DS30系列UPS实例分析及其维护(上)

　　解放军61539部队UPS维修中心 徐国家(供稿)

　　1 概 况

　　DS30系列UPS采用PIC17C43微处理器作为其核心控制单元,内部集成交流正弦波发生器,与其它微处理器相比,具有高性能、低功耗的优点。该微处理器中的PWM单元控制UPS逆变器,使其输出正弦波形电压。不论是UPS内部故障还是所连接的负载故障,都将在微处理器中进行记录和判断,然后根据故障类型来判断是否需要完全关闭逆变器。逆变器输出的电压、电流值通过微处理器进行监测,并实时根据直流母线电压偏差及负载变化情况来进行调整。该微处理器控制所有模块的时钟,保持各模块工作步调一致,包括蓄电池直流升压单元、自由调整单元、逆变器控制单元、反馈单元等。微处理器通过“过零”检测,使UPS输出电压和相位始终跟踪输入市电电源的电压和相位,以确保UPS的逆变器与旁路市电之间进行安全、可靠的转换。

　　4 系统的硬件电路

　　(1)微处理器

　　图4电路为典型的UPS模拟控制电路。使用微处理器后,电路设计大为简化,图中的直流偏移调整电路、误差放大电路、PWM驱动电路能够通过微处理器中的软件来实现和完成。因此,在整个电路设计和调整时,只需通过改变微处理器中的程序,而不需要调整硬件电路。另外,控制电路中不需要单独的正弦波发生器,正弦波发生器嵌入在微处理器中。

　　通过改变微处理器中的反馈方式和程序,使UPS可以适应不同的负载类型,即负载功率因数可达-1～1。与模拟滤波器相比,数字滤波也是微处理器的另一大优势,明显减少了元器件和体积。

　　(2)输入电源的检测

　　UPS系统根据输入电压值的等级决定其输出电压的等级,当UPS检测到输入电压为120V时,它的输出电压值为120V;当输入电压为240V时,它的输出电压值为240V。

　　(3)输入电源的保护

　　输入滤波器为UPS系统提供了输入电源保护,将UPS与市电电网进行隔离。电路的主要元件为MOV(压敏电阻)，它能有效地抑制电网中的电压尖峰和浪涌，同时对电网中的谐波也起到一定的抑制作用。共模滤波器能够防止由于功率开关电路产生的噪声进入市电电网中，输入滤波电路如图5所示。

　　一台好的UPS,它的EMI/RFI滤波和尖峰/浪涌保护电路设计显得尤其重要,输入滤波器的性能好坏主要依据电路的屏蔽、接地及电路布局来达到预期要求。

　　(4)功率因数校正及整流

　　输入滤波器输出电压直接送入到功率因数校正单元(PFC),PFC电路首先通过全波整流后进行升压变换,得到可调的直流母线电压(DC BUS)。PFC控制电路有两路内反馈组成,一路内反馈是电流反馈,它迫使输入电流与输入电压的波形和相位一致,使得整个系统的输入功率因数很高;另一路内反馈是PFC输出直流电压反馈,根据调整输入电流的大小来调整调输出电压。PFC单元的同步时钟来自于微处理器。

　　由于功率开关管固有特性的原因,开关电源设备功率因数较低。这主要是因为电源电路作为负载,它得到的电流都在电压波形尖峰时间点左右,电流波形为窄脉冲形式,电流峰值因数增加了,同时也减少了电源设备从市电电网抽取电流。因此,功率因数校正单元增加了市电电源的利用率,减少对电网的干扰。

　　以下举例说明UPS的PFC可以增加它的带载能力:

　　电源输入为120V±10%,额定电流20A,降额20%,UPS的输入功率因数最高可达0.95,效率为70%,负载为工作站,其功率达到900W,功率因数为0.65,问:额定输出电流为20A,输出容量为1400VA的UPS能否正常工作?

　　负载的视在功率

　　从以上的计算可见,工作站所需视在功率低于1400VA;从输入功率可知,将输入功率以最小输入电压值计算得到12.5A的电流,而输入最大可用电流为16A,所以UPS的输入电流也能达到要求,因此UPS容量能够符合要求。如果UPS的输入功率因数为0.65时,所需输入电流为18.3A,则超出了输入电流的最大可用范围。

　　(5)蓄电池充电及升压电路

　　直流母线电压高于40V时,蓄电池充电电路开始工作,如果直流母线电压降低到40V以下时,蓄电池充电电路立即关闭。另一种情况是在UPS系统由蓄电池供电时,充电电路同样也会关闭。蓄电池升压电路将48V蓄电池直流电压升压到360V,此电压值比直流母线正常电压值要低一点,其原因是,UPS输入市电电源工作正常时,直流母线上的电能主要由市电电源提供。

　　UC3825控制芯片是蓄电池直流升压电路的核心,内部集成了驱动保护电路,它在高频开关电源设备中的应用较为广泛。过流保护电路通过一个电压阈值为1V的限流比较器,可以与TTL电平兼容的关断端口来实现。

　　(6)直流母线电压(DC BUS)

　　在正常情况下,380V直流母线电压来自于市电电源,在市电不正常的情况下,来自于蓄电池直流升压电路。

　　(7)自由调整电路

　　自由调整电路输出一个两倍于直流母线电压值的方波,其工作频率为100kHz,方波周期占空比约为45%。由于UC3825的工作频率高、功耗低,非常适合作为自由调整电路的控制核心。

　　自由调整电路的输出电压直接送入全桥逆变器的直流母线,其输出电压大小直接控制着逆变器的输出电压等级。通过继电器控制使输出直流电压幅值是前者的两倍,则逆变器输出交流电压也同样是前者的两倍,这样就实现了逆变器输出电压等级的变换。自由调整电路的控制电路时钟信号由微处理器提供,当微处理器时钟丢失时,采用自由调整电路的内部控制电路时钟。

　　(8)逆变器和输出滤波

　　逆变器的输入是从自由调整电路的输出方波经过整流、滤波后提供的,如图2所示。PIC17C43微处理器控制着逆变器,其工作频率为25MHz。全桥逆变器的输出是由一系列方波脉冲列组成,方波的频率为25kHz,周期占空比与正弦波形相一致。经过输出滤波后,一系列的方波脉冲列滤波成光滑的正弦波形。全桥逆变器的缓冲电路,将输出端的尖峰电压通过功率管中的二极管返回到逆变器的直流母线上,这样就明显地降低了对滤波电容的冲击。电路中的电感L1、L2起到抑制纹波的作用。

　　(9)硬件保护及IGBT驱动

　　微处理器PIC17C43通过硬件保护及驱动电路控制着逆变器功率管IGBT。绝缘栅双极性晶体管(IGBT)的导通电阻比MOSFET管要低,所以更适合应用于全桥逆变器中。尽管IGBT功率管的开通时间比MOSFET功率管长一些,但是由于PWM的工作频率低(25kHz),IGBT的开通时间对PWM工作不会有影响。微处理器与硬件保护及驱动电路连接的信号控制着逆变器的工作,它们的功能分别为:

　　ENABLE——逆变器驱动信号的使能信号。

　　A FAULT——高于ENABLE优先级,通过软件进行复位,使得硬件重新工作。A FAULT也可从全桥逆变器中直接得到,这样可以在逆变器发生故障时,尽可能快的关闭逆变器功率管。因为逆变器发生严重故障时,硬件电路比微处理器软件反应更快,能够更好的保护功率管IGBT。

　　POS_NEG——控制逆变器输出为正极性还是负极性模式。极性模式已经被固定在硬件保护电路中,同时在硬件电路中也设定了IGBT工作时的硬死区电路。

　　(10)输出检测电路

　　逆变器输出交流正弦波反馈电路采用了8位模/数转换器,它能够与微处理器直接相连,实现了对输出电压、电流进行检测。输出电压经过采样、光电隔离、调整后送入模/数转换器,输出电流通过电流互感器进行采样后送入模/数转换器。

　　通过对逆变器输入电压、电流的校正来调整输出电压的波形,输出电压在每半个周期内微处理器采样32次,通过处理后实时的对逆变器输出电压波形进行调整。

　　功率因数校正除了利用输出反馈信号外,还需要过零检测信号。逆变器输出电压波形与过零检测信号进行比较后,作为微处理器时钟信号的基准。过零检测信号来自市电电源输入,微处理器检测到过零信号后便能得出市电电源的频率和相位,并且利用市电电源的频率和相位信号产生与其一致的正弦波形。（游米儿） (未完待续)