2020年电子设计竞赛 B题-单相在线式不间断电源分析与总结

一、系统总体设计

二、硬件电路与结构

三、程序流程与设计

四、总结与其他

一、系统总体设计

1、题目分析

根据要求，首先应使用隔离变压器与自耦变压器将220V交流市电降压输入至UPS系统中，再转换为固定大小的交流电给负载供电。一般来说，AC-AC的变换应由AC-DC整流+DC-AC逆变级联得到。同时，储能器件为一直流稳压电源，故也可以通过逆变得到所需交流电。变压器降压得到的$U_1$变化或负载大小变化时，使输出电压$U_o$大小保持恒定，故需要施加一反馈作用于系统中。$U_o$=30V时，$I_o$=0.1~1A，故需要准备一至少300$\Omega$的滑动变阻器，且额定电流应不小于1A。

2、方案选择

(1)AC－DC方案

接入 220V 单相交流电由自耦变压器与隔离变压器级联产生 29-43V 单相交流电，经过经典全波整流电路以及 4700μF/100电容滤波实现整流。不同于半波整流的是，全波整流的效率更高，可以减小整体电路的损耗，使系统的效率升高。

(2)DC-DC方案

降压电路采用经典的BUCK拓扑，由单片机输出PWM信号，PWM波占空比为60%，将输入电压缩小1.6倍后供给后级电路，使交流输入29V~43V时均可以在BOOST电路输入端得到合适的电压，便于后级电路升压到指定值。

BUCK电路在CCM工作模式下负载电流连续，带负载能力强。所以使其工作在CCM工作模式，此时Uo=Udc*D，D为占空比，取开关频率为30kHz，临界电感值Lc=Udc-Uo/(2*I0min*UoUdc*T)=0.2mH。

升压电路采用典型的BOOST拓扑，由单片机输出PWM信号，同时在逆变器输出端进行有效值采样，闭环调节BOOST输出电压，使输出电压稳定在30V有效值。

取开关频率为30kHz，D=(V0-Vin)/V0=23，L=Vin*D*(1-D)/(2*I0*f)=0.1mH。

综上，为使电感工作在CCM模式下且磁芯工作时不易饱和，选取大小为1mH的电感，铁芯材料为铁硅铝。

(3)DC-AC方案

作为本设计的核心部分，由STM32F407单片机输出的SPWM波形，经过IR2110驱动芯片驱动后可直接驱动四个MOSFET管CSD19535组成的H桥逆变电路。TI公司的CSD19535场效应晶体管可在功率转换应用中最大限度地降低损耗。采用IR2110驱动芯片通过外部自举电路可同时驱动高低端MOSFET，无需外部供独立电源，使电路简单，同时可以程控死区，便于调节。主拓扑中H桥输出接LC滤波电路，电感为1mH，CBB电容为4.7uF，通过LC滤波参数可算出截至频率为f0=1/2π√LC=2.32kHz，可以滤除输出正弦波中的高次谐波，输出两端口再分别对地接容值为1uF的CBB电容对地滤波，使输出正弦波失真度尽可能地低。

(4)采样方案

显然需要对输出电压有效值采样。为满足过流过压保护要求，还需对整流后直流电压大小、输出交流电流大小进行采样。其中直流信号经过运放缩小后输入单片机ADC即可，交流信号有两种处理方式：

①交流电压缩小后输入单片机ADC、交流电流经过霍尔传感器转化为交流电压输入单片机ADC。

②通过真有效值检测电路/芯片转化为直流信号输入单片机ADC。

经过实验，发现①输入至ADC的交流信号毛刺较大，单片机内不易分析，故选择②。

(5)供电模式切换方案

当交流电被切断时，需转换为直流供电。考虑到交流供电时直流电可能会对系统产生影响，故使用一继电器，初始状态为常开。当检测到交流电整流后的直流电压发生阶跃性下降时，单片机输出一逻辑电平至继电器，使继电器闭合，切换至直流供电。

(6)系统供电方案

由上述分析可知，系统需要12V（IR2110芯片）、±5V（ADC637芯片、继电器）、3V3（单片机、运放）供电。故采用LM2596S-12 和 7805 三端稳压芯片、3.3V 稳压模块和负电源模块，使辅助供电板可以输出多路+12V、+5V、3V3、两路可调负电压，实现对整个电路的供电。

二、硬件电路与结构

(1)整流桥

(2)BUCK、BOOST电路

应注意，BUCK/BOOST电路拓扑结构完全相同，左边为输入右边为输出时为BOOST结构，右边为输入左边为输出时为BUCK结构。

(3)全桥逆变器

三、程序流程与设计

首先分析微控制器需要完成的功能：生成SPWM信号控制逆变器、生成PWM信号控制BUCK/BOOST电路、ADC读取输出电压有效值、闭环调整BOOST电路PWM信号占空比。

其中，BUCK/BOOST电路PWM可由一个定时器的不同通道产生；SPWM信号脉宽调制使用的中断对应的定时器应与输出SPWM信号的定时器一致，这样有助于减小波形失真度；ADC应使用DMA读取，避免ADC采样占用CPU时间过长使得其他中断溢出；闭环控制时，可使用PID算法，但需注意，由于输出电压有效值本身是在一个固定的范围内变化，参数的整定应适应其特性。注意到SPWM信号的波形质量优先级高于BOOST闭环调整，故中断优先级也应如此设置。

故程序流程框图如下：

四、总结与其他

系统设计要点：

1、系统闭环控制通过采样输出电压有效值、控制BOOST电路PWM信号占空比实现。由上文分析，交流供电和直流供电的情况下，均通过BOOST升压，且控制直流变换电路相比于控制交流变换电路更不易使输出波形失真，故将被控制模块选定为BOOST电路。

系统优劣势分析：

1、DC-DC变换电路均采用开关电源、逆变桥上MOS管导通压降较小，使得系统效率升高。

2、采样部分滤波充分，闭环控制输出有效值精度较高。

3、电源线、地线连接方式合理、连接情况较好，系统内各模块间干扰较少。

4、控制模块、继电器部分选型可以优化，当前方案功耗较高。

注意事项及调试经验：

1、DC-DC变换器有现成的模块可以使用，但需注意输出功率是否能带动系统负载。有些模块是在散热条件很好时才能达到额定功率，调试时时刻注意芯片温度。

2、继电器选型时应注意其供电大小和线圈内阻，继电器上损耗的功率会被计算至系统效率。

3、波形失真时电感啸叫大概率为磁芯饱和，验证方法为，增大输入电压再逐渐减小，观察波形变化是否呈现磁滞回线性质。可以通过改变磁芯材料解决。

4、直流母线上应尽量多地并联电容，目的是滤波和储能。但应注意由于其储能效果，断电后系统内还剩余能量。

5、地线的连接会显著影响波形品质。地线应使用粗绞线，且越短越好。

6、全桥逆变器输出与电源不共地，采样、滤波环节应注意地线连接方式。

学习者可以参考以下文章作为设计参考：

光伏供电下的UPS系统设计 - 中国知网 (cnki.net)