小功率并联UPS电源的输出切换控制驱动电路分析

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0 引言

并联UPS电源的输出切换控制是系统安全的非常重要的一环,根据检测到输入输出的电压状态形成的控制策略,实现对故障逻辑执行、输出电源模式的切换,用于控制输出逆变输出静态开关和市电旁路静态开关间的自动切换操作,实现市电与逆变输出形成互为备用输出模式,对系统的输出电源的质量和安全起到重要作用,要求具备非常高的稳态性、可靠性、快速性。

1 并联UPS电源的输出控制方式

并联UPS电源是输出切换控制是静态开关型控制,这种UPS在执行同步切换操作时,有三种工作模式:

1.1 自动返回式的切换模式 通常情况下用户应将自动/手动选择器开关置于位置。在这种工作模式下,负载是被优先经“逆变器静态开关”接通到逆变器的输出端,也就是说并联UPS电源系统常态下处于逆变器优先供电的工作状态之中,只有当出现异常时,负载才通过“交流旁路静态开关”被转接到交流旁路电源的供电通道上,主要异常情况有以下几种情况:

(1)并联UPS电源的逆变器在运行过程中,因发生故障而导致它的输出电压越上限或下限值时;

(2)并联UPS电源的逻辑单元检测到温升过高、直流电源电压过低、过载等类“系统故障”时驱动;

在以情况出现负载被从逆变器供电通道切换到交流旁路供电通道上后,若在运行中的异常现象恢复正常后,经适当的时间延迟后静态开关逻辑控制电路可驱动静态开关,将负载再自动切换回到由逆变器供电状态。

1.2 热后备工作模式切换 热后备工作模式是指当市电交流旁路电源电压处于用户所预置的工作范围之内时,UPS的负载总由交流旁路供电,只有当遇到交流旁路电源故障时,并联UPS电源才会切換到逆变器供电给负载,让逆变器经常处于后备选用状态,当UPS工作在这种模式时,市电交流旁路失电UPS切换到负载的时间约20ms。

1.3 非自动返回式工作模式 这一工作模式的控制逻辑是,开机正常状态下由逆变电源供电,当故障时被切换到另一供电模式下后,不再自动返回到同逆变器供电的状态,直到手动再次进行切换后。

2 常见的两种旁路运行方式

并联UPS电源系统的旁路控制技术主要有集中旁路模式和分散旁路模式。

2.1 集中旁路 集中旁路系统内只有一套旁路系统,具有过载能力强,可靠性高的优点,静态旁路开关是主路模式的冗余,作用非常重要,在实际应用中当并机数较多时,为了避免旁路不均流问题,都采用集中静态旁路系统。

2.2 分散旁路 分散旁路系统内每个功率模块都有一套旁路系统,具有可扩容,成本低的优点,但可能存在一定的可靠性风险。

对于分散旁路模式类似于冗余设计,设计初衷上是一处旁路故障,其它旁路仍可工作,欲提高可使用效率,但在实际应用中旁路的主要器件为SCR的离散性较大,在旁路模式时的分散的旁路非常难以处于均流状态,且大负载电流的模块很可能因旁路过载而关机,影响系统供电连续性。

分散旁路模式除了稳态均流问题,在瞬态时也具有故障风险,控制器发送切换旁路模式的命令后,因为信号传输路径、模块控制器响应速度、器件一致性等各方面原因,分散旁路很难同步切换,而先切换导通的SCR将承担大部分负载甚至所有负载,极易导致该SCR失效,所以分散旁路的设计方式大大降低了旁路的可靠性。

3 输出控制静态开关等效电路

研究输出控制静态开关等效电路模型是驱动电路的重要组成部分,在设计系统时需准确的设计输出控制静态开关的静态伏安特性、双极性晶体管增益、开关特性及压控电阻,并联UPS电源输出控制静态开关的VCR等效电路模型如下图示:

VCR用多变量函数表示为:

式中,N+N-是R的两个电路接点,表示该VCR函数的维数是ND,P0

等效电路中,双极性晶体管的饱和电流IS是计算IB和IC的重要参数,只考虑发射极和集电极电压表,忽略其它控制蜛的影响,N-区的VCR电阻可表示为:

式中,Lifit和Safit表示线性区和饱和区的符合因子。

4 输出控制静态开关驱动电路

随着功率器件的不断发展,功率静态开关得到很广泛的应用,其驱动电路也不断地发展,理想驱动电路应具备以下基本性能:

1)要求驱动电路接受控制的控制命令,并经专用电路为静态开关提供一定幅值的正反向栅极电压UCE。

2)要求在栅极回路中必须串联合适的栅极电阻RG,用以控制UCE的前后沿坡度,而降低静态开关的功率损耗。

3)要求驱动电路具有隔离的输入、输出信号,同时要求在驱动电路内部信号传输无延时或延时很短。

4 结论

本文从输出控制静态开关控制方式、输出控制静态开关的控制原理及输出控制切换控制驱动电路几个方面进行了详细的理论分析,为并联逆变电源系统中输出控制电路设计具有一定的实际参考意义。