《OnlineUPS架构》PPT课件.ppt

OnlineUPS架构 目录 UPS的分类在线式UPS的定义在线式UPS硬体架构 UPS的分类 UPS UninterruptiblePowerSystem 即不间断电源 是一种含有储能装置 以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源 从其发展历史来说 UPS经历了两个阶段 旋转式UPS和静态变换式UPS 静态式UPS从技术模式上又分为三类 离线式 OFFLINE 在线式 ONLINE 和在线互动式 ONLINEINTERACTIVE UPS从其工作原理上可分为后备式 OFFLINE 和在线式 ONLINE 两种 从备用时间上则可分为标准型和长效型两种 在线式UPS的定义 在线式UPS的工作过程是 当市电正常时 输入的交流电压通过充电电路不断对电池进行充电 同时AC DC电路将交流电转换为直流电 然后通过逆变器再将直流电逆变为交流电供给负载 而当市电异常时 蓄电池开始工作 此时电池中的直流电通过逆变器变换成交流正弦波电能供给负载 因此无论市电正常与否 逆变器始终处于工作状态 从根本上消除了电网的电压波动和干扰对负载的影响 真正实现了对负载的无干扰 稳压和零转换时间 在线式UPS硬体架构 整机方框图整机架构说明硬体线路说明 整机方框图 整机方框图 图1 整机架构说明 整机架构图整机工作原理市电模式 电池模式电池模式 市电模式 整机架构图 整机架构图 图2 整机工作原理 在线式UPS整机工作原理 在线式UPS正常工作于2种工作模式 电池模式市电模式 整机工作原理 1 电池模式1 不开机 UPS不工作 2 开机 CPU拉低3525OFF信号 DCtoDC斩波部分电路的控制芯片3525开始工作 产生推挽式电路中开关管Q4 Q6和Q10 Q11的驱动信号 通过推挽式电路 把电池电压斩波成BUS电压 BUS电压的反馈信号送给CPU 再由CPU发出BUS电压调节信号来实现BUS电压的软启动 当BUS电压逐渐上升并稳定在380Vdc左右后 BUS电压软启动结束 接着开始逆变电压软启动 CPU发出PWM SINE信号 经过控制板上的滤波电路形成正弦波 同时逆变电压的反馈和逆变电流反馈会进行补偿 得到标准正弦波 CPU还发出CLOCK信号 经积分电路后形成三角波 与标准正弦波进行脉宽调制 产生INVIGBTQ12 Q13的驱动信号 逆变电压逐渐上升到220Vac并稳定 逆变电压软启动结束 O PRELAY跳到逆变端 UPS工作于电池逆变模式 有逆变电压输出 整机工作原理 2 市电模式1 有正常市电输入后未开机 充电部分开始工作 并给工作电源部分控制芯片UC3845提供电源 工作电源产生后 CPU根据对旁路的软件设置做如下操作 A 无旁路 UPS无输出 B 有旁路 进行BUS软启动后闭合I PRLY O PRLY处于断开状态 市电经旁路直接输出 整机工作原理 2 有正常市电输入后开机 先进行BUS软启动 软启动结束闭合I PRLY 市电由旁路输出 关掉DCtoDC升压电路 打开PFC ACtoDC整流升压部分电路开始工作 然后启动逆变电压软启动 逆变电压升至220V 闭合O PRLY UPS工作在市电模式 市电模式 电池模式 市电模式和电池模式的相互转换1 市电模式 电池模式 当市电中断或异常时 CPU关掉I PRELAY和ACtoDC整流升压部分 同时打开3525控制的直流升压部分 UPS工作在电池模式 2 电池模式 市电模式 当市电恢复正常后 CPU先打开I PRELAY 过一段时间后打开ACtoDC整流升压部分并关掉3525 UPS转到市电模式 硬体线路说明 整机架构中具体线路的工作原理 充电器工作原理工作电源部分工作原理ACtoDC升压电路工作原理DCtoDC升压电路工作原理Inverter电路工作原理控制板线路说明 充电器工作原理 充电器工作原理图 图3 充电器工作原理 1 基本电路工作原理该电路为一典型的可以有多个输出端的隔离返驰式转换器 电路的输入为市电整流滤波后的直流电压值 当Q8导通时 变压器的初级绕组渐渐会有电流流过 并将能量储存其中 由于变压器的初级和次级绕组极性相反 因此二极管反相偏压 没有能量转移到负载 当Q8关断后 二次绕组极性相反 二极管导通 输出电容被充电 负载有电流流通 充电器工作原理 2 充电器工作原理充电器的工作是在UC3845的控制下完成的 首先 当有市电输入时 前面的整流滤波电路把交流输入变为直流 通过分压电路提供3845的工作电源 充电器开始工作后 隔离返弛式的一个输出端为UC3845提供稳定的电源 其次 3845采样TX2次级充电电压和初级充电电流信号 将取得的充电电压反馈信号通过 充电器工作原理 分压电路与标准电压 2 5V 做比较 比较结果送给3845 同时将采样TX2初级的电流信号 直接送给3845 3845根据得到的反馈信号调节输出PWMDUTY 控制充电电压与充电电流的值 另外 CPU可通过高低电平控制3845是否工作 从而达到开关充电器的目的 工作电源部分也是采用有多个输出端的隔离返弛式转换器 工作原理与充电器类似 其输入来自于电池 市电模式时亦是充电器的输出 工作电源部分 工作原理1 DC开机 当开机键被按下 电池通过分压电路产生的12V电源提供给UPS工作电源部分控制芯片UC3845的工作电源端 UC3845开始工作 驱动返弛式转换器工作 产生12V工作电源 取代由按开机键时电池分压电路产生的12V 从而给UC3845提供稳定的电源 稳定的工作电源建立后 12V开始提供CPU所需的5V工作电源 CPU开始工作 程序中检测到DC开机时 就会执行DC开机的一系列动作 工作电源部分 2 有市电正常输入时 由充电器原理可知 功率板上的充电器开始工作 充电器多路输出中的其中一路通过分压电阻与工作电源部分的3845的工作电源相连接 这样UC3845也获得了电源 UC3845开始工作 其后工作电源部分的运行情况与DC开机类似 ACtoDC升压电路 整流性负载原理图 图4 Vo ACtoDC升压电路 整流性负载电压电流波形 图5 Vs Vo Id Is ACtoDC升压电路 图4是市电交流 直流的基本电路 可以看出 市电经全波整流后 电压 电流波形如图5所示 二极管只有在输入电压高于输出电压时才会导通 在此导通时间内 输入电流必须供应半周所需的能量 因此其波形呈现高尖特性 这样的电流波形不仅含有大量的低次谐波 而且功率因数也只达0 5 0 7左右 为降低无功功率在电路中的损耗 提高有功功率 有必要对功率因数进行修正 ACtoDC升压电路 1 功率因数的定义功率因数 PowerFactor 即为有功功率与视在功率的比值 PF P VRMS IRMS 影响功率因数有两个主要方面 一是电压和电流之间的相位差 若电压和电流是标准的正弦波 PF COS 其中 是电压和电流之间的相位差 若电压相位超前电流 0 负载呈感性 反之负载呈容性 ACtoDC升压电路 二是电流波形中的谐波含量 谐波含量越大 功率因数越低 对于整流性负载 如许多无功率因数校正的开关电源 电压与电流之间的相位差并不大 而是电流谐波大 另外 电流谐波会对电网造成污染 ACtoDC升压电路 2 功率因数修正所谓功率因数校正 PowerFactorCorrecting 就是改善电流波形 使其形状尽量与电压波形一致 这样负载呈现出电阻性负载的特性 功率因数将接近于1 故在整流后加入一级DC DC的功率因数校正器 PFC 借由主动开关的动作将输入电流修正为与电压波形相似的正弦波 以达到提高功率因数目的 对于改善功率因数 采用升压式电路有不少优势 下面是其工作原理及实现方法 ACtoDC升压电路 A 升压式电路的工作原理升压式电路原理图 图6 ACtoDC升压电路 如图6所示 当Q1导通时 二极管D1截止 电感L1处于储能状态 在输入电压Vin的作用下L1的电流线性上升 输入的电能转换成磁能储存在电感线圈中 负载靠滤波电容C1提供能量 当Q1截止时 由于电感电流不能突变 因此L1产生极性为右正左负的感应电势 此时D1导通 电感L1把上一时间段储存的磁能通过D1一方面传递到C1 给C1充电 另一方面提供给负载 ACtoDC升压电路 所以 可以通过调整开关管Q1的导通与截止时间 控制负载两端的电压 并且由于电感电流不能突变 可以比较容易地控制电感电流 输入电流 的波形 ACtoDC升压电路 B 功率因数校正的实现功率因数校正的实现是由UC3843的控制下的升压式电路来完成的 功率因数校正也有专用芯片如UC3854 为使电流波形跟随电压波形 须采样BUS电压信号 输入电流标准波形信号 输入电压有效值和输入实际电流信号 然后做相应的运算 才能通过对其输出脉冲脉宽的调节来实现稳定BUS电压和改善电流波形的目的 ACtoDC升压电路 与UC3854不同 UC3843只须采样BUS电压信号和电流信号 在升压式电路功率不太大时 对功率因数的改善能取得良好的效果 如在不带充电器时功率因数能达到97 以上 UC3843有两个反馈环 一是电压反馈 信号送VF端和COMP端 二是电流反馈 采样的电流信号送IS端 另由于UC3843是峰值电流控制模式 故须斜率补偿 变为平均电流控制模式 有关峰值电流控制模式和平均电流控制模式的详细内容 可以参阅相关开关电源资料 DCtoDC升压电路工作原理 DCtoDC升压电路主要采用PUSH PULL架构 1 推挽式 PUSH PULL 转换器工作原理推挽式转换器工作原理图 图7 DCtoDC升压电路工作原理 推挽式转换器在一个周期内Q1 Q2各导通一次 在每一个半周会将功率传至负载 一个完整的周期如下 1 Q1导通时 根据变压器TX的同名端 可知D1反偏而截止 D2正偏而导通且向电容C1充电和给负载提供能量 2 Q1 Q2同时截止时 D1 D2也截止 由电容C1向负载供电 3 Q2导通时 D1导通且向C1充电和给负载提供能量 D2截止 DCtoDC升压电路工作原理 4 Q1 Q2同时截止 Q1 Q2的导通与关断是通过3525输出控制来实现的 在电池模式下 3525一直处于工作状态 通过BUS电压负反馈调节Q1 Q2的导通占空比 驱动PUSH PULL电路工作 为逆变器提供稳定的BUS电压 UPS在开机时 为保护电路 会先进行BUS电压软启动 SOFTSTART 当BUS电压上升到正常值 启动各部分工作电路 DCtoDC升压电路工作原理 BUS电压软启动在有市电开机时 如果输入开关为SCR 则可以通过对SCR控制其开通的导通角 并在下半周关断达到BUS电压软启动 但如果输入开关为继电器 由于继电器本身开关时间的限制 则必须通过DCtoDC升压电路进行BUS电压软启动 软启动结束 关断DC部分电路 启动AC DC升压电路 进行正常的市电逆变 Inverter电路工作原理 逆变部分原理图 图8 Inverter电路工作原理 逆变部分采用半桥式 half bridge 结构来实现 工作于连续电流模式 其驱动信号是由CPU发出的信号通过控制电路产生的 输入是 BUS电压 空载时约380V 输出是正弦电压220Vac 频率50Hz 一个周期的工作如下 假设处于逆变输出正半周 a Q13导通 Q12关断 L1左端电压接近 BUS电压 IL1上升 电感储能 Inverter电路工作原理 b Q13 Q12同时关断 由于电感电流不能突变 Q12的续流二极管管导通 L1左端电压接近 BUS电压 IL1下降 电感释放能量 c Q13关断 Q12导通 因为处于逆变周期正半周 IL1 0 Q12的续流管继续导通 L1左端电压接近 BUS电压 IL1下降 电感释放能量 d 与第b步相同 Inverter电路工作原理 值得注意的是 虽然在一个周期内Q12 Q13可能会交替导通 也可以只有其中一个导通 但其脉宽不一样 当逆变处于正半周时 Q13导通时间比Q12长 这样 电路中会有持续的电流流过 经L C滤波后 可得逆变正弦波的上半周 单逆变处于负半周时与正半周类似 由于Q12 Q13同时导通时会将 BUS电压短路 故在两者交替导通时须有一定的死区时间 即都不导通 控制板线路说明 1 过零侦测电路市电与逆变采用相同过零侦测电路 此电路的目的是为了将侦测信号送入CPU 触发相应的过零中断 实现相应的市电输入捕获与逆变的输出比较 计算输入输出频率 2 幅值侦测电路市电与逆变也采用相同的幅值侦测电路 将侦测信号送入CPU 即对市电电压和逆变电压进行采样 计算输入输出电压幅值 控制板线路说明 3 INVERTER参考波产生电路CPU根据系统频率及输出电压输出一频率为6 4KHz的脉宽可调的SINE PWM信号 SINE PWM经过一低通滤波器产生逆变参考正弦波 SINE PWM信号的频率决定参考正弦波的频率 SINE PWM信号的脉宽决定其幅值 故CPU可通过对SINE PWM的调整来达到控制逆变输出的目的 控制板线路说明 逆变参考正弦波产生电路 图9 控制板线路说明 4 INV反馈与参考正弦波的误差产生电路INV反馈与参考正弦波的误差产生电路图 10 控制板线路说明 图 10 中INV是逆变电压反馈信号 L C 是逆变电流反馈信号 Vref是参考正弦波 Vbal是逆变电压自动调平衡输入 参考正弦波与INV经R22 24与R314的分压信号 逆变电流反馈信号相减 同时根据Vbal对其平衡电压进行调整 从而得到标准正弦波输出 送给后级比较器与三角波进行比较以产生控制逆变管的PWM信号 控制板线路说明 不难看出 逆变电压的调整是通过电压和电流反馈环构成 CPU根据输出电压和频率产生的SINE PWM信号 经滤波后得参考正弦波 但CPU受速度有限 对SINE PWM信号的调整需一定的时间 因此需要加入硬件补偿电路 即逆变电压和逆变电流的负反馈信号对参考正弦波进行补偿 从而达到对逆变电压进行实时调整之目的