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摘要：本文介绍了一种带UPS功能的多路输出电源的设计方法，该电源第一级DC/DC电源，并带有蓄电池负载。第二级为逆变整流多路输出电源，采用了多路比例反馈。实际使用表明，该电源工作稳定可靠，性能良好。
关键词：多路输出电源；UPS；DC/DC；多路比例反馈
中图分类号：U6；TM9文献标志码：A文章编号：16717953(2009)03001402
某船舶航行数据记录仪电源要求输入为DC110V，有110V/2A、50V/10A、5V/15A三路DC输出，并且要求具有在线UPS功能，输入停电时要无间隙切换，保证设备继续正常工作。例如船舶出现倾斜全船失电甚至沉没，应能在供电状态下记录所有船舶信息，以备日后取证。且要求电源效率>93%，工作稳定，可靠性高。
1、系统结构组成
目前国内外较为先进的UPS装置是利用微处理器控制的工频高压直流电源。虽然利用微处理器可以使电源输出电压根据负载进行跟踪优化，但由于采用工频高压直流装置，直流电源很庞大、沉重，而且根据回路电压控制可控硅导通角，虽可调节输出电压，但输出电压波动很大。
本电源是采用脉宽调制(PWM)技术和变频(PFM)技术的功率转换电路。如图1.将直流电滤波后，通过微机控制逆变为高频方波交流电压后，再经高频变压器升压，高频整流桥整流，在UPS上得到电压波形。
2、主电路介绍
主电路的原理如图2.所示，直流电路供给逆变模块的C、E极，逆变主要靠微机控制模块各个桥臂的导通和截止来得到20KHZ的高频矩形波交流电压，电容C1、C2、电感L1与变压器串联构成谐振支路，从高频升压变压器得到的交流电通过高频整流硅堆，得到所需可控的直流电。把输出的电流、电压、反馈至微机控制器改变脉冲工作频率或脉冲宽度经隔离驱动器送给IGBT全桥高频逆变模块以对输出电流和输出电压进行调节。
3、逆变器开关管的选择
采用传统的晶闸管作为逆变元件时，由于晶闸管的开关速度慢，因此逆变器的工作频率不可能很高，这就限制了储能元件的充电速度和充电精度。功率场效应管MOSFET具有优越的高频开关特性，无疑是一种更加理想的逆变用器件。同时，由于它的加入，电力电子器件在节省电能方面发挥了很大的潜力，使得半导体器件在中小功率中的应用有了迅速发展。
但是，MOSFET作为多子器件也有它的缺点，即高压MOSFET的正向电阻很大。因而就诞生了绝缘栅双极型晶体管IGBT，由于它比MOSFET多一个PN结，本质上是个双极型晶体管。而这个附加的PN结注入的少子改善了通态特性，使得IGBT既具有MOSFET的下作速度快、输入阻抗高、驱动电路简单、热温度性好的优点，又包含了GTR (Giant Transistor巨型晶体管)的载流量大，阻断电压高等多项优点，从而极大的扩展了半导体器件的功率应用领域，开辟了电力电子技术向高压高频化迈进的现实道路。
4、控制方案
逆变电源系统分为开环控制系统和闭环控制系统，因为开环控制系统的输出在电网电压和负载变化时，无稳定作用，控制效果不理想，一般只用于小功率、波形质量要求小高的场合。我们采用闭环控制系统，把输出电流和输出电压一起引入控制系统。采用PWM和PFM结合来实现电压和电流等的控制。控制系统结构如图3.控制方法如下：
驱动电路的设计
驱动电路的作用是将控制电路输出的脉冲放大到足以驱动功率开关管，采用不同的驱动电路将得到不同的开关特性。设计优良的驱动电路能改善功率开关管的开关特性，从而减小开关损耗，提高电源的效率及功率器件工作的可靠性。因此，驱动电路的优劣直接影响电源的性能。随着开关工作频率的提高，驱动电路的优化设计显得越来越重要。驱动电路保持最佳驱动特性，需要注意以下方面：
1)功率管开通时，驱动电路提供的基极电流应有快速的上升沿，并一开始有一定的过冲，以加速开通过程。
2)IGBT是电压驱动，它具有一定的阀值电压和容性输入阻抗，因此IGBT对栅极电荷集聚很敏感，必须要保证有一低阻抗值的放电回路，即驱动电路与IGBT的连线要尽量的短。
3)用小内阻的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电有足够陡的前沿，使IGBT的开关损耗尽量小。另外，在IGBT开通后，驱动
电路提供的基极电流在任何负载情况下都能保证IGBT处于饱和导通状态，使IGBT的饱和压降较低，以保证低的导通损耗。
4)驱动电平UCE必须综合考虑。当正的UCE过大时，IGBT通态压降和开通损耗均增加，负载短路时的电流增大，IGBT能承受的过电流时间减少，对其安全不利，因此在有短路过程的设备中认UCE应选小些。而在关断瞬间，为尽快抽取PNP管结电容存贮的电荷，须施加一足够负的偏压UCE，使集电极电流迅速下降以减少下降时间。但受IGBT的G，E间最大反向耐压的限制，负偏压取也不宜过大。
5)大电感负载下，IGBT的开关时间不能过分短，以限制di/dt所形成的尖峰电压，保证IGBT的安全。
6)IGBT的栅极驱动电路损耗要小，电路应尽可能简单可靠，最好自带有对IGBT的保护功能，并有较强的抗干扰能力。
6、结束语
UPS电源技术不断在发展，该电源主要器件开关管在谐振状态下开关条件大为改善，实现了电流谐振软开通和零电流关断，使得开关管和续流二极管的开关损耗大为减少。该类电源具有体积小、效率高，并且适用性广、调节范围大、电磁干扰小的特点，实测表明，在110V 、50V、 5V满载输出时，各电压纹波峰峰值 (频带宽20MHZ)分别小于150mV 、100mV 、80mV，满足要求，非常适合于船舶电源而得到广泛的应用。
参考文献
［1林辉，王辉.电力电子技术［M］.武汉：武汉理工大学出版社.2001.
［2］ 吴志良.船舶港口电气系统可靠性工程及应用［M］.大连：大连海事大学出版社.2006.
［3］ 陈坚. 电力电子学——电力电子变换和控制技术(第2版)［M］.北京：高等教育出版社.2004.
［4］ 刘胜利.现代高频开关电源实用技术［M］.北京:电子工业出版社，2000.
关键词：多路输出电源；UPS；DC/DC；多路比例反馈
中图分类号：U6；TM9文献标志码：A文章编号：16717953(2009)03001402
某船舶航行数据记录仪电源要求输入为DC110V，有110V/2A、50V/10A、5V/15A三路DC输出，并且要求具有在线UPS功能，输入停电时要无间隙切换，保证设备继续正常工作。例如船舶出现倾斜全船失电甚至沉没，应能在供电状态下记录所有船舶信息，以备日后取证。且要求电源效率>93%，工作稳定，可靠性高。
1、系统结构组成
目前国内外较为先进的UPS装置是利用微处理器控制的工频高压直流电源。虽然利用微处理器可以使电源输出电压根据负载进行跟踪优化，但由于采用工频高压直流装置，直流电源很庞大、沉重，而且根据回路电压控制可控硅导通角，虽可调节输出电压，但输出电压波动很大。
本电源是采用脉宽调制(PWM)技术和变频(PFM)技术的功率转换电路。如图1.将直流电滤波后，通过微机控制逆变为高频方波交流电压后，再经高频变压器升压，高频整流桥整流，在UPS上得到电压波形。
2、主电路介绍
主电路的原理如图2.所示，直流电路供给逆变模块的C、E极，逆变主要靠微机控制模块各个桥臂的导通和截止来得到20KHZ的高频矩形波交流电压，电容C1、C2、电感L1与变压器串联构成谐振支路，从高频升压变压器得到的交流电通过高频整流硅堆，得到所需可控的直流电。把输出的电流、电压、反馈至微机控制器改变脉冲工作频率或脉冲宽度经隔离驱动器送给IGBT全桥高频逆变模块以对输出电流和输出电压进行调节。
3、逆变器开关管的选择
采用传统的晶闸管作为逆变元件时，由于晶闸管的开关速度慢，因此逆变器的工作频率不可能很高，这就限制了储能元件的充电速度和充电精度。功率场效应管MOSFET具有优越的高频开关特性，无疑是一种更加理想的逆变用器件。同时，由于它的加入，电力电子器件在节省电能方面发挥了很大的潜力，使得半导体器件在中小功率中的应用有了迅速发展。
但是，MOSFET作为多子器件也有它的缺点，即高压MOSFET的正向电阻很大。因而就诞生了绝缘栅双极型晶体管IGBT，由于它比MOSFET多一个PN结，本质上是个双极型晶体管。而这个附加的PN结注入的少子改善了通态特性，使得IGBT既具有MOSFET的下作速度快、输入阻抗高、驱动电路简单、热温度性好的优点，又包含了GTR (Giant Transistor巨型晶体管)的载流量大，阻断电压高等多项优点，从而极大的扩展了半导体器件的功率应用领域，开辟了电力电子技术向高压高频化迈进的现实道路。
4、控制方案
逆变电源系统分为开环控制系统和闭环控制系统，因为开环控制系统的输出在电网电压和负载变化时，无稳定作用，控制效果不理想，一般只用于小功率、波形质量要求小高的场合。我们采用闭环控制系统，把输出电流和输出电压一起引入控制系统。采用PWM和PFM结合来实现电压和电流等的控制。控制系统结构如图3.控制方法如下：
驱动电路的设计
驱动电路的作用是将控制电路输出的脉冲放大到足以驱动功率开关管，采用不同的驱动电路将得到不同的开关特性。设计优良的驱动电路能改善功率开关管的开关特性，从而减小开关损耗，提高电源的效率及功率器件工作的可靠性。因此，驱动电路的优劣直接影响电源的性能。随着开关工作频率的提高，驱动电路的优化设计显得越来越重要。驱动电路保持最佳驱动特性，需要注意以下方面：
1)功率管开通时，驱动电路提供的基极电流应有快速的上升沿，并一开始有一定的过冲，以加速开通过程。
2)IGBT是电压驱动，它具有一定的阀值电压和容性输入阻抗，因此IGBT对栅极电荷集聚很敏感，必须要保证有一低阻抗值的放电回路，即驱动电路与IGBT的连线要尽量的短。
3)用小内阻的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电有足够陡的前沿，使IGBT的开关损耗尽量小。另外，在IGBT开通后，驱动
电路提供的基极电流在任何负载情况下都能保证IGBT处于饱和导通状态，使IGBT的饱和压降较低，以保证低的导通损耗。
4)驱动电平UCE必须综合考虑。当正的UCE过大时，IGBT通态压降和开通损耗均增加，负载短路时的电流增大，IGBT能承受的过电流时间减少，对其安全不利，因此在有短路过程的设备中认UCE应选小些。而在关断瞬间，为尽快抽取PNP管结电容存贮的电荷，须施加一足够负的偏压UCE，使集电极电流迅速下降以减少下降时间。但受IGBT的G，E间最大反向耐压的限制，负偏压取也不宜过大。
5)大电感负载下，IGBT的开关时间不能过分短，以限制di/dt所形成的尖峰电压，保证IGBT的安全。
6)IGBT的栅极驱动电路损耗要小，电路应尽可能简单可靠，最好自带有对IGBT的保护功能，并有较强的抗干扰能力。
6、结束语
UPS电源技术不断在发展，该电源主要器件开关管在谐振状态下开关条件大为改善，实现了电流谐振软开通和零电流关断，使得开关管和续流二极管的开关损耗大为减少。该类电源具有体积小、效率高，并且适用性广、调节范围大、电磁干扰小的特点，实测表明，在110V 、50V、 5V满载输出时，各电压纹波峰峰值 (频带宽20MHZ)分别小于150mV 、100mV 、80mV，满足要求，非常适合于船舶电源而得到广泛的应用。
参考文献
［1林辉，王辉.电力电子技术［M］.武汉：武汉理工大学出版社.2001.
［2］ 吴志良.船舶港口电气系统可靠性工程及应用［M］.大连：大连海事大学出版社.2006.
［3］ 陈坚. 电力电子学——电力电子变换和控制技术(第2版)［M］.北京：高等教育出版社.2004.
［4］ 刘胜利.现代高频开关电源实用技术［M］.北京:电子工业出版社，2000.