自动切换电压逆变器电路

什么是工频逆变器

       智能型逆变器工频率正弦波逆变器,是在单片微处理控制芯片控制下,产生正弦波高频调制信号后再经驱动电路驱动大功率场效应管或IGBT管,使其工作在高频开关状态而达到将直流电源转变成正弦波电源的基本工作原理.其原理图框图如下:1.逆变/充电变频电路:在外电网供电时,使电池充电,当外电网断电时自动切换到电池供电状态,从而使逆变电源自动完成逆变与充电的切换.2.大功率UPS功率场效应管IGBT器件并工作在正弦波调制的高频脉冲开关状态,从而使电池供应的直流电能转换成高频脉冲电能.3.工频变压器:隔离电池供电与输出正弦波的电回路并将电池电压升压或降压成所需要的电压.4.电池滤波和抗干扰电路:防止逆变电源本身产生的干扰通过与电池的连接线向电池及外界产生干扰.5.输出滤波和抗干扰电路:将正弦高频调制脉冲波转换成纯净的工频正弦波.6.输入整流滤波电路:将电网交流电能转换成直流电能.7.电池充电系统:将高压直流电能隔离且转换成充电电池所需要的电压8.单片机控制系统:由单片微处理控制器产生正弦波高频调制脉冲信号传送到驱动电路,同时单片微处理控制电路将所有检测到的电信号进行分析,处理和控制而使整体逆变电源系统工作可靠,协调.9.输出电压取样:检测逆变电源逆变时的输出电压.10.输出电流检测:检测逆变电源在逆变时的输出电流.11.电池电压取样:检测逆变电源电池的电压供单片机控制系统处理,从而保护电池在充电状态时,快速充电,逆变时保护电池不过度放电而损坏.12.电池电流检测:检测逆变电源在充电或放电时电池的充电电流或放电电流.13.驱动电路:为驱动可执行元件而设置的功率放大电路.14.显示器:逆变电源输出电压值及输出电流值的显示.

UPS在主电逆变和旁路状态间来回自动切换，怎样检查和解决？备注：UPS可以再启动至主电逆变

       用万用表两表笔，一测量逆变器输出，另一测量旁路的电压。电压差在25v一下属于同步成功，可以自由切换。严格意义上应控制在10v以下。

       如果不正常，应分别检查逆变输出的电压和频率。和旁路的电压和频率，找出问题的原因。

市电正常情况下 UPS电源是如何运行的

       关键电路是具有滞后特性的电压比较器。 中小型UPS在进行市电供电与逆变器供电相互转换控制的过程中，如果市电只是由于某种原因(加大负载突然并人电网)，使其电网电压突然下降而并未中断，这时UPS会自动把负载的供电，从市电供电转换到由苫电池支持的逆变器供电。在电网电压上升到一定值时，UPS又自动把负载的供电由蓄电他支持的逆变器供电转换到市电供电(后备式UPS为市电直接供电，在线式UPS则为市电支持的逆变器供电＞。因此，遇到市电输入电压，在市电供电与逆变器供电相互转换控制电路自动转换点附近变化时(转换点一般在

       175v左右)，如果采用一般性能的电压比较器就有可能出现UPS在市电供电与逆变器供电之间进行频繁切换的问题，这种频缺切换将造成对后级负载供电的严重干扰。 为了避免市电电压稍高于或稍低于转换电压值时，比较器的输出电压在正饱和电压与负饱和电压之间的跳动，在UPS设计中都采用双极限比较器和带滞后特性的电压比较器，使其在市电电压从正常值下降到转换点电压(设定为I 70V)时，UPS自动地从市电供电转换到由蓄电他支持的逆变器供电，但当电网电压由低变高到转换点电压170v时，UPS不进行转换，仍保持在逆变器供电状态。只有电网电压由低变高到比转换点电压高10v一15v左右时，即电网电压上升到l 80V至185V时UPS才重新恢复到市电供电。这种转换功能一般比较器不能完成，双权限比较器和带滞后特性的电压比较器却能完成。

简单的逆变器电路图分析

       这里介绍的逆变器（见图）主要由MOS场效应管，普通电源变压器构成。其输出功率取决于MOS场效应管和电源变压器的功率，免除了烦琐的变压器绕制，适合电子爱好者业余制作中采用。下面介绍该逆变器的工作原理及制作过程。

       电路图

       工作原理

       这里我们将详细介绍这个逆变器的工作原理。

       方波信号发生器（见图3）

       这里采用六反相器CD4069构成方波信号发生器。电路中R1是补偿电阻，用于改善由于电源电压的变化而引起的振荡频率不稳。电路的振荡是通过电容C1充放电完成的。其振荡频率为f=1/2.2RC。图示电路的最大频率为：fmax=1/2.2×3.3×103×2.2×10-6=62.6Hz;最小频率fmin=1/2.2×4.3×103×2.2×10-6=48.0Hz。由于元件的误差，实际值会略有差异。其它多余的反相器，输入端接地避免影响其它电路。

       场效应管驱动电路

       这里采用六反相器CD4069构成方波信号发生器。电路中R1是补偿电阻，用于改善由于电源电压的变化而引起的振荡频率不稳。电路的振荡是通过电容C1充放电完成的。其振荡频率为f=1/2.2RC。图示电路的最大频率为：fmax=1/2.2×3.3×103×2.2×10-6=62.6Hz;最小频率fmin=1/2.2×4.3×103×2.2×10-6=48.0Hz。由于元件的误差，实际值会略有差异。其它多余的反相器，输入端接地避免影响其它电路。

       场效应管驱动电路

       由于方波信号发生器输出的振荡信号电压最大振幅为0~5V，为充分驱动电源开关电路，这里用TR1、TR2将振荡信号电压放大至0~12V。如图4所示。

       MOS场效应管电源开关电路。

       这是该装置的核心，在介绍该部分工作原理之前，先简单解释一下MOS场效应管的工作原理。

       图5

MOS场效应管也被称为MOSFET，既MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor（金属氧化物半导体场效应管）的缩写。它一般有耗尽型和增强型两种。本文使用的为增强型MOS场效应管，其内部结构见图5。它可分为NPN型PNP型。NPN型通常称为N沟道型，PNP型也叫P沟道型。由图可看出，对于N沟道的场效应管其源极和漏极接在N型半导体上，同样对于P沟道的场效应管其源极和漏极则接在P型半导体上。我们知道一般三极管是由输入的电流控制输出的电流。但对于场效应管，其输出电流是由输入的电压（或称电场）控制，可以认为输入电流极小或没有输入电流，这使得该器件有很高的输入阻抗，同时这也是我们称之为场效应管的原因。

       图6

       为解释MOS场效应管的工作原理，我们先了解一下仅含有一个P—N结的二极管的工作过程。如图6所示，我们知道在二极管加上正向电压（P端接正极，N端接负极）时，二极管导通，其PN结有电流通过。这是因为在P型半导体端为正电压时，N型半导体内的负电子被吸引而涌向加有正电压的P型半导体端，而P型半导体端内的正电子则朝N型半导体端运动，从而形成导通电流。同理，当二极管加上反向电压（P端接负极，N端接正极）时，这时在P型半导体端为负电压，正电子被聚集在P型半导体端，负电子则聚集在N型半导体端，电子不移动，其PN结没有电流通过，二极管截止。

       图7a图7b

       对于场效应管（见图7），在栅极没有电压时，由前面分析可知，在源极与漏极之间不会有电流流过，此时场效应管处与截止状态（图7a）。当有一个正电压加在N沟道的MOS场效应管栅极上时，由于电场的作用，此时N型半导体的源极和漏极的负电子被吸引出来而涌向栅极，但由于氧化膜的阻挡，使得电子聚集在两个N沟道之间的P型半导体中（见图7b），从而形成电流，使源极和漏极之间导通。我们也可以想像为两个N型半导体之间为一条沟，栅极电压的建立相当于为它们之间搭了一座桥梁，该桥的大小由栅压的大小决定。图8给出了P沟道的MOS场效应管的工作过程，其工作原理类似这里不再重复。

       图8

下面简述一下用C-MOS场效应管（增强型MOS场效应管）组成的应用电路的工作过程（见图9）。电路将一个增强型P沟道MOS场效应管和一个增强型N沟道MOS场效应管组合在一起使用。当输入端为低电平时，P沟道MOS场效应管导通，输出端与电源正极接通。当输入端为高电平时，N沟道MOS场效应管导通，输出端与电源地接通。在该电路中，P沟道MOS场效应管和N沟道MOS场效应管总是在相反的状态下工作，其相位输入端和输出端相反。通过这种工作方式我们可以获得较大的电流输出。同时由于漏电流的影响，使得栅压在还没有到0V，通常在栅极电压小于1到2V时，MOS场效应管既被关断。不同场效应管其关断电压略有不同。也正因为如此，使得该电路不会因为两管同时导通而造成电源短路。

       由以上分析我们可以画出原理图中MOS场效应管电路部分的工作过程（见图10）。工作原理同前所述。这种低电压、大电流、频率为50Hz的交变信号通过变压器的低压绕组时，会在变压器的高压侧感应出高压交流电压，完成直流到交流的转换。这里需要注意的是，在某些情况下，如振荡部分停止工作时，变压器的低压侧有时会有很大的电流通过，所以该电路的保险丝不能省略或短接。

       制作要点

       电路板见图11。所用元器件可参考图12。逆变器用的变压器采用次级为12V、电流为10A、初级电压为220V的成品电源变压器。P沟道MOS场效应管（2SJ471）最大漏极电流为30A，在场效应管导通时，漏-源极间电阻为25毫欧。此时如果通过10A电流时会有2.5W的功率消耗。N沟道MOS场效应管（2SK2956）最大漏极电流为50A，场效应管导通时，漏-源极间电阻为7毫欧，此时如果通过10A电流时消耗的功率为0.7W。由此我们也可知在同样的工作电流情况下，2SJ471的发热量约为2SK2956的4倍。所以在考虑散热器时应注意这点。图13展示本文介绍的逆变器场效应管在散热器（100mm×100mm×17mm）上的位置分布和接法。尽管场效应管工作于开关状态时发热量不会很大，出于安全考虑这里选用的散热器稍偏大。

       逆变器的性能测试

       测试电路见图14。这里测试用的输入电源采用内阻低、放电电流大（一般大于100A）的12V汽车电瓶，可为电路提供充足的输入功率。测试用负载为普通的电灯泡。测试的方法是通过改变负载大小，并测量此时的输入电流、电压以及输出电压。其测试结果见电压、电流曲线关系图（图15a）。可以看出，输出电压随负荷的增大而下降，灯泡的消耗功率随电压变化而改变。我们也可以通过计算找出输出电压和功率的关系。但实际上由于电灯泡的电阻会随受加在两端电压变化而改变，并且输出电压、电流也不是正弦波，所以这种的计算只能看作是估算。以负载为60W的电灯泡为例：

       假设灯泡的电阻不随电压变化而改变。因为R灯=V2/W=2102/60=735Ω，所以在电压为208V时，W=V2/R=2082/735=58.9W。由此可折算出电压和功率的关系。通过测试，我们发现当输出功率约为100W时，输入电流为10A。此时输出电压为200V。

逆变器工作原理

       逆变器的作用是把直流电能（电池、蓄电瓶）转变成交流电（一般为220V,50Hz正弦波）。工作原理如下：

       桥式逆变电路的开关状态由加于其控制极的电压信号决定，桥式电路的PN端加入直流电压Ud，A、B端接向负载。当T1、T4打开而T2、T3关合时，u0=Ud;相反,当T1、T4关合而T2、T3打开时，u0=-Ud。于是当桥中各臂以频率 f（由控制极电压信号重复频率决定）轮番通断时，输出电压u0将成为交变方波，其幅值为Ud。重复频率为f如图2所示，其基波可表示为把幅值为Ud的矩形波uo展开成傅立叶级数得：uo=4Ud/π （sinwt+1/3 sin3wt+1/5 sin5wt+...）由式可见,控制信号频率f可以决定输出端频率，改变直流电源电压Ud可以改变基波幅值，从而实现逆变的目的。

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