為了讓UPS在市電中斷時(shí)真正發(fā)揮保護(hù)作用，一方面要求UPS具有良好的切換功能和切換時(shí)間，同時(shí)UPS配置的電池必須具有良好的充電狀態(tài)，否則很難達(dá)到預(yù)期效果。

因此，在UPS電池每次放電后和日常使用過(guò)程中，必須注意確保UPS中的電池具有良好的充電狀態(tài)，這需要UPS設(shè)計(jì)者和用戶考慮電池的充電。常用的鋰電池充電電路包括恒壓充電和先恒流后恒壓充電。

 

恒壓充電電路

為了簡(jiǎn)化電路并降低成本，備用UPS通常使用由降壓變壓器、整流橋模塊、集成穩(wěn)壓器芯片、電阻器、電位計(jì)和電容器組成的恒壓充電電路。電路如圖6-14所示。

 

 

市電通過(guò)變壓器B后，變成27V的交流電壓，通過(guò)整流器模塊轉(zhuǎn)換為脈動(dòng)直流電壓，然后通過(guò)濾波電容器C轉(zhuǎn)換為33V的平滑直流電壓。這個(gè)直流電壓通過(guò)集成電壓調(diào)節(jié)器芯片轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定可調(diào)的直流電壓。集成芯片的輸出電壓V0為：

 

 

如果備用UPS采用12V和6Ah兩個(gè)密封電池，電池的最終放電電壓為21V，充電電壓為27.5V。如果充電電壓選擇過(guò)高，充電初期的充電電流會(huì)過(guò)大，容易損壞電池；如果充電電壓選擇得太低，則在充電的后期充電電流會(huì)太小，從而導(dǎo)致充電不足。因此，最終充電電壓選擇為26~27V。此時(shí)，充電的初始階段充電電流不應(yīng)超過(guò)0.2C，充電后期的充電電流接近0.05C。

 

先恒流后恒壓充電電路

先恒流后恒壓充電也稱為分級(jí)充電。這種電路有多種形式，本節(jié)選擇其中一種電路進(jìn)行討論。電路框圖如圖6-15所示。

 

 

圖片中的整流器用作逆變器和充電器的共享直流電源。整流器不僅為逆變器提供穩(wěn)定的電壓和平滑的電流，還通過(guò)充電器為電池提供可變的電流和電壓。當(dāng)市電正常時(shí)，電池兩端的電壓VB小于整流器輸出端的電壓VA，隔離二極管VD被切斷。當(dāng)市電中斷時(shí)，整流器的輸出電壓VA為零，隔離二極管VD-導(dǎo)通，蓄電池為逆變器提供工作電壓。

 

分級(jí)充電電路如圖6-16所示。主要由主電路、脈寬調(diào)制器、電流調(diào)制電路、電壓調(diào)制電路和保護(hù)電路組成。

 

 

主電路

在圖6-16中，主充電回路由整流橋VD1~VD6、隔離二極管VD7、VD8、開關(guān)管VT1、電流采樣電阻器R1、電流傳感器CS、電感器L、續(xù)流二極管VD9、VD10組成。簡(jiǎn)化電路如圖6-17（a）所示。在圖中，Vd表示三相整流橋的輸出電壓，E表示電池兩端的電壓，Vd表示續(xù)流二極管，VT表示開關(guān)管。施加到開關(guān)管柵極的信號(hào)如圖6-17（b）所示。

 

 

工作過(guò)程如下：在t0~t1期間，開關(guān)管VT的柵極加上脈沖，VT飽和導(dǎo)通，V T=0，限流電感器L的電壓為：

 

 

i隨時(shí)間線性增加，其波形如圖6-17（c）所示。它為電池充電，并將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能進(jìn)行儲(chǔ)存；同時(shí)，它將電能轉(zhuǎn)換為磁能，并將其存儲(chǔ)在限流電感器中。

在t1至t2期間，VT的柵極沒有脈沖，VT截止，通過(guò)限流電感的電流呈線性下降，兩端產(chǎn)生極性為左“+”右“-”的反電勢(shì)。由于eL>E，連續(xù)二極管VD導(dǎo)通，VD≈0，限流電感中的磁能轉(zhuǎn)換為電能，為電池充電。

 

之后，以T1為周期重復(fù)上述過(guò)程，輸出波形如圖6-17（d）所示。

從上面可以看出，主電路的功能是將穩(wěn)定的直流電壓Vd轉(zhuǎn)換為脈沖電壓，將平滑的電流轉(zhuǎn)換為變化的電流。通過(guò)電池的平均電流不能超過(guò)電池額定容量的1/10。

 

主電路的輸出電壓V0的平均值為：

 

 

從上面的公式可以看出，改變占空比δ可以改變輸出電壓，這也會(huì)改變充電電流。

 

脈寬調(diào)制器

在圖6-16中，脈寬調(diào)制器由比較器U1組成。其非反相端子連接到調(diào)制信號(hào)，反相端子連接至角波信號(hào)。簡(jiǎn)化電路如圖6-18（a）所示。

 

 

單極三角波，是一個(gè)直流信號(hào)，其工作過(guò)程為：當(dāng)>時(shí)，比較器的輸出為高；當(dāng)<時(shí)，比較器的輸出為低。比較器的輸出信號(hào)V0的波形如圖6-18（c）所示。從圖中可以看出：脈沖增加，脈沖變寬；則脈沖變窄。

 

三角波發(fā)生器

在圖6-16中，三角波發(fā)生器由方波發(fā)生器、分頻器、跟隨器和積分器組成。它的功能是產(chǎn)生一個(gè)頻率為20kHz的三角波。工作過(guò)程如下。

假設(shè)比較器U5，非反相端子為VTH（+），輸出端子為高電位。該電位通過(guò)R7被充電到C1，并且VC1逐漸上升。當(dāng)VC1>VTH+時(shí)，比較器的輸出端從高電位變?yōu)榈碗娢?。端子從VTH（+）跳到VTH（-），因此C1通過(guò)R7放電，VC1逐漸下降。當(dāng)VC1＜VTH（-）時(shí)，電路再次跳變。重復(fù)該循環(huán)，并且在比較器的輸出處獲得方波。波形如圖6-19（8）所示。方波的頻率為：

 

 

方波通過(guò)反相器U6被加到分頻器的輸入端。分頻器由一個(gè)D觸發(fā)器U7組成。D觸發(fā)器的D端與兩個(gè)分頻器相連；CP端子連接到反相器U6的輸出端子；輸出端子Q通過(guò)R8和C2連接到跟隨器的非反相端子。U7的功能是將40kHz的方波轉(zhuǎn)換為20kHz的方波。

圖中R8、C2和R9的作用是隔離20kHz方波中的直流分量，使單極方波變成雙極方波。U8使用單個(gè)電源，7.5V電源用作偏置電壓，以施加到U8到R9的非反相端。

 

跟隨器由運(yùn)算放大器U8組成，其任務(wù)是將分頻器與積分器分離。

積分器由R10、C3和U9組成。構(gòu)成當(dāng)20kHz方波處于正最大值時(shí)，它將通過(guò)R10對(duì)C3充電并根據(jù)線性定律增加，U9輸出端電位將根據(jù)線性定律降低；當(dāng)20kHz方波處于最小值時(shí)，C3根據(jù)線性定律通過(guò)R10和VC3放電減小，U9輸出端電位根據(jù)線性定律上升。波形如圖6-19（c）所示。從圖中可以看出，三角波是從U9的輸出中獲得的。

 

閉環(huán)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)

在階段充電的早期階段，使用恒流充電，因此需要閉環(huán)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在圖6-16中，閉環(huán)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)由主回路、電流檢測(cè)電路、電流誤差放大電路、脈寬調(diào)制器和驅(qū)動(dòng)電路組成。

 

?電流檢測(cè)電路。

電流檢測(cè)電路由運(yùn)算放大器U10和U11、電阻器R11~R17、電位計(jì)VR1和電容器C4組成，U10和R11~R14構(gòu)成差分放大器。i是充電電流I0通過(guò)電流傳感器CS之后的對(duì)應(yīng)電壓，即i＝KI0。U10使用單個(gè)電源，7.5V電源用作偏置電壓，以施加到U10到R13的非反相端。由于R11＝R12＝R13＝R14，差分放大器的輸出電壓υ10為：

 

 

從上面可以看出，差分放大器只起到隔離的作用。在圖中，U11、R15~R17、VR1和C4構(gòu)成一個(gè)反相放大器。7.5V是U11的偏置電壓；從VR1獲得的電壓用于抑制U11的偏移；C4可以抑制U11的高頻振蕩。反相放大器的輸出電壓為：