微功耗不间断电源

郁百超

(湖北省电力信息通信公司，湖北 武汉430077)

1 传统不间断电源

传统不间断电源先把输入正弦波电压或蓄电池的直流电压变成高频率的方波电压，然后用电容、电感滤波，再变成交流电压输出，这种事倍功半、吃力不讨好的方法，显然效率低而浪费能源，有以下毛病：

（1）采用PWM脉宽调制的方法，高频率、大功率方波的产生过程，也就是强烈EMI干扰产生的过程，大功率直流逆变器相当于一个高频功率发射台，可以想象，所产生的干扰何其严重。

（2）功率变换过程中，输入功率的全部必须进行实际的功率变换，所有变换的功率必须通过磁芯变压器或电感传递才能到达输出端，损耗大，效率低。

2 微功耗不间断电源

图1 是微功耗不间断电源的原理框图，当市电正常时，整流升压器对输入的市电进行整流、升压、功率因数校正，同时对蓄电池进行无损充电[1]，然后通过微分逆变器，把直流电压逆变成稳频稳压的正弦波电压输出。

当市电停电时，蓄电池电压通过微分逆变器，逆变成稳频稳压的正弦波电压输出。

3 整流升压器

图2 是整流升压器的原理电路，V1、V3是功率MOS管Q1、Q2的栅极驱动信号，都是100 kHz的方波信号，V1超前V3半个周期。

电路启动后，Q2饱和导通，电池V2通过Q2向电感L1充电，电感电流线性增加，电感中存贮的能量不断增多，与此同时，电容C2上的电压向负载R2放电。半个周期后，Q2截止，Q1饱和导通，存贮在电感L1中的电能通过Q1向电容C1充电。C1上的电压叠加在电池电压V2之上，在向负载电阻R2供电的同时，也向电容C2充电。图2右边是各点电压的仿真波形，从上到下依次是：输出电压Vo、输入电压Vi、补偿电压Vc。从图可以看到，输出电压Vo（12 V），是输入电压 Vi（10.5 V）和补偿电压 Vc（1.5 V）之和。

图2 的电路也可以对馒头波进行补偿，即用一个补偿电压（Y=1-sinx）叠加在整流后的馒头波（Y=sinx）之上，使得馒头波变成一条直线（Y=1），即馒头波电压因电压补偿变成了直流电压，而非因大电容滤波变成直流电压。此时市电所有幅值对应的所有时刻，都可以对电容充电，都有电流从网侧流出，于是输入交流电流波形和输入交流电压波形完全吻合，功率因数为1而THD为零。

图3 是对馒头波进行补偿的电路，图2电路中的电池V2代之以整流后的馒头波电压，补偿电路要使输出电压成为直流电压，必须在馒头波电压之上叠加形如（1-sinx）的电压进行补偿，其结果正是我们为之追求的目标。图3右边是馒头波电压补偿电路各点电压的仿真波形，从上到下依次是：输入电压Vi、补偿电压Vc、输入电流Ii，从仿真图可以看到，输入电流与输入电压同频、同相、同步，波形完全相似。

图4 是正负对称电压输出的升压整流器电路，市电正半周期间，正馒头波经过二极管D3接到由Q1组成的正整流升压器的输入端，进行功率因数校正，市电负半周期间，负馒头波经过二极管D4接到由Q2组成的负整流升压器的输入端，进行功率因数校正，图4右边是输入电压和输出电压的仿真波形，可以看到，输入电压和输入电流完全同步、同频、同相，有关微功耗功率因数校正器的详细论述，请参考文献[4]。

4 微分逆变器

图5 是一个直流逆变器的原理电路，V1、V3是正负对称直流电压，分别加在Q1、Q2的漏极，栅极和地之间同时接幅值为318 V的正弦波电压V2，R1、C1接在共同源极。

V2的正半周，Q1导通，直流电压V1加在负载电阻R1上，由于源极电压跟踪栅极电位，所以在电阻R1上产生幅值约为308 V（V2幅值减去一个栅源电压Vgs）的正半周馒头波电压，V2的负半周，Q2导通，直流电压V3加在负载电阻R1上，由于源极电压跟踪栅极电位，所以在电阻R1上产生幅值约为308 V（V2幅值减去一个栅源电压Vgs）的负半周馒头波电压，一个周期结束，在负载电阻R1上得到一个周期的正弦波输出电压Vsin。图5右边是输出电压Vsin的仿真波形，可以看到，输出电压的频率、相位、幅值只和栅极所加控制信号有关，Q1、Q2组成的电路，正是电压切割电路[7、8]，Q1、Q2栅极控制信号像一把刀，从漏极电压切下来一块，这一块的形状与栅极所加信号波形完全相同。

图5 电路有两个缺陷：

（1）外加电压经切割后剩下来的面积太大，若外加电压为1，则由栅极信号电压切下来的正弦波为 Y=sinx，剩下来的面积就是 S=（1-sinx），占输入电压的36%；

（2）切下正弦波后所剩部份 （1-sinx）全部在Q1、Q2的漏源极发热浪费掉。

图6 是微分逆变器工作原理示意图，工作过程如下：

（1）正弦波前10 ms面积沿Y轴N等分，此处以4等分为例；

（2）每等分以下底为一边作4个长方形，堆累成塔形；

（3）利用电容网络由输入直流电压产生塔形波，这是实施直流逆变的第一步；

（4）用正弦波从内部切割此塔形，正弦波的幅值选择原则是，使得正弦波在内部刚好和塔形波相切；

（5）塔形波被切去多余部份后的实体，刚刚好是输出的正弦波电压Va；

（6）塔形波切下来的多余部份打散、揉合，变换成正弦波电压Vb，与前述Va同时输出，产生输出电压Vo的前10 ms波形；

（7）正弦波后10 ms面积处理方法同上，产生输出电压Vo的后10 ms波形。

5 四阶塔形波的产生电路

图5 是4阶微分逆变器实际电路，上下两部份电路完全对称。对于下部份电路说来，从0 ms开始，的MOS管Q4开通（V2高电平），电源正电压 V4通过 Q3、Q6、Q8、Q11的体内二极管对电容 C1、C3、C5、C7充电，都充至四分之一电源电压；10 ms后，Q4关断，MOS 管 Q9开通， 电容 C7、C5、C3、C1分别通过 Q11和D6、Q8和 D3、Q6和 D1、Q3依次对负载 R1放电， 放电时间依次递减，递减时间按正弦规律变化，在负载电阻R1上产生正的宝塔波电压。

对于上部份电路说来，从10 ms，MOS管Q2开通 （V1低电平）， 电源负电压 V6通过 Q1、Q5、Q7、Q10的体内二极管对电容 C2、C4、C6、C9充电，都充至四分之一电源电压；10 ms后，Q1关断，MOS管 Q12开通，电容 C9、C6、C4、C2分别通过 Q10和 D6、Q7和 D4、Q5和D2、Q1依次对负载R1放电，放电时间依次递减，递减时间按正弦规律变化，在负载电阻R1上产生负的宝塔波电压。上部份电路开关的动作时间全部滞后下部份电路10 ms，则加在Q9、Q12漏极是对称的宝塔波电压，图8中间是宝塔波的仿真波形。

MOS管Q8、Q12组成了图4所示的电压切割电路，加在Q9、Q12漏极的正负对称宝塔波电压，由加在栅极的正弦波V12切割，切下一个正弦馒头波以后，剩下来的是8个小直角三角形，其总面积比S=（1-sinx)要小得多。

上述微分逆变过程分两步，第一步由C1-C7、C9组成的电容网络产生如图中所示的宝塔波电压，第二步以Q9、Q12栅极正弦波电压V12为刀，从宝塔波电压内部切割宝塔波，恰好使得宝塔波内部的直角和正弦波相切，于是，把宝塔波在外部的直角全部切下来，剩下的部份形成了完整的正弦波电压。

由电容网络产生的宝塔波电压，实际上是四个微分电压的叠加，设正弦波幅值为1，把正弦波在Y轴上分成N等分，以每一等分的下底作长方形，这些长方形叠加后形成了宝塔波电压，由于正弦波电压完全由微分电压叠加而成，故称微分逆变器，由几个微分叠加，就称几阶微分逆变，这里的逆变器由四个微分叠加而成，故称四阶微分逆变器，微分逆变的阶数，也是电容网络中电容器的个数。图5左边的仿真波形是正弦电压波从其内部切割宝塔电压波的全过程，图6右边是经过正弦波切割后的输出电压Vsin。有关微功耗功率直流逆变的详细论述，请参考文献[5]。

6 微功耗不间断电源的实际电路

图9 是微功耗不间断电源实用电路，由Q3、Q8组成的正负双向整流升压器与图4电路相同。

图9 是微功耗清洁能源存贮系统实际电路，其中充电恒流、恒压电源由Q3、Q8等组成的正负整流升压器完成，蓄电池充电部份由Q1、Q2和Q19、Q20等组成无损充电机完成， 逆变部份由 Q12、Q13、Q14、Q16、Q17、Q18等组成的三相微分逆变器完成。

单相交流电压V4以倍压整流方式进入A、B两点，正负对称整流升压器完成正负直流电压的升压、稳定、恒流、恒压，输入直流电压的稳定和升压，前已详述。恒流功能是检测电阻R11上的直流电压完成的，根据输入正负对称直流电压的高低，选择最佳充电电池的个数N，选择的原则是使得N个蓄电池的端电压等于或高于输入直流电压，这样整流升压器可以根据电阻R11上的直流电压调整充电电流达恒定值，如果N个蓄电池的端电压低于输入直流电压，则充电电流将会失去控制。恒压功能是检测C、D两点的直流电压完成的，根据各种蓄电池不同的端电压，确定恒流转恒流、恒压充电的转折点，根据输入正负对称直流电压的高低，选择最佳充电电池的个数N，选择的原则与上述恒流的情况相同。

图9 所示输入电压是单相倍压整流电路，正负对称310 V，如果是正负对称直流电压，直接接入A、B两点，如果是三相交流电压，以双半波整流方式接入A、B两点。

整流升压电路产生的恒流、恒压电源直接进入由 Q1、Q2和 Q19、Q20组成的无损充电部份，由 Q12、Q13、Q14、Q16、Q17、Q18等组成的三相微分逆变器从 E、F两点获得电池正负对称直流电压，这里宝塔波电压产生电路和电压切割电路省略，逆变原理已于前述，无损充电请参考文献[2]。

图10 左边是微功耗不间断电源宝塔波电压仿真波形（8阶），右边是宝塔波被正弦波切割过程的仿真波形，当宝塔波阶数N=8时，所切下来的小三角形总面积已经非常小。

图11 是当N=16时宝塔波电压的仿真波形，从图可以看到，用正弦波来切割这个16阶宝塔波时，所切割下来的小三角形总面积更小。

7 结语

（1）整流升压器产生补偿电压为Vc=1-sinx，占输出总功率的很小部份，其余绝大部份功率并不参加实际的功率变换，占总功率很小部份的功率进行功率变换，产生的功率损耗非常小，所以整流升压器的效率接近100%，有关整流升压器的微功耗分析，详见文献[4]。

（2）微分逆变器采用电容网络产生宝塔波电压，然后用正弦波切割宝塔波，宝塔波产生的过程，只有功率MOS管和功率二极管的饱和压降，电压切割过程所切下来的小三角形总面积非常小，这些小面积进行功率变换的功率损耗非常小，所以微分逆变器的效率接近100%，有关微分逆变器的微功耗分析，详见文献[5]。

（3）微功耗不间断电源的充电部份采用无损充电机，可使蓄电池寿命大大提高，可充分利用蓄电池容量，而不会影响整机效率，有关无损充电机的详细论述，请参考文献[2]。

[1]周志敏.周纪海.纪爱华.开关电源功率因数校正电路设计与应用[M].北京：人民邮电出版社.2004.

[2]李嘉明.郁百超.锂离子动力电池无损充电机.化学与物理电源系统.2010年9/10.

[3]郁百超.百超功率变换器的原理和应用.中国电源学会第18届学术年会论文集P301.

[4]郁百超.微功耗功率因数校正器.中国，201110166360.5.[P].2011-06-17.

[5]郁百超.微功耗直流逆变器.中国，201110166349.9.[P].2011-0617.

[6]郁百超.微功耗不间断电源.中国，201110173752.4.[P].2011-06-24.

[7]郁百超.绿色功率变换器.中国，201010130192.X.[P].2010-03-19.