DIY不间断UPS电源之前你需要了解什么?

2015-02-27 20:59:27来源: 互联网
随着各种电子电力设备的发展,不间断电源的作用也越来越重要。从事不间断电源设计的从业人员也越来越多,市面上售卖的UPS电源功率较大,并不是合适初学者来进行拆解和DIY,今天小编为大家带来一款小功率的100W不间断UPS电源的制造,原理图参照EG8010、EG4313等手册,总体来说还是比较好完成的。

  (a)

  (b)

  图1 成品

  此款UPS不间断电源的设计要求是,输入12V/20AH的铅酸电池,输出一组220V/50Hz/50W和一组110V/50Hz/50W。带有短路、过流、过放电保护,根据是否有市电接入,220V输出可以在逆变和市电之间切换。  整机的主体结构是SG3525准闭环推挽升压+EG8010全桥逆变+EG4318充电控制,使用了一颗带8位AD的MCU作电量指示、过放电自动关机控制、单键轻触开关机控制以及市电/逆变切换,同时在电池侧使用了高边电流检测方式,电池测电流超过15A时自动关机。

  (a)

  (b)

  图2 电路板

  整版的结构比较紧凑,因此使用了常用的字母板结构,由于输出功率很小,选用廉价的IR2106作为高低边驱动。推挽部分使用EI33变压器,瞬间功率可以超过200W,但实际功率受到推挽部分散热限制,因此通过高边电流检测限制在120W左右确保可靠性。两路spwm滤波电感均采用廉价的EE25铁氧体磁芯气隙电感。

  下面重点讲解众多初学者的迷惑,在设计制造UPS不间断电源时的一些常见问题。  推挽部分该用什么磁芯?

  首先我们要搞清楚,推挽属于正激类,我们要做的是一个真正意义的变压器,而不是反激里面的电感,所以应该用高磁导率的磁芯以增大初级电感,降低励磁电流。所以磁芯材料一般用铁氧体,至于结构,可以用能够想象的任何结构,包括磁环。

  已知了输出功率,应该用多大的磁芯?

  这个问题我感觉确实很复杂。磁芯大小完全取决于两个条件,一是磁芯任何时候不能饱和,这就要求磁芯要有一定的截面积能够容下足够的匝数(也就是窗口面积);二是温升,包括磁芯的温升以及铜线温升。磁芯的温升受频率,detaB影响,而detaB同样取决于截面积和匝数,不考虑趋肤效应的话,铜线温升又取决于电流密度。归一而论,最后磁芯的截面积Ae和窗口面积Aw决定了磁芯能够做到的功率。

  对于初学者,个人感觉没有必要通过计算的方法选磁芯,根据功率,查查前辈们的使用经验,该用多大磁芯也就心里有数。如果是做实验,可以大胆地把磁芯用小,而给客户做产品,就尽可能用大一点的,留足余量。

  推挽变压器的匝数怎么算?

  匝数的计算,最终的目的有两个:一是使峰值磁通密度Bmax小于饱和磁通密度Bsat,防止磁芯饱和,PC40材质的铁氧体100摄氏度下Bsat=0.39T;二是使磁通密度摆幅detaB控制在一定范围内,通常对于单向摆幅的正激、反激类,detaB取在0.2到0.25之间,对于双向摆幅的推挽、半桥和全桥类,detaB取在正负0.2以内。

  下面介绍推挽的怎么算。首先我们要搞清楚推挽的工作频率。对于SG3525,振荡频率计算方法如下:

  fosc=1/(Ct*(0.67Rt+3Rd))

  千万记住,这个频率是振荡频率,SG3525输出的两路互补方波频率是振荡频率的一半。如果我们取Ct=2.2nF,Rt=10K,Rd=47欧的话,fosc=66KHz,那么输出两路方波的频率就是33KHz,占空比为0.5(死区就忽略了)。

  对于正激类的变压器,磁芯是工作在断续模式的,因此可以直接用独立电压方程计算匝数:

  N=Von*Ton/(Ae*detaB)

  假设使用的是12V电池,那么最高电压接近14V,因此Von=14V,Ton=0.5/f=0.5/33=0.015ms=15us,选用EI33磁芯,Ae=107mm^2,detaB选正负0.16,即0.32,那么:

  N=14*15/(107*0.32)=6T

  所以,初级绕组我们就采用6+6的结构。  接下来看次级。次级有两种绕法,中抽头接成全波整流的形式或者单绕组接成桥式整流的方式。因为第二种方法变压器磁芯利用率更高且结构更简单,因此采用第二种。

  考虑到效率不为1带来的损失及逆变部分占空比的限制,对于220V输出这组,取最低母线电压为220V交流正弦峰值的1.1倍,即310*1.1=340V,这个点对应电池电压接近过放电关机电压10.8V时获得,取电池电压11V,那么匝比为:

  n=Vbuik_min/Vbat_min=340/11=31

  因此,次级绕组匝数为6*31=186V,以此类推可以得到110V输出绕组的匝数。

  按照以上匝比,14V输入时,母线电压为14*31=434V,如果做成准闭环结构,我们可以设定闭环电压在430V附近,防止空载和轻载下电压过高,这样就可以使用450V耐压的电解电容作为母线滤波电容。

  准闭环有什么好处?

  准闭环在正常负载下其实是开环,开环的话,占空比为50%,输出电压纹波小,不需要储能电感。同时,开环下,动态响应不受环路带宽限制。

  母线储能电解用多大容量?

  对于准闭环或者开环的推挽,如果不考虑死区,理论上可以不要这个储能电容,但是实际上这个电容由两个用途,一是保持死区时的电压,从这一点考虑,他是储能的作用。而死区往往是很小的,因此,这个电容完全不需要很大的容量,据我实测,1W用个0.1uF应该是足够了。同时这个电容承受的纹波电流也是很小的,可以从仿真直接看,也可以从实测温度看。第二点,这个电容需要处理部分的高频尖峰以及工频纹波,也就是退耦的作用。选得太小的话,初级测的工频纹波会很大,增大了变压器的应力,同时变压器也容易发声。

  一般考虑1uF=3W,电容小了也可以工作,但前级滤波压力大了,更重要的一点是要兼顾干扰,电容小干扰就会明显。足够多的容量也保证了足够低的母线内阻。

  本篇文章的特殊之处,是对推挽式变压器进行了一部分的讲解,提供了经过实践而得来的经验,较教科书上的知识来的珍贵。不仅如此,在逆变器的设计上,不再仅仅给出参数,而是给出了设计的方法,对初学者来说有非常高的参考价值。

关键字:DIY  UPS电源

编辑:探路者 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/dygl/2015/0227/article_25640.html
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