一种单相在线式不间断电源探究与设计*

李廷阳 张 媛 邓志民 刘 群 万 盈 荣傲华 胡安正

(湖北文理学院物理与电子工程学院 湖北 襄阳 441053)

单相在线式不间断电源最早出现于20世纪60年代末，迄今已有50多年的发展，不间断电源早期作为工业设备的电力保护装置，其质量直接关系到所保护设备的电力供电状况，成为保证安全和质量的重要基础.随着现代电子技术的发展，不间断电源的重要性越来越突出，其在应对突发断电事故和减少停电造成的不必要损失方面发挥了不可磨灭的作用[1].

1 总体方案设计

系统总体拓扑结构如图1所示.

图1 系统方案框图

系统由全桥Buck-Boost调压电路、全桥逆变器、电压采样电路,以及单片机控制电路构成.其中由单片机进行正弦脉冲宽度调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation, SPWM)，产生SPWM波用以驱动自带死区控制的桥式驱动芯片IR2104，采样电路选用二极管进行全波整流，再通过LM358运放滤波后进行采样.全桥Buck-Boost电路将会把输入电压稳压在一个合适的值后，再输入给全桥逆变器.

2 系统中主要模块探究与设计

不间断电源预期指标为：系统能够稳定输出30 V左右,50 Hz的交流电，其总谐波失真度(Total Harmonic Distortion,THD)小于1%，负载调整率和电压调整率小于2%,电源效率在90%以上，具有断电保护、过压过流保护等功能.为实现上述指标要求，对以下模块进行分析论证.

2.1 稳压方案探究与选择

本系统可以实现手动调压和自动稳压.初始方案是通过单个逆变器控制SPWM波幅值来调节输出交流电的电压大小，但在实际过程中，发现当改变SPWM波的幅度来调制时，会引起输出逆变波形部分失真，THD增大，且效率不高；改进为在逆变器之前增加了一个Buck-Boost调压电路,如图2所示.

图2 全桥Buck-Boost电路

配合双沿脉冲调制算法，实现升压、降压模式间平滑过渡，降低了输出电压纹波，对于输入给逆变器的直流电压能起到很好的控制效果.

2.2 逆变方案研究与选择

逆变电路的主要功能就是将直流电变成交流电供给负载.依照逆变电路结构特点又可将逆变器分为半桥逆变电路和全桥逆变电路.半桥逆变电路使用开关器件少，控制性能好，但其只适用于小功率逆变器.全桥逆变电路使用的开关器件多，驱动较为复杂，但其电压不高，输出功率大，适用于大功率的逆变器[2].在本系统中，采用全桥逆变电路，如图3所示.

图3 全桥逆变电路

由STM32F103RCT6单片机输出SPWM波，IR2104芯片驱动4个MOSFET组成逆变桥.滤波部分采用LC低通滤波电路和电磁干扰滤波器(Electromagnetic Interference Filter).SPWM波形中所含的谐波主要是载波角频率ω及其奇次谐波，LC滤波能够抑制 SPWM 波中的谐波分量，提高逆变电源谐波的纯度[3].

2.3 滤波器研究与设计

逆变器输出会带有基波的奇数次谐波,因此需要滤除这些谐波或者抑制这些谐波输出[4].在断电情况下，逆变器输出需要向整个系统供电,因此,要求电路输出电阻小,所以不选用RC无源滤波器而选择用LC无源滤波器,后者比前者电阻小，滤波电路如图4所示.

在设计过程中，由于逆变器需要输出频率为50 Hz的交流电，因此，选用1.5 mH的屏蔽电感和2.2 μF的无极性电解电容构成LC无源滤波器，通过

公式计算得出LC滤波器截止频率为2.77 kHz，满足设计要求.

图4 滤波电路

3 软件流程及PID算法

图5为软件流程图.本系统由电压采样部分、过压保护、模式检测部分以及各个模式的执行部分组成.单片机通过ADC采集反馈的电压，判断当前有无交流电压输入，输出电压采集后送入单片机进行PID处理运算，该系统采用增量式PI调节，PID将采集到的电压值与系统设定值相比较得到当前偏差，将该偏差送入PI控制系统后得到当前输出，该输出与以前的输出累计后得到系统总输出，这样进行多个周期调整后，就能将系统输出稳定为设定值，形成稳定的闭环系统.同时单片机可通过判断电压值来判断电压有无超过安全电压，以方便断电，从而达到保护电路的作用.

图5 软件流程图

4 总结

实物效果如图6所示，该电源以全桥Buck-Boost电路和全桥逆变器为核心，能够稳定输出30 V左右,50 Hz的交流电，失真度THD<1%,负载调整率和电压调整率都在1.5%以下，该电源效率能够保持在90%以上，在交流输入断开时，该电源能够及时切换至直流电源输入，保证输出电压不间断.在运行过程中，该系统还具有测量电压、过压过流保护功能.

图6 实物效果图