CN110350812A - 一种用于ups的逆变器模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于UPS的逆变器模块，包括：第一、第二、第三、第四开关模块，钳位二极管D671、D672，电感L671，负载电路，所述第一、第二、第三、第四开关模块的拓扑结构相同，所述第一开关模块包括：电感L71、L72、L73，电阻R71，电容C71，二极管D71、D72、D73，功率开关管Q71。本发明创造的逆变器模块通过结构简单的第一、第二、第三、第四开关模块完成复杂的逆变过程，该逆变器模块可用于UPS制作中，可大大的减低UPS复杂度，降低UPS制作成本。
Description
技术领域
本发明涉及开关电源技术领域，特别涉及一种用于UPS的逆变器模块。
背景技术
不间断电源(UPS)是一种外部非常重要的应急供电设备。在输入市电发生中断时，UPS可以持续一段时间供电给办公电脑等其他的设备，使我们能够有充分的时间去进行应对；同时在市电发生异常时，UPS还可以对市电进行有效的净化。同时，不间断电源作为一种电力电子装置，具有不用维护的储蓄能量设备和自动控制式的逆变电路，还具有模拟电路和数字电路。随着社会的发展，UPS在工厂、公司，甚至是家庭等各个领域得到了广泛的应用，UPS的重要性将会得到日益的提高。
按互联网数据中心的统计数据，因为电源的问题造成电脑等设备的故障，这个比例约占百分之45左右。另外，电源还有电压瞬变过高、输入断电、电压纹波过大等各样问题。同时在中国，大城市、中等城市和小城市或者村镇平均断电的次数分别为0.5次每月、2次每月和4次每月。从上面可以看出，为了解决供电不稳定的问题，配置一台UPS给外部设备，这是非常重要的。另外，对于高端的通讯设备和高端的网络设备，这些都是不能允许有断电的情况发生的；特别是在网络中心，是以服务器为重要部分来运行的，这样UPS就显得更加重要了。不管是普通的电脑还是昂贵的电脑，在用过一段时间后，电脑中的文件数据就会显得非常有价值，所以为了预防文件数据的意外消失而配置一台不间断电源是非常有必要的。
现有的UPS大多采用DSP控制器作为控制芯片，来对其他功能模块进行控制，其中逆变器模块作为UPS的一个重要的功能模块，其输入端连接升压模块的输出端，其输出端连接用户负载端，其控制端连接DSP控制器。
现有的UPS的逆变器模块电路结构复杂，制作成本高。
发明内容
本发明解决的技术问题是：现有的UPS的逆变器模块电路结构复杂，制作成本高。
本发明解决其技术问题的解决方案是：一种用于UPS的逆变器模块，包括：第一、第二、第三、第四开关模块，钳位二极管D671、D672，电感L671，负载电路，第一开关模块的输入端与升压模块的一输出端连接，所述第四开关模块的输出端与升压模块的另一输出端连接，第一、第二、第三、第四开关模块的控制端分别与DSP控制器的GPIO口连接，所述钳位二极管D671的负极分别与第一开关模块的输出端，第二开关模块的输入端连接，所述钳位二极管D672的正极分别与第三开关模块的输出端，第四开关模块的输入端连接，所述钳位二极管D671的正极，钳位二极管D672的负极分别对地连接，所述电感L671的一端分别与第二开关模块的输出端，第三开关模块的输入端连接，所述电感L671的另一端与负载电路的一端连接，所述负载电路的另一端对地连接，第一、第二、第三、第四开关模块的拓扑结构相同，第一开关模块包括：电感L71、L72、L73，电阻R71，电容C71，二极管D71、D72、D73，功率开关管Q71，所述电感L71的一端作为第一开关模块的一控制端与DSP控制器的GPIO口连接，所述电感L71的另一端分别与二极管D71的负极，电感L72的一端连接，所述电感L72的另一端分别与二极管D71的正极，功率开关管Q71的基极，电阻R71的一端连接，所述功率开关管Q71的集电极，二极管D72的负极，二极管D73的正极，电感L73的一端分别并接，并接点作为第一开关模块的输入端与升压模块的一输出端连接，所述电感L73的另一端分别与二极管D73的负极，电容C71的一端连接，所述电阻R71的另一端，功率开关管Q71的发射极，二极管D72的正极，电容C71的另一端并接在一起，其并接点作为第一开关模块的输出端与第二开关模块的输入端连接，第一开关模块的输出端同时作为第一开关模块的另一控制端与DSP控制器的GPIO口连接。
进一步，所述功率开关管Q71的型号为美国fairchild公司的FGY75N60SMD。
进一步，所述钳位二极管D671、D672的型号均为美高森美公司的10uFAPT60D60BG。
进一步，所述电感L671的型号为东莞普思电子有限公司的PE-51512。
进一步，所述负载电路包括并接的电容C72和电阻R72。
本发明的有益效果是：本发明创造的逆变器模块通过结构简单的第一、第二、第三、第四开关模块完成复杂的逆变过程，该逆变器模块可用于UPS制作中，可大大的减低UPS复杂度，降低UPS制作成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。
图1是逆变器模块的连接框图；
图2是逆变器模块的电路连接示意图；
图3是功率开关管接收的PWM控制信号原理图；
图4是正弦调制波信号和三角载波信号的对照图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
实施例1，参考图1和图2，一种用于UPS的逆变器模块，包括：第一、第二、第三、第四开关模块61、62、64、65，钳位二极管D671、D672，电感L671，负载电路66，所述第一、第二、第三、第四开关模块61、62、64、65串接，所述第一开关模块61的输入端与升压模块的一输出端+BUS连接，所述第四开关模块65的输出端与升压模块的另一输出端-BUS连接，所述第一、第二、第三、第四开关模块61、62、64、65的控制端分别与DSP控制器的GPIO口P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5、P1.6、P1.7连接，DSP控制器的GPIO口P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5、P1.6、P1.7产生PWM波以控制第一、第二、第三、第四开关模块61、62、64、65，所述钳位二极管D671的负极分别与第一开关模块61的输出端，第二开关模块62的输入端连接，所述钳位二极管D672的正极分别与第三开关模块64的输出端，第四开关模块65的输入端连接，所述钳位二极管D671的正极，钳位二极管D672的负极分别对地连接，所述电感L671的一端分别与第二开关模块62的输出端，第三开关模块64的输入端连接，所述电感L671的另一端与负载电路66的一端连接，所述负载电路66的另一端对地连接，所述第一、第二、第三、第四开关模块61、62、64、65的拓扑结构相同，所述第一开关模块61包括：电感L71、L72、L73，电阻R71，电容C71，二极管D71、D72、D73，功率开关管Q71，所述电感L71的一端作为第一开关模块61的一控制端与DSP控制器的GPIO口P1.0连接，所述电感L71的另一端分别与二极管D71的负极，电感L72的一端连接，所述电感L72的另一端分别与二极管D71的正极，功率开关管Q71的基极，电阻R71的一端连接，所述功率开关管Q71的集电极，二极管D72的负极，二极管D73的正极，电感L73的一端分别并接，并接点作为第一开关模块61的输入端与升压模块的一输出端+BUS连接，所述电感L73的另一端分别与二极管D73的负极，电容C71的一端连接，所述电阻R71的另一端，功率开关管Q71的发射极，二极管D72的正极，电容C71的另一端并接在一起，其并接点作为第一开关模块61的输出端与第二开关模块62的输入端连接，第一开关模块61的输出端同时作为第一开关模块61的另一控制端与DSP控制器的GPIO口P1.1连接。作为优化，所述负载电路66包括并接的电容C72和电阻R72。所述电容C72的一端，电阻R72的一端分别与电感L671的另一端连接，所述电容C72的另一端，电阻R72的另一端分别与地连接。
所述第一、第二、第三、第四开关模块61、62、64、65，钳位二极管D671、D672，电感L671，负载电路66构成三电平逆变结构。
升压模块的输出端+BUS、-BUS输入的电压幅值为1/2Vin，功率开关管Q71、Q72、Q73、Q74，钳位二极管D671、D672，输出的滤波电感为电感L671，滤波电容为电容C72，对应流经它们的电流分别为IL和IC，负载的电流是ILOAD；电感L671两端的电压差为Uo；电容C72两端的电压差为Ua。
可以得到三电平逆变器的数学模型为：
四个功率开关管Q71、Q72、Q73、Q74接收到的PWM控制信号的原理图如图3所示：
输出电压正半周内：功率开关管Q72常导通，功率开关管Q74常关断，功率开关管Q71和Q73互补导通；
输出电压负半周内：功率开关管Q73常导通，功率开关管Q71常关断，功率开关管Q72和Q74互补导通。
四个功率开关管的PWM控制信号都是由一个标准的正弦调制波和一个三角载波相比较后产生，以输出电压正半周期为例，任取其中一个载波周期信号进行分析。
参考图4，输出电压正半周期内：功率开关管Q72常被导通，功率开关管Q74常被关断，功率开关管Q71和功率开关管Q73轮流被导通。设D是功率开关管Q71工作时的占空比,Ts是三角波载波的工作周期。在Ts内，Vm是正弦波调制波的平均值。对于正弦波调制波与三角波载波，当前者平均值大于后者的平均值时,DSP控制器就送出高电平控制信号到功率开关管Q71进行控制其被导通；相反,当前者平均值小于后者的平均值时,DSP控制器送出低电平控制信号到功率开关管Q71进行控制其被关断。由相似三角形的性质得到下面数学表达式：
即：
由式(2.9)所示,电压Vt和周期Ts一直为稳定值,正弦波调制波的平均值Vm随着功率开关管Q71的导通占空比D变化而变化,若D变小，Vm也随着变小，逆变电路输出电压也变小；相反,若D变大,Vm也随着变大，逆变电路输出电压也变大。所以通过DSP控制器发送不同的控制信号到功率开关管Q71控制其导通占空比D,最后就可以得到我们所想要的正弦波电压。
现分析一下所述三电平逆变结构的基本工作过程：
(1)当来自升压模块的一输出端+BUS的电压在正半周时，其电压Ua>0，功率开关管Q71常被导通，功率开关管Q74常被关断：
①当流经电感L671的电流IL>0时，功率开关管Q71导通，功率开关管Q73关断，则电感L671的电流IL先后流过、功率开关管Q71、Q72，电感L671，电容C72；
此时电路方程为：
由于且电感L671是恒定值,因此电流IL会变大,设功率开关管Q71的开关周期为Ts，其工作占空比为D,则功率开关管Q71的被导通时间为dt＝Ts*D,则在开通时间内,电流IL的上升值为：
功率开关管Q71关断，功率开关管Q73导通；
此时电路方程为：
由式(2.12)所示，因为Ua>0,因此IL会变小。设功率开关管Q73与功率开关管Q71轮流被导通,功率开关管Q71的导通占空比为D,则功率开关管Q73的导通占空比为1-D,功率开关管Q73的导通时间dt＝(1-D)*Ts,在功率开关管Q73导通时间内,电流IL下降值为：
②当电流IL<0时，功率开关管Q71导通，功率开关管Q73关断；
此时电路方程为：
由于且电感L671是恒定值,因此IL会变小。设功率开关管Q71的开关工作周期是Ts,工作占空比是D,那么功率开关管Q71被导通的时间是dt＝D*Ts,则在功率开关管Q71开通时间内,电流IL的下降值为：
功率开关管Q71关断，功率开关管Q73导通；
此时电路方程为：
因为Ua>0,因此IL会变小,功率开关管Q73与功率开关管Q71轮流被导通,功率开关管Q71的导通占空比为D,则功率开关管Q73的导通占空比为1-D,功率开关管Q73的导通时间dt＝(1-D)*Ts,在功率开关管Q73导通时间内,电流IL下降值为：
(2)当输出电压负半周，其电压Ua<0，功率开关管Q73常被导通，功率开关管Q71常被关断：
①当电流IL>0时，若功率开关管Q74导通，功率开关管Q72关断；
此时电路方程为：
由于且电感L671是恒定值,IL会变小,设功率开关管Q72的开关工作周期是Ts，工作占空比是D,功率开关管Q72和功率开关管Q74轮流被导通，则功率开关管Q74被导通的时间为dt＝(1-D)*Ts,则在功率开关管Q74开通时间内,电流IL的下降值为：
功率开关管Q74关断，功率开关管Q72导通；
此时电路方程为：
因为Ua<0,因此IL会变小,设D是功率开关管Q72的工作占空比,功率开关管Q72的导通时间dt＝D*Ts,在功率开关管Q72导通时间内,电流IL上升值为：
②当电流IL<0时，功率开关管Q74导通，功率开关管Q72关断；
此时电路方程为：
由于且电感L671是恒定值,IL会变小,设Ts是功率开关管Q72开关工作周期,D是功率开关管Q72工作占空比,功率开关管Q72与功率开关管Q74轮流被导通，则功率开关管Q74被导通时间是dt＝(1-D)*Ts,则在功率开关管Q74开通时间内,电流IL的下降值为：
功率开关管Q74关断，功率开关管Q72导通；
此时电路方程为：
因为Ua<0,因此电流IL会变小,设D是功率开关管Q72的工作占空比,则功率开关管Q72的导通时间dt＝D*Ts,在功率开关管Q72导通时间内,电流IL下降值为：
上述为整个三电平逆变器工作过程，包括了(Ua>0,IL>0)、(Ua>0,IL<0)、(Ua<0,IL>0)、(Ua<0,IL<0)这四种逆变情况。
本发明创造的逆变器模块通过结构简单的第一、第二、第三、第四开光模块61、62、64、65，完成逆变过程，该逆变器模块可用于UPS制作中，可大大的减低UPS复杂度，降低UPS制作成本。
作为上述实施方式的进一步优化，所述功率开关管Q71的型号为美国fairchild公司的FGY75N60SMD。
作为上述实施方式的进一步优化，所述钳位二极管D671、D672的型号均为美高森美公司的10uFAPT60D60BG。
作为上述实施方式的进一步优化，所述电感L671的型号为东莞普思电子有限公司的PE-51512。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (5)
1.一种用于UPS的逆变器模块，其特征在于，包括：第一、第二、第三、第四开关模块，钳位二极管D671、D672，电感L671，负载电路，第一开关模块的输入端与升压模块的一输出端连接，第四开关模块的输出端与升压模块的另一输出端连接，第一、第二、第三、第四开关模块的控制端分别与DSP控制器的GPIO口连接，所述钳位二极管D671的负极分别与第一开关模块的输出端，第二开关模块的输入端连接，所述钳位二极管D672的正极分别与第三开关模块的输出端，第四开关模块的输入端连接，所述钳位二极管D671的正极，钳位二极管D672的负极分别对地连接，所述电感L671的一端分别与第二开关模块的输出端，第三开关模块的输入端连接，所述电感L671的另一端与负载电路的一端连接，所述负载电路的另一端对地连接，第一、第二、第三、第四开关模块的拓扑结构相同，第一开关模块包括：电感L71、L72、L73，电阻R71，电容C71，二极管D71、D72、D73，功率开关管Q71，所述电感L71的一端作为第一开关模块的一控制端与DSP控制器的GPIO口连接，所述电感L71的另一端分别与二极管D71的负极，电感L72的一端连接，所述电感L72的另一端分别与二极管D71的正极，功率开关管Q71的基极，电阻R71的一端连接，所述功率开关管Q71的集电极，二极管D72的负极，二极管D73的正极，电感L73的一端分别并接，并接点作为第一开关模块的输入端与升压模块的一输出端连接，所述电感L73的另一端分别与二极管D73的负极，电容C71的一端连接，所述电阻R71的另一端，功率开关管Q71的发射极，二极管D72的正极，电容C71的另一端并接在一起，其并接点作为第一开关模块的输出端与第二开关模块的输入端连接，第一开关模块的输出端同时作为第一开关模块的另一控制端与DSP控制器的GPIO口连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于UPS的逆变器模块，其特征在于：所述功率开关管Q71的型号为美国fairchild公司的FGY75N60SMD。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于UPS的逆变器模块，其特征在于：所述钳位二极管D671、D672的型号均为美高森美公司的10uFAPT60D60BG。
4.根据权利要求3所述的一种用于UPS的逆变器模块，其特征在于：所述电感L671的型号为东莞普思电子有限公司的PE-51512。
5.根据权利要求4所述的一种用于UPS的逆变器模块，其特征在于：所述负载电路包括并接的电容C72和电阻R72。
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