一种小型UPS不间断电源的设计

摘要：本文设计一种小型的UPS不间断电源，采用市电和蓄电池供电，通过无触点控制的晶体管开关电路转换，在市电发生停电时，由蓄电池充电和逆变转换的方法，输出电压220V的交流稳定电压。电路采用大功率电压控制器件VMOS管，输入阻抗高，可以不用推动电路，而直接从震荡电路取得激励电压，简化了电路结构，具有过压和过流保护电路，工作性能稳定，带负载能力强。

关键词：UPS VMOS管 过压、过流保护

一、UPS设计简介

随着科学技术的进步，各行各业广泛地采用了高精设备，这些设备往往要求工作时不能断电，如机场设备、程控交换机设备及目前已广泛采用的微型计算机等，即使是极短的供电中断也会造成极为严重的后果。正是由于这种原因，不间断供电系统（uninterruptile power system-UPS）迅速发展起来。

本文所设计的电源电路为小功率后备式的单相输出的UPS。其主要功能是当市电断电时，由UPS及时地向用电设备提供电能，使用电设备在市电断电之后，仍能不间断地工作一段时间。

当市电输入正常时，由市电—逆变供电转换控制电路输出三电路信号，其中一路控制单刀双掷开关s1（实际上是继电器触点）接通市电供电，此时，负载直接由市电供电；第二路控制信号送“面板显示电路”，以指示市电状态；第三路控制信号送逆变三极管，关断逆变电路。另外，市电还经降压、整流和充电电路给蓄电池充电，以备市电断电后由蓄电池输出电能。

当市电断电后，市电—逆变供电转换控制电路输出信号发生变化，其中第一路控制信号使s1倒向逆变供电一边；第二路信号送面板显示电路，以指示逆变供电状态；第三路控制信号送逆变三极管，将蓄电池的直流电源逆变成交流电，经输出变压器升压后，向负载提供近似220V的交流电源。

二、主要性能指标

额定输出功率：≥100W、输出电压：交流220V、工作频率：50赫兹、输出电压波形：方波、空载逆变电流：≤0.5A、

充电电流：3～8A、市电供电与逆变供电转换时间：<0.2s

1、整流滤波电路：整流滤波电路是不间断电源的重要组成部分。电网提供的交流电为220V或380V（本文采用220V、50Hz），而各种电子设备所需要的电压是幅值不同的直流电压，因此，首先要对电网电压进行整流滤波处理。

2、整流二极管的功能：利用二极管单向导电性，可以把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉动直流电。

3、整流滤波电路的功能是：将交流电变换成直流电；具有输出电压保持能力；抑制电网的干扰信号。

4、对整流滤波电路的要求：

（1）整流滤波输出的电压的大小要能调节，以满足对蓄电池进行浮动充电和均等充电的要求。

（2）整流滤波输出电压要稳定，一般要求静态稳压精度要能达到1%

（3）具有一定的过载能力

（4）整流滤波输出电压波纹要小，一般要求在额定负载时小于额定输出电压1%

（5）具有过载、短路、过热、过电压、欠电压等保护和报警功能。

（6）起动要平稳，运行要稳定可靠。

三、充电与逆变电路

蓄电池是一种可逆电池，静止型UPS常用蓄电池作储能元件。UPS一般要输出220V交流电，带动较大功率的用电设备，在电池串联数目有限的情况下（中小型UPS一般由2～8个电池串联），必须有较大的输出电流能力。蓄电池的品种很多，但适于作UPS蓄电池的主要有三类：

（1）价格便宜的HS电池和适用于低温工作条件的AHH型电池。

（2）适用于长放点时间的CS型电池。

（3）小型密封式M型电池。

逆变电路是不间断交流电源的核心，它把蓄电池输出的直流电变换成50Hz的交流电。后备式UPS，当市电中断后，由于继电器触点从市电供电状态切换到逆变边，需要一定的时间，大约需要2～4ms，因此，以继电器作切换元件的后备式UPS具有2～4ms的供电转换时间。像微型机这样的用电设备，由于机内电源的滤波电容存在，即使微机的输入交流电源断电，也可以利用滤波电容上储存的电能维持工作10ms左右，但是，对于不允许断电时间超过4ms的用电设备，小型离线式（有称后备式）UPS一般采用快速继电器作切换元件，触点动作时间为2～4ms，为缩短转换时间，在较高档一些得UPS中采用双向可控硅，或双向可控硅与继电器触点并联的静态式开关（static switch）作切换元件，当然采用在线式UPS更是一种行之有效得方法。本文在设计中选用双向可控硅作切换元件。

图中VT1、VT2、VT3、VT4、VT5及桥式整流管VD1～4、变压器T2组成了UPS的电子开关电路。多谐振荡源，VT6、VT7，大功率VMOS场效应管VT8、VT9以及电源变压器T1，组成了逆变开关主体电路。VT10、VT11以及发光二极管LED1、LED2则构成了充电与放电状态指示电路。

在市电电源供电正常时，电源变压器T2的次级L2绕组产生18V的低压，经VD1～4组成的桥式整流器整流后、其直流输出的电压作为一个触发电压，由电阻R1加到晶体管VT1的基极，使VT1饱和导通。VT1的导通迫使VT2、VT3组成的施密特触发电路由导通翻转为截止，VT4、VT5也随之关断，因VT5的集、射极串接在多谐振荡源的直流电源供电回路里，由VT5的截止，切断多谐振荡源的直流电源供电，使电路不做逆变工作，逆变无输出。电源变压器T2的L1绕组输出3V的低压，触发双向可控硅SCR导通，使电源变压器T1的初级加入220V的交流电压，经次级将压后，加入VT8、VT9大功率VMOS管的漏极D，由VMOS管源、漏极整流后的直流电压经蓄电池充电。

在蓄电池电压充到15V以上时，LED1红色发光管点亮，发出蓄电池充满的告警信号，此时应关闭直流电源开关SA2，以防蓄电池形成过充电而损坏。

在市电交流电源停电后，由于电源变压器T2的次级L1绕组无触发电压，双向可控硅SCR关断，使电源变压器T1的初级与市电回路分离。另一路，L2绕组因无18V电压，使VT1无触发电压，VT1由饱和导通变为截止。VT2、VT3等组成的施密特触发器翻转为导通状态，VT4、VT5饱和导通，由蓄电池的“+”极12V电源，通过VT5的e、c极，向VT6、VT7多谐振荡电源供电。VT6、VT7起振工作，大功率VMOSVT8、VT9的栅极G，得到推动信号电压，而做大功率开关转换工作，从而逆变输出电压。

在本电路中，大功率开关转换器件使用了高效大功率新型元件VMOS场效应管，因其输入阻抗高，跨导高，所需激励功率小等优点，故前级推动电路只用一级小信号振荡电路就能很好地工作。

在逆变工作过程中，当蓄电池电压低于11V时，绿色二极管LED2熄灭，告警蓄电池已近放电完毕，不可再放电了，以防蓄电池形成过放电而损坏。

四、交流稳压电路的设计

交流稳压电路也是UPS电源的一个重要组成部分。交流电源是大部分用电设备的能源。随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，电的用量正在日益增加，但同时也带来了一个严重的问题：交流电压不稳定。原来很稳定的电压现在变得忽高忽低，有时波动还很大，这使用电设备常常出于危险之中，轻则工作不正常，重则毁坏用电设备。因此，在UPS电源电路中设计一个交流稳压器（如图3）变得非常重要。

当输入电压低于220V时，SCR2的控制电压小于定植，使SCR2导通角变小，C1端电压上升，致使SCR1导通角增大，电压升高。反之，则C1端电压下降，使SCR1导通角减小，电压下降，实现稳压（允许输入电压范围为160V～260V，在此范围内可实现稳压）。

六、结论

电力电子技术是发展高新技术的基础，它拓宽了微电子技术、信息技术与传感器技术的应用领域，推动了新技术与高精技术的发展。随着科学技术的发展，它将发挥更为重要的作用。UPS不间断电源电路作为电力电子技术的一个范畴，也得到了很快的发展，本文所设计的电源的逆变电路简单、性能可靠，采用VMOS管作用功率输出级，逆变效率高。

参考文献：

[1] 祁丰，许飞，唐剑青，马皓.用于UPS的两级式蓄电池充电器设计[J]， 电力电子技术：2007（8）

[2]王庆国，董超.浅谈UPS电源的基本工作原理分类及配置方法[J]，能源技术与管理：2008

[3]刘风君.现代逆变技术及应用[M]，北京：电子工业出版社，2006.9

[4]张乃国.电子电源技术与应用[M]，北京：机械工业出版社，2007.4

作者简介：杨涛，男，新疆克拉玛依人，1082年3月，大学本科，助理工程师，研究内容：油气田地面建设工程质量监督

工作单位：石油天然气克拉玛依工程质量监督站