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DIY不間斷UPS電源的常見問題

發(fā)布時(shí)間:2015-02-03 責(zé)任編輯:xueqi

【導(dǎo)讀】本文教大家DIY一款小功率的100W不間斷UPS電源。另外,還對(duì)推挽式變壓器進(jìn)行了一部分的講解,提供了經(jīng)過實(shí)踐而得來的經(jīng)驗(yàn),較教科書上的知識(shí)來的珍貴。在逆變器的設(shè)計(jì)上,給出參數(shù)和設(shè)計(jì)的方法,對(duì)初學(xué)者來說有非常高的參考價(jià)值。
 
隨著各種電子電力設(shè)備的發(fā)展,不間斷電源的作用也越來越重要。從事不間斷電源設(shè)計(jì)的從業(yè)人員也越來越多,市面上售賣的UPS電源功率較大,并不是合適初學(xué)者來進(jìn)行拆解和DIY,今天小編為大家?guī)硪豢钚」β实?00W不間斷UPS電源的制造,原理圖參照EG8010、EG4313等手冊(cè),總體來說還是比較好完成的。
 
此款UPS不間斷電源的設(shè)計(jì)要求是,輸入12V/20AH的鉛酸電池,輸出一組220V/50Hz/50W和一組110V/50Hz/50W。帶有短路、過流、過放電保護(hù),根據(jù)是否有市電接入,220V輸出可以在逆變和市電之間切換。
 
整機(jī)的主體結(jié)構(gòu)是SG3525準(zhǔn)閉環(huán)推挽升壓+EG8010全橋逆變+EG4318充電控制,使用了一顆帶8位AD的MCU作電量指示、過放電自動(dòng)關(guān)機(jī)控制、單鍵輕觸開關(guān)機(jī)控制以及市電/逆變切換,同時(shí)在電池側(cè)使用了高邊電流檢測(cè)方式,電池測(cè)電流超過15A時(shí)自動(dòng)關(guān)機(jī)。
 
整版的結(jié)構(gòu)比較緊湊,因此使用了常用的字母板結(jié)構(gòu),由于輸出功率很小,選用廉價(jià)的IR2106作為高低邊驅(qū)動(dòng)。推挽部分使用EI33變壓器,瞬間功率可以超過200W,但實(shí)際功率受到推挽部分散熱限制,因此通過高邊電流檢測(cè)限制在120W左右確??煽啃?。兩路spwm濾波電感均采用廉價(jià)的EE25鐵氧體磁芯氣隙電感。
  
下面重點(diǎn)講解眾多初學(xué)者的迷惑,在設(shè)計(jì)制造UPS不間斷電源時(shí)的一些常見問題。
 
推挽部分該用什么磁芯?
  
首先我們要搞清楚,推挽屬于正激類,我們要做的是一個(gè)真正意義的變壓器,而不是反激里面的電感,所以應(yīng)該用高磁導(dǎo)率的磁芯以增大初級(jí)電感,降低勵(lì)磁電流。所以磁芯材料一般用鐵氧體,至于結(jié)構(gòu),可以用能夠想象的任何結(jié)構(gòu),包括磁環(huán)。
  
已知了輸出功率,應(yīng)該用多大的磁芯?
  
這個(gè)問題我感覺確實(shí)很復(fù)雜。磁芯大小完全取決于兩個(gè)條件,一是磁芯任何時(shí)候不能飽和,這就要求磁芯要有一定的截面積能夠容下足夠的匝數(shù)(也就是窗口面積);二是溫升,包括磁芯的溫升以及銅線溫升。磁芯的溫升受頻率,detaB影響,而detaB同樣取決于截面積和匝數(shù),不考慮趨膚效應(yīng)的話,銅線溫升又取決于電流密度。歸一而論,最后磁芯的截面積Ae和窗口面積Aw決定了磁芯能夠做到的功率。
  
對(duì)于初學(xué)者,個(gè)人感覺沒有必要通過計(jì)算的方法選磁芯,根據(jù)功率,查查前輩們的使用經(jīng)驗(yàn),該用多大磁芯也就心里有數(shù)。如果是做實(shí)驗(yàn),可以大膽地把磁芯用小,而給客戶做產(chǎn)品,就盡可能用大一點(diǎn)的,留足余量。
  
推挽變壓器的匝數(shù)怎么算?
  
匝數(shù)的計(jì)算,最終的目的有兩個(gè):一是使峰值磁通密度Bmax小于飽和磁通密度Bsat,防止磁芯飽和,PC40材質(zhì)的鐵氧體100攝氏度下Bsat=0.39T;二是使磁通密度擺幅detaB控制在一定范圍內(nèi),通常對(duì)于單向擺幅的正激、反激類,detaB取在0.2到0.25之間,對(duì)于雙向擺幅的推挽、半橋和全橋類,detaB取在正負(fù)0.2以內(nèi)。
  
下面介紹推挽的怎么算。首先我們要搞清楚推挽的工作頻率。對(duì)于SG3525,振蕩頻率計(jì)算方法如下:
  
fosc=1/(Ct*(0.67Rt+3Rd))
  
千萬記住,這個(gè)頻率是振蕩頻率,SG3525輸出的兩路互補(bǔ)方波頻率是振蕩頻率的一半。如果我們?nèi)t=2.2nF,Rt=10K,Rd=47歐的話,fosc=66KHz,那么輸出兩路方波的頻率就是33KHz,占空比為0.5(死區(qū)就忽略了)。
  
對(duì)于正激類的變壓器,磁芯是工作在斷續(xù)模式的,因此可以直接用獨(dú)立電壓方程計(jì)算匝數(shù):
  
N=Von*Ton/(Ae*detaB)
  
假設(shè)使用的是12V電池,那么最高電壓接近14V,因此Von=14V,
Ton=0.5/f=0.5/33=0.015ms=15us,選用EI33磁芯,Ae=107mm^2,detaB選正負(fù)0.16,即0.32,那么:
  
N=14*15/(107*0.32)=6T
  
所以,初級(jí)繞組我們就采用6+6的結(jié)構(gòu)。
 
接下來看次級(jí)。次級(jí)有兩種繞法,中抽頭接成全波整流的形式或者單繞組接成橋式整流的方式。因?yàn)榈诙N方法變壓器磁芯利用率更高且結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單,因此采用第二種。
 
考慮到效率不為1帶來的損失及逆變部分占空比的限制,對(duì)于220V輸出這組,取最低母線電壓為220V交流正弦峰值的1.1倍,即310*1.1=340V,這個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)電池電壓接近過放電關(guān)機(jī)電壓10.8V時(shí)獲得,取電池電壓11V,那么匝比為:
 
n=Vbuik_min/Vbat_min=340/11=31
  
因此,次級(jí)繞組匝數(shù)為6*31=186V,以此類推可以得到110V輸出繞組的匝數(shù)。
  
按照以上匝比,14V輸入時(shí),母線電壓為14*31=434V,如果做成準(zhǔn)閉環(huán)結(jié)構(gòu),我們可以設(shè)定閉環(huán)電壓在430V附近,防止空載和輕載下電壓過高,這樣就可以使用450V耐壓的電解電容作為母線濾波電容。
  
準(zhǔn)閉環(huán)有什么好處?
  
準(zhǔn)閉環(huán)在正常負(fù)載下其實(shí)是開環(huán),開環(huán)的話,占空比為50%,輸出電壓紋波小,不需要儲(chǔ)能電感。同時(shí),開環(huán)下,動(dòng)態(tài)響應(yīng)不受環(huán)路帶寬限制。
  
母線儲(chǔ)能電解用多大容量?
  
對(duì)于準(zhǔn)閉環(huán)或者開環(huán)的推挽,如果不考慮死區(qū),理論上可以不要這個(gè)儲(chǔ)能電容,但是實(shí)際上這個(gè)電容由兩個(gè)用途,一是保持死區(qū)時(shí)的電壓,從這一點(diǎn)考慮,他是儲(chǔ)能的作用。而死區(qū)往往是很小的,因此,這個(gè)電容完全不需要很大的容量,據(jù)我實(shí)測(cè),1W用個(gè)0.1uF應(yīng)該是足夠了。同時(shí)這個(gè)電容承受的紋波電流也是很小的,可以從仿真直接看,也可以從實(shí)測(cè)溫度看。第二點(diǎn),這個(gè)電容需要處理部分的高頻尖峰以及工頻紋波,也就是退耦的作用。選得太小的話,初級(jí)測(cè)的工頻紋波會(huì)很大,增大了變壓器的應(yīng)力,同時(shí)變壓器也容易發(fā)聲。
  
一般考慮1uF=3W,電容小了也可以工作,但前級(jí)濾波壓力大了,更重要的一點(diǎn)是要兼顧干擾,電容小干擾就會(huì)明顯。足夠多的容量也保證了足夠低的母線內(nèi)阻。
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