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A5 406
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