金武士TD33-10KVA工频UPS不间断电源10KVA8KW塔式含IGBT整流器详细介绍

UPS的分类

UPS自问世以来，其发展速度非常快。初期的UPS是一种动态的不间断电源。在市电正常时，用市电驱动电动机，电动机带动发电机发出交流电。该交流电一方面向负载供电，同时带动巨大的飞轮使其高速旋转。当市电变化时，由于飞轮的巨大惯性对电压的瞬时变化没有反应，因此***了输出电压的稳定。在市电停电时，依赖飞轮的惯性带动发电机继续向负载供电，同时启动与飞轮相连的备用发电机组。备用发电机组带动飞轮旋转并因此带动交流发电机向负载供电。如图1-2(a)所示。但在以上方案中，依靠动能储存的飞轮来延长市电断电时的供电时间势必受到限制，为了进一步延长供电时间，后来采用如图1-2(b)所示的结构。市电经整流后一路给蓄电池充电，另一路为直流电动机供电，直流电动机又拖动交流发电机输出稳压、稳频的交流电，一旦市电中断，依靠蓄电池组存储的能量维持交流发电机继续运行，达到负载供电不间断的目的。这种动态不间断电源设备存在噪声大、效率低、切换时间长、笨重等缺点，未被广泛采用。随着半导体技术的迅速发展，利用各种电力电子器件的静态UPS很快取代了早期的动态UPS，静态UPS依靠蓄电池存储能量，通过静止逆变器变换电能维持负载电能供应的连续性。相对于动态UPS，静态UPS体积小、重量轻、噪声低、操控方便、效***、后备时间长。本书后续所述及的UPS均指静态UPS。

图1-2 动态UPS结构框图

UPS分类方法很多，按输出容量大小可分为:小容量(10kV·A以下)UPS、中容量(10~100k V·A)UPS和大容量(100kV.A以上)UPS:按输入、输出电压相数不同可分为单进单出型UPs、三进三出型UPS和三进单出型UPs；按输出波形不同可分为:方波UPS、梯形波UPS和正弦波UPs；但人们习惯上按UPs电路结构形式进行分类，可分为后备式UPS、互动式UPS和在线式UPS。

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直流变换器变为处于L

储能电感的磁芯，通常采用铁氧体，在磁路中加适当长度的气隙:也可采用磁粉芯。由于磁粉芯是将铁磁性材料与顺.性材料的粉末友合而成，相当于在磁芯中加了气隙，因此具有在较高磁场强度下不饱和的特点，不必加气隙；但磁粉芯非线性特性***，其电感量随工作电流的增加而下降。

b.输出滤波电容C。。从图3-23(f)看出，降压变换器的输出纹波电压峰-峰值△U。,等于1}~t3期间C。上的电压增量，因此

AU。= o。",icd 

虽然在整个t1}~t3期间，ic≈i1一I。>0,C。充电，使u。升高，但其中t1~t2期间

(其持续时间约为ton/2)ic值上升，而t2~t3期间(其持续时间约为toft/2)ic值下降，两个期间i变化规律不同，所以要把积分区间分为两个部分，即

AO。("ide+",icd) 

-I(-[1{+I1m-Io)dr+(L1m--1。)ar] 

注:为便于计算，上述***项积分移动纵坐标使积分下限为坐标原点。经过数学运算求得

U。Ttoff 

△U。= 8LC。U。5t。

8LC。

根据允许的输出纹波电压峰-峰值AU。(或相对纹波AU。/Uo,通常相对纹波小于0.5%),可利用上式确定输出滤波电容所需的电容量为

Co三U。T2_ 司(3-9) 

8LAU。

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从上式可以看出，开关频率愈高，即T愈小，则所需电容量C。愈小。

输出滤波电容C。采用高频电解电容器，为使C。有较小的等效串联电阻(ESR)和等效串联电感(ESL),常用多个电容器并联。电容器的额定电压应大于电容器上的直流电压与交流电压峰值之和，电容器允许的纹波电流应大于实际纹波电流值。电解电容器是有极性的，使用中正、负极性切不可接反，否则，电容器会漏电流很大而过热损坏，甚至发生爆炸。

c.功率开关管VT (VMOSFET)。

(a) VMOSFET的漏极电流Ipmax与漏极电流有效值I{Dx。降压变换器等非隔离型开关电源，功率开关管导通时，漏极电流p等于ton期间的电感电流，因此漏极电流IDmax与储能电感中的电流值ILmax相等。当L≥L。时

=I1+ I (3-10)

UPS电源技术及应用

红=何1 

在降压变换器中

ID≈√D1。

(3-7 (b)VMOSFET的漏-源电压UDSmx。功率开关管的漏-源电压u Ds在它由导通变

UDSmAx=U1 

(3-14 藏止时，在降压变换器中其值为

有考虑它的“上升时间”t,和“下降时间”t:等动1MOSFET的耗散功率PD。在前面的讨论中，把功率开关管视为理想器件，既丸

参数及开关损耗，也没有考虑它的通态损耗。

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实际上1/n 功率开关管在工作过程中是存在功率损耗的，开关e 作一周期可分为4个时区，即上升期间t、导通期间

_on、下降期间和截止期间toff ,除了toff期间损耗功率很小外，在tr、t和ton期间的损耗功率都不能忽略。

深人讨论t，和t的过程很复杂，为简化分析图3-25 功率开关管漏极电压将开关工作波形理想化如图3-25所示。VMOS场势

电流开关工作波形应管各时区的损耗功率在一个周期内的平均值分别

如下。

上升损耗:P,-:Us(1-)1D2-Jge 

psI{t 

T 

通态损耗:P_on=UDsSonID=U{psonIDD 

oSID 下降损耗:Pr-Us5(1-})1}a-6T 

to=UDs I Dss(1-D) 截止损耗:Poff=U{ps I pss 因此，VMoSFET的耗散功率为

Pp=Pt+Pon+Pt+P off 

UDpsID(t,十tp)+UDSon IDD+UDs IDss(1-D) 6T 

(3-15) 

式中，UDs为VMOSFET截止时的D、S极间电压；ID为VMoSFET导通期间的漏极均电流；T为开关周期；t为VMOSFET的开关参数“上升时间”；t为VMoSFET的关参数“下降时间”；UDSon}为VMOSFET的通态压降，UDpSon=IDRon(Ron为MOSFET的导通电阻)；Ipss为VMOSFET 的零栅压漏极电流，即VMOsFET截止时的极电流；D为占空比。

P，与P5之和称为开关损耗，Pon与Poff之和称为稳态损耗。

通常VMOSFET的Ips5很小，使Poff可以忽略不计，因此VMOSFET的耗散功率可近似为

UpsID(t十t)+U{DSonIDD 

PD=6T (3-16) 也就是说，Pp近似等于开关损耗与通态损耗之和。为了避免开关损耗过大，(t,十)

比T小得金。第3章常用功率变换电路

式(3-16)具有通用性，不仅适用于降压式直流变换器，而且对其他类型的直流变换器也适用。需要说明的是，该式仅适用于粗略估算，因为它所依据的是功率开关管的理想开关形，同实际开关波形有些差别，式中的开关损耗部分有可能出现较大误差(计算开关损耗较***的万法是:根据实测ip、ups波形，用图解法求出，不过这种方法很复杂)，用式计算的结果选管时，VMOSFET允许的耗散功率要有一定余量，

0(.t10&＃39;Dnsonl。0。对降压变换器而言，Ups=U1,ID=1。,D=U。/U1,故

PD6T 0, 

(3-17) 

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选择VMOSFET 的要求是:漏极脉冲电流额定值IDM>IDm发，漏极直流电流额定值大ID，漏-源击穿电压U(BR)Dss≥1.25UDSmax(考虑25%以上的余量)，允许耗散功率nM≥>PD,导通电阻Ro小，开关速度快。

d 续流二极管VD。续流二极管VD在功率开关管VT截止时导通，其电流值等于期间的i。从图3-23(e)可以看出，续流二极管中的电流平均值为

I vD= 1o=(1-DI{ 

(3-18) 在降压变换器中，由于I1=10,D=U。/U{1,因此

IV=11!l。(3-19) 

续流二极管承受的反向电压为

UR=U1 

(3-20) 

选择续流二极管的要求是:额定正向平均电流IF≥(1.5~2)I vD,反向重复峰值电压RRM≥(1.5~2)UR,正向压降小，反向漏电流小，反向恢复时间短并具有软恢复特性。上述选择VMOSFET和二极管的要求，不仅适用于降压式直流变换器，对其他直流变器也适用。4优缺点降压变换器的优点: 

a若L足够大(L≥江Lc),则电感电流连续，不论功率开关管导通或截止，负载电流都经储能电感，因此输出电压脉动较小，并且带负载能力强；

b.对功率开关管和续流二极管的耐压要求较低，它们承受的电压为输入电源

电压。

降压变换器的缺点: 

a当功率开关管截止时，输入电流为零，因此输人电流不连续，是脉冲电流，这对输)电源不利，加重了输入滤波的任务；

b.功率开关管和负载是串联的，如果功率开关管击穿短路，负载两端电压便升高到输人电压U1,可能使负载因承受过电压而损坏。

限于篇幅，对后面其他类型的变换器不讲述元器件参数的计算。不同的直流变换器，虽然元器件参数的计算公式不同，但分析方法相似。对于其他类型的直流变换器，在掌握其工作原理和波形图的基础上，可借鉴上述方法计算元器件参数。

(2)升压式直流变换器

1 工作原理。