《正弦波UPS中的逆变电路》.docx

正弦波UPS^的逆变电路一、前言逆变电路是ups电源的核心电路作者在剖析若干知名厂家生产的 ups电源电路的基础上，对UPS电源中的逆变电路进行了探讨本文所涉及的电路，是这些厂家技术人员多年技术经验的结晶， 并且经历过大量产品投放市场后的考验，具有很好的参考价值作者在此发表出来，供业内人士和 有兴趣者参考UPS电源有很多分类，作者根据业内的习惯，将 UPS电源分为工频机和高频机本文中的工频机和高频机采用的都是正弦波逆变电路，输出的都是正弦波电压，并且都是式结构文中只涉 及正弦波逆变电路，以下简称逆变电路二、逆变电路的结构 逆变电路由正弦波 SPWM调制电路和功放 电路组成2.1工频机所采用 的逆变电路的结构图图1工频机逆变电路的结构图图1所示为工频机 所采用的逆变电路的结 构图由图可见，工频 机逆变电路中右侧的功 放电路采用的是全桥式 功放电路，这种功放电 路需要正弦波调制电路 提供4路相互独立的SPWM驱动信号在左侧的正弦波调制电路中，用正弦波信号去调制三角波信号，得到 4路独立的SPWM信号，经隔离驱动后送至功放电路在这种结构中，每一桥臂功率管的数量视输出功率而定，当输出功率较小时，功率管采用 MOS器件，输出功率大时，采用 IGBT模块。

2.2高频机所采用的逆变电路的结构图图2所示为高频机所采用的逆变电路的结构图由图可见，高频机逆变电路中的功放电路采用的是半桥式功放电路， 这 种功放电路需要正弦波 调制电路提供2路相互独 立的SPWM驱动信号在左侧的正弦波调制电 路中，由电脑板直接提供2路SPWM波信号，经隔 离驱动后送至功放电路在这种结构中，每一 桥臂功率管的数量也视输出功率而定，当输出功率较小时，功率管采用 MOS器件，输出功率较大时，也采用 IGBT模块三、正弦脉宽调制（SPWM方法SPWM信号实际上就是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波在20KVA以下的小型逆变电路中，通常用正弦波（调制波）调制三角波（载波）的方法来实现脉宽调制的目的，又称为三角波调制法, 它是利用比较器来完成这一功能的根 据调制信号所包含的信息量，调制电路 可以分为单极性调制和双极性调制3.1 SPWM调制方法及特点在单电源供电的比较器重，若将正 弦波送到比较器的同相输入端，将三角波送到比较器的反相输入端，则在正三角波幅值大于正弦波的幅值时， 比较器将输出一个负向脉冲,这个负向脉冲的宽度等于三角波大于正弦波部分所对应的时间间隔而在三角波幅值小于正弦波的幅值时，比较器将输出一个正向脉冲，这个正向脉冲的宽度等于三角波小于正弦波部分所对应的时 间间隔。

从图3可见，这时在电压比较器的输出端将得到一连串脉冲方波序列，其特点是：对应于 正弦波幅值较低的部位，脉冲方波的宽度较窄，而对应于正弦波幅值较高的部位，脉冲方波的宽度 较宽这就是正弦脉冲调制信号，即 SPWM信号根据分析，这种三角波调制电路有以下特点：L当三角波频率与正弦波频率之比 N > 20以上时，在比较器输出端产生的矩形脉冲，其宽度正比于正弦波幅值与三角波幅值之比因此，只要适当地调节输入到比较器的正弦波电压的幅值大小，就可以调节脉冲宽度，从而调 节了逆变器输出的正弦波电压的大小这一特点也使得由三角波调制电路构成的逆变电路具有自动 稳压的功能2. 当正弦波幅度小于三角波幅度时，逆变器输出电压波形中只含有基波和 17、19…次谐波，而 不包含3、5、7…等低次谐波分量，仅存在与三角波频率相近的高次谐波正弦波的频率是 50Hz,通常三角波的频率是 10-20KHZ左右因此，在采用三角波调制法的逆 变电路中，输出电压的波形中实际上不包含低次谐波分量，它们所包含的最低谐波分量的频率都在 几十KHz以上因此，在这种逆变电路中，逆变器所需的合成器（即输出滤波器）的尺寸、重量和 成本可以大大减小。

3. 若增大正弦波的幅度，使正弦波幅度大于三角波幅度时，逆变电路输出的调制波中，将开始 出现3、5、7…等低次谐波分量这会导致逆变输出正弦波电压的失真度增大，严重时会使电路进 入自动保护关机状态因此在调试时要主意正弦波的幅度不能超过三角波的幅度上述正弦波调制法已经成为一种经典的正弦波调制方法，在逆变电路中被广泛使用3.2双极性SPW通制在双极性调制电路中，需要一路正弦波信号和一路三角波信号，三角波信号的幅值必须略大于 正弦波信号的峰-峰值如图4a所示，若将正弦波送到单电源比较器的同相输入端， 将三角波送到比较器的反相输入端，则在电压比较器的输出端将得到一连串脉冲方波序列，其特点是：在正弦波的正半周中，对应于正 弦波幅值较低的部位，脉冲方波的宽度较窄，而对应于正弦波幅值较高的部位，脉冲方波的宽度较 宽而在正弦波的负半周中，对应于正弦波幅值较低的部位，脉冲方波的宽度较宽，而对应于正弦 波幅值较高的部位，脉冲方波的宽度较窄由于这种调制电路输出的 SPWM波信号中既包含了正弦信号正半周的信息， 又包含了负半周的信息，所以称为双极性调制由于高频机通常采用半桥式功放电路，需要两路大小相等、相位相反的 SPWM信号，因此在高频机中，将由此得到的双极性调制信号分为两路，将其中一路反相 180。

即可得到两路大小相同、相位相反的SPWM信号图4b所示为另一种调制电路它与图 4a的区别是将正弦波送到比较器的反相输入端，而将三角波送到比较器的同相输入端由此得到的 SPWM信号的波形与图4a的相反，SPWM波宽度的变化规律也相反将其分 为两路，并将其中一路 反相后，同样可以得到 两路大小相等、相位相 反的SPWM信号3.3单极性SPWM!制在单极性调制电路 中，也需要一路正弦波 信号和一路三角波信 号，但三角波信号的幅 值只须略大于正弦波信 号正半周的幅值或负半 周的幅值并且与正弦 波的正半周或负半周对 齐如图5单极性调制 电路示意图所示，若将 正弦波送到单电源比较 器的同相输入端，将三 角波送到比较器的反相 输入端，则在三角波幅 值大于正弦波的幅值时，比较器将输出一个负向脉冲，这个正向脉冲的宽度等于三角波大于正弦波部分所对应的时间间 隔而在三角波幅值小于正弦波的幅值时，比较器将输出一个正向脉冲，这个正向脉冲的宽度等于 三角波小于正弦波部分所对应的时间间隔从图 5可见：这时在电压比较器的输出端将得到一串脉冲方波序列，其特点是对应于正弦波正半周幅值较低的部位，脉冲方波的宽度较窄，而对应于正弦 波正半周幅值较高的部位，脉冲方波的宽 度较宽。

对应于正弦波的负半周，则输出 脉冲方波的幅值为 0由于这种调制电路输出的 SPWM波 信号中只包含了正弦信号正半周或负半周 的信息，所以称为单极性调制在工频机中通常采用全桥式功放电 路，需要4路不同的SPWM驱动信号， 此必须采用单极性调制方式所以在工频 机中，需要提供一路正弦波信号，一路正 向三角波、一路反向三角波其中正弦波 信号的对称轴不能在 0轴（X轴）上，而图5恤性调制W各示意图是要抬高到电源电压的二分之一处， 图中标记为Vz,这样才能保证三角波只与正弦波的正半周或只与负半周相调制于是，用正向三角波和正弦波信号组合，可以得到两路 SPWM信号，而用反向三角波和正弦波信号组合，可以得到另外两路不同的 SPWM信号，一共可得到 4路不同的SPWM信号参见图6所示图6中正弦波与正、反向三角波组合排列的位置与全桥功放电路中功放管的排列位置相对应,图6单极性调制电路它们输出的驱动信号能使功率管按照对角线的规律导通和截止在正弦波正半周期间，a组中正弦波总是高于反向三角波的幅度，加至单电源比较起的反相端 以后，比较器a始终输出低电平，使左上臂功放管始终截止；此时虽然 d组中的比较器d可以输出SPWM信号，但左上臂与右下臂对角线上的两组功放管却不能导通。

此时 b组中正弦波总是高于反向三角波的幅度，所以比较器 b始终输出高电平，使左下臂功放管始终饱和导通；而此时 c组中的比较器c却可以输出SPWM信号，所以右上臂与左下臂对角线上的功放管就能根据 SPWM信号导通或截止在正弦波信号正半周期间，左上臂功放管始终截止，所以全桥功放电路左侧上、下臂的 功放管不会同时导通；而右侧上、下功放管的驱动信号的极性刚好相反，因此右侧上、下臂的功放 管也不会同时导通在正弦波负半周期间，c组中正弦波总是低于正向三角波的幅度，加至单电源比较起的反相端 以后，比较器c始终输出低电平，使右上臂功放管始终截止，此时虽然 b组中的比较器b可以输出SPWM信号，但右上臂与左下臂对角线上的两组功放管却不能导通此时 d组中正弦波总是低于正向三角波的幅度，所以比较器 d始终输出高电平，使右下臂功放管始终饱和导通；而此时 a组中的比较器a却可以输出SPWM信号，所以左上臂与右下臂对角线上的功放管就能根据 SPWM信号导通或截止在正弦波信号负半周期间，右上臂功放管始终截止，所以全桥功放电路右侧上、下臂的 功放管不会同时导通；而左侧上、下功放管的驱动信号的极性刚好相反，因此左侧上、下臂的功放 管也不会同时导通。

因此，上述组合正好符合全桥功放电路的要求需要说明的是，所谓正、反向三角波只是相对概念，它们相互平等，无主次之分，这样的名称 只是便于说明问题四、正弦波信号和三角波信号的产生由调制电路可知，要产生 SPWM信号，必须要有正弦波信号和三角波信号由于正弦波 UPS 在无市电时也要向负载提供正弦电压， 所以正弦波信号和三角波信号必须由 UPS电路自身产生而不能依靠市电正弦电压其中三角波的产生比较容易，比较困难的是正弦波信号这种由 UPS自身产生的正弦波信号称为本机正弦波信号对本机正弦波的基本主要求是：频率为 50Hz （或可选60Hz）、幅度要稳定，失真度要小，要能被市电同步本机正弦波信号的产生方式有多种，本文将介绍 3中常见方式即用运放电路产生本机正弦波信号、用数字电路产生本机正弦波信号和由电脑芯片产生本机正弦波信号㈠、用运放电路产生本机正弦波信号用运放组成的电路可以产生正弦波信号，在 3中方式中电路最简单，但失真度也最大，约为3%-5%左右图7所示为PULSE （保时）500型后备式工频机的正弦波形成电路电路主要由方波发生器、二阶有源滤波器、差分放大器、 Vz电压发生电路等构成4.1 Vz电压的产生和作用图中运放IC3C及周边元件组成了 Vz电压发生电路。

IC3C接成跟随器电路，其同相输入端O 脚 接有R56、R57组成的分压器，R56、R57的数值相等，将+12V电压分压为1/2,即6V,因此跟随 器脚输出即为6VC43、C44为滤波电容，可使 Vz电压更加稳定我们知道，有些信号，例如正弦信号是包含正负半周的双极性信号，运放电路要处理双极性信 号必须使用双极性电源，但这会使电路复杂化为了使运放在采用单电源的情况下也能处理双极性 信号，采用了 Vz电压采用Vz电压后，在12V电源电压系统中，相当于将信号的 X轴沿着Y轴升高了 6V,正好位于+12V的中间，给负半周信号留出了空间，于是单电源运放也能处理双极性信 号4.2方波信号发生器方波发生电路由IC3B、W5及周边元件组成，任务是产生合乎要求的 50Hz方波信号，参见图7图中IC3B及周边元件组成自激振荡电路，输出为方波图中 Vz电压经R59加至运放IC3B同 相输入端的5脚，作为基准电压，C19用来滤除干扰R60是反馈电阻， W5、R61为振荡电阻，C18 为振荡电容，它们的数值决定了输出方波的频率 R58用来引入市电同步信号。