EXB841的工作电源为+20V，不是常见电源输出值。考虑到各EXB841模块的隔离驱动，因此每个EX841的工作电源必须独立，不能共用一个电源。在本设计中，采用了专门定做的DC/DC模块电源。直流输入来自系统工作开关电源的+24V/0.5A(对GND)。
图4-5给出了由EXB841产生的IGBT的驱动脉冲波形UCE，其正向电压幅值为10V，负电压幅值为5V。
5.IGBT的保护电路设计
IGBT是UPS逆变器中非常重要的功率开关器件，它的工作正常与否直接关系到逆变器的正常工作，因为它的损坏对逆变器是致命的，所以必须保护好IGBT。设计好其保护电路是唯一有效的保护方法。
一般IGBT的保护从过流、过压、过热三方面入手，设计相应的保护电路和采取相应的保护措施来实现IGBT的保护。
(1)关于过流保护。在上述驱动电路设计中，EXB841具有过流检测功能。保护的原理是检测过电流信号，切断门控信号并报警。这其中存在一个识别时间即切断门控信号时间要小于允许的短路过电流时间。IGBT的短路电流承受能力于IGBT的饱和管压降及V?有很大关系：V?越小，饱和管压降越大，短路承受能力强。保护电路只有在2us内动作(小于短路承受能力时间)，才能实现IGBT的保护。这么短的反应时间，往往是保护电路难以区分真、“假”短路(比如反向续流二极管反向恢复过程时间为1-2us)，从而产生误动，影响系统的可靠性。为此可从两方面入手，一方面，采用高速光耦器件及快传送电路以加快信号的传输时间；另一方面，降低门极电压，比如从15V降至10V，使得IGBT的短路承受能力由5us增至10us，即在小于10us的短路时间内连续检测出过电流则属于“真”短路。
在控制软件设计中，通过检侧逆变器的输出电流来判断IGBT是否过流，从而采取相应保护措施。
(2)过流保护时IGBT的关断速度。由于过电流时电流幅值很大，如果快速关断易造成di/dt过大，而形成很高的尖峰电压，易损坏IGBT和其他器件。因此过流时IGBT的关断须采取慢速关断。
32
(3)过压保护。一般采取阻容缓冲、吸收电路来抑制过电压及抑制过大的du/dt。对于200A以下的IGBT可采用如图4-6所示的缓冲电路来实现过压保护。
图4-6 IGBT缓冲电路设计
4.2.2 逆变器输出变压器和静态开关
1.利用隔离变压器滤波
经调制的SPWM波形要经过滤波才能得到正弦波。同时为了隔离UPS输入和输出，使它们没有直接的电的联系，从而可减小相互干扰，在逆变电路输出端接入工频隔离变压器，接法为△-Y型。而且，隔离变压器本身具有一定的漏感、漏阻及分布电容，这样变压器天然是一个低通滤波器，从而可省去体积庞大的输出滤波器，并且滤出的正弦波失真度很小。这是因为逆变变压器原边连接成三角型，而变压器输出接Y型，这种△-Y变换的波形，三次和三的倍数的谐波都被抑制掉了，而五次和七次谐波又为零，故无需输出滤波器即可。
2.静态开关
为实现逆变器供电和静态旁路供电之间的不间断切换，采用了静态开关技术，详参第五章。
4.2.3 逆变器主回路电路
综上所述，可得到本UPS中逆变器的主回路电路，如图4-7所示。(IGBT的缓冲电路和静态开关(快速晶闸管)的阻容吸收电路详见第五章)。
在图4-7中，I-LEM和V-LEM分别为霍尔电流、电压传感器。逆变开关
33
器件采用两单元的IGBT模块。T1为工频隔离变压器。静态开关由一对反并联的快速晶闸管组成。
图4-7 逆变器主电路图
IGBT的大小选择主要考虑耐压、耐流。根据逆变器 的容量(20KVA)和输出电压(380V)，额定电流计算如下：
Ie?S3U?20KVA(380?1.732)?30A
考虑裕量(3倍以上)额定电流取100A；耐压(裕量取3倍以上)取1200V。实际中可选用日本富士公司生产的两单元模块2MBI100N-120。
4.3 UPS逆变器控制电路设计
逆变器的控制电路是逆变器的核心。它的功能是实现对逆变器主回路的控制和调节，保持输出电压和频率的稳定。对逆变器控制电路的基本要求和功能是:
(1)输出三相互补的SPWM正弦脉宽调制脉冲； (2)能控制和调节逆变器输出电压和频率的大小； (3)保持输出电压和频率的稳定；
(4)对逆变器进行软启动，以控制逆变器启动时间，限制启动电流； (5)输出电压与市电电网电压锁相同步。
根据以上要求，结合PWM逆变器的控制原理，设计了以下以80C196MC单片机为控制核心的微机控制系统。
UPS逆变器的控制电路框图如图4-8所示。它包括主控电路、测量与信号采集电路、PWM脉冲输出电路、信号输出电路、同步锁相电路、通讯电
34
路、显示电路、工作电源等部分组成。
SPWM 输 出 测量 同步 80C196MC 单片机逆变 器控制系统 状态信号输出 保护信号输出 信号采集 给定 工作方式 通讯接口 键盘接口 显示接口 图4-8 逆变器控制框图
需要注意的是，在PWM脉冲输出电路设计中，虽然利用80C196MC单片机可编程产生三相互补PWM脉宽调制波，但是从单片机发出的PWM信号不能直接和逆变器主电路的IGBT单元模块相连接这是因为信号驱动功率不够。一般单片机的I/O口驱动能力很弱。因此从单片机输出的PWM信号必须经过功率驱动才能有效驱动IGBT；同时信号与主电路必须进行严格的电位隔离。逆变器的主电路处在高电压、大电流的强磁场的环境中，如果从单片机发出的PWM信号直接接入主电路，主电路的强磁场及其他电磁信号势必干扰单片机的正常工作。因此在PWM信号接入主电路之前必须进行严格的电位隔离。
1.测量和信号采集电路设计
测量包括相位测量、频率测量、电压变送器测量、电流变送器测量等。 相位和频率测量电路都是利用80C196MC单片机的EPA功能实现的。通过其捕获口捕获脉冲跳沿到来时刻，并记录下来。电路如图4-9所示：
35
图4-9 频率和相位测量电路
此频率测量电路的原理是将输入的正弦波信号变换成方波信号，再送到80C196MC单片机的EPA功能捕获口，利用方波信号的跳变沿触发单片机产生中断。单片机以测周的方式，根据相邻两次中断的时间差来测量信号的周期，从而获得信号的频率。图4-9中，电阻R1, R2, R3, R4和电容Cl及运放Al组成有源滤波电路；电阻R5, R6、及C2, C3组成带通滤波电路，通过选择合适的参数，可使滤波器的通带中心频率接近工频50HZ。运放A2接成过零电压比较器形式，采用正反馈接线方式是为了使比较器性能稳定，并满足一定的精度要求。
电压、电流变送器指常用PT、CT以及霍尔电流传感器LEM等。通过它们实现主电路的高电压、大电流降压、隔离送至低压信号采集电路，进而进入单片机进行处理。
2.信号输出电路设计
主要包括开关量如继电器保护信号等的输出和一些状态信号如指示灯、光字牌等的输出。开关量输出须经过光电隔离器件、驱动电路接入诸如继电器等输出电路中。设计中，利用80C196MC单片机的P5口及其他口共10路作为标I/O口输出。
3.电压反馈与逆变器稳压电路设计
对不间断UPS装置的要求是：不但能不间断地向负载供电，而且还要求它在负载或交流输入电源发生变化时，应具有稳定的输出电压。但是因为整流器的输出作为逆变输入，是经常变化的；同时负载的变化也使得逆
36