输出电压U0为400V，开关管的占空比最大值定为Dmax=0.3。所以，高频变压器的次级输出电压U次应能够在最大输出占空比的情况下，保证输出电压为400V

28、, （3.1） 高频变压器初级输入电压 （3.2） 由此可得高频变压器的匝数比 （3.3）输出功率为 （3.4）图3.1 电池升压电压主电路结构图2.输出滤波电路的设计a.滤波电感：一般工程设计算法中，要求输出电流的最大脉动量为最大输出电流的20%，因为 (3.5)则： (3.6)b.电容的选择根据工程经典值 (3.7)3.主开关元件设计场效应管是一种体积小、重量轻、耗电省、寿命长，利用电场效应来控制电流大小的半导体器件，这种器件有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单等优点，因而获得了广泛的应用。场效应管的开关频率可以非常高，因此在高频的情况下，使用场效应管比IGBT更加

29、符合要求。同时场效应管为电压驱动型器件，因此驱动电路简单。与二极管的选型类似，主开关器件的选型，主要是确定开关器件的正向平均电流和正向电压峰值。根据全桥式DC-DC变换器的特点，每个开关管的承受的电压为Ui，即： (3.8)额定电压一般取为正常工作时MOSFET所承受峰值电压的23倍，即： (3.9) 确定了MOSFET的峰值电压，还需要计算开关管工作时的平均工作电流，输入电流： (3.10)则： (3.11)额定电流为正常工作时的23倍，即： (3.12)4.整流二极管设计每个二极管承受最大反向电压为高频变压器次级输出电压，即667V。额定电压一般取为正常工作时所承受峰值电压的23倍，此处选

30、取800V,每个二极管工作时平均电流为输出电流的0.5倍，即0.625A，额定电流为正常工作电流的23倍，此处取为1.5A。可选用东芝3JH61，耐压800V,额定电流3A，反向恢复时间0.5s。（二）控制电路设计1UC3825简介UC3825是一款针对开关电源的高频率高效率PWM控制芯片，它使用电压控制模式，其最高工作频率可达1MHz，带有基准电压输出、软启动和过流保护模块。其脉宽比较器的输入端可以用负载输出的电压信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。使用UC3825的开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都较高。因此UC3825

31、是比较理想的PWM控制芯片。2UC3825的引脚功能（1）引脚1（INV）：闭环系统中接反馈信号，为误差放大器反相输入端，用于形成电压比较电路。（2）引脚2 (NV)：此脚为与INV端行比较的误差放大器同相输入端。通常是设置的基准电压。（3）引脚3（E/A Out）：与INV端构成比例积分反馈电路的误差放大器的输出端。（4）引脚4（Clock）：两片PWM芯片链接运行时，提供给芯片同步时钟信号的时钟输出端。输出与震荡频率一致的时钟信号。（5）引脚5和引脚6 (CT和RT)：这两脚设置芯片的工作时钟，通过接不同的电容和电阻，形成不同的锯齿波信号。（6）引脚7（Ramp）：此脚为斜坡补偿端。（7）

32、引脚8 (Soft Start)：此引脚接一个电容，在整个电路上电时可以抑制电路的冲击电流，为软启动端，有保护功率元件的作用。（8）引脚9 (ILIM/SD)：此引脚具有过流保护的功能，只要将输出电流反馈至此端，当电源输出短路情况或者输出电流过大出时，即一旦超过内部设定值，芯片可以迅速封锁输出，让整个电路处于关闭状态。（9）引脚10，引脚13和引脚15（Gnd，Pwr Gnd和Vcc）：这些脚分别接信号地，功率地，和电源电压。（10）引脚11和引脚14（Out A和Out B）：这两脚输出互补的高低驱动脉冲信号。（11）引脚13和引脚16 (Vc和Vref)：引脚13是为了能够获得足够的驱动能

33、力或者配合不同的驱动电压等级设置的驱动电路的电压输入端，设计者可以随意调整。引脚16为稳定的5.1V基准电压输出端。3. UC3825的工作原理UC3825的内部电路包含多个功能的子模块，有锯齿波和时钟产生，误差放大与比较，电源和内部故障检测，软启动，过流保护和输出逻辑控制驱动等模块。a.锯齿波和时钟产生模块。引脚5接芯片内部3V的稳定电压，引脚6接芯片内部的一个恒流源。如果引脚5和对地端接上一个电阻，电阻上就会流过电流Ir，芯片内部经过检测引脚5上的电流而产生一个与之一样的恒定充电电流Ic=Ir。如果在引脚6和对地端接一个电容，这个充电电流Ic就对电容C进行恒流充电，CT端电压就会呈线性的斜

34、坡增加，在刚开始的时候，引脚6端电压较低，与之连接的电压比较器输出为低电平，图中的两个三极管截止。可是当引脚6端的电压大于迟滞比较器的预定值时，电压比较器的输出跳变为高电平，使两个三极管迅速开通，与引脚6连接的三极管使电容C中的电荷迅速释放，与引脚4连接的三极管开通，Clock端就输出高电平。当外接电容的电压降至使迟滞比较器的输出为低电平后，两个三极管截止。然后外接电容重新进行恒流充电，电路进入下一个工作周期，线性度良好的锯齿波信号就是在这样过程中不断产生的。b. 误差放大与比较模块，由引脚1,2,3连接成的一个反相误差放大器和一个电压比较器组成。电压比较器通过误差放大器将电路输出的电压信号转

35、换后与引脚7接入锯齿波电压相比较，随之输出高低电平。由此可得：比较器输出的高低电平时间是由误差放大器的输出电压与锯齿波电压相比较决定的。若误差放大电压越小，比较器输出的高电平时间越长，反之越短。c. 电源欠压保护和内部故障检测模块。两个电压比较器组成了此模块的功能。电源欠压保护通过输入电源电压与一个9V的稳定电压进行比较实现，内部故障检测通过由稳压器得到的基准电压与一个4V电压进行比较实现。只有当电源电压和基准电压都正常稳定时，后方电路才正常工作，从而使芯片正常工作。如果有一个电压不稳定，后方电路就会使输出驱动电路停止工作，从而达到保护主电路的目的。d. 软启动模块。因为整个电路刚上电的瞬间，

36、电路输出电压值很小，反馈给给误差放大电压值比较大，误差放大的电压接近饱和，进而使输出端的占空比接近最大，使驱动电路输出电压极高，形成很大的冲击电流，很有可能会损坏开关器件。软启动模块是就是在引脚8外接一个充电电容，使该脚上的电压不能突变为0V。在电路刚上电时封锁了误差放大器的电源地，使误差放大器在这一瞬间丧失作用。然后芯片内部的恒流源持续对引脚外接的电容进行充电，使“inhibit”三极管基极电压逐渐升高，使之逐渐导通，进而使误差放大器逐渐获得电源进入工作，输出电压也随着逐渐升高。经过一定时间的充电，三极管完全导通，此时电路输出电压已经升高到一定程度，误差放大器进入正常工作状态。e. 过流保护

37、模块。此芯片引脚9与内部的一个电压比较器相连，可以将外部电路输出采样到的电流信号通过电阻变成电压信号，然后通过引脚9与一个1V电压进行比较，只要比较电压大于1V，电压比较器就输出高电平，进而封锁驱动输出电压，实现限流。如果之后输出电流还在不断增加，反馈的电压信号增大至1.4V时，则另一个电压比较器就会跳为高电平从而进一步封锁驱动电路的脉冲，实现二次保护。f. 输出逻辑控制驱动模块。逻辑控制电路由一个电压比较器，若干个或非门，SR锁存器和T触发器组成。首先，误差放大器输出的误差电压（Ue）与引脚7的锯齿波电压比较，形成脉冲宽度与比较电压的大小成比例的方波电压（图4.4Ua波形），此方波信号通过S

38、R锁存器和一个或门，将信号传递入T触发器中。根据Ua波形的脉冲频率，T触发器的输出波形如图中Q和Q非所示，这两个脉冲电压能控制两个输出端的或非门，使他们相继开通，并且两个输出在同一个时刻不能同时导通。这种相继导通的驱动方式，正是全桥式DC-DC变换器所需要的驱动方式，这样，通过芯片内部各个模块，该芯片能够通过检测电路输出电压的大小调整驱动电路脉冲的占空比，从而调整电路输出的电压平均值，达到稳压的作用。由芯片UC3825及其外围电路组成开关电源的控制电路，能实现脉冲信号的形成和输出，输出电压的反馈，过流保护和软启动的功能。而且分别输出互补的驱动信号驱动四个开关管的开通和关断；锯齿波形成和输入电路

39、由引脚5、6、7共同组合完成；过流保护由围绕引脚9组成的外围电路实现，其过程为把由主电路反馈回来的的过电流信号通过电阻转换成电压信号，然后输入引脚9，如果主电路中的电流过大时，即一旦超过内部设定值就可以立即触出发芯片内部的过电流保护电路，锁定芯片的输出，从而实现过电流保护的功能。引脚16为基准电压输出端，它能够输出稳定的5.1V电压，通过分压电阻和电位器，能够形成适应于电路工作的比较电压，主电路的输出电压通过分压电阻分压后的电压输入由引脚1、2、3组成的误差放大器，形成误差电压，通过误差电压控制引脚14和引脚11的输出占空比，达到控制输出电压的目的。4.控制电路的参数计算由芯片资料了解到，UC

40、3825内部由锯齿波电路形成的锯齿波波峰电压值为2.8V，波谷时电压为1.0V。由于芯片内部的一个电压源的作用，实际输入电压比较器的锯齿波波峰电压值为4.05V,波谷时电压值为2.25V。a. 电压反馈电路的设计。电压反馈电路就是将输出电压转化成与控制电路相同电压等级的比较电压，供控制电路参考。本设计将电压按157倍衰减，即输出电压为400V时，反馈电压为2.55V。则： 图3.2 电池反馈电路结构图 (3.13)可取R反馈上为733k，R反馈下为4.7k。 b.误差比较电路的设计。误差比较电路是将基准电压与反馈电压相比较，将他们的差值反馈到芯片内部，改变内部控制电路的输出占空比，从而控制输出

41、电压。因为比例控制可以提高系统的开环增益，减小系统稳态误差，从而提高系统的控制精度，但会降低系统的相对稳定性，本设计电路采用比例积分电路来形成电压的调节。取比例电阻为47k,则比例放大倍数为47/4.7=19，充电电容为45nF,则充电时间常数为454.7=211.5s,大约是芯片工作周期的 10倍，这样有利于输出电压的调整而不使电路形成震荡。c.软启动电路的设计本设计的开关电源，其输出功率较大，开关电源启动时的瞬间电流很大，造成对电路的很大冲击，极易损坏电路中的各种元器件。而这种冲击电流，主要是由开关控制电路中的电压比较环节引起的。当开关电路启动时，控制电路首先得电，此时电压比较电路已经处于

42、正常工作状态，但是，此时的输出电压并没有还很小，这样，反馈电压与基准电压有很大的电压差，就会使误差比较器的输出饱和，使电路的输出占空比升至最大。在开关电路上电的瞬间就会产生很大的冲击电路。本设计的开关电源软启动电路，是由UC3825内部的软启动模块实现的。UC3825内部设置了一个恒流源和一个三极管来控制误差放大器的增益，当引脚8外接一个电容器时，整个电路上电瞬间，由于电容上的电压不能突变，引脚8上的电压为零，此时三极管基极点为零，没有电流流过，三极管截止。从而控制误差放大器，使其放大增益为很小，这样，即使基准电压与反馈电压差很大，也不会使电路产生冲击电流。之后，随着外接电容的继续充电，电压逐

43、渐升高，三极管逐渐开通，误差放大器的增益也逐渐增大，此时电路的输出电压也随即增大，使电路顺利进入稳定工作状态。外接电容器电容值取值原则，是使电容的充电时间尽可能大于开关电路的工作周期，使开关电路能够平稳过渡到稳定工作状态。从UC3825芯片资料典型设计电路图中，查得外接电容器为10F。二、电路仿真（一）系统电路图图3.3给出了电池升压电路仿真电路图，此图的主电路为隔离式的直流直流变换电路。通过控制开关管，实现电压的变换。控制电路的核心是UC3825。仿真条件：理想输入直流电压24V,理想线性变压器，理想开关器件。图3.3 电池升压电路仿真电路图（二）输出电压波形图从仿真结果可以看出，电压从低到

44、高，最终逐渐稳定在400V。说明UC3825的反馈作用起到了作用。电压有少许的波动，其波动大小取决于电容的大小，电容越大，波动越小，但是系统响应变慢。三、本章小结本章主要介绍了电池升压电路的系统结构图和基本原理及其设计。本设计要求在电池电压为直流24V左右的输入情况下，输出为400V左右的直流电，负载额定功率为500W。本文详细地介绍了主电路的设计和控制电路的设计。主电路的设计包括高频变压器、输出滤波器、主开关器件、整流二极管的设计。控制电路的设计包括电压反馈电路、误差比较电路、软启动电路的设计。文章最后给出了电路的仿真结果。第四章 逆变电路设计本设计的目标是将直流400V 转换为和市电相同的

45、220V交流电，供一般负载使用。逆变电源质量的好坏极大地影响着负载工作的可靠性，其转换效率的高低和带负载能力的强弱直接关系着它的应用范围，本设计的主电路采用全桥式逆变电路，控制电路采用双极式调制的SPWM技术。一、 电路设计（一）主电路设计现在分析其工作原理。四个开关管分为两组（V1，V4和V2，V3）。当第一组（V1和V4）导通时，负载得到正电压。当第二组（V2和V3）导通时，负载得到负电压。两组桥臂交替导通，负载得到正负交替的交流电压。此电压经一个倒L型滤波电路，此滤波电路为低通滤波电路，滤除电压的高次谐波分量及电压尖峰值，得到正弦输出电压。1.主开关元件设计IGBT驱动功率小而饱和压降低。因此在这里选用IGBT作为主开关器件。主开关器件的选型，主要是确定开关器件的正向平均电流和正向电压峰值。根据全桥式逆变器的特点，每个开关管的电压为400V,额定电压一般取为正常工作时所承受峰值电压的23倍，所以此处选取耐压为600V的IGBT。确定了IGBT的峰值电压，还需要计算开关管工作时的平均工作电流：输出电流有效值： (4.1)则： (4.2) 额定电流为正常工作时MOSFET所承受峰值电压的23倍，即： (4.3) 图4.1 逆变电路主电路结构图 2.开