基于DSP控制的在线式不间断电源设计

1、摘要随着信息技术的发展，UPS广泛地应用于银行、证券、军事、医疗、航空航天等众多领域,以保护一些对供电敏感的负载如电脑系统、通讯系统、医疗系统等。对于UPS整个系统构架，可以说逆变器是不间断电源系统的核心，决定着输出电压波形的质量。同时，高性能数字信号处理器(DSP)的飞速发展，也使得UPS的数字化控制更加精确，从而提高了整个UPS系统的稳定性与可靠性。本文主要介绍了基于1MS320C2812控制，采用电压电流双环控制的三相半桥逆变器系统的总体设计方案。文中首先对UPS的主要结构进行分析、综合，在其基础上，通过比较各种逆变器的电路结构与工作原理，说明了采用三相半桥逆变器的优点，文中建立了三相半

2、桥逆变器的控制模型，将三相半桥逆变器采用电压电流双环控制，目的是令采用三相半桥逆变器结构的UPS系统具有更好、更强、更可靠的带负载能力，从而为用户提供更加优良的电源。文中根据UPS系统的硬件设计，给出了基于TMS320C2812控制的软件设计方案，结合PWM驱动程序的主程序源代码与AD采样程序的主程序源代码说明其程序的运行流程。同时，本文通过对采用三相半桥逆变器结构的UPS系统的建模。经过Matlab仿真，证明了本课题设计方案的可行性。最后，本文初步设计了一台UPS，通过实验结果证明了本文设计方案的可行性，创新性和优越性。关键词：不间断电源；数字信号处理器；逆变器；数字PID控制。Abstra

3、ctABSTRACTWith the development of information technology,uninterruptible power supply(UPS)which have been widely used in banldng,securities，military,medical，aerospace and so forth,are widely selected for the protection of sensitive loads suchas PC，communication systems and medical equipmentsIt can b

4、e said that inverter isthe core of UPS and determines the quality of the output voltage waveform for thewhole UPS systemMeanwhile，high-performance digital signal pl'DCgSSOr(DSP)hasbeen rapid development made the digital control more precise for the UPSThus thestability andthe reliability ofthe w

5、hole UPS system have been enhancedIn this耻Iper，the design of a three-phase half-bridge inverter which controlledby voltage and current double loop based On TMS320C2812 is proposedThe mainshllgtllres of the UPS are analyzed and synthesizedAfI盯that the merits of thethree-phaso half-bridge inverter afe

6、 proved by comparing several electrical circuitstructures of inverter and their principles of workThen the three-phase half bridgeinverter control model is establishedThe UPS system adopt three·phase half-bridgeinverter which controlled by voltage and current double loop for the reaSOll that th

7、eability ofthe UPS with loads will be better,stronger and more reliableSo it Can provide afiner power for the userAccording to the hardware design of the UPS system,thesoftware design based On the TMS320C2812 is in扛oducedThe programs of theoperating procedure ale presented by analyzing the PWM drive

8、r program and ADsample programAt the same time,the UPS system simulation model which adoptsthree-phase half-bridge inverter is built and the approach in this pai七r is demonstratedby Matlab simulation resultFinallB a preliminary design of UPS is proposed in thispaper and the feasibility,innovation an

9、d superinatr are proved though experinaentsKey Words：uninterruptible power supply；DSP；inverter；digital PID control学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名(手写)礁阑翟鐾簦字日期彩叩7

10、年比且扫日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。第1章引言11概述UPS(Uninterruptible Power Supplyl，即不间断电源。主要用于给个人计算机、计算机网络系统或其它电力电子设备提供不问断的电力供应。当市电输入正常时，UPS

11、将市电稳压后输出给负载，此时的UPS相当于一台交流市电稳压器，同时它还向机内蓄电池充电；当市电异常时，如欠压、断电等，UPS立即将机内蓄电池的电能，通过逆变器向负载继续供应恒压恒频的交流电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。初期的不间断电源装置，不是采用功率开关器件组成的变换电路来转换电能，而是采用柴油发电机来实现电能的变换，也把这种不间断电源装置称为动态式UPS。这种UPS的缺点也是显而易见，就是整机笨重、效率低、噪声大、操作控制不灵活、输出的电压波形不平滑，同时由于存在着转换时间，不能及时响应，会中断负载的供电。由功率开关器件组成的电力变换电路来实现电能的转换，实现连续向负载供

12、电，这种不间断电源装置称为静止式UPS。传统的静止式UPS多采用模拟电路来实现其复杂的控制功能，这种控制方式虽然可以实现UPS的基本功能，但存在着集成度不高，控制参数一旦确定就很难调整以及智能故障诊断困难等问题。本文所研究的UPS是以美国德州仪器f兀)公司的DSP芯片TMS320C2812为数字控制核心，用数字信号处理器和软件编程的方法来替代部分传统的UPS模拟电路，这比单纯由硬件所组成的电路具有更大的优势，在很大程度上提高了系统的集成度，适应了uPS的小型化，智能化，环保化和系统集成化的发展趋势“。11'UPS的分类及特性UPS在60年代主要是旋转发电机式的工作方式，发展至今天已成为

13、具有智能化程度较高的静止式全电子电路的工作方式。目前，UPS一般均指静止式UPS，按其工作方式分类可分为后备式、在线互动式及在线式三大类【2-J。(1)、后备式UPS后备式UPS在市电正常时直接由市电向负载供电；当市电超出其正常的工作范围或停电时通过逆变电路，将蓄电池中存储的化学能转化成电能向负载供第1章引言电。其特点是：结构简单，体积小，成本低，但输入电压范围窄，输出电压波形稳定精度差，且有切换时间。(2)、在线互动式UPS在线互动式UPS在市电正常时与后备式UPS相同，也是直接由市电向负载供电，此时UPS的逆变器处于反向工作给电池组充电；在市电异常时逆变器立刻投入工作，将电池组电压逆变为交

14、流电压输出给负载。其特点是：有较宽的输入电压范围，噪音低，体积小等优点，但同样存在切换时间(3)、在线式UPS在线式UPS在市电正常时，对市电进行整流提供直流电压给逆变器工作，由逆变器向负载提供恒压恒频的交流电；在市电异常时，逆变器由蓄电池提供能量，由于逆变器始终处于工作状态，从而保证无间断的输出。其特点是，有较宽的输入电压范围，无切换时间，且输出电压稳定精度高，特别适合对电源要求较高的场合，但是成本较高，目前，功率大于3KVA的UPS几乎都是在线式UPS，本文所研究的UPS便属于在线式UPS。112 DSP技术在UPS中的应用微电子集成技术的发展为电力电子控制技术提供了新的思路，由最初的分立

15、元件发展到集成电路、大规模集成电路再到后来的微处理器的出现，都为UPS的控制技术带来了极大的便利。但是，由于早期的微处理器的运算速度有限，通常只具有基准正弦信号的生成，难以控制UPS的静态开关以及实现保护和显示等功能，所以作为UPS的核心逆变器早期仍然需要靠模拟电路控制。近年来，TI、MOTOROLA、ADI等公司相继推出了适用于UPS控制的DSP芯片，且功能越来越完善，性能也越来越优越，这些芯片的出现，使得UPS的控制技术朝着数字化、智能化及系统集成化的方向发展，同时对电力电子技术的发展起到了巨大的推动作用01。传统的UPS采用模拟电路控制，对于生产厂家和用户而言，无论是相控技术还是SPWM

16、技术，模拟控制存在许多固有的缺点：(1)模拟控制采用大量的分散元件和电路板，必然导致硬件成本偏高，系统的可靠性下降；(2)由于一些人工调试器件的存在，如可调电位器，导致生产效率降低及控制系统的一致性下降；2第1章引言(3)由于器件的老化问题及热漂移问题的存在，将导致UPS输出性能的下降甚至输出失败；(4)产品升级换代困难，对于模拟机要想升级换代必然要对控制系统做改动，则离不开对硬件的改进；(5)模拟控制的监控功能有限，一旦出现故障，一般限于声光报警等，只有技术人员亲临现场方可排除，存在极大的不便。随着信息技术的发展，高速数字信号处理芯片(DSP)的出现，使得数字化的控制在更广阔电气控制领域中应

17、用有了可能性，也成为主要发展趋势之一叫。DSP与一般微处理器的区别主要就在于指令处理速度极快、指令功能精简强大，并且其中非常适合于控制领域的DSP芯片有着丰富的外围模块，可以大大提高系统的集成度。总之，有了高速数字信号处理芯片的支持，采用数字化的控制策略，不仅可以较好的解决模拟控制里的有关问题，而且还增加了模拟控制中很难实现的一些控制功能，把数字信号处理芯片(DsP)引入UPS主要优点有：(1)数字化控制可采用先进的控制方法和智能控制策略，使得LIPS的智能化程度更高，性能更加完美11,9,10】。智能化控制代表了自动控制的最新发展阶段，继承了人脑的定性、变结构、自适应等思维模式，也给电力电子

18、控制带来了新的活力。在高频开关工作状态下，逆变电源的模型更加复杂化，模拟控制或经典控制理论都难以达到良好控制效果，而采用先进、智能化的数字控制策略，就可以从根本上提高系统的性能指标；(2)控制灵活，系统升级方便11,121。数字控制系统的控制方案体现在控制程序上，而不必对硬件电路做改动，一旦相关硬件资源得到合理的配置，只需要通过修改控制软件，就可以提高原有系统的控制性能，或者根据不同的控制对象实时、在线更换不同控制策略的控制软件；(3)控制系统可靠性提高，易于标准化“。由于数字控制的高可靠性，必然使得整个控制系统可靠性的提高，而且可以针对不同的系统(或不同型号的产品1，采用统一的控制板，只需要

19、对控制软件做一些修改，即可达到相应的控制效果，这对生产厂家而言是有着巨大的吸引力的；(4)系统维护方便。“”1。系统一旦出现故障，可以很方便地通过RS232或RS485接口或USB接口进行调试，故障查询，历史记录查询，软件修复，甚至控制参数的在线修改、调试。这样就可以以较低的成本完成自我校正及远程服务，给厂家的售后服务带来了极大的方便；3第l章引言(5)系统一致性好，成本低，生产制造方便。由于控制软件不会像模拟器件那样存在差异，所以对于同一控制程序的控制板，其一致性是很好的，也没有模拟系统中模拟器件调试带来的个体差异性问题，那么同一控制板的一致性就会比模拟系统高很多。采用软件控制，实现硬件软件

20、化，使控制板的体积大大减小，生产成本大幅度下降；(6)易于组成并联运行系统“制。由于单位UPS系统均是数字控制，有相应的控制变量代表系统中的状态量，那么就可以较方便地获得所需要的信息，利用相应的算法实现U_PS的并联运行系统。目前，DSP的性能已经得到了很大的发展，例如提高了机器周期速度并增强了程序设计指令装置。成本更低、性能更高的DSP控制器为UPS设计提供了一个改进的、高性价比的解决方案，同时DSP控制技术可以满足先进的电源拓扑电路的工作需求。随着用户对电源保护的要求越来越严格，在线式UPS产品也得到了很大的发展，此时改进UPS I作状况不再是设备的工作模式，而是从集成化的角度来替换由电容

21、、电阻和二极管等基本器件组成的模拟电路设计方案，也就是应用DSP技术来改善在线式UPS设计，这样做的好处是使得集成化程度更高，系统控制更精确，升级更加方便，DSP高速的处理速度，也使得数字PID控制、无差拍控制、重复控制、模糊控制以及神经元网络控制等先进的控制方法得以实现。可见，采用DSP控制的UPS有着诸多优点，UPS的数字化才是其发展的主要方向。12 UPS的发展趋势目前，UPS的正朝着网络化、智能化、自动化、远程监控化和数字化的方向发展。(1)、UPS的网络化网络时代的UPS产品已经由独立的外设产品发展成为整个计算机和网络系统不可分割的一部分，除了要求UPS产品可方便地接入网络和计算机，

22、有些还要要求其能够实现与网络和计算机间的双向数据通讯。为实现网络连接，目前大多数的UPS产品都提供了RS232，RS-485通信接口，对于要求能执行计算机网络控制管理功能的UPS来说，还配置了SNMP(silIIpIe Network Management4第1章引言Protoc01)，简单网络管理协议卡，实现了UPS设备接入网络和计算机系统中。(2)、UPS的智能化。智能化的UPS一方面实现了设备运行过程中自我状态的监控，对一些故障现象进行预处理，使UPS始终平稳可靠地运行，同时也实现了计算机和网络与UPS之间的双向数据通讯，用户可以在计算机和网络中的各个结点上实时监视和控制UPS电源的运行

23、。利用这种控制功能，用户可以实时监视UPS电源的运行参数(例如：输入幸俞出的电压，电流和频率，UPS的电池组的充电放电和电池的电压值，UPS的输出功率及有关的故障报警信息)，实现计算机和电源的互动。(3)、UPS的自动化。自动化是指UPS电源自动完成一些自我检测、开关机控制、故障保护后的自动恢复，无需过多的人工干预。UPS的自动化是实现网络化和保证系统高可用的重要因素。(4)、UPS的远程监控化。由于未来网络的广泛化和全球化，必然带来网络的复杂化，多种形式的网络系统连接在一起。作为网络系统的一部分，要求UPS电源能够实现在各种网络平台上的监控。因此目前像APC、中达一斯米克等公司的UPS监控软

24、件都提供了多平台支持。实现远程化监控是UPS产品发展的另一趋势，由于因特网的普及，所有网络最终将接入因特网。因此目前许多厂商的产品尤其是中大功率产品除了能够实现网络化的本地监控外，还可实现Web远程监控。(5)、UPS的数字化。DSP技术的使用提高了UPS产品输出电压的稳定性和纯净程度，同时也提高了UPS产品自身的可靠性。而IGBT技术和高频技术的应用，大大提高了电源效率，降低了系统噪音和电源自身的电力损耗，也提高了系统的可靠性。UPS的数字化并不是简单的指在系统中应用了数字器件，如单片机及FPGA等，而是指整个系统的控制应用数字器件的计算能力和离散控制方法来完成。随着硬件技术的发展，计算速度

25、的提高，必然促使UPS向数字化方向发展。提高逆变器的开关频率，可以有效地减小装置的体积和重量，并可消除变压器和电感的音频噪音，同时改善了输出电压的动态响应能力。总之，随着计算机技术不断的提高，DSP产品的不断升级和完善，更加可靠、稳定、安全、小型化与完善的UPS产品将不断的开发出来o“2。5第l章引言13本课题的研究意义、创新点及其主要内容131本课题的研究意义随着计算机网络技术和通信事业发展而带动起来的信息产业，对UPS不断提出更高的要求。UPS发展到今天，几乎囊括了当代所有电力电子技术和信息技术，它不再是电源的一个可有可无的后备装置，而成为了Intemet上不可缺少的元件。目前我国所用的U

26、PS大多是国外的产品，进口产品品种齐全，功能完善，但是用户在使用和维修等方面有许多不便，而且价格昂贵。最近几年，虽然国内UPS生产厂家不但增多，但是由于其技术水平的限制，产品还是以传统模拟式为主，所以期待着有高性能的国产UPS电源的出现。虽然目前UPS技术已经比较成熟，带负载的能力大多还是可以满足要求的。但是，对于整个逆变器来讲，其采用不同的电路拓扑结构和控制方式决定了UPS带负载能力的强弱，也对整个UPS系统的稳定性起着关键性作用，尤其是接三相不对称负载和当负载突然变化时，采用不同电路拓扑结构的逆变器使得UPS的整机性能和稳定性也不尽相同。因此本文研究的UPS系统，也是本着让UPS系统带三相

27、不对称负载能力更强，当负载突然变化时令UPS的工作更加稳定，同时保证UPS整机适合其发展趋势为原则进行展开的。因此本课题的研究具有较大的学术价值，并且对社会、经济发展及科技进步的都有着重要意义。132本课题的创新点由于UPS的系统比较复杂，涉及的方面也很多，世界各地的大学、研究所和公司对UPS的创新性研究也是方方面面的，例如有的是针对整流环节的慨硼，有的是针对LC滤波的“州，有的是对逆变器研究的。“1，有的是针对数字化控制研究的等等啪“1，本课题的研究方案，到目前为止区别与其他研究方案的创新性主要有以下3点：(1)、逆变器部分采用三相半桥结构；(2)、三相半桥逆变器采用电压电流双环控制；(3)

28、、以1rI公司的TMS320C2912芯片为UPS系统的数字电路控制核心。133本课题的主要内容6第1章引言(1)、分析基于TMS320C2812为控制核心的UPS的基本结构和工作原理；(2)、比较UPS逆变器的不同结构，从而说明三相半桥逆变器的优越性；(2)、详细分析三相半桥逆变器的控制策略：(3)、应用MATLAB软件对UPS系统进行建模与仿真，并在仿真时得到良好的仿真波形；(4)、设计以TMS320C2812为数字控制核心的LIPS系统的软件程序，在DSP开发环境CCS中调试程序，调试软件程序无错误后，烧写On-Chip Flash，从而能够脱机运行；(5)、设计一台UPS实验样机，通过

29、实验，证明该实验样机具有较理想的带负载能力，最终，证明本文研究方案的可行性与优越性。7第2章硬件系统设计第2章硬件系统设计21基于TMS320C281 2的在线式UPS整体结构及其工作原理211 UPS的整体结构基于DSP的在线式不间断电源的整体结构图21所示，主要由主电路和控制电路构成，主电路是由功率电路，输入滤波电路，电压电流检测电路，整流电路，输出滤波电路以及静态开关等组成，其中功率电路包括三个部分，即输入功率校正部分(PFC)，半桥逆变器，DCDC隔离部分。“。控制电路由数字信号处理器TMS320C2812构成，其由1rI所推出的整合性DSP软件工具CodeComposer可以方便的对

30、控制程序进行编写、执行和查错蚓。输入端和输出端的电流电压检测电路均是双环控制系统，即一个是电压环，另一个是电流环。图21基于DSP的在线式UPS整体结构222 UPS的工作原理当市电正常供电时，市电经输入变压器后，一方面给蓄电池充电，另一方面经过PFC整流成直流稳压电源，然后再利用空间矢量脉宽调制法(SWWM)在逆变器内将直流电逆变为高质量的正弦波输出给负载，此时二极管D1反偏截止。当市电异常时，如欠压、断电，二极管Dl阴极电压将低于380V，此时Dl8第2章硬件系统设计正向导通，蓄电池组为逆变器提供直流电，从而保证电源的逆变器继续以无时间中断及无波形扰动的方式向负载提供高质量的正弦波交流电汹

31、一州。显然，无论是市电正常供电还是异常供电，负载所得到的电压始终是经逆变器输出得到的，因此逆变器可以说是LIPS的主要部分，是将直流电能转换成交流电能的必由途径。22 PFC整流电路设计ACDC变换电路是指能够直接将交流电篚转换为直流电能的电路，泛称整流电路啪捌。在UPS的应用中为逆变器提供直流电源，其整流输出的直流电压质量将影响着逆变器输出电压的质量。虽然PWM整流电路不是本文的创新点，但是本文采用的三相PWM电压型桥式整流电路也是有着重要意义，原因如下：本来PWM整流电路自然能够校正网侧功率因数，但出于对高性能价格比的追求，只有单管方式比较能够为小容量开关电源接受，因此目前小容量的PFC以

32、单管方式为主，更多的研究也集中在这方面。另外，PWM功率补偿器的推广应用，也在一定程度上缓解三相SCR整流电路存在的矛盾。但从长远的角度着眼，大容量PWM整流电路终将会取代相控式SCR整流电路，因为只有如此，工业电网的污染问题才能彻底解决。(1)、电压型三相桥式整流电路结构电压型三相桥式整流电路的主电路如图22所示“1，和电压型单相桥式整流电路相比较可见3，三相半桥电路是单相电路的扩展，在拓扑结构上是完全相似的，其中各相输入电感相等，即：工舳=厶a=厶F厶(21)假定电网各相电压均为正弦波，即：地o=Usinrat铷：sin(国t一孥)j鼬：sin+娶)j9(22)(23)(24)第2章硬件系

33、统设计图22电压型三相桥式整流电路中点O为电网中点，0为输出端假想中点。K一一一一一k一一一一一忆一一一一一Jl抽图22电压型三相桥式整流电路(2)、电压型三相桥式整流电路的控制电压时序分布图23为电压型三相桥式整流电路的控制电压时序分布图，图23Ca)画出两组波形，一是各相调制信号Uga,Ugb，Ugc，即：z妇=C岛sin(at一缈) (25)Uso：Us,sin(an一娶一) (26)j绺：翰sin(at+娶一矿) (27)10第2章硬件系统设计坳黔。j 仆j小抑i： 璺瓣hi 匕×汁i、，y寸1V汁I：一IJ|， v!啪JI V I VJ II 缸I嚣I I II IIu口I

34、 n7 r卜- 4一f I+ UL 一IU 。f 一 I曲一u一彩。I文l Z一I I UIl国u frl。f钞一II。倒JI4 I I I I 4 4 IT 5 5 ， 2 2 23 6 6 6 3 3 ll。l l J I I l 4 4 4 4 I 45 2 2 2 2 2 5 5 5 5 5 6 6 6 3 3 3 3 3 3 6 6 l时区l 2 3 4 5 6 7 8 9 IO II 12 13 14 1，I 16 17 18图23电压型三相桥式整流电路波形b)式(25)、(26)、(27)中表明各相正弦调制信号的频率与电网相同，但相位分第2章硬件系统设计别滞后于各相相电压一个角度

35、qU，该角的大小为：矿=咖百coLx (28)式(2s)ee，肌相交流等效电阻，大小为：Rx：_Uao (29)厶l 、UAo有效值，Ial为相电流基波有效值，图23中的另一组波形是载波信号Uc，显然Uc是对称三角波，其幅值为Ucm，频率为乒，调制比：所=鲁频率比：K：五l各相控制脉冲由Uc和z馆的交点决定，下特点：(211)由图23可见，各控制脉冲具有以1)、各相桥上下臂控制信号在相位上互补；2)、脉冲缺口宽度f由调制比m决定；3)、各控制信号的幅值均为Um：4)、任何时间，桥中有三个控制脉冲具有高电平，所以，桥中有三个器件处于通态。(3)、电压型三相桥式整流电路的桥侧电压分析由于电压型三相

36、桥式整流电路的各相平衡，下面以a和b相为例，分析桥侧线电压z，同理可得“缸和zk的波形。图22中，nab=z厶一“" (212)式(212)中，Zk是fl相对于假想输出中点O间的电压；“如是b与O间的电压，它们可分别表示为：Z跏= +了Uo，科Uo，o一了412(213)第2章硬件系统设计编2 +了Vo，黜一iUo，雕(214)式(213)表明，当KI桥臂(含vTl和VDI)导通时，讹。，_+娑，相反，当K4桥臂(含vT4 VD4)导通时，；flu。一一U=-o；同理可得式(214)。(4)、电压型三相桥式整流电路的桥侧相电压波形分析各相桥侧电压可表示为：z如o=K彤oI P：“6，

37、。(215)式C15)中，有：K伊=(s，一半)l矿：口，以。Q-6，品、岛和&分别是各相电压的开关函数，并可表示为：=：I篙，&=器毳，=0篾c2-乃(5)、电压型三相桥式整流电路的工作模式分析根据图2粝示各相控制脉冲的时序，电压型三相桥式整流电路共有四种T作模式：T作模式1：如图24(a)所示，桥中所有处于通态的三个器件都是二极管(而所有可控器件均处于断态)，记为3DOT模式。当电路以此模式工作时，电网通过D1、D5带iD6向负载输送能量，电路输出电流厶可表示为：妇=ico+io=抽+Io (218)式(218)表明，当id>lo时，其余部分将对电容Co充电，使C0存

38、储能量；由图2(a)可见，此时l&o>O，ia>O，Uso<O，ib<O，llco>O，ic>o，Uab=Uo，13第2章硬件系统设计“6cUo，Zf：l爿)o在图23(d)中，具有工作模式l的时区有1、4、7、10、13、16，尽管各相电流包含一定的谐波，但如果载波频率Z足够高，这些高次谐波的含量便可以减少到很小，因而，网测功率因数将接近于l。工作模式2：如图24(b)所示，桥中有两个二极管(D2和D3)和一个可控器件TI处于通态，记为2D1T模式。当电路以此模式工作时，电网通过D2和D3向负载供电；但由于Uao<0，即ia<o，而Ua

39、o>0，因此Tl导通(Ust>0)，D2、D3和Tl电源nab暂时处于短路状态，并沿肪，D3，TI和L，Na流过内部环流。由图3(b)可见，“一6卸，Uk-=Uo，甜nUo，谊办西，在图23(d)中具有工作模式2的区域有3、6、9、12、15、18。工作模式3，如图24(c)所示，该模式中有D2、T4和T6处于通态，记为1D2T模式，在该模式中，各相经输入电感短路，整流桥与负载脱离，f刷，负载电流由原先存储在Co中的能量释放出来，桥中形成两个循环电流环路：沿L，T4，D2，L桃构成的环路和由工册，T6，D2，Ls。构成的环路，此时砒护“k=甜。=o，而砒o>0，la>0

40、，UBo>0，f6>o，Zf。<o，l剁图23(d)中，处于工作模式3的时区有5、1l、17。工作模式4，如图24(d)所示，该模式有Tl、T3和D5处于通态，各相沿LN短路，也属于2TID模式，此时环流是通过桥中三个以上臂器件流过，f剐，阮6=“缸=甜，=o。图23(d)中处于该模式的时区有2、8、14。(a)工作模式114第2章硬件系统设计O0O(”工作模式2(c)工作模式3(d)工作模式4图24电压型三相PWM整流电路的四种工作模式(6)、电压型三相桥式整流电路的输入电感“选择由于各相输入电流的变化率与输入电感h有关，以a相为例，有：15第2章硬件系统设计譬：士(如纠一

41、r。vo) (219)dt LN、将式(219)写成增量方程形式，在一个载波周期中电流的增量为：址罟msin研一GU。) J埘厶的最大值可表示为：式f220中：哦=吾m弓矾，(220)(222)Uo是相电压有效值。为了将电流脉动量幅Z。控制在允许的范围，由式(221)确定的Z一应满足：。§俎4。(223)式中f二是允许的电流脉动量。将式(221)代入式(223)可解,q-I LM，即： 厶型磐(224)土。、。由式(224)可见厶的最小值为曼警·本设计方案中Z一选为O2正。正。是相电流基波分量的幅值，根据给定的UAo，Uo，j：。和选定的五，可以由式选择电感“的最小值，显然

42、，h越大，则心。越小。但是，当“选得过大时，会降低电流的跟踪速度，当电流过零附近时，电流的变化率最大，以a相为例，在厶过零附近电流跟踪速度为半， jL而一个载波周期中电流变化率为：16第2章硬件系统设计即：从而解出：生：Io,sin(coTe)死死Iota sin(coTO<旦Tc 一3Ln厶s麓由式(227)可见LN的最大值为兰。(226)(227)综合式(224)和式(227)可见h的取值范围为： 警厶蔓焉TcUoI sin(coTc) 厄U。、723逆变电路设计逆交器作为不问断电源的输出环节，负责将直流电能转换为用户所需的高质量的交流电，逆变器设计的好坏对在线式UPS来说至关重要呻

43、一删，因为它始终处于工作状态，并且直接与负载连接，所以逆变电路是UPS的核心，也是本文研究的关键部分，其中逆变电路有单相逆变器和三相逆变器，单相逆变器分为全桥和半桥工作方式，同样三相逆变器也有全桥和半桥工作方式，下面将进行详细说明。231单相逆变器2311单相全桥逆变器17第2章硬件系统设计厂一一一一一一一一一一一一一一一： 单相全桥逆变器： i。(a)单相全桥逆变电路口口口 r 厂 厂 几 IUin-Uin(b)单相全桥逆变电路波形图25单相全桥逆变电路及其波形全桥逆变器电路结构如图25(a)所示”1。llGI、Um、U03、uG4分别是四个功率管的驱动电压波形，uGl、岫和Um、UC,4的

44、波形是互补的。当，UGl、Um为高电平时，不妨设电流iL为正，T1，T3导通。电流流向为电源正极TlL2一R与C2-*T3-,电源负极，此时电压为Uin。一段时间后uol、uG3变为低电平T1，T3关断，um、uG4电平变高，若电流iL为正，电流流向为电源负极一VD2一L2一R与C2一VD4一电源正极，这时电压为-Uin；若电流iL为负侧电流流向为电源正极一T4一RC2一L2一T2一电源负极，这时电压为uin。所以逆变器输出波形为如图250)，它的平均电压如虚线。通18第2章硬件系统设计过改变IGBT栅极驱动电压的波形，经LCl滤波后便可以得到成正弦规律变化的电压。2312单相半桥逆变器单相半

45、桥逆变器电路结构如图26所示“1。由图26与图25(a)全桥逆变器电路结构相比较可见，单相半桥逆变器电路省去了全桥逆变器电路中的一对桥臂，但是增加了一对蓄电池组，其蓄电池组的容量是全桥逆变器蓄电池组容量的一半。r一一一一一一一一一一一1I 单相半桥逆变器I图26单相半桥逆变器电路结构单相半桥逆变器工作原理如下：产生正弦波正半波的过程：VTl在某一时刻被由TMS320C2812产生的脉宽调制信号(PwM)打开，电流从GBI+出发一>vTlM，>cl和与其并联的负载>回到GBl一，在此过程中GBl除了向负载提供能量外，对电感L也是一个储能过程。vTl导通时间在每一次导通结束时，由

46、于电感L中存储了能量，并且将阻止电流的突然变化，其反电动势的正极方向就是原来的电流方向，此时泄放回路电流由L+出发叫1和与其并联的负载->GB2+->GB2一|>、1)2-_>回到L-。在此过程中L将存储的能量回溃给了GB2。VT!的每一次导通后都伴随着一个回溃过程，这样产生正弦波的正半波的过程已经完成。同理，产生正弦波负半波的过程是当正半波产生结束后，PWM控制信号开始触发yr2。通过对单相全桥逆变器与单相半桥逆变器主电路结构和工作原理的分析，19第2章硬件系统设计显然，单相半桥逆变器的控制过程比较简单，少了一组桥臂后，控制显得更加的容易，从而使得系统的可靠性更高。2

47、32三相逆变器的电路结构与原理分析到目前为止，对UPS三相逆变器电路结构的设计方案，也是多种多样的，下面先比较几种常见的三相逆变器设计方案，通过分析其电路结构和工作原理，最后给出本文的设计的方案，并说明其优越性。2321三相全桥逆变器三相全桥逆变器主电路结构如图27(a)所示呻1。其工作原理如下：当由DSP产生的PWM控制信号加到VT3和VT5时，V13、VT5导通，电流的路径，如图27(a)所示：GB+VT3一滤波电感LlUA、UB间负载一滤波电感L2一VT5一GB。PWM控制信号加到VT3、VT4，yr2、VT6，V亿、VT4，VTl、VT6，VTl、VT5等情况与上述相同。当三相负载平衡

48、时，输出三相电压理想状态波形如图27(b)所示，但是三相全桥逆变器的缺点是只能接三相对称负载1。-一l(a)三相全桥逆变器主电路结构第2章硬件系统设计O_×X一一×、><、><、，><一X、X(b)输出三相电压理想波形图27三相全桥逆变器主电路结构及输出波形2322全桥均分输出变压器逆变蚤三相全桥均分输出变压器逆变器电路结构如图28所示嗍。这种方法是将三相全桥逆变器的输出端引入可靠性比较高的变压器。将三个线电压UAS、Usc、Uc初级绕组所对应的次级绕组电压Uab、Ubc、Uca都分为相等的两部分，然后交叉连接成三相输出电压，B呲Uk膻U

49、tt2 一而<Uc|，2 j 毹I图28均分输出变压器逆变器主电路结构Uo=2+，2即： 矾=孤2+阮2 (229)U=如2+2显然得到了三相四线的连接方法，避免了三相全桥逆变器中三根输出的都是火线。这样，又得到了另一种带负载的方法，当Ua3c接负载时，在输出变压器次级就分配到了对应UAS、Usc的Uab2、Ubc2Jz，从而ua与UAB、UBc两相电21第2章硬件系统设计压有关，最终使的Ua、Lib、Uc三相电压都有关，即使三相负载不平衡，也不会造成三相输出电压不均衡的现象。所以通过对三相全桥均分输出变压器逆变器与三相全桥逆交器的电路结构和工作原理的比较，可以看出，三相全桥均分输出变压

50、器逆变器的确能够接三相负载不平衡，也构成了三相四线制。但是，三相全桥均分输出变压器逆变器设计方案是在三相全桥逆变器的输出端引入变压器，这样自然要增加UPS的体积，重量，机内发热量和产品成本，鉴于三相全桥均分输出变压器逆变器设计方案的缺点，本文采用的另一种设计方案，即三相半桥逆变器。2323三相半桥逆变器三相半桥逆变器主电路结构如图29所示”。要得到与采用三相全桥逆变器方案设计的UPS同样的输出功率，则需将原来用于全桥的电池组数量增加一倍，但容量减半。半桥逆变器的控制电路和工作过程比全桥逆变器简单，从而提高了整个UPS系统的可靠性。现已一组VT5和VT6为例，讨论产生一路正弦波的过程。(a)产生

51、正半波的过程第2章硬件系统设计三相半桥逆变器r j12_I(b)产生负半波的过程图29三相半桥逆变器主电路结构产生正半波的过程如图29(a)所示：当由TMS320C2812产生的脉宽调制信号在某一时刻打开VT5时，电流的路径如图29(a)中i。l实线箭头所示。在此过程，GBl除了向负载1提供能量，同时对于电感Ll也是一个充电储能过程，当vr5导通结束，由于电感Ll储存了能量，在VT5快速关断的激励下，产生反电动势阻止电流突变，电流的路径如图29(幻中i t2虚线箭头所示。在此过程，L1将存储的能量回馈给了GB2。显然VT5每一次导通都是伴随着一次能量的回馈，由于输出波形的后面是LC滤波器，这样

52、负载l上便得到了正弦波的正半波，此时电流的方向是由电路指向负载。产生负半波的过程如图29(b)所示：当产生正弦波正半波的过程结束后，由DSP产生的控制信号PWM开始触发VT6，使得vr6导通，电流的路径如29(”中iJ实线箭头和i2虚线箭头所示。在此过程，与产生正半波的过程类似，显然VT6每一次导通后也伴随着一次能量的回馈，经LC滤波器后，负载l上便得到了正弦波的负半波。这样，产生一路正弦波的过程结束，另两路产生正弦波的过程分别对应VTl和VT2、vT3和VT4，其原理与vT5和VT6一致。由此可见，三相半桥逆变器电路产生输出的三相电压分别对应三组桥臂：VTl和vT2、VT3和VT4、VT5和

53、vT6，由于三组桥臂相互独立工作，使得输出的三相电压在产生时就相互隔离，不存在相互影响的问题，从而一方面使得当带三相负载不平衡时，有较高的输出电压精度，另一方面省去了与三相全桥逆变器相连的“D”“y隔离变压器，实现了三相四线制，这就是本文采用三相半第2章硬件系统设计桥逆变器设计方案的根本原因。24 lGBT驱动电路设计IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor)，绝缘栅极型功率管，是由BJl丫双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件”。IGBT是强电流、高压应用和快速终端设备应用垂直功率MOSFET的自然进化。由于实现一个

54、较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率MOSFET具有Ibs(伽擞值高的特征，IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。虽然最新一代功率M0sFET器件大幅度改进了f。)特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比IGBT高出很多。较低的压降，转换成一个低VcE雠l的能力，以及IGBT的结构，同一个标准双极器件相比，可支持更高电流密度，并简化IGBT驱动器的原理图。绝缘栅晶体管IGBT是近年来发展最快而且很有前途的一种复合型器件，并以其综合性能优势在开关电源、UPS、逆变器、变频器、交流伺服系统、DCDC变换、焊接电源、感应加热装置、家用电器

55、等领域得到了广泛应用。然而，在其使用过程中，发现了不少影响其应用的问题，其中之一就是IGBT的门极驱动与保护。目前国内使用较多的有富士公司生产的EXB系列，三菱公司生产的M579系列，MOTOROLA公司生产的MC33153等驱动电路。这些驱动电路各有特点，均可实现IGBT的驱动与保护，但也有其应用限制，例如：驱动功率低，延迟时间长，保护电路不完善，应用频率限制等。随着大电流高电压IGBT的模块化，集成化专用驱动芯片也已商品化，其性能比分立式电路要好，从而促使整机的可靠性更高，体积更小。设计IGBT的驱动电路和保护电路是应用的关键，如何保证系统稳定且可靠工作，又使系统的开发周期短，性价比高，是一个需要综合考虑的问题。目前实际产品应用中有各种典型的驱动