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基础篇3

第1章 功率器件及其应用3

1.1 二极管3

1.1.1 二极管的工作原理及其分类3

1.1.2 二极管在UPS中常见的功能3

1.1.3 二极管反向阻断和正向通态电压4

1.1.4 UPS电路中IGBT的续流二极管过压损坏的原因5

1.1.5 对续流二极管在UPS变换器中的要求5

1.1.6 二极管的检测6

1.2 晶闸管（SCR）7

1.2.1 普通晶闸管的结构和工作原理7

1.2.2 晶闸管的伏安特性和主要参数9

1.2.3 其他晶闸管12

1.2.4 晶闸管的保护电路12

1.2.5 晶闸管损坏原因判别15

1.2.6 晶闸管的检测16

1.2.7 晶闸管的型号说明16

1.3 功率场效应晶体管（MOSFET）18

1.3.1 概述18

1.3.2 功率MOSFET的结构和工作原理19

1.3.3 功率MOSFET的基本特性22

1.3.4 动态性能的改进23

1.3.5 功率MOSFET驱动电路24

1.3.6 UPS中常见的功率MOSFET驱动电路介绍及分析25

1.3.7 功率MOSFET的发展与改进28

1.3.8 MOSFET功率损耗分析30

1.4 绝缘栅双极性晶体管（IGBT）31

1.4.1 IGBT的结构与工作原理31

1.4.2 术语说明与特性35

1.4.3 IGBT的擎住效应和安全工作区39

1.4.4 IGBT的驱动电路39

1.4.5 UPS中IGBT保护电路分析42

1.4.6 IGBT功率模块发生故障时的应对方法47

1.4.7 国内外技术现状及发展趋势52

第2章 UPS常用集成电路及其应用53

2.1 电压比较器、运算放大器及滤波电路53

2.1.1 电压比较器53

2.1.2 运算放大器电路56

2.1.3 有源滤波电路60

2.1.4 比较器、运算放大器的应用实例61

2.2 555触发器及低压侦测集成电路64

2.2.1 555电路64

2.2.2 触发器电路66

2.2.3 低压侦测集成电路68

2.3 MOSFET、IGBT驱动集成电路70

2.3.1 IR2117驱动集成电路70

2.3.2 日本富士EXB系列IGBT驱动集成电路73

2.4 UPS中的线性集成稳压电路79

2.4.1 三端线性集成稳压电路79

2.4.2 高精度基准电压源集成电路（TL431）84

2.5 开关电源控制器87

2.5.1 SG1524/SG2524/SG3524脉宽调制器87

2.5.2 改进型SG3525脉宽调制器90

2.5.3 UC3842/UC3843脉宽调制器95

第3章 整流滤波电路102

3.1 单相不控整流电路102

3.1.1 单相桥式整流电路102

3.1.2 单相半波整流电路104

3.1.3 单相全波整流电路105

3.2 单相可控整流电路106

3.2.1 单相半波可控整流电路106

3.2.2 单相全桥可控整流电路108

3.2.3 单相半控桥整流电路110

3.3 三相可控整流电路112

3.3.1 三相半波可控整流电路112

3.3.2 三相全控桥整流电路115

3.4 自关断器件在可控整流电路中的应用120

3.5 整流器对UPS输入相序的要求及其应用案例分析121

3.5.1 相序对晶闸管整流器的影响122

3.5.2 相序对全桥不控整流器无影响124

第4章 逆变电路及脉宽调制（PWM）技术126

4.1 方波逆变电路126

4.1.1 单相方波逆变电路及其波形126

4.1.2 方波逆变器的输出波形分析128

4.2 PWM控制的基本原理129

4.3 PWM逆变电路及其脉宽调制（SPWM）方法131

4.3.1 计算法和调制法131

4.3.2 异步调制和同步调制135

4.3.3 规则采样法137

4.4 脉宽调制跟踪控制法138

4.5 逆变控制技术的应用实例分析141

4.5.1 基于PIC单片机的SPWM控制逆变器实例141

4.5.2 基于DSP实现的无差拍控制逆变器实例145

第5章 功率因数修正及谐波抑制149

5.1 概述149

5.2 无源滤波器151

5.3 无源功率因数校正152

5.3.1 在UPS整流器与直流滤波电容之间串入无源电感152

5.3.2 在UPS整流器输入端串入无源LC串并联谐振槽路152

5.3.3 用电容和二极管网络构成填谷式无源校正153

5.4 多重叠加整流154

5.4.1 6脉冲整流器154

5.4.2 12脉冲整流155

5.4.3 谐波数据分析156

5.5 有源功率因数校正（PFC）157

5.5.1 电流临界导电模式（CRM）157

5.5.2 电流非连续导电模式（DCM）157

5.5.3 电流连续导电模式（CCM）160

5.5.4 功率因数校正器的应用实例161

5.6 脉宽调制（PWM）整流169

5.6.1 单相PWM开关整流169

5.6.2 三相PWM全桥开关整流172

5.6.3 PWM整流控制方式174

5.6.4 PWM整流应用实例176

5.7 有源电力滤波器179

5.7.1 有源电力滤波器的基本原理179

5.7.2 有源电力滤波器的系统构成181

5.7.3 有源电力滤波器的主电路186

5.8 UPS谐波抑制的解决方案及应用比较187

5.8.1 技术解决方案187

5.8.2 大功率晶闸管整流UPS谐波抑制应用解决方案的比较187

第6章 UPS并联冗余技术及冗余配置190

6.1 UPS单机或逆变模块的并联控制190

6.1.1 UPS并联常见的连接控制方式190

6.1.2 UPS逆变模块并联均流控制192

6.1.3 UPS逆变模块并联同步电路197

6.1.4 UPS逆变模块并联运行控制实例197

6.2 UPS供电系统的可靠性和可用性202

6.2.1 单机UPS供电系统的可靠性分析202

6.2.2 UPS供电系统的可用性分析205

6.3 并机冗余UPS的配置206

6.3.1 双变换单机UPS系统206

6.3.2 并联冗余UPS系统207

6.3.3 隔离冗余UPS系统211

6.3.4 分布冗余UPS系统214

第7章 大型UPS的安装、调试、使用与维护217

7.1 UPS的安装217

7.1.1 设备场地、环境要求217

7.1.2 拆箱与就位217

7.1.3 设备配电218

7.1.4 系统接地220

7.1.5 蓄电池安装222

7.1.6 设备内部静态物理检查222

7.2 UPS的调试223

7.2.1 调试前的准备工作223

7.2.2 调试内容和调试步骤223

7.3 UPS的使用与维护225

7.3.1 UPS的使用225

7.3.2 UPS的常见运行故障226

7.3.3 UPS的维护及保养227

实战篇233

第8章 FH-500（HANSA）UPS实例剖析233

8.1 工作原理233

8.2 辅助电源及充电电路234

8.3 市电／逆变器切换控制原理235

8.3.1 市电供电正常时的市电／逆变器切换控制电路的工作原理235

8.3.2 市电中断或超出正常范围时的市电／逆变器切换控制电路的工作原理236

8.4 自动稳压工作原理240

8.4.1 市电供电时的自动稳压原理240

8.4.2 逆变器供电时的自动稳压原理240

8.5 保护电路241

8.5.1 逆变器过流保护241

8.5.2 蓄电池电压过低保护241

8.5.3 逆变器过压保护242

8.5.4 市电过电压保护242

8.6 工作状态显示及报警电路242

8.7 FH-500 UPS工作点的调整243

8.8 FH-500 UPS的使用注意事项244

8.9 常见故障及维修方法244

第9章 ES-500（APC）UPS实例剖析247

9.1 概述247

9.2 硬件电路部分249

9.2.1 蓄电池充电器249

9.2.2 直流升压电路250

9.2.3 逆变器254

9.2.4 逆变器驱动电路254

9.2.5 单片机控制电路257

9.3 ES-500 UPS的常见故障维修257

第10章 PIC17C43单片机控制DS30系列的UPS实例剖析259

10.1 系统概述259

10.2 逆变器260

10.2.1 逆变器的结构260

10.2.2 逆变器工作方式261

10.3 系统的硬件电路说明262

10.4 电路266

10.4.1 蓄电池直流升压电路267

10.4.2 自由调整电路271

10.4.3 功率因数校正电路275

10.4.4 逆变器控制电路275

10.5 软件部分286

10.5.1 软件设计方案286

10.5.2 程序代码288

10.6 DS30系列的UPS的PCB板及元件清单293

第11章 Powerware（1～3kVA）系列（爱克赛）的UPS实例剖析303

11.1 基本工作原理及主要技术特性303

11.2 面板显示及操作304

11.2.1 面板指示功能及运行方式304

11.2.2 UPS操作方法307

11.3 整流器电路307

11.4 直流升压电路310

11.5 逆变器及输出电路316

11.5.1 逆变器主电路316

11.5.2 逆变器脉宽调制及驱动电路318

11.6 辅助电源及充电电路322

11.6.1 脉宽调制芯片（TOPSwitch 226）的特性及工作原理324

11.6.2 辅助电源功率变换主电路327

11.7 MC68H11K微处理器控制电路328

11.8 Powerware Prestige 3000 UPS的维修330

11.8.1 一般故障及维护方法330

11.8.2 严重故障及维修方法331

第12章 “天王”（1～6kVA）系列UPS实例剖析335

12.1 系统性能指标及功能335

12.1.1 系统性能指标335

12.1.2 系统的主要功能336

12.2 系统的总体架构336

12.2.1 UPS主电路拓扑结构337

12.2.2 主控制单元组成338

12.3 系统主要部件的选型分析340

12.4 系统正弦逆变控制硬件电路342

12.4.1 信号检测及A/D转换电路342

12.4.2 市电／逆变相位检测电路345

12.4.3 PWM信号发生电路346

12.4.4 保护、控制信号接口347

12.4.5 通信接口电路347

12.5 系统正弦逆变控制软件基本思想348

12.5.1 逆变控制器程序采样周期执行时序348

12.5.2 系统各中断优先级的设定349

12.5.3 A/D转换子程序350

12.5.4 参考正弦波的产生及逆变／市电锁相子程序351

12.5.5 逆变控制算法程序与PWM产生方法353

12.6 辅助电路354

12.6.1 系统辅助电源电路354

12.6.2 12V系统工作电源355

12.6.3 LEM霍尔元件供电电路355

12.6.4 逆变驱动供电电路356

12.7 保护检测与控制执行电路356

12.7.1 系统保护检测电路356

12.7.2 系统控制执行电路359

12.7.3 UPS逆变驱动隔离电路361

12.8 UPS常见故障及处理363

第13章 机架式iTrustRT（1～3kVA）系列（爱默生）UPS实例剖析365

13.1 机架式iTrustRT系列UPS的技术及应用特点365

13.2 基本结构367

13.3 功率主电路拓扑结构368

13.4 控制电路371

13.4.1 功率因数校正控制371

13.4.2 PWM逆变器控制372

13.4.3 DC/DC升压控制374

13.4.4 蓄电池充电控制374

13.4.5 频率／相位跟踪控制374

13.5 硬件架构374

13.5.1 系统硬件电路架构374

13.5.2 UPS微处理控制器（DSP）375

13.5.3 UPS控制电路板376

13.5.4 UPS功率电路板377

13.6 软件架构378

13.6.1 软件程序功能的类型378

13.6.2 实时监控软件379

第14章 C（1～3kVA）系列（山特）UPS实例剖析381

14.1 C（1～3kVA）系列UPS的性能参数及系统结构381

14.2 电路工作原理382

14.2.1 功率级电路工作原理382

14.2.2 控制电路工作原理386

14.3 C3 kVA UPS维修参数393

14.3.1 控制电路维修参数393

14.3.2 保护电路维修参数396

14.4 常见故障排除397

14.4.1 功率板电路维修判据及常见故障处理397

14.4.2 输入CPU的各检测信号电路的常见故障及处理400

14.4.3 CPU输出控制、保护电路的常见故障及处理401

第15章 SM/ST（5～200kVA）系列（先控）UPS实例剖析402

15.1 概述402

15.1.1 UPS电路结构402

15.1.2 控制电路板连接结构404

15.2 基础电源板A5406

15.2.1 基础电源电路406

15.2.2 基础电源控制电路407

15.2.3 基础电源板上的直流母线反馈信号409

15.3 电气参数及开关状态的信号采集电路410

15.4 接口板A7电路412

15.4.1 接口板A7电源电路412

15.4.2 信号调制电路413

15.4.3 同步取样信号调制电路420

15.4.4 整流器SCR驱动信号调制电路423

15.4.5 逆变器SPWM信号调制电路425

15.5 静态开关（BYPASS）单元428

15.5.1 静态开关主电路及缓冲保护电路428

15.5.2 静态开关驱动放大电路429

15.6 整流器单元431

15.6.1 整流器主电路及缓冲保护电路431

15.6.2 整流器SCR驱动放大电路431

15.7 逆变器单元434

15.7.1 逆变器功率主电路434

15.7.2 IGBT驱动放大电源电路434

15.7.3 IGBT驱动放大电路436

15.8 微处理器单元438

15.8.1 MC80C537微处理器439

15.8.2 整流器、逆变器及静态开关微处理器控制板硬件电路设计441

15.8.3 SM系列UPS整流器、逆变器微处理器控制板接口功能445

15.8.4 UPS系统主控及显示微处理器控制板硬件电路设计448

15.9 SM系列UPS使用说明及操作452

15.9.1 面板介绍452

15.9.2 UPS运行操作程序453

15.10 故障分析及维修459

15.10.1 UPS报警信息分析及维修方法459

15.10.2 电路板常见故障点及其维修466

第16章 Galaxy（40～800kVA）系列（梅兰日兰）UPS实例剖析469

16.1 Galaxy UPS概述469

16.1.1 UPS的结构469

16.1.2 控制系统结构471

16.2 单元电路474

16.2.1 辅助电源474

16.2.2 整流器电路476

16.2.3 逆变器电路481

16.2.4 旁路静态开关电路487

16.2.5 显示和通信491

16.3 UPS过载特性493

16.3.1 热过载493

16.3.2 限流494

16.4 Galaxy UPS的使用与常见故障分析495

16.4.1 控制面板介绍495

16.4.2 起动502

16.4.3 停机506

16.4.4 蜂鸣器复位509

16.4.5 常见故障509

第17章 22XXB（7.5～80kVA ）系列（三菱）UPS实例剖析512

17.1 概述512

17.1.1 UPS的基本特性512

17.1.2 系统组成及工作过程514

17.2 控制电路517

17.2.1 DSP实现的数字锁相517

17.2.2 蓄电池充／放电技术518

17.2.3 驱动电路（GDER-UA驱动板）523

17.2.4 负荷保护特性524

17.2.5 蓄电池检测功能525

17.3 UPS与PC的串行通信526

17.3.1 串行通信芯片526

17.3.2 硬件接口电路及程序526

17.4 UPS的使用与维修528

17.4.1 三菱UPS电源实物结构528

17.4.2 UPS故障判断及处理531

第18章 典型的全数字DSP控制UPS设计实例剖析545

18.1 系统概述546

18.2 采样周期执行时序548

18.3 变换及其控制电路550

18.3.1 逆变器电路550

18.3.2 蓄电池充电器554

18.3.3 功率因数校正电路（PFC）559

18.3.4 直流升压电路（Boost）564

18.4 软件流程及程序代码566

附录A UPS部分PCB板及驱动电路638

附录B UPS逆变控制模块程序流程图640

附录C 三菱22XXB系列UPS的控制电路642

参考文献644