小功率并聯UPS電源的輸出切換控制驅動電路分析

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0 引言

并聯UPS電源的輸出切換控制是系統安全的非常重要的一環,根據檢測到輸入輸出的電壓狀態形成的控制策略,實現對故障邏輯執行、輸出電源模式的切換,用于控制輸出逆變輸出靜態開關和市電旁路靜態開關間的自動切換操作,實現市電與逆變輸出形成互為備用輸出模式,對系統的輸出電源的質量和安全起到重要作用,要求具備非常高的穩態性、可靠性、快速性。

1 并聯UPS電源的輸出控制方式

并聯UPS電源是輸出切換控制是靜態開關型控制,這種UPS在執行同步切換操作時,有三種工作模式:

1.1 自動返回式的切換模式 通常情況下用戶應將自動/手動選擇器開關置于位置。在這種工作模式下,負載是被優先經“逆變器靜態開關”接通到逆變器的輸出端,也就是說并聯UPS電源系統常態下處于逆變器優先供電的工作狀態之中,只有當出現異常時,負載才通過“交流旁路靜態開關”被轉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UPS電源的逆變器在運行過程中,因發生故障而導致它的輸出電壓越上限或下限值時;

(2)并聯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“系統故障”時驅動;

在以情況出現負載被從逆變器供電通道切換到交流旁路供電通道上后,若在運行中的異常現象恢復正常后,經適當的時間延遲后靜態開關邏輯控制電路可驅動靜態開關,將負載再自動切換回到由逆變器供電狀態。

1.2 熱后備工作模式切換 熱后備工作模式是指當市電交流旁路電源電壓處于用戶所預置的工作范圍之內時,UPS的負載總由交流旁路供電,只有當遇到交流旁路電源故障時,并聯UPS電源才會切換到逆變器供電給負載,讓逆變器經常處于后備選用狀態,當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,開機正常狀態下由逆變電源供電,當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,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UPS電源系統的旁路控制技術主要有集中旁路模式和分散旁路模式。

2.1 集中旁路 集中旁路系統內只有一套旁路系統,具有過載能力強,可靠性高的優點,靜態旁路開關是主路模式的冗余,作用非常重要,在實際應用中當并機數較多時,為了避免旁路不均流問題,都采用集中靜態旁路系統。

2.2 分散旁路 分散旁路系統內每個功率模塊都有一套旁路系統,具有可擴容,成本低的優點,但可能存在一定的可靠性風險。

對于分散旁路模式類似于冗余設計,設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,且大負載電流的模塊很可能因旁路過載而關機,影響系統供電連續性。

分散旁路模式除了穩態均流問題,在瞬態時也具有故障風險,控制器發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,而先切換導通的SCR將承擔大部分負載甚至所有負載,極易導致該SCR失效,所以分散旁路的設計方式大大降低了旁路的可靠性。

3 輸出控制靜態開關等效電路

研究輸出控制靜態開關等效電路模型是驅動電路的重要組成部分,在設計系統時需準確的設計輸出控制靜態開關的靜態伏安特性、雙極性晶體管增益、開關特性及壓控電阻,并聯UPS電源輸出控制靜態開關的VCR等效電路模型如下圖示:

VCR用多變量函數表示為:

式中,N+N-是R的兩個電路接點,表示該VCR函數的維數是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,只考慮發射極和集電極電壓表,忽略其它控制蜛的影響,N-區的VCR電阻可表示為:

式中,Lifit和Safit表示線性區和飽和區的符合因子。

4 輸出控制靜態開關驅動電路

隨著功率器件的不斷發展,功率靜態開關得到很廣泛的應用,其驅動電路也不斷地發展,理想驅動電路應具備以下基本性能:

1)要求驅動電路接受控制的控制命令,并經專用電路為靜態開關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合適的柵極電阻RG,用以控制UCE的前后沿坡度,而降低靜態開關的功率損耗。

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

4 結論

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