小功率并聯(lián)UPS電源的輸出切換控制驅(qū)動電路分析

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0 引言

并聯(lián)UPS電源的輸出切換控制是系統(tǒng)安全的非常重要的一環(huán),根據(jù)檢測到輸入輸出的電壓狀態(tài)形成的控制策略,實現(xiàn)對故障邏輯執(zhí)行、輸出電源模式的切換,用于控制輸出逆變輸出靜態(tài)開關(guān)和市電旁路靜態(tài)開關(guān)間的自動切換操作,實現(xiàn)市電與逆變輸出形成互為備用輸出模式,對系統(tǒng)的輸出電源的質(zhì)量和安全起到重要作用,要求具備非常高的穩(wěn)態(tài)性、可靠性、快速性。

1 并聯(lián)UPS電源的輸出控制方式

并聯(lián)UPS電源是輸出切換控制是靜態(tài)開關(guān)型控制,這種UPS在執(zhí)行同步切換操作時,有三種工作模式:

1.1 自動返回式的切換模式 通常情況下用戶應(yīng)將自動/手動選擇器開關(guān)置于位置。在這種工作模式下,負載是被優(yōu)先經(jīng)“逆變器靜態(tài)開關(guān)”接通到逆變器的輸出端,也就是說并聯(lián)UPS電源系統(tǒng)常態(tài)下處于逆變器優(yōu)先供電的工作狀態(tài)之中,只有當(dāng)出現(xiàn)異常時,負載才通過“交流旁路靜態(tài)開關(guān)”被轉(zhuǎn)接到交流旁路電源的供電通道上,主要異常情況有以下幾種情況:

(1)并聯(lián)UPS電源的逆變器在運行過程中,因發(fā)生故障而導(dǎo)致它的輸出電壓越上限或下限值時;

(2)并聯(lián)UPS電源的邏輯單元檢測到溫升過高、直流電源電壓過低、過載等類“系統(tǒng)故障”時驅(qū)動;

在以情況出現(xiàn)負載被從逆變器供電通道切換到交流旁路供電通道上后,若在運行中的異?，F(xiàn)象恢復(fù)正常后,經(jīng)適當(dāng)?shù)臅r間延遲后靜態(tài)開關(guān)邏輯控制電路可驅(qū)動靜態(tài)開關(guān),將負載再自動切換回到由逆變器供電狀態(tài)。

1.2 熱后備工作模式切換 熱后備工作模式是指當(dāng)市電交流旁路電源電壓處于用戶所預(yù)置的工作范圍之內(nèi)時,UPS的負載總由交流旁路供電,只有當(dāng)遇到交流旁路電源故障時,并聯(lián)UPS電源才會切換到逆變器供電給負載,讓逆變器經(jīng)常處于后備選用狀態(tài),當(dāng)UPS工作在這種模式時,市電交流旁路失電UPS切換到負載的時間約20ms。

1.3 非自動返回式工作模式 這一工作模式的控制邏輯是,開機正常狀態(tài)下由逆變電源供電,當(dāng)故障時被切換到另一供電模式下后,不再自動返回到同逆變器供電的狀態(tài),直到手動再次進行切換后。

2 常見的兩種旁路運行方式

并聯(lián)UPS電源系統(tǒng)的旁路控制技術(shù)主要有集中旁路模式和分散旁路模式。

2.1 集中旁路 集中旁路系統(tǒng)內(nèi)只有一套旁路系統(tǒng),具有過載能力強,可靠性高的優(yōu)點,靜態(tài)旁路開關(guān)是主路模式的冗余,作用非常重要,在實際應(yīng)用中當(dāng)并機數(shù)較多時,為了避免旁路不均流問題,都采用集中靜態(tài)旁路系統(tǒng)。

2.2 分散旁路 分散旁路系統(tǒng)內(nèi)每個功率模塊都有一套旁路系統(tǒng),具有可擴容,成本低的優(yōu)點,但可能存在一定的可靠性風(fēng)險。

對于分散旁路模式類似于冗余設(shè)計,設(shè)計初衷上是一處旁路故障,其它旁路仍可工作,欲提高可使用效率,但在實際應(yīng)用中旁路的主要器件為SCR的離散性較大,在旁路模式時的分散的旁路非常難以處于均流狀態(tài),且大負載電流的模塊很可能因旁路過載而關(guān)機,影響系統(tǒng)供電連續(xù)性。

分散旁路模式除了穩(wěn)態(tài)均流問題,在瞬態(tài)時也具有故障風(fēng)險,控制器發(fā)送切換旁路模式的命令后,因為信號傳輸路徑、模塊控制器響應(yīng)速度、器件一致性等各方面原因,分散旁路很難同步切換,而先切換導(dǎo)通的SCR將承擔(dān)大部分負載甚至所有負載,極易導(dǎo)致該SCR失效,所以分散旁路的設(shè)計方式大大降低了旁路的可靠性。

3 輸出控制靜態(tài)開關(guān)等效電路

研究輸出控制靜態(tài)開關(guān)等效電路模型是驅(qū)動電路的重要組成部分,在設(shè)計系統(tǒng)時需準(zhǔn)確的設(shè)計輸出控制靜態(tài)開關(guān)的靜態(tài)伏安特性、雙極性晶體管增益、開關(guān)特性及壓控電阻,并聯(lián)UPS電源輸出控制靜態(tài)開關(guān)的VCR等效電路模型如下圖示:

VCR用多變量函數(shù)表示為:

式中,N+N-是R的兩個電路接點,表示該VCR函數(shù)的維數(shù)是ND,P0

等效電路中,雙極性晶體管的飽和電流IS是計算IB和IC的重要參數(shù),只考慮發(fā)射極和集電極電壓表,忽略其它控制蜛的影響,N-區(qū)的VCR電阻可表示為:

式中,Lifit和Safit表示線性區(qū)和飽和區(qū)的符合因子。

4 輸出控制靜態(tài)開關(guān)驅(qū)動電路

隨著功率器件的不斷發(fā)展,功率靜態(tài)開關(guān)得到很廣泛的應(yīng)用,其驅(qū)動電路也不斷地發(fā)展,理想驅(qū)動電路應(yīng)具備以下基本性能:

1)要求驅(qū)動電路接受控制的控制命令,并經(jīng)專用電路為靜態(tài)開關(guān)提供一定幅值的正反向柵極電壓UCE。

2)要求在柵極回路中必須串聯(lián)合適的柵極電阻RG,用以控制UCE的前后沿坡度,而降低靜態(tài)開關(guān)的功率損耗。

3)要求驅(qū)動電路具有隔離的輸入、輸出信號,同時要求在驅(qū)動電路內(nèi)部信號傳輸無延時或延時很短。

4 結(jié)論

本文從輸出控制靜態(tài)開關(guān)控制方式、輸出控制靜態(tài)開關(guān)的控制原理及輸出控制切換控制驅(qū)動電路幾個方面進行了詳細的理論分析,為并聯(lián)逆變電源系統(tǒng)中輸出控制電路設(shè)計具有一定的實際參考意義。