帶后備電池的多路隔離輸出開關(guān)電源*

陸 寅 ，鄭常寶 ，鄧允長 ，李小強

(1.安徽大學 電氣工程與自動化學院，安徽 合肥230601；2.教育部電能質(zhì)量工程研究中心，安徽 合肥230601；3.安徽省工業(yè)節(jié)電與用電安全實驗室，安徽 合肥230601)

隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，人類對于電能的需求量越來越大。在化石能源等不可再生、能源日益短缺的情況下，越來越多的國家意識到節(jié)約能源與開發(fā)可再生能源的重要性。因此近幾年，高壓直流輸電、太陽能發(fā)電等高新技術(shù)得到快速發(fā)展。而這些高新技術(shù)的發(fā)展都離不開性能日益提升的大功率可控器件，如IGBT。這些大功率器件往往功率較大、集成度高、價格昂貴，且需要有適合其工作的驅(qū)動電路。由于這些大功率器件在工作中往往是多只組合構(gòu)成橋式電路工作，每只功率器件都是獨立的，因此其驅(qū)動電路所需電壓必須由多路隔離的直流電壓提供，而這種多路隔離的直流電壓輸出一般都由開關(guān)電源實現(xiàn)。開關(guān)電源一般由市電為其供電，只要市電正常，開關(guān)電源就可工作，并能輸出穩(wěn)定的多路隔離直流電壓。一旦市電發(fā)生故障，開關(guān)電源的輸出電壓就會下降，而由于連接大功率開關(guān)器件的直流母線上并聯(lián)著容量較大的電解電容，開關(guān)電源輸出電壓下降必然導致驅(qū)動電路的電壓下降，由此很可能導致功率器件在應該關(guān)斷的時刻不能立即關(guān)斷而燒毀。因此，驅(qū)動電路的供電開關(guān)電源對整個系統(tǒng)至關(guān)重要。為了保證功率器件可靠工作，其驅(qū)動電路應該能不間斷工作；或者在市電斷電的情況下，保持供電一段時間，讓功率器件都相繼關(guān)閉再斷電。由于開關(guān)電源是多路隔離輸出，且電壓等級也有很多種，如果為每一路輸出都配備一只蓄電池，雖然可以保證系統(tǒng)在市電斷電情況下運行一段時間，但蓄電池數(shù)量較多，需要很多充電器，且節(jié)點繁多，維護不便，使可靠性大打折扣。為保證市電斷電情況下多路隔離輸出開關(guān)電源繼續(xù)工作，且只使用一只蓄電池，本文設(shè)計了一種帶后備電池的不間斷多路輸出開關(guān)電源，該開關(guān)電源能在市電斷電的情況下繼續(xù)提供直流電壓，并能將市電故障信號提供給控制電路。

1 帶后備電池的多路隔離輸出開關(guān)電源的構(gòu)成

帶后備電池的多路隔離輸出開關(guān)電源結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

在市電正常情況下，市電同時給多路隔離輸出開關(guān)電源和輔助電源供電。多路隔離輸出開關(guān)電源輸出多組相互隔離的直流電壓為負載供電，針對不同的負載供電要求，可以設(shè)計出相應的多路隔離輸出開關(guān)電源，而這種多路隔離輸出開關(guān)電源的主電路形式都是相同的，只是輸出電壓的等級和數(shù)量有所不同。在多路隔離輸出開關(guān)電源工作的同時，輔助電源也從市電獲取電能，為充電/控制器供電。在市電正常的情況下，充電/控制器為蓄電池充電，蓄電池充滿電時，充電/控制器對蓄電池進行浮充電；同時充電/控制器為升壓電路提供電源，讓其工作，輸出設(shè)定的高壓直流電。

當市電因故障斷電時，輔助電源斷電。由于升壓電路輸出高壓直流電，且并連著電解電容，因此可為多路隔離輸出開關(guān)電源即時供電。此時，蓄電池立即投入工作，為升壓電路供電。蓄電池受其容量限制不可能無限時地為負載供電，因此充電/控制器不斷檢測蓄電池的電壓狀態(tài)，當電壓低至一定值時（一般25℃時，單節(jié)電池1.8 V），充電/控制器將停止蓄電池對負載的供電，以免蓄電池因過放電而導致壽命提前終結(jié)。為了保證多路隔離輸出開關(guān)電源所帶負載的安全工作，充電/控制器切斷蓄電池供電前將通過對外通信接口將信號傳遞給多路隔離輸出開關(guān)電源所帶負載中的控制電路，讓其逐步關(guān)閉大功率開關(guān)器件，并響應充電/控制器。這樣充電/控制器即可安全斷開蓄電池，同時充電/控制器中的MCU關(guān)閉一切可能耗電電路，進入休眠狀態(tài)，以進一步降低功耗。當市電恢復正常時，多路隔離輸出開關(guān)電源開始工作，同時輔助電源工作，充電/控制器開始為蓄電池充電，升壓電路也開始工作。

如果在市電斷電后蓄電池開始工作期間，市電又恢復正常，蓄電池將立即停止為升壓電路供電，且充電/控制器開始對蓄電池充電。蓄電池中的電能始終為備份作用，且在市電正常狀態(tài)時，充電/控制器會補充其儲能或讓其容量保持在最大狀態(tài)。

2 多路隔離輸出開關(guān)電源構(gòu)成及其工作原理

多路隔離輸出開關(guān)電源的主電路為反激式拓撲結(jié)構(gòu)，采用UC3844作為工作芯片。UC3844只需配合少量的外部電路即可正常工作，UC3844可構(gòu)成微調(diào)的振蕩器，能進行精確的占空比控制，提供溫度補償?shù)膮⒖?，具有高增益誤差放大器[1]，電流取樣比較器和大電流圖騰柱式輸出可較好地驅(qū)動MOSFET。同時UC3844還具備完善的保護功能。其原理框圖如圖2所示。

圖2所示為多路隔離輸出開關(guān)電源，設(shè)計工作電壓為 85 V～265 V，功率為 45 W。輸入側(cè)由整流、濾波、RCD吸收電路等組成。RCD吸收電路可吸收在MOSFET關(guān)斷期間原邊繞組電感中的儲能。偏置繞組為UC3844正常工作提供電源，通過過流檢測電阻將流過原邊繞組及MOSFET的電流轉(zhuǎn)換成電壓值傳至UC3844。只要電流超過設(shè)定值，UC3844將關(guān)斷MOSFET。改變電阻阻值的大小可改變過流保護的最大電流值。由TL431及光耦組成的反饋電路取樣主輸出電路的電壓值，產(chǎn)生相應的通斷信號反饋至UC3844，從而調(diào)節(jié)MOSFET驅(qū)動信號的占空比，進而保持主輸出電壓的穩(wěn)定。主回路以外對電壓精度要求不高的其他輸出繞組可直接輸出，如圖2中的V3和V4，且這兩路輸出可同時輸出正負電壓，以滿足大功率開關(guān)器件的驅(qū)動要求。如果對輸出電壓有精度要求，則可采用圖中V1和V2方式，在輸出端串聯(lián)78系列三端穩(wěn)壓芯片。圖2只是一個示意圖，在實際使用時，可根據(jù)負載電路的需求增加或減少輸出電壓的數(shù)量及改變其電壓參數(shù)。

3 升壓電路[2]及充電/控制器

升壓電路把輔助電源或蓄電池的低電壓轉(zhuǎn)換為約110 V的直流電壓，主電路拓撲結(jié)構(gòu)為推挽式，主控芯片為TL494。TL494可輸出帶死區(qū)的兩路互補的PWM信號，因此很適合驅(qū)動兩個MOSFET[3]。MOSFET選擇IRF3205，其導通阻抗為8 mΩ，耐壓 55 V，可流過的最大電流為110 A。整個電路的工作原理是：TL494產(chǎn)生PWM信號驅(qū)動MOSFET，兩個MOSFET工作于高頻開關(guān)狀態(tài)，這樣變壓器的兩個原邊繞組就產(chǎn)生了高頻脈動信號，在副邊產(chǎn)生相應的高頻電壓，副邊輸出電壓與輸入電壓和匝數(shù)比有關(guān)。輸出側(cè)的高頻電壓經(jīng)過二極管整流，電容濾波后變成所需的直流電壓，同時輸出側(cè)直流電壓經(jīng)穩(wěn)壓管及光耦反饋至輸入端，以保持輸出側(cè)電壓的穩(wěn)定[4]。電路原理圖如圖3所示。

充電/控制器采用 ATMEGA8作為其 MCU[5]，該單片機內(nèi)部資源豐富，有 ADC、PWM等模塊，因此無需外部擴展即可實現(xiàn)相對復雜的電路控制。在本系統(tǒng)中，控制電路主要實現(xiàn)對鉛酸蓄電池的充電、浮充、市電狀態(tài)檢測以及蓄電池與升壓電路的通斷等功能。市電正常時，輔助電源對控制電路供電；市電發(fā)生故障中斷時，蓄電池為其供電。

4 實驗結(jié)果

整個系統(tǒng)中，升壓電路是連接備用電池與多路隔離輸出開關(guān)電源的核心部件。升壓電路主電路為推挽式電路。驅(qū)動信號頻率約50 kHz，幅值約5 V，互補的一對驅(qū)動信號加于原邊的兩只MOSFET，使兩個MOSFET互補通斷，且兩信號間附加一個死區(qū)，以防止兩個MOSFET直接導通而發(fā)生短路。這種驅(qū)動方式可使高頻變壓器的工作更加穩(wěn)定，防止變壓器磁通飽和。

升壓電路的輸出波形如圖4所示。升壓電路變壓器的輸出為頻率約50 kHz的高頻方波交流電壓，其幅值約110 V，隨著蓄電池的電壓變化，輸出幅值略有變化，但有反饋的存在，變化范圍很小。由于此時輸出的電壓為方波交流電壓，且頻率很高，所以不能直接接入多路隔離輸出開關(guān)電源的輸入端。為了能夠?qū)⑸龎弘娐返妮敵鲭妷喊踩嘏c多路隔離輸出開關(guān)電源的輸入端相連，必須對其進行整流濾波，以直流電壓形式接入。由于交流電壓頻率很高，因此需選擇頻率特性良好的二極管，本系統(tǒng)中選擇反向恢復時間很短的FR107作為整流管。升壓電路輸出經(jīng)整流、濾波后的電壓為幅值約110 V的直流電。

圖5所示為市電掉電時,多路隔離輸出開關(guān)電源加入后備電池前后輸出電壓情況。

在不接入后備電池與升壓電路的情況下，當市電斷電時，多路隔離輸出開關(guān)電源輸出其中的一路(15 V)，電壓開始下降，但不會立即降為零，這是由于輸出側(cè)的電容中儲存了一定電能。經(jīng)過約0.25 s電壓已降至10 V，如果此時開關(guān)電源對外接有負載，很可能導致負載中的大功率器件驅(qū)動電路發(fā)生紊亂，導致嚴重事故。經(jīng)過約1 s的時間，輸出電壓已降至0 V。如果要使多路隔離輸出開關(guān)電源不間斷輸出，必須增加后備電源。接入后備電池與升壓電路后，在黑色箭頭所示時刻市電突然掉電，多路隔離輸出開關(guān)電源輸出中的一路（15 V）輸出波形。由于輸出側(cè)濾波電容的儲能作用，所以在市電掉電時，多路隔離輸出開關(guān)電源的輸出不受任何影響。

本文將蓄電池結(jié)合升壓電路作為多路隔離輸出開關(guān)電源的后備電源，在市電發(fā)生故障掉電時，后備電源接入系統(tǒng)工作，保證多路隔離輸出開關(guān)電源輸出的穩(wěn)定。結(jié)果表明，整個系統(tǒng)工作可靠，不足之處在于后備電源會消耗一部分電能，降低整個系統(tǒng)的效率。

[1]劉俊，楚君，王玲．一種基于UC3844的多路輸出開關(guān)電源設(shè)計[J].電子工程師，2007，33（9）：49-52.

[2]胡維昊，裴云慶，王兆安．推挽正激多重化DC/DC變換器的研制[J]．電力電子技術(shù)，2006，40(5)：20-22．

[3]丁成偉，高鶴，趙義忠，等．一種實用車載逆變器的設(shè)計[J].電子產(chǎn)品世界，2008（1）：88-89.

[4]National Semiconductor Corporation.LM25037 voltage mode PWM controller with alternating outputs[C].America：[s.n.].2008.

[5]馬潮，詹衛(wèi)前，耿德根．ATmega8原理及應用手冊[M]．北京：清華大學出版社，2003．