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摘要：本文设计制作了交流正弦波在线式不间断电源（UPS），首先阐述了在线式不间断电源的工作原理及发展，重点分析了整流电压、BOOST型电路、全桥逆变电路的设计与实现，基于单片机发出PWM（SPWM）控制BOOST升压电路和全桥逆变，实现输出电压的稳定，经测试符合要求，对UPS电源智能化具有一定借鉴和参考意义。
关键词：不间断电源（UPS）;单片机;在线式;整流器
中图分类号：TN86;TP368.1 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）12-0097-02
0 引言
数字化、智能化是UPS发展的必然趋势，本文讨论的在线式UPS是一种小型、实用、智能化等为特点的UPS电源。它采用数字控制技术，运用单片机进行操控，符合UPS的发展趋势，具有较好的市场应用潜力。由于该电源具有成本低、体积小、便利性，逆变输出电压频率幅值较稳定等众多优点，同样也适合普通计算机使用。
1 UPS电源构成与原理
UPS的发明使用，经历了从分立式、全控型功率器件，到今天智能化、网络化的发展，其发展还将呈现多样化的发展趋势。UPS是一种带有储能装置，以逆变器为主并具有稳压稳频输出的电源保护设备，系统主要包括整流、逆变和储能模块等，其电源包括交流、直流充电、交直流逆变装置等。按工作模式可分为后备式UPS、在线式UPS和在线互动式UPS，按其输出波形又可分为正弦波输出和方波输出两种，按电路结构可分为双向变换串并联补偿式UPS、双变换在线式UPS和三端口式UPS等。
在线式UPS电源由市电正常供电时，首先将交流电经整流变成直流电，然后进行脉宽调制、滤波，再将直流电经逆变器重新转换成正弦波交流电源向负载供电。一旦市电停电，立即改由蓄电池提供的直流电经逆变器向负载提供正弦波交流电源。使负载并不因市电中断，仍可以正常运行，并可避免由市电电网电压波动及干扰而带来的所有影响。全桥整流提供直流是实际应用中最为广泛的变流方法。
现如今在公共电网上存在着各种形式的干扰且不容易察觉，严重时可危害电网。对于重要、精密或计算机设备等采用UPS供电是比较合适的选择。本文基于单片机发出PWM（SPWM）控制电路升压和逆变，实现在线式UPS的设计与实现。
2 在线式UPS电源电路设计
基于单片机控制的在线式不间断电源的整体结构，总体上采取一级升压电路加上一级逆变电路实现（电路原理如图1所示）。系统电路由可调节电压输入模块、全桥整流模块、BOOST型升压模块、电压采样模块、全桥逆变模块、电路驱动模块、单片机控制模块以及直流电源或储能模块组成。其中，自耦变压器可以调整电压输出，隔离变压器保证安全性;全桥整流把交流电整流成直流，后接大电容实现交直流不间断供电;电压采样直接给BOOST电路一个恒定的占空比（根据需要也可以不加，后面开环）;BOOST升压实现逆变交流输出达到30V，全桥逆变实现交流输出，后接LC滤波产生正弦波，用互感器模块实现电压/电流采样。电压/电流采样对交流输出电压进行采样，实现反馈，达到30V恒定输出的效果;辅助电源实现给单片机供电（5V）和电压/电流采样模块供电（5V），以及给IR2104驱动电路供电（15V）。
2.1 单片机控制电路
单片机采用STM32F103系列芯片，电路控制上，利用单片机发出PWM控制BOOST电路开关管实现升压，利用单片机发出SPWM控制全桥逆变电路实现逆变;利用ADC芯片实现电压采样，并与期望值比较，利用PID算法实现输出电压稳定在30V。引入静态和动态双重电压反馈，确保了逆变器的动态特性和稳定性。基本完成了全部基本功能。
2.2 BOOST型升压电路
BOOST升压电路使用两个MOS管搭建而成（电路原理如图2所示）。这种方案使用IR2104驱动一个半桥，利用MOS管导通关断控制升压。这种方案效率较高，而且可以调整MOS的耐压值，来匹配电路。但是这种方案也较为复杂，因为外围器件多将IR2104-3的输出低端LO与靠近GND的mos的G端连接，将输出高端HO与另一块mos的G端连接，将IR2104的VS端接至对应的两片mos中间。同时单片机正常工作。
测试时，断开前端不控整流桥，采用学生直流电源接入BOOST电路的输入端供电。将学生电源的输出电压设置为10V左右，此时程序默认占空比为50%，BOOST电路的输出电压为20V左右。使用示波器，直接测试BOOST输出电压，可观察是否正常。
2.3 全桥逆变电路
利用IR2104芯片驱动BOOST电路与全桥电路，实现交流输出，达到逆变目的（电路原理如图3所示）。电路使用H桥（四个MOSFET），利用SPWM控制，在逆变电路之后加上LC滤波，就可以产生正弦波。电压型全桥逆变电路输出电压U0的波形和半桥电路的波形U0形状相同都为正弦波形，最终电压传送至负载供电。逆变器主要电路图采用全桥逆变电路。控制器采用SG3525，通过产生一个幅值在1～3.5V与市电同步的正弦信号，与锯齿波比较，生成SPWM脉宽调制波。
2.4 驱动电路
因单片机不能直接驱动MOS管导通，所以需要添加中间的驱动电路，本方案采用IR2104型芯片实现（外围电路如图4所示）。驱动电路共使用3组，每组采用一个IR2104型芯片和两个MOS管组成，为半桥驱动型电路。IR2104型芯片能提供较大的栅极驱动电流，并具有硬件死区、硬件防同臂导通等功用。运用两片IR2104型半桥驱动芯片能够组成完好的直流电机H桥式驱动电路，并且IR2104价钱低廉，功用完善，输出功率也相对较低。此方案半桥电路的上下桥臂功率管是交替导通的，电路通过在Vb和Vs脚之间外接“自举电容”，进而可实现半桥控制。
3 结论
通过系统测试，基于单片机设计的在线式UPS电源电路，在交流输入电压范围在29～43V时，输出交流电压范围在30±0.2V，50Hz频率误差在±0.2Hz内。直流供电时，储能电压Ud为24V，输出交流电流在I0=1A条件下，输出交流电压U0为30±0.2V，50Hz频率误差在±0.2Hz内，与设计目标和实验目的一致。在U0=30V，I0=1A的条件下，在线式不间断电源效率也可以达到要求，对实际电路的测试结果与理论计算基本一致。在实际应用中，储能器件也可以采用直流电源代替或多个蓄电池进行并联，当检测到某蓄电池放电电压降低到临界值时，立刻切换到另一组蓄电池供电，保证输出电压的连续性。
参考文献：
[1]廉柯.基于DSP的在線式数字化UPS的研究[D].中南大学，2010.
[2]陈瑞霞.单相UPS主逆变电路控制策略研究[J].机械管理开，2018，33（06）：181-183.
[3]王宇.单相UPS不间断电源系统设计[J].广播电视信息，2014（10）：66-68.
[4]丁向荣.单片微机原理与接口技术[M].电子工业出版社，2012.
[5]王光.三相在线式UPS数字化控制技术研究[D].哈尔滨理工大学，2019.
[6]Reduction of Input Current Harmonic Distortions and Balancing of Output Voltages of the Vienna Rectifier Under Supply Voltage Disturbances. Jeevan Adhikari，Prasanna IV，Sanjib Kumar Panda. IEEE Transactions on Power Electronics . 2017.
关键词：不间断电源（UPS）;单片机;在线式;整流器
中图分类号：TN86;TP368.1 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）12-0097-02
0 引言
数字化、智能化是UPS发展的必然趋势，本文讨论的在线式UPS是一种小型、实用、智能化等为特点的UPS电源。它采用数字控制技术，运用单片机进行操控，符合UPS的发展趋势，具有较好的市场应用潜力。由于该电源具有成本低、体积小、便利性，逆变输出电压频率幅值较稳定等众多优点，同样也适合普通计算机使用。
1 UPS电源构成与原理
UPS的发明使用，经历了从分立式、全控型功率器件，到今天智能化、网络化的发展，其发展还将呈现多样化的发展趋势。UPS是一种带有储能装置，以逆变器为主并具有稳压稳频输出的电源保护设备，系统主要包括整流、逆变和储能模块等，其电源包括交流、直流充电、交直流逆变装置等。按工作模式可分为后备式UPS、在线式UPS和在线互动式UPS，按其输出波形又可分为正弦波输出和方波输出两种，按电路结构可分为双向变换串并联补偿式UPS、双变换在线式UPS和三端口式UPS等。
在线式UPS电源由市电正常供电时，首先将交流电经整流变成直流电，然后进行脉宽调制、滤波，再将直流电经逆变器重新转换成正弦波交流电源向负载供电。一旦市电停电，立即改由蓄电池提供的直流电经逆变器向负载提供正弦波交流电源。使负载并不因市电中断，仍可以正常运行，并可避免由市电电网电压波动及干扰而带来的所有影响。全桥整流提供直流是实际应用中最为广泛的变流方法。
现如今在公共电网上存在着各种形式的干扰且不容易察觉，严重时可危害电网。对于重要、精密或计算机设备等采用UPS供电是比较合适的选择。本文基于单片机发出PWM（SPWM）控制电路升压和逆变，实现在线式UPS的设计与实现。
2 在线式UPS电源电路设计
基于单片机控制的在线式不间断电源的整体结构，总体上采取一级升压电路加上一级逆变电路实现（电路原理如图1所示）。系统电路由可调节电压输入模块、全桥整流模块、BOOST型升压模块、电压采样模块、全桥逆变模块、电路驱动模块、单片机控制模块以及直流电源或储能模块组成。其中，自耦变压器可以调整电压输出，隔离变压器保证安全性;全桥整流把交流电整流成直流，后接大电容实现交直流不间断供电;电压采样直接给BOOST电路一个恒定的占空比（根据需要也可以不加，后面开环）;BOOST升压实现逆变交流输出达到30V，全桥逆变实现交流输出，后接LC滤波产生正弦波，用互感器模块实现电压/电流采样。电压/电流采样对交流输出电压进行采样，实现反馈，达到30V恒定输出的效果;辅助电源实现给单片机供电（5V）和电压/电流采样模块供电（5V），以及给IR2104驱动电路供电（15V）。
2.1 单片机控制电路
单片机采用STM32F103系列芯片，电路控制上，利用单片机发出PWM控制BOOST电路开关管实现升压，利用单片机发出SPWM控制全桥逆变电路实现逆变;利用ADC芯片实现电压采样，并与期望值比较，利用PID算法实现输出电压稳定在30V。引入静态和动态双重电压反馈，确保了逆变器的动态特性和稳定性。基本完成了全部基本功能。
2.2 BOOST型升压电路
BOOST升压电路使用两个MOS管搭建而成（电路原理如图2所示）。这种方案使用IR2104驱动一个半桥，利用MOS管导通关断控制升压。这种方案效率较高，而且可以调整MOS的耐压值，来匹配电路。但是这种方案也较为复杂，因为外围器件多将IR2104-3的输出低端LO与靠近GND的mos的G端连接，将输出高端HO与另一块mos的G端连接，将IR2104的VS端接至对应的两片mos中间。同时单片机正常工作。
测试时，断开前端不控整流桥，采用学生直流电源接入BOOST电路的输入端供电。将学生电源的输出电压设置为10V左右，此时程序默认占空比为50%，BOOST电路的输出电压为20V左右。使用示波器，直接测试BOOST输出电压，可观察是否正常。
2.3 全桥逆变电路
利用IR2104芯片驱动BOOST电路与全桥电路，实现交流输出，达到逆变目的（电路原理如图3所示）。电路使用H桥（四个MOSFET），利用SPWM控制，在逆变电路之后加上LC滤波，就可以产生正弦波。电压型全桥逆变电路输出电压U0的波形和半桥电路的波形U0形状相同都为正弦波形，最终电压传送至负载供电。逆变器主要电路图采用全桥逆变电路。控制器采用SG3525，通过产生一个幅值在1～3.5V与市电同步的正弦信号，与锯齿波比较，生成SPWM脉宽调制波。
2.4 驱动电路
因单片机不能直接驱动MOS管导通，所以需要添加中间的驱动电路，本方案采用IR2104型芯片实现（外围电路如图4所示）。驱动电路共使用3组，每组采用一个IR2104型芯片和两个MOS管组成，为半桥驱动型电路。IR2104型芯片能提供较大的栅极驱动电流，并具有硬件死区、硬件防同臂导通等功用。运用两片IR2104型半桥驱动芯片能够组成完好的直流电机H桥式驱动电路，并且IR2104价钱低廉，功用完善，输出功率也相对较低。此方案半桥电路的上下桥臂功率管是交替导通的，电路通过在Vb和Vs脚之间外接“自举电容”，进而可实现半桥控制。
3 结论
通过系统测试，基于单片机设计的在线式UPS电源电路，在交流输入电压范围在29～43V时，输出交流电压范围在30±0.2V，50Hz频率误差在±0.2Hz内。直流供电时，储能电压Ud为24V，输出交流电流在I0=1A条件下，输出交流电压U0为30±0.2V，50Hz频率误差在±0.2Hz内，与设计目标和实验目的一致。在U0=30V，I0=1A的条件下，在线式不间断电源效率也可以达到要求，对实际电路的测试结果与理论计算基本一致。在实际应用中，储能器件也可以采用直流电源代替或多个蓄电池进行并联，当检测到某蓄电池放电电压降低到临界值时，立刻切换到另一组蓄电池供电，保证输出电压的连续性。
参考文献：
[1]廉柯.基于DSP的在線式数字化UPS的研究[D].中南大学，2010.
[2]陈瑞霞.单相UPS主逆变电路控制策略研究[J].机械管理开，2018，33（06）：181-183.
[3]王宇.单相UPS不间断电源系统设计[J].广播电视信息，2014（10）：66-68.
[4]丁向荣.单片微机原理与接口技术[M].电子工业出版社，2012.
[5]王光.三相在线式UPS数字化控制技术研究[D].哈尔滨理工大学，2019.
[6]Reduction of Input Current Harmonic Distortions and Balancing of Output Voltages of the Vienna Rectifier Under Supply Voltage Disturbances. Jeevan Adhikari，Prasanna IV，Sanjib Kumar Panda. IEEE Transactions on Power Electronics . 2017.