2022年山西省大学生电子设计竞赛

单相在线式不间断电源(A题)

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摘 要

本设计采用STM32单片机作为主控芯片，产生双路互补的SPWM波，以全桥逆变电路为核心电路，实现单相不间断式UPS电源。采用以EG1163芯片与EG2104和UCC27712芯片为主的驱动电路驱动同步buck与同步boost电路和全桥逆变电路中的MOS管。本电源输出电压较为稳定，负载调整率和电压调整率均在0.1%以下，且正弦波波形失真度在1%以内。本电源在交流供电时能够输出稳定30 V的交流电压，且误差在0.1V以内，电流输出范围为1 A~2 A。直流供电时输出交流电压为30 V，电流在1 A左右，效率达到85%以上。主电路结构简单，成本低，稳定可靠。

关键词：同步整流 ，同步buck与boost电路 ，全桥逆变 ，SPWM技术

目录

摘 要 I

1. 系统方案论证 1

1.1 同步整流模块的论证与选择 1

1.2 升压逆变方案的论证与选择 1

1.3 全桥逆变电路的论证与选择 1

1.4 信号采集电路方案的论证与选择 1

2. 系统理论分析与计算 2

2.1 理论分析 2

2.1.1 提高效率的方法 2

2.1.2 稳压控制方法 2

2.2 参数计算 2

2.2.1 开关频率的选择 2

2.2.2 LC滤波电路的参数计算 3

2.2.3 Boost升压电路的电感参数计算 3

3. 电路与程序设计 3

3.1 电路设计 3

3.1.1 器件选择 3

3.1.2 系统主回路 4

3.1.3 全桥逆变电路 4

3.1.4 保护电路 4

3.1.5 同步buck电路 4

3.1.6 同步boost电路 5

3.2 程序设计 5

3.2.1 程序设计思路 5

3.2.2 程序流程图 6

4. 测试方案与结果 6

4.1 测试方案 6

4.2 测试条件与仪器 7

4.2.1 测试条件 7

4.2.2 测试仪器 7

4.3 测试结果及分析 7

4.3.1 测试结果 7

4.3.2 测试结果分析 7

附录1 详细参数测试结果 8

附录2 工作中的实物图 8

系统方案论证

同步整流模块的论证与选择

方案一：采用传统异步变换器的续流二极管进行整流。

方案二：用MOSFET进行整流。

方案分析：方案一电源转换效率低，结构简单；方案二电源转换效率高。优先考虑效率，所以本设计采用方案二。

升压逆变方案的论证与选择

方案一: 通过两路boost，一路boost将AC-DC升压至60V，另一路将24V直流电升至48V，通过继电器切换选择给桥的供电。

方案二：先将AC-DC的电压降到24V，通过继电器切换实现给boost不间断供电 ，经boost升压后逆变

方案分析：方案一电路复杂，且有60V较高电压，比较危险；方案二电路可靠，设计简单。所以本设计采用方案二。

全桥逆变电路的论证与选择

方案一：使用了EG2104作为栅极驱动器。

方案二：使用了UCC27712作为栅极驱动器。

方案分析：方案一由于其驱动能力不强，MOS管损耗较大，全桥效率较低；方案二将MOS管开通时间减少到100ns，大大降低了MOS管的开关损耗。所以本设计采用方案二。

信号采集电路方案的论证与选择

方案一：采用电压互感器加运算放大器精密整流采样电压。

方案二：采用电压互感器和运算放大器抬升电压来采样。

方案分析：方案一需要使用正负电源；方案二只需要5V供电。为了直流供电效率，所以选择方案二。

系统理论分析与计算

理论分析

提高效率的方法

开关电源内部的损耗大致可以分为：开关损耗、导通损耗、附加损耗和电阻损耗，其中开关损耗和导通损耗是典型的开关电源内部最主要的两个损耗源，控制这两个损耗的典型方法是使功率开关导通期间的电压降最小。采用同步整流技术，将效率提高1%～6%；选取导通电阻更低、满足要求的开关管；确保开关管工作在饱和状态，具有足够驱动能力；采用无损吸收电路，消除寄生元件产生的尖刺，尽可能使损耗的能量返回电源能量流中；电感选用铁硅铝磁芯，降低铁损。

稳压控制方法

通过检测逆变的输出电压反馈至单片机，经PI算法处理，调节逆变电路中SPWM的调制度实现稳压。

参数计算

开关频率的选择

开关频率和MOS管的功耗有很大关系，频率越高，产生的损耗就越大。在较低的电路工作频率可以降低损耗，但是输出电压脉动会增大，所以选择允许的频率范围内较低的频率。合适的开关频率范围大致在10kHZ-60kHZ之间，我们本系统选取开关频率为20KHZ,可以降低损耗。

LC滤波电路的参数计算

式2-1

一般取额定负载的0.4-0.8倍，一般取开关频率的0.04-0.1倍。

Boost升压电路的电感参数计算

式2-2

 Vin 是24V，Vout 是50V，Vdiode 是同步整流 MOS 管导通压差，电流为1A时，该电压为40mV，该芯片的震荡电容是270pf，所以Fs的频率为67kHz，Iripple 选取3A。

电路与程序设计

电路设计

器件选择

由式2-1与式2-2得：滤波电路中选择使用两个1mH电感和一个5uF聚丙烯薄膜电容；boost电路中电感选择为53uH,这里取68uH，由于高频电流具有趋肤效应，这里选择使用利兹线绕制，可有效降低电感上面的损耗。

逆变电路中，MOS管的栅极驱动器选择了UCC27712，该驱动器提供了2.8A灌电流和1.8A拉电流，而且具有互锁保护功能，可以大幅降低MOS管的开关损耗。MOS管选择了IXTP56N15T耐压150V，最大电流为56A，导通电阻小于36毫欧，该MOS管的有优点是CISS低输入电容，为2.2nf。

同步整流电路中，采用同步整流MOSFET IPP200N15N3G，耐压为150V，最大电流50A，导通内阻为20毫欧。

同步buck电路中，MOSFET 选择了AP70N100K 该MOS管最大耐压100V，内阻仅有7毫欧，大大降低了开关损耗。

系统主回路

图3-1

全桥逆变电路

图3-2

保护电路

当输入电压高于48V时，两个24V的

稳压二极管就会反向击穿导通，通过一个

NPN三极管将EN引脚拉低到地，使芯片停

止工作从而达到保护后级电路的目的。 图3-3

同步buck电路

图3-4

同步boost电路

图3-5

程序设计

程序设计思路

该方案主控使用STM32F407VET6。TIM1高级定时器生成两路互补并带死区的PWM，TIM2改变PWM的占空比来产生SPWM并改变调值度，该SPWM控制MOS管的通断来实现直流转交流，调制度可改变输出电压。

要使输出电压稳定在30V，需要闭环控制，对输出电压实时监测和调控。ADC1采样输出电压并通过DMA转运再使用均方根滤波算法得到输出电压。PI稳伏的实现是通过计算实际输出电压与目标电压值的误差，将误差转化改变调制度的增量。对调制度采用增量式PI的算法进行调节：当输出电压小于目标值时，增大调制度，使电压升高；当输出电压大于目标值时，减小调制度，使电压降低。最终使输出电压趋于稳定在30V，实现PI稳伏功能。

程序流程图

图3-6

测试方案与结果

测试方案

1) 输入交流电36 V，测试输出交流电流为1 A时，测量交流电压、频率，测算输出的正弦交流电失真度THD。测试结果如表4-1所示。

2) 输入正弦交流电为36 V，改变负载电阻，使输出电流从0.1A~1A变化，测试输出电压。测试结果如表4-2所示。

3) 保持负载30Ω不变，稳定输出电流为1 A，改变交流输入电压，使电压在29 V~43 V之间变化，测试逆变输出电压。测试结果如表4-3所示。

4) 断开交流电，电源自动转换为直流电，同时测量交流电压、频率。测试结果如表4-4所示。

5) 断开交流电，电源自动转换为直流电，同时测试输入功率和输出功率，计算输出效率。测试结果如表4-5 所示。

测试条件与仪器

测试条件

硬件电路与系统原理图完全相同，并且多次检查无误，硬件电路保证无虚焊和短路，并带有过压过流保护和短路保护。

测试仪器

多功能万用表：VICTOR/VC9807A、CHNT/ZTY890D；示波器：Tektronix/TBS 1000C；直流稳压电源：RIGOL/DP832；大功率电阻：300.05Ω/瓷管500Ω可调电阻。

测试结果及分析

测试结果

表4-1

交流供电THD	负载调整率SI	电源调整率SU	直流供电效率η
0.788%		0.03%

 

详细参数见附录1。

测试结果分析

本设计是以STM32F407VET6单片机为控制核心单项不间断式UPS电源，核心电路为全桥逆变电路。输出正弦交流电频率50Hz，电压30V。可由直流电和交流电同时供电，在交流电断电时，直流电能够及时供电，切换速度快，控制方法较先进。电源的负载调整率在0.5%左右，带载能力较强；电源调整率小于0.1%，稳压能力强；电源效率在85%以上。系统经过多次测试，工作性能可靠且稳定，完全实现了题目要求的全部功能，且多项指标优于题目要求。

附录1 详细参数测试结果

表 附2-1 交流供电基本参数

交流输入电压U1	负载电流I0	输出交流电压U0	频率	正弦失真度THD
36V	1A	30.00V	50.08HZ	0.788%

表 附2-2 交流供电负载调整率

交流输入电压U1	负载电流I0	输出交流电压U0	负载调整率SI
36V	0.1A
	1A

表 附2-3 交流供电电源调整率

交流输入电压U1	负载电流I0	输出交流电压U0	电源调整率SU
29．06V	1A	30.01V	0.03%
33．01V		30.00V
36．01V		30.01V
40．06V		30.00V
43．01V		30.00V

表 附2-4 直流供电基本参数

输入直流电压Ud	负载电流I0	输出交流电压U0	频率
24V	1A	30.01V	50.09HZ

表 附2-5 直流供电效率

输入直流电压Ud	输入直流电流Id	输出交流电压U0	负载电流I0	输入功率Wd	输出功率W0	效率η
24V	1A

附录2 工作中的实物图

图 附2-1