常见小型UPS电源电路分析与维修宝典(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：张光明等

出版社：电子工业出版社

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常见小型UPS电源电路分析与维修宝典试读：

前言

本书详细分析了SANTAK（山特）、PULSE（保时）、KSTAR（科士达）和EAST（易斯特）等国内外著名公司生产的方波机、高频机和工频机3大类共15种UPS电源的工作原理。

本书附有500多幅插图，所配备的教学资源包中又收集了上述机型的原理图和印版图140多幅。本书中的插图和教学资源包中的附图绘制精准规范。教学资源包中还附有书中所涉及的重要元器件的参数表以及有关资料。

由于缺乏相应的参考资料，各机型的工作原理多为作者对电路的分析和推论所得。这就难免受到作者自身的理论基础和实践经验的限制。另外，大多数机型的原理图较为复杂，为了便于分析电路，往往需要对相应的原理图进行分解和整理。虽然作者在绘制中尽量仔细，但因绘图量较大，差错恐在所难免。此书中的原理图及印版图均用PROTEL 99SE软件绘制，其中一些元器件符号不符合国家标准，此乃软件所限制，特此说明。

本书中涉及的生产厂家和机型，是作者在工作中随机遇到的，并没有对各厂家的UPS产品进行排名与评价的意思。另外，作者所剖析的机型，大多在手中停留的时间有限，往往许多电路只来得及绘制印版图和原理图，而无暇去测量电压、波形等数据，这是十分遗憾的。

本书中的部分电路中含有贴片元件，其中的贴片电容往往未标参数。由于数量较多，不可能一一焊下来测量，所以部分电路图中的电容只有序号而没有参数值。

本书中的部分机型中含有电脑芯片，由于芯片内的程序是加密的，因此本书中没有给出有关软件的资料。

若因以上原因给读者带来不便，作者在此深表歉意。

UPS电源发展很快，本书收集的UPS电源中最新的机型也已投放市场多年了。但无论是较早期的产品，还是最近出厂的产品，经过多年使用后，都会进入故障率高发阶段。目前各正规UPS生产厂家都有较好的售后服务，用户购买的UPS电源如有损坏，可通过销售方或直接由生产厂家给予维修。对于大中型（大于10kVA）的UPS电源，尤其应交予厂家维修，这样才能得到技术和器材上的保障。但据作者了解，仍有相当一部分小型UPS产品由于种种原因脱离了保修，往往因为得不到维修而处于被废弃的状态。

本书对常见小型UPS电源的电路进行了系统的分析，教学资源包中所附的图纸资料详细准确，这在行业内的资料中是不多见的。因此，不论对于UPS电源的开发、维修人员，还是对于大专院校有关专业的学生以及UPS电源的爱好者，都有很高的参考价值。

本书由张光明、张童、郭炯宏编著。

本书在编写过程中得到四川华鹏电源有限公司何永川工程师和何勇工程师的大力帮助，他们提供了部分资料和技术支持，并对各主要章节进行了技术性审阅，在此表示感谢！

欢迎对本书的内容进行技术交流。若发现本书中有重大技术问题，或者有何建议，均可通过以下方式联系。

电子邮箱：skse_mail＠163.com。

QQ：1045697626（何永川）

QQ：1191829115（何勇）编著者

第1篇 基础知识

第1章 小型UPS电源简介

UPS为UNINTERRUPTIBLE POWER SYSTEM的缩写，即不间断电源系统。这是一种含有储能装置，以逆变器为核心，能输出稳定、不间断电压的电源设备。当市电正常时，UPS将市电处理后供给负载使用，同时对机内电池充电，把能量储存在电池中；当市电异常或中断时，UPS将机内电池的能量经逆变器转换为220Ⅴ交流电供负载使用。

1.1 小型UPS电源的分类

UPS电源有多种结构形式，所以有多种分类方法。例如，可进行以下分类。（1）按输出功率，可分为大型机、中型机、小型机。10kVA及以下的UPS电源通常称为小型机，本书所介绍的UPS电源均为小型UPS电源。（2）按输出波形，可分为非正弦波型和正弦波型。常见的非正弦波型为方波输出型。（3）按工作模式，可分为后备式和在线式。在线式又分为互动在线式和双变换在线式。双变换在线式的特点是无论有无市电，都由逆变器向负载供电，市电向逆变转换时转换时间为零。互动在线式的特点是市电正常时逆变器作为充电器向电池充电，市电异常时逆变器向负载供电，市电向逆变转换时存在一定的转换时间。常见的为双变换在线式，在本书中简称在线式。（4）按结构特点，可分为工频机和高频机。（5）按输入/输出的方式，可分为单进单出（单相输入单相输出）、三进单出（三相输入单相输出）和三进三出（三相输入三相输出）三种结构。单进三出是一种不合理的结构，所以一般厂家没有这种结构的UPS电源产品。1.1.2 本书中UPS电源的分类

按照本书中UPS电源的实际结构，并结合行业内的习惯分类方法，将本书所介绍的UPS电源分为3大类。

1）方波机

方波机输出为方波，属于非正弦波输出型，只有后备式，且均为单进单出型。

2）高频机

高频机输出为正弦波，均为在线式，本书列有单进单出型和三进单出型，但未搜集到三进三出型高频机。

3）工频机

工频机输出为正弦波，除一例为后备式外，其余均为在线式，本书列有单进单出型、三进单出型和三进三出型。

1.2 方波机、工频机和高频机的结构与特点

方波机是指输出电压的波形为方波的UPS电源。

方波机的核心部分为逆变电路和交流调压电路，如图1.2.1所示。方波机通常都是后备式结构。在这种结构中，当市电正常时，逆变电路是不工作的，此时市电经交流调压电路处理后由输出端输出正弦波电压。当市电异常时，市电通路被切断，此时电池电压经逆变电路转换为220Ⅴ的方波电压从输出端输出。图1.2.1 方波机结构图

1）方波机的主要优点（1）电路相对简单，生产和调试比较容易。（2）售价比较低廉。（3）通常逆变电路的结构较为复杂，故障率较高。但在方波机中，当市电正常时，逆变电路并不工作。如今市电供电质量已大大提高，很少停电，使得方波机中的逆变电路很少工作，因此方波机的故障率是比较低的。

2）方波机的主要缺点（1）方波机输出电压的波形为方波，不能带电感性或电容性负载，如传统的录音机、音频功放以及电风扇等。但是目前大多数电器如计算机系统、电视机等都采用了开关电源，它们对电源的幅值、波形和频率等的要求比较宽泛，所以方波机在许多场合仍能使用。（2）方波机除了在市电异常时输出为方波以外，在市电正常时其输出只是经过简单的调压处理，在输出电压的幅值、频率、抗干扰等方面没有保证，因此其供电质量较差。1.2.2 工频机的结构

工频机是指输出电压的波形为正弦波的UPS电源。所谓工频就是50Hz工业频率。工频机是正弦机的一种。其结构如图1.2.2所示。图1.2.2 工频机结构图

工频机的核心部分为逆变电路，逆变电路又由正弦波脉宽调制电路和全桥功放电路组成，工频机通常都采用在线式结构。在这种结构中，当市电异常时，电池电压经逆变电路转换为220Ⅴ正弦电压输出，即经过DC—AC过程。而当市电正常时，市电电压经降压整流成直流电压，再经过逆变电路转换为220Ⅴ正弦电压输出，即经过AC—DC—AC过程。也就是说，在在线式工频机中，无论市电是否正常，都由逆变电路输出220Ⅴ正弦电压。也正因为在线式的结构特点，使得UPS电源由市电供电转换为电池供电时，其转换时间可以为零。

在工频机的逆变电路中，包含有一只合成变压器，也称输出变压器。合成变压器主要有两个作用：一是与合成电容配合，将逆变电路输出的方波电压合成为正弦波；二是提升输出电压。这是因为，逆变器功放电路输出的是方波电压，要想得到220Ⅴ的正弦波输出电压，逆变器的直流工作电压（即BUS电压）应为350～400V，这就意味着要配置350～400V的电池，而与其他元器件相比起来，电池是相当昂贵的。因此在工频机中都采用较低的电池电压，如48V或192V电压，而在输出端由合成变压器将输出电压提升至220Ⅴ。

由于工频机输出的是50Hz正弦电压，而且采用在线式结构，因此有很好的稳压、稳频与抗干扰特性，其供电质量高于普通市电的质量。当然，随之而来的是电路的复杂、生产的不易和售价的较高。但是对于大多数用户而言，供电质量的保证是第一位的，因此工频机被广泛采用。1.2.3 高频机的结构

高频机也是一种输出电压波形为正弦波的UPS电源。之所以称为高频机，是因为机内设置有高频升压电路。高频机也是正弦机的一种，其结构如图1.2.3所示。图1.2.3 高频机结构图

高频机的核心部分为升压电路和逆变电路。升压电路的作用是将市电电压和电池电压提升至350～400V，作为逆变电路的工作电压，即BUS电压。当市电正常时，升压电路在对市电电压进行提升的同时，还担任着功率因数校正（PFC）的功能。因此高频机的输入功率因数往往比工频机高。逆变电路的作用是将直流BUS电压转换成220Ⅴ的交流电压。与工频机一样，高频机通常也采用在线式结构。当市电异常时，电池电压经逆变电路转换为220Ⅴ正弦电压输出，即经过DC—AC过程。而当市电正常时，市电电压经整流升压成直流BUS电压，再经过逆变电路转换为220Ⅴ正弦电压输出，即经过AC—DC—AC过程。也就是说，在在线式高频机中，无论市电是否正常，都由逆变电路输出220Ⅴ正弦电压。由于逆变电路有很好的稳幅、稳频和抗干扰能力，所以其供电的质量很好，高于普通市电的质量。

在高频机的逆变电路中，由于市电电压和电池电压已被升压电路提升至所需幅值，因此不再需要通过合成变压器来进行升压。但高频机输出端设置有合成电感和合成电容。与相同输出功率的工频机相比较，由于高频机逆变电路的输出为高频方波电压，因此其合成电感和合成电容的参数可选得较小，使得高频机的合成电感和电容的体积、重量大大减小。同时，和工频机一样，由于为在线式结构，因此高频机也有很好的供电质量。由于高频机也是在线式结构，因此由市电供电转换为电池供电时，其转换时间也为零。1.2.4 工频机和高频机的特点

从本书介绍的电路来看，工频机和高频机有以下特点：

1.结构方面

在工频机中，逆变电路的工作电压较低，输出电压靠合成变压器来提升，因此整机的体积和重量都较大。

在高频机中，市电电压和电池电压首先得到提升，因此逆变电路的工作电压较高，可直接输出220Ⅴ正弦电压，无须采用合成变压器。因此整机的体积、重量都比工频机小得多。

2.性能方面

工频机与高频机均为在线式结构，因此两者都有很好的稳压、稳频与抗干扰特性，其供电质量高于普通市电的质量。很重要的一点是，在线式UPS电源由市电供电转换为电池供电时，其转换时间为零，保证了对转换时间有一定要求的用户（如计算机用户）的需要。

另外，工频机的输出端接有参数值与体积都较大的合成变压器和合成电容，而高频机的输出端只接有参数值与体积都小得多的合成电感与合成电容。因此有一种意见认为，工频机不怕负载短路，而高频机则不能承受负载短路。或者认为工频机的输出变压器可以隔离两侧的高频干扰，而高频机没有这种功能。编者认为其实这都是误解，从理论和实践来看，负载短路对两种结构的机型的损害和高频干扰信号对两种结构的机型的影响都是相似的。

但是，由于高频机输出端没有变压器隔离，其功放电路发生故障时，BUS高压有可能直接加至负载，引起负载故障；另外，高频机的输出电压往往会对零线产生一定的偏移电压，不易解决，而工频机则不存在这些问题。

3.成本方面

合成变压器主要由铜和铁组成，高频机省掉了合成变压器，因此成本应有较大的下降。但是高频机设置了升压电路，需要消耗一定的元器件，并且装配、检测也要增加一定的费用，因此实际节省的成本有所抵消。

4.技术方面

工频机用的合成变压器属于传统的成熟技术，而高频机用的升压电路要复杂得多，设计、生产和维修都有一定困难。

1.3 方波机

本书中介绍的方波机均为后备式，又分为推挽输出型和全桥输出型两种。1.3.1 推挽输出型后备式方波机

图1.3.1所示为推挽输出型后备式方波机的结构图。图1.3.1 推挽输出型后备式方波机的结构图

后备式方波机的核心为方波逆变驱动电路、推挽式逆变功放电路和输出变压器。方波逆变器主要由PWM电路和推挽输出电路组成。PWM电路向推挽管QA、QB提供两路大小相等、相位相反的方波PWM驱动信号，使推挽管轮流导通和截止，将电池能量转变为方波电压向外送出。为了使输出电压的有效值达到220Ⅴ，在输出端必须配接输出变压器T1，以便将较低的电池电压提升为220Ⅴ方波输出电压。因此，在这种结构的电路中，逆变器通过输出变压器向负载供电。

推挽输出型后备式方波机的工作过程为：当市电供电正常时，市电通过调压电路向负载提供正弦电压，并经整流电路向电池充电，机内的方波逆变器处于停止工作状态。这时的方波机只相当于一台市电调压器和充电器。它除了对市电电压的幅值波动有所改善外，对电压的频率波动、波形畸变以及从电网侵入的干扰等不良影响没有任何改善。只有当市电供电异常或中断时，蓄电池才经方波逆变器向负载提供稳压、稳频的方波电压。1.3.2 全桥输出型后备式方波机

图1.3.2所示为全桥输出型后备式方波机的结构图。

该后备式方波机的核心是BUS升压电路、方波逆变电路和全桥功放电路，方波逆变电路由单片机芯片和全桥功放电路组成。单片机芯片向全桥功放电路提供四路方波PWM驱动信号，使全桥功放电路中的功率管以对角线的形式轮流导通和截止，将电池能量转变为方波电压向外送出。

在这种结构的电路中，是由全桥功放电路的输出端直接向负载输出有效值为220Ⅴ的方波电压，中间没有输出变压器。因此，为了使输出的方波电压达到220Ⅴ，必须预先将较低的电池电压提升到300V左右，这一任务是由BUS升压电路来完成的。图1.3.2 全桥输出型后备式方波机的结构图

全桥输出型后备式方波机的工作过程为：当市电供电正常时，市电直接向负载提供正弦电压，方波逆变器处于停止工作状态。同时机内的开关电源由市电供电，输出直流电压，向电池充电。这时的UPS电源只相当于一台充电器，它对市电不做任何处理。而当市电供电异常或中断时，BUS升压电路将电池电压提升到300V左右，供全桥功放电路使用。全桥功放电路受单片机芯片的控制，向负载提供稳压、稳频的方波电压。

在实际电路中，方波机只有单进单出后备式的结构。本书中的推挽输出型后备式方波机有SANTAK500型、PULSE1000型和YDK1000R型。全桥功放输出型后备式方波机有SANTAK-TG500A和TG500B型。它们的输出功率较小，都在1000VA及以下。500VA输出功率的机型使用24V电池电压，1000VA输出功率的机型使用36V电池电压。后备式方波机的优点是结构简单、体积小、成本低。但是由于这种UPS电源的输出波形为方波，不能带电动机或常见的有工频变压器的电感性负载，所以通常只作为计算机的后备电源或只带白炽照明灯作应急使用。

1.4 工频机

图1.4.1所示为推挽输出型后备式正弦机的结构图。它主要由正弦波逆变电路、推挽式功放电路和输出变压器组成。图1.4.1 推挽输出型后备式正弦机的结构图

1.输入/输出电路

后备式正弦波机的输入/输出电路主要由一只变压器B0及市电调压电路构成。当市电正常时，变压器B0担任市电调压工作；而市电异常时，变压器B0与合成电容C0一起担任正弦波合成工作。变压器B0具有漏感特性。

2.SPWM电路

在正弦波逆变器中，用正弦波去调制正、反三角波，得到两路大小相等、极性相反的SPWM信号，用于控制推挽功放电路。

3.推挽功放电路

后备式正弦机采用了推挽功放电路。它由两组功率管构成，每组功率管的数量视输出功率而定。两组功率管各需要两组大小一致、相位相反的驱动信号，分别去控制推挽功放电路的上、下臂功率管，使它们轮流导通或截止，然后在输出变压器次级与C0一起合成纯净的正弦波电压，向负载供电。在这种结构的电路中，也需要通过变压器对电池电压进行提升。同时，输出变压器还要对输入的市电电压进行调压。

4.工作过程

后备式正弦机的工作过程为：当市电供电正常时，市电通过调压电路向负载提供正弦电压，机内的正弦波逆变器处于停止工作状态。同时机内电源由市电供电，输出直流电压，向电池充电。这时的UPS电源只相当于一台市电调压器和充电器。当市电供电异常或中断时，蓄电池经正弦波逆变器向负载提供稳压、稳频的正弦波电源。

本书中介绍的后备式正弦机为PULSE500型，它的输出功率较小，为500VA，只能带1～2台计算机。小功率后备式正弦机的优点是比大功率机的结构简单、体积小、重量轻，售价也相对较低。但是由于输出功率小的正弦机与方波机相比成本相差不大，售价却要高出许多。因此，当用户主要用做单台计算机备用电源时，多选择方波输出型UPS。1.4.2 单进单出式工频机

图1.4.2所示为单进单出式工频机的结构图。图1.4.2 单进单出式工频机的结构图

1.市电输入电路

本书中介绍的单进单出式工频机的市电输入端设有一只单相自耦降压型充电变压器，输入端为220Ⅴ，输出端为65V。输出电压经BDG1全波整流后输出约85V的直流电压，送至全桥功放电路作为BUS电压。同时还送一路至降压型直流变换器（BUCK），降至55V后一路送至主板，作主板电源用，另输出一路至电池，对电池充电。

2.SPWM电路

单进单出式工频机的SPWM电路采用经典的正弦波脉宽调制法，即用正弦波信号（调制信号）去调制正向和反向三角波信号（载波信号），最后得到四路SPWM信号，用于控制全桥功放电路。

3.全桥功放电路

单进单出式工频机采用了全桥功放电路，它由四组MOSFET管构成，每组功率管的数量视输出功率而定。四组功率管中，左上臂和右上臂需要提供两组独立悬浮的驱动信号，左下臂和右下臂需要提供两组有公共端的驱动信号。因此，功放电路共需要四组驱动信号，相应地需要四组隔离驱动电路和三组驱动电压。全桥功放电路的输出端采用了合成变压器（也称输出变压器）耦合方式。合成变压器T0为漏感变压器，变压器的次级绕组与合成电容C0一起组成正弦波合成滤波电路，将全桥功放电路输出的SPWM电压中的载波成分滤除，最后得到纯净的正弦波电压，提供给负载使用。合成变压器T0的另一个重要作用是将输出电压加以提升，以保证输出220Ⅴ正弦电压。

4.工作过程

在市电正常供电时，它首先将单相市电整流成直流电压，然后经逆变电路转换成220Ⅴ正弦交流电压向负载供电。一旦市电异常，立即改由蓄电池提供直流电压，经逆变电路向负载提供正弦波交流电压。因此，对在线式UPS电源而言，无论有无市电，它都是由逆变电路对负载供电，所以称为在线式。在线式结构避免了市电电网的电压波动及干扰而带来的影响。显而易见，在线式UPS电源的供电质量明显优于后备式UPS电源。因为它在任何时候都能实现对负载的稳频、稳压供电，而且在由市电供电转换到蓄电池供电时，其转换时间为零。真正给用户提供优质的稳压、稳频的纯净的高质量正弦波电源。

本书中介绍单进单出式工频机有SANTAK-GP802型、SANTAK-GP806型，其中由于GP806型机的输出功率较大（6kVA），功率器件采用了IGBT模块。1.4.3 三进单出式工频机

图1.4.3所示为三进单出式工频机的结构图。

1.市电输入电路

本书中介绍的三进单出式工频机的市电输入端设有一只三相自耦降压变压器，输入为三组220Ⅴ相电压，输出为三组125V电压。输出电压经D01～D03组成的整流模块进行三相全波整流，输出一组约260V的直流电压，送至全桥功放电路作为BUS电压。同时还送一路至降压型直流变换器（BUCK），降至216V后一路送至主板，作主板电源用，另输出一路至电池，对电池充电。

2.SPWM电路

和单进单出式工频机一样，三进单出式工频机的SPWM电路也采用经典的正弦波脉宽调制法，即用正弦波信号（调制信号）去调制正向和反向三角波信号（载波信号），最后得到四路SPWM信号，用于控制全桥功放电路。图1.4.3 三进单出式工频机的结构图

3.全桥功放电路

三进单出式工频机也采用了全桥功放电路，它由两块IGBT模块构成，每一块IGBT模块内含有两只IGBT管，因此全桥功放电路共用了四只IGBT管。和单进单出式工频机一样，四只功率管中左上臂和右上臂需要提供两组独立悬浮的驱动信号，左下臂和右下臂需提供两组共地的驱动信号，共需要四组驱动信号，四组隔离驱动电路和三组驱动电压。该机全桥功放电路的输出端采用了输出变压器耦合方式，该输出变压器T0具有漏感特性，次级绕组与合成电容C0一起组成正弦波合成滤波电路，将全桥功放电路输出的SPWM电压中的载波成分滤除，最后得到纯净的正弦波电压，提供给负载使用。输出变压器T0的另一个重要作用是将电池电压提高，以保证输出220Ⅴ正弦电压。

4.工作过程

在市电正常供电时，它首先将三相市电整流成直流电压，再经逆变电路转换成单相正弦交流电压向负载供电。一旦市电异常，立即改由蓄电池提供直流电压，再经逆变电路转换成单相正弦波交流电压向负载供电。因此，对在线式UPS电源而言，无论有无市电，它都是由逆变电路对负载供电，这样就避免了市电电网的电压波动及干扰而带来的影响。由于它可以实现对负载的稳频、稳压供电，而且在由市电供电转换到蓄电池供电时，其转换时间为零，因此可以真正给用户提供优质的稳压、稳频的纯净的高质量正弦波电源。

本书中介绍的三进单出式工频机有EAST-EA806型，输出功率为6kVA。

由单进单出式工频机和三进单出式工频机的结构可知，两者主要有两点差别：一是市电输入电路不同，二是主板工作电压不一样。它们的正弦波脉宽调制电路和功放电路是相同或相似的。事实上，GP802型机和EA806型机虽然是两个公司的产品，但它们采用了相同系列的主板电路和完全一样的印制电路板，只有少数元件的参数不同。1.4.4 三进三出式工频机

图1.4.4所示为三进三出式工频机的结构图。

1.市电输入电路

本书中的三进三出式工频机的市电输入端设有一只三相自耦降压变压器，输入为三组220Ⅴ相电压，输出为三组125V电压。输出电压经D11三相全桥整流模块进行三相全波整流后输出约260V的直流电压，送至全桥功放电路作为BUS电压，由于是三相输出，所以有三组全桥功放电路，它们的BUS电压是共用的。因为充电电路只需单相电源，所以该机充电电路的输入端从R相引入，输出为192V充电电压。同时充电电路还送出一路192V电压至主板，作为主板电源使用。

2.SPWM电路

三进三出式工频机的SPWM电路也采用经典的正弦波脉宽调制法，即用正弦波信号（调制信号）去调制正向和反向三角波信号（载波信号），但是由于要输出三相电压，所以需要三组每组四路的SPWM信号，它们由三相正弦波脉宽调制电路产生，并且在电脑芯片的控制之下，以保证三组SPWM信号的相位相差120°且幅值相等。

3.全桥功放电路

三进三出式工频机采用了三组全桥功放电路，每组由两块IGBT模块构成，每一块IGBT模块内含有两只IGBT管，三组全桥功放电路使用了六块IGBT模块，共有十二只IGBT管。每组全桥式功放电路需四路驱动信号，三组全桥式功放电路共需十二路驱动信号。

由于输出功率较大（6kVA），该机的功率器件采用了较大功率的IGBT模块。为此，该机的SPWM驱动使用了M57962L驱动模块，每一只IGBT管使用一只驱动模块，共使用十二只驱动模块。十二只驱动模块分别制作在三块电路板上，三块电路板的结构完全一样。图1.4.4 三进三出式工频机的结构图

该机的全桥功放电路与单进单出、三进单出的全桥功放电路结构相同，只是使用了三组全桥功放电路而已。这三组全桥功放电路的输出端也接有输出变压器T0，其次级绕组也并接有合成滤波电路，并且变压器也具有提升电池电压的作用。

三组全桥功放电路输出电压的零线并接在一起，经后面板接线板的N端子引出，而三组输出电压的相线则分别接至三只输出转换继电器RL-R、RL-S、RL-T的常开触头上。

4.工作过程

在市电正常供电时，它首先将三相市电整流成直流电压，再经三相逆变电路转换成三相正弦交流电压向负载供电。一旦市电异常，立即改由蓄电池提供直流电压，经三相逆变电路输出三相正弦波交流电压。此时三只输出转换继电器的触头处于吸合状态，三路正弦电压的相线分别经后面板接线板上的R、S、T端子引出，三路正弦电压的零线并接在一起后经后面板接线板上的N端子引出，供负载使用。

当开机时或者电路出现故障时，输出转换继电器的触头释放，三相市电便直接经后面板接线端引出，进入旁路输出状态，向负载提供正弦电压。

因此，对在线式UPS电源而言，无论有无市电，它都是由逆变电路对负载供电。这样就避免了市电电网的电压波动及干扰而带来的影响，真正给用户提供优质的稳压、稳频的纯净的高质量正弦波电源。

本书中介绍的三进三出式工频机有SU6KVA型，输出功率为6kVA。

由单进单出式工频机和三进三出式工频机的结构可知，两者有较大的差别：（1）三进三出式工频机中设置了三路SPWM、驱动和功放电路，相当于三个单进单出机的相关电路。当然这三路信号不是简单地组合，而是必须在CPU的控制下做到同幅值、同频率，而相位必须相差120°。（2）它们的输入/输出电路不同。

1.5 高频机

图1.5.1所示为单进单出式高频机的结构图。

1.市电输入电路

在单进单出式高频机中，市电直接经二极管D5、D6整流、C1、C2滤波后作为功放电路的BUS电源使用。充电电路采用开关电源，输入端为市电，输出端为电池所需的直流电压。

为了提高UPS电源输入端的功率因数，单进单出式高频机在市电输入端设置了PFC（功率因数校正）电路，可大大提高高频机输入端的功率因数。同时PFC电路还要担任市电整流后的直流电压的提升工作。

2.SPWM电路

单进单出式工频机的SPWM电路采用经典的正弦波脉宽调制法，即用正弦波信号（调制信号）去调制正向和反向三角波信号（载波信号），最后得到两路SPWM信号，用于控制半桥功放电路。

3.升压电路

在UPS电源中，如果直接使用电池电压作逆变电源，为了能使输出电压达到220Ⅴ，就必须使用300V以上的电池，这在体积、重量和费用上都是难以接受的。在小型UPS的实际电路中，所用电池电压都远低于300V，在逆变时通过升压电路将电池电压提升起来，以达到输出220Ⅴ电压的要求。在工频机中，采用输出变压器在输出端将输出电压进行提升。而在高频机中，则在逆变电路的前端设置了升压电路将电池电压进行提升。图1.5.1 单进单出式高频机的结构图

在升压电路中通常利用PWM芯片SG3525提供升压用的PWM驱动信号，这种PWM信号大小相等、相位相反，用来驱动升压功放电路。升压功放电路由推挽式电路与推挽变压器组成，工作时，上下臂功率管轮流导通和截止，在变压器中产生感应电压，变压器次级电压经整流滤波后便得到升压后的700～800V的±BUS直流电压。升压电路的工作频率一般为30～40kHz，由于频率较高，所需的高频变压器和整流滤波器件的体积、重量都较小。

4.半桥功放电路

单进单出式高频机采用了半桥功放电路，它由上臂和下臂两组MOSFET管构成，每组功率管的数量视输出功率而定。两组功率管需要提供两组独立的驱动信号。因此，功放电路需要两组驱动信号，相应地需要两组隔离驱动电路和两组驱动电压。半桥功放电路的输出端采用了直接输出方式，但是在输出端接有由一只电感L3和一只电容C3组成的合成滤波电路，将半桥功放电路输出的SPWM电压中的载波成分滤除，最后得到纯净的正弦波电压。

高频机的输出端接有一只输出转换继电器RL1，市电输入电压接至继电器RL1的常闭触头上，逆变输出电压接至RL1的常开触头上，RL1的动触头与相线输出端子O/P/L连接，市电电压和逆变电压的零线则与零线输出端子O/P/N连接。

高频机半桥功放电路所需700～800V的BUS电压，在市电正常时，由市电直接整流滤波得到。在市电异常时，由升压电路将电池电压提升后得到。

5.工作过程

在市电正常供电时，它首先将市电整流成±BUS电压，然后经逆变电路转换成正弦交流电压向负载供电。当市电异常时，由升压电路将电池电压提升起来，供逆变电路使用，由逆变电路向负载提供正弦波交流电源。此时继电器RL1的动触头与常开触头闭合，UPS向外输出220Ⅴ正弦电压。在开机瞬间或UPS电路发生故障时，RL1的动触头与常闭触头闭合，市电电压经RL1直接向负载供电，电路处于旁路供电状态。因此，对在线式UPS电源而言，无论有无市电，它都是由逆变器对负载供电，这样就避免了市电电网的电压波动及干扰而带来的影响，真正给用户提供优质的稳压、稳频的纯净的高质量正弦波电源。

本书中介绍的单进单出式高频机有SANTAK-1053型（1000VA/36V）、SANTAK-1K3N型（1000VA/36V）、SANTAK-3KVA型（3000VA/96V）、SANTAK-3CK（S）型（3000VA/96V），SANTAK-C6KS型（6kVA/192V）等。其中由于C6KS型机的输出功率较大，功率器件采用了IGBT模块。1.5.2 三进单出式高频机

图1.5.2所示为三进单出式高频机的结构图。

1.市电输入电路

在三进单出式高频机中，三相市电经三相可控硅做可控全波整流，经C01、C02滤波后作为功放电路的BUS电源使用。

整流电路中采用了三组六只单相可控硅，组成三相整流电路。整流可控硅的导通角受电脑芯片的控制，所以整流电路输出的直流电压的幅值是受电脑芯片控制的。

电池电压经直流隔离开关SCR3后加至BOOST电路，由BOOST电路将其提升至800V左右。显然，电池电压较三相市电整流后的直流电压低得多，所以此时电脑芯片输出的升压管控制信号的占空比要大得多。图1.5.2 三进单出高频机结构图

充电电路采用开关电源，输入端为800V的±BUS电压，输出端为电池所需的240V电压。因此该充电电路是一种高输入电压的开关电源电路。

为了提高UPS电源输入端的功率因数，在三进单出式高频机中也设置了PFC（即功率因数校正）电路，由于PFC电路本身就具有升压功能，因此在三进单出式高频机中，PFC电路与升压电路是融合在一起的。也就是说，在升压的同时就完成了PFC任务。

2.SPWM电路

三进单出式高频机的SPWM电路采用经典的正弦波脉宽调制法，即用正弦波信号（调制信号）去调制正向和反向三角波信号（载波信号），最后得到两路SPWM信号，用于控制半桥功放电路。

3.升压电路

由于所需的±BUS电压较高，所以升压电路采用了正负对称的BOOST电路，设置在整流输出端和逆变电路之间。电脑芯片通过检测±BUS电压的信息，控制升压管控制信号的占空比，从而控制BOOST电路输出的±BUS电压，使其达到并稳定在800V左右。

4.半桥功放电路

三进单出式高频机采用了半桥功放电路，它由一组IGBT模块构成，每组IGBT模块内含有两只IGBT管。每只IGBT管都需要提供独立的驱动信号。因此，半桥式功放电路共需要两组驱动信号，相应地需要两组隔离驱动电路和两组驱动电压。半桥功放电路的输出端采用了直接输出方式，但是在输出端接有由一只电感C15INV-L和一只电容C0组成的合成滤波电路，将半桥功放电路输出的SPWM电压中的载波成分滤除，最后得到纯净的正弦波电压。

三进单出式高频机的输出端接有一只逆变输出控制可控硅SCR1和一只旁路输出控制可控硅SCR2，SCR1和SCR2各由两只单向可控硅反向并联，完成双向可控硅的功能，以保证交流电流的流通。

三进单出式高频机半桥功放电路所需的BUS电压单侧为350～400V，±BUS电压合计为700～800V。当市电正常时，由市电整流滤波后经PFC电路升压得到。当市电异常时，由升压电路将电池电压提升后得到。

5.工作过程

当市电正常时，三相市电经三相整流可控硅整流，BOOST电路升压，BUS电压滤波电容C01、C02滤波后形成800V的±BUS电压，此时直流隔离开关SCR3关断。当市电异常时，SCR3开通，电池电压被送入BOOST电路，然后升压为800V的±BUS电压。此时CPU送入三相可控硅整流电路的驱动信号为零，使可控硅关闭。

SPWM电路输出两路大小相等、相位相反的PWM驱动信号，送至半桥功放电路驱动功放管。从半桥功放电路输出的PWM电压经输出端C15INV-L和C0构成的合成滤波电路，滤除载波信号后，便可向负载输出纯净的正弦电压。

本书中介绍的三进单出式高频机有SANTAK-3C15KS型，输出功率为15kVA。

1.6 电池

1.7 总结

对于高频机，本书没有搜集到三进三出机的资料，就单进单出高频机和三进单出高频机而言，它们的结构是相似的，即都由升压电路、逆变电路和功放电路组成，只是它们的交流输入电路有所不同。（3）工频机和高频机都采用了在线式结构，即无论有否市电，机内的逆变电路均处于工作状态，市电电压和电池电压均通过逆变电路向负载供电。因此，电路均经过AC—DC和DC—AC两次变换，所以又称为双变换式结构或AC—DC—AC结构。这一结构的UPS电源输出的正弦电压由数字电路或电脑芯片产生，且与市电同步，因而供电质量高于实际的市电质量，所以得到广泛的采用。

双变换式结构的另一个特点是由市电供电到电池供电的切换过程中能做到零转换时间。（4）无论是工频机还是高频机，其正弦波调制电路都是相似的，都采用了经典的SPWM电路，即用正弦波去调制三角波。在个别工频机中，本机正弦信号由运放电路产生，其整机失真度在5%左右。在大部分工频机中，本机正弦信号通常由数字电路合成，其整机失真度在3%以下。而三进三出工频机和高频机的本机正弦信号由电脑芯片产生，整机失真度可以做到1%以下。半桥功放电路的机型采用的是双极性调制方式，只需一组正弦信号和一组三角波信号，而全桥功放电路的机型采用的是单极性调制方式，需要一组正弦信号和正反两组三角波信号。（5）工频机多采用全桥功放电路，而且输出端设置有合成变压器，也称为输出变压器。该变压器的作用有两个：一是通过初次级的匝数比将输出电压提升至220Ⅴ；另一个作用是利用变压器的漏感与合成电容相配合，将输出电压中的载波信号成分滤除，以便得到纯净的正弦波电压。

高频机多采用半桥功放电路，输出端不设置合成变压器，但是设置了合成电感，也称输出电感。该电感与合成电容相配合，将输出电压中的高频载波成分滤除，得到纯净的正弦波电压。

两类UPS电源采用不同结构的电路，同样得到了正弦电压。但是相比之下，工频机中的合成变压器的工作频率为50Hz工频，其体积、重量和成本都较大。而高频机去除了合成变压器，体积、重量和成本都明显降低。例如，在不计电池重量的情况下，同样是输出功率为6kVA，GP806型工频机的重量为70kg，C6KS型高频机的重量为37kg。但是，高频机的功放电路工作电压较高，通常为350～370V；而工频机的功放电路的工作电压较低，通常为电池电压，一般在数10伏至250V之间。但工频机中功放管的工作电流要大得多。另外，在高频机中必须设置高频升压电路，而这要抵消掉一部分成本，并且有一定的技术难度，总的来说，高频升压电路比之工频变压器的故障率也较高。

但凡新生事物出现时，总会受到一些人的质疑。例如，开关电源出现的初期，人们总担心开关电源的故障率会比传统电源高很多。但事实证明，经过多年的发展，大量用于计算机主机、显示器、打印机和彩电、空调以及其他众多电气设备中的开关电源的可靠度都相当高，并不比传统电源差。更重要的是开关电源节省了材料和能源，减小了体积和重量，降低了成本。因此，用发展的眼光来看，尽管高频机还存在一些缺点和不足，但是UPS电源的智能化、高频化、小型化、模块化是必然的趋势，而这只有高频机才能胜任。

第2章 基础电路

本章汇集了本书所涉及器件的有关资料和应用电路，供读者查阅。

2.1 CMOS数字电路

CMOS和TTL是电子电路中最常用的数字电路之一。和TTL电路相比，CMOS电路具有电源电压适应范围宽、功耗低、抗干扰能力强等优点，不足之处是其通用品种的速度较TTL低。在本书中，数字电路都工作于较强的市电环境中，很容易受到干扰；并且工作中电源电压可能有较大的波动；同时，由于各电路的工作频率都不高，最高的开关电源，其工作频率也在50kHz以下，所以本书电路中的数字电路均采用了CMOS电路。

CMOS电路有多种系列，其中4000系列是发展最早、应用最广的系列，本书电路中所采用的就是这一系列。

CMOS门电路的图形有国际旧标准和国际新标准，国家旧标准和国家新标准，目前在书籍杂志资料中都在使用。本书将这四种标准列于附录1（见教学资源包）中，以便于对照查阅。由于本书中的电路图采用PROTEL 99 SE绘制，而PROTEL 99 SE的元件库采用的是国际旧标准，故本书的电路图都采用了国际旧标准。

另外，器件的引脚功能在不同的资料中可能用不同的符号标示。在本章的器件引脚功能图中，对某些器件的引脚功能采用了两种符号表示，以方便阅图。

本书所用CMOS电路包含了门电路、触发器、计数器、模拟开关、数据选择器、运算电路及定时电路等。

对于CMOS电路，除了基本编号以外，各生产厂家还附加了一些字母或数字，本书只给出了基本编号。例如，基本编号为4001的电路，各厂家有CD4001、MC4001等编号；555电路有NE555、CC555、HA17555等编号。另外，要注意CMOS电路的各编号之间无规律可寻，编号相邻的电路其功能并无关系（TTL电路也如此）。

随着电子技术的发展，现在大量采用无引线元器件和贴片元器件，所以许多元器件既有传统的标准封装，又有小型封装。但在本书中除了少量元器件以外，所用的CMOS器件均为DIP标准封装。

在每一片集成的数字电路中，往往封装了两套以上相同功能的电路，这在数字电路的称呼上可以看出来。

例如，4001为“四2输入端或非门”，表示该数字电路的功能为2输入端的或非门电路，每一片集成电路中封装了四套同样功能的电路。四和2一个用汉字数字，另一个用阿拉伯数字，以免混淆。

4049是“六反相缓冲/变换器”，表示该电路的功能为反相缓冲/变换器，每一片集成电路中封装了六套同样功能的电路。2.1.1 CMOS门电路

门电路是数字电路的基本电路，在电子电路中广泛使用。门电路除了用做基本门电路外，还可以构成特定功能的电路。

1.4001

4001是四2输入端或非门电路。

或非门的逻辑特征是：只有当全部输入端都为低电平时，输出端才为高电平；只要有一个输入端是高电平，输出端就输出低电平。也可表示为：“全0出1，有1出0”。图2.1.1 4001引脚图及图形

4001的逻辑表达式为：

4001为DIP14脚封装，每一芯片内封装有四只门电路，4001引脚图及图形如图2.1.1所示。

4001在本书中的应用举例如下。

1）作为非门使用

将一只多输入端或非门的输入端并联连接后，或非门便成为一只非门（即反相器），在电路中大量使用。非门的逻辑特征为：只要输入端为高电平，输出端就为低电平；只要输入端为低电平，输出端就为高电平。也可表示为“有1出0，有0出1”。或非门的输入端并接在一起后，便符合了非门的逻辑关系。

非门的逻辑表达式为：

在图2.1.1（b）、图2.1.1（c）、图2.1.1（d）中分别给出了4001的图形、4001接成反相器和非门的图形。

2）接成或非门RS触发器

在PULSE-500型工频机的三角波发生器中，用两只或非门组成了或非门RS触发器，如图2.1.2所示。图2.1.2 4001在PULSE-500型工频机中的应用

在图2.1.2中的或非门RS触发器中，当R端为“1”，S端为“0”时，由于IC7A的①脚为高电平，所以其输出端③脚即Q端为低电平，加至IC7B⑤脚。由于此时S端为低电平，故IC7B输出端④脚即端为高电平，加至IC7A②脚，使Q端保持为低电平。

当R、S端同为低电平“0”时，由于此时任何一只4001的输出状态均不能改变，所以RS触发器维持原状态。

当R、S端同为高电平“1”时，看似两输出端均应为低电平“0”，但这将引起电路的逻辑关系混乱，所以这种状态是被禁止的。

在图2.1.2中，IC4A、IC4B、IC7A、IC7B、W7及周边元件组成了三角波发生器电路。它用来产生线性良好的等腰三角波信号。

设开机时电容C42两端电压为0，C40、C41的连接点K点接地。由于C40来不及充电，所以IC4A④脚电压突然降低，其输出端②脚为高电平，加至IC7A①脚，即RS触发器的R端，使其为“1”。与此同时，C41也来不及充电，所以IC4B⑦脚电压也突然降低，使输出端①脚为低电平，加至IC7B⑥脚，即RS触发器的S端，使其为“0”。根据或非门RS触发器真值表，当R=1，S=0时，端为“1”，即约为12V。此12V经W7、R113加至C40、C41连接点K点，使K点电位突然升高至12V。

此后12V经R114向C40充电，使IC4A①脚电压逐渐升高，同时端的12V经W7、R113向C41充电，使IC4B⑦脚电压逐渐降低。一段时间后，IC4A④脚电压充至高于⑤脚电压时，IC4A输出端②脚翻转为“0”，即R端为“0”。同时，IC4B⑦脚电压充至高于⑥脚电压时，IC4B输出端①脚翻转为“1”，即S端为“1”。根据或非门RS触发器真值表，当R=0，S=1时，端为“0”，即为0V。此0V经W7、R113加至C40、C41连接点K点，使K点电位降低为0V。

上述过程不断反复，于是电路利用R114、C40，R117、C41和W7、R113的充放电过程，即可在C40正端和C41负端产生两组大小相等、极性相反的三角波信号。为了电路分析方便，我们将C40正端产生的三角波称为正三角波，将C41负端产生的三角波称为反三角波。

C40、C41的连接点K位于+12V和地的中间，即Vz的电位。当C40、C41充放电时，C40正端电压在+12V与Vz之间摆动，所以C40正端输出的正三角波的幅值在Vz与+12V之间，最大相对幅值为6V。而C41负端输出的反三角波的幅值在Vz与0V（即地）之间，最大幅值为6V。

由于R114、R117和C40、C41的数值较大，充放电时形成的曲线的线性良好。又由于充放电的时间常数一样，因此得到的三角波是线性良好且等腰的。

显然，调节W7，可调节充放电回路的时间常数，也就调节了三角波信号的频率。

2.4011

4011是四2输入端与非门电路。

与非门的逻辑特征是：只有当全部输入端都为高电平时，输出端才为低电平；只要有一个输入端是低电平，输出端就输出高电平。也可表示为：“全1出0，有0出1”。

4011的逻辑表达式为：

4011为DIP14脚封装，每一芯片内封装有四只门电路，4011引脚图及图形如图2.1.3所示。图2.1.3 4011引脚图及图形

4011在本书中的应用举例如下。

1）接成非门使用

将一只与非门的输入端并联连接后，与非门便成为一只非门（即反相器），在电路中大量使用。非门的逻辑特征为：只要输入端为高电平，输出端就为低电平；只要输入端为低电平，输出端就为高电平。也可表示为“有1出0，有0出1”。与非门的输入端并接在一起后，便符合了非门的逻辑关系。

反相器的逻辑表达式为：

在图2.1.3（b）、图2.1.3（c）、图2.1.3（d）中分别给出了4011的图形、4011接成反相器和非门的图形。

2）接成与非门RS触发器

在SANTAK500-3型方波机中，用两只4011组成与非门RS触发器，如图2.1.4所示。图2.1.4 4011在SANTAK500-3型方波机中的应用

在图2.1.4中的与非门RS触发器中，当市电—逆变控制信号为高电平时，U3A①、②脚为高电平，从U3A③脚输出的是反相后的低电平，加至U3B的⑥脚即RS触发器的S端。根据与非门“有0出1”的逻辑规律，U3B的输出端④脚即触发器的Q端应为高电平“1”，加至U3C⑨脚。由于R端已经为“1”，所以U3C输出端⑩脚为低电平“0”。因此，当市电—逆变控制信号为高电平时，与非门RS触发器的R端为“1”，S端为“0”，根据与非门RS触发器真值表，此时端为“0”，Q端为“1”。端的低电平经R51、D57加至Q10基极，使Q10截止，其集电极为高电平。于是继电器S1、S2线圈失电，其触头处于释放状态，结果电路处于市电状态。

当市电—逆变控制信号为低电平时，U3C⑧脚即触发器的R端为低电平，根据与非门“有0出1”的逻辑规律，U3C的⑩脚即触发器的端应为高电平“1”，加至U3B⑤脚。此时U3A的①、②脚为低电平，所以其输出端③脚即触发器的S端为高电平。由于U3B的⑤脚为高电平，所以U3B输出端④脚即触发器的Q端为低电平“0”。因此，当市电—逆变控制信号为低电平时，与非门RS触发器的R端为“0”，S端为“1”，根据与非门RS触发器真值表，此时端为“1”，Q端为“0”。端的高电平经R51、D57加至Q10基极，使Q10饱和导通，其集电极为低电平。于是继电器S1、S2线圈得电，其触头处于吸合状态，结果电路处于逆变状态。

根据与非门RS触发器真值表，当R、S端同为低电平“0”时，

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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