先控UPS实例分析及其维护(上)

　　本 刊 编 辑 部 张乃国(改编)

　　先控UPS是意大利NUOV SICON公司于上世纪90年代初推出的机型。它主要包括ST和SM两个系列,SM为“三进单出”型UPS,容量为5～20kVA,ST为“三进三出”型UPS,容量为10～200kVA。该两系列机型是智能化UPS,它采用了IGBT高频逆变技术,控制部分采用了微处理器并行技术。

　　(2)单端反激式变换主电路

　　UPS基础电源采用双管串联单端反激式变换电路,其电路拓扑结构如图4(a)所示。单管反激式变换电路与双管串联单端反激式电路的唯一区别是:双管串联单端反激式变换电路中的MOSFET功率管T1、T2的源极和漏极在功率管关闭时承受的稳态电压为变压器初级感应电压值UO1,电路中的二极管D1、D2对T1、T2起到电压钳位作用,关断瞬间的冲击电压约为(2～3)UO1;单管反激式变换电路中的MOSFET功率管T3的源极和漏极在功率管关闭时承受的稳态电压为输入电压与变压器初级感应电压值之和,即Ui2+UO2,关断瞬间的冲击电压约为(2～3)Ui2+UO2,如图4(b)所示。基础电源板正常输入电压为324V,如果采用单管单端反激式电路,在关断时MOSFET功率管的源极和漏极最大冲击电压可达到1500V,而采用双管串联单端反激式电路,最大冲击电压约为800V。因此,采用双管串联单端反激式变换电路降低了对MOSFET功率管耐压等级的要求,电路更为安全,同时有利于MOSFET功率管的选型。

　　双管串联单端反激式电路工作过程:MOSFET功率管T1、T2同时导通时,电流经T1、变压器TR1、T2后,在变压器TR1的初级上产生上正下负的感应电势,次级产生上负下正的感应电势,此时变压器储能;当MOSFET功率管T1、T2同时关断时,在变压器初级产生下正上负的感应电势,次级产生上正下负的感应电势,通过二极管D4、电容C7整流滤波,这样周而复始地通过调整脉冲占空比,在变压器次级产生稳定的直流电压。

　　(3)高频变压器次级电路

　　基础电源的高频变压器次级产生五路直流输出电压。

　　①变压器TR1的11、12两端(见图3)产生高频脉冲电压，经二级管D2、电容器C2B、C3整流滤波后产生略高于+15V的电压，经15V的稳压二极管Z2A后，输出稳定的+15V电源供外部接口板使用。

　　②变压器TR1的13、14两端输出±15V电源,供UPS供电系统使用,电路形式除与+15V相同之外,还附加了一级稳压保护电路。当输出电压超出了两个稳压二极管Z2、Z1B(或Z1、Z1A)稳压值之和约为±17V时,稳压二极管击穿并在电阻R6上产生约为2V的电压后,使晶闸管T12导通,当输出电压降到±17V以下时,T12关断。附加这一级电路主要起到稳压保护作用,使输出电压最大不会超过17V,对负载起到保护作用。

　　③变压器TR1的7、4、5脚两端产生高频脉冲电压,经二级管D9、D8、电容C23、C26、C15、C27整流滤波后产生约为±20V,经三端稳压芯片78L12和79L12后输出±12V电源,作为基础电源电路的工作电源。

　　2.2 基础电源控制电路

　　如图3所示,控制芯片IC7(UC3844)作为基础电源控制电路的核心。通过输出电压反馈电路和过流检测电路调节6脚输出脉冲的占空比,控制MOSFET管MF3的通断,脉冲信号经变压器TR11隔离后分别送到MOSFET功率管MF1/MF2和MF4/MF5,调节输出电压。

　　(1)输出电压反馈电路

　　输出电压反馈电路主要由IC2(TL431)和IC2A(H11A1光电耦合器)组成(见图3)。电源正常稳定工作时,反馈电压经电阻R10、R10A、R10C和电位器RP1分压后与TL431内部2.5V基准电压相比较。当输出电压升高时,反馈电压也会相应的升高,则TL431的阴极电压下降,流经光电耦合器发光二极管中的电流就会相应的增大,UC3844的2脚电压升高,通过减少UC3844输出的PWM占空比,使变换器的输出电压降至正常电压值;反之,当输出电压下降时,通过增大UC3844输出的PWM占空比,使变换器的输出电压升高到正常值。

　　(2)功率开关管过流检测电路

　　IC7(UC3844)中的3脚为过流检测输入端,当3脚电压大于1V时,UC3844将封锁6脚的输出脉冲。电路中电阻R45为电流检测电阻,其阻值为0.22Ω,当功率管MF1/MF2和MF3/MF4导通时,流过功率管的电流在电阻R45上产生电压降,经分压电阻R33、R36后,在UC3844的3脚上产生一个功率管电流IMF信号。UC3844的3脚电压可通过下列公式得出:

　　电路中R33、R36的阻值分别为:1kΩ、3.3kΩ。

　　因此,当IMF>5.9A时,UIC7-3>1.0V,UC3844封锁6脚的输出脉冲,电容C29对功率管在开关瞬间产生的尖峰电压起到抑制作用。

　　(3)IC7芯片外围时钟电路

　　电路中电阻R15、R34、电容C28组成IC7芯片的时钟电路,IC7芯片6脚输出的脉冲频率由时钟电路决定,其公式为:

　　(4)IC7芯片的启动电路

　　在基础电源板正常工作时，IC7及驱动变压器TR11的工作电源由变压器TR1次级7脚和4脚产生的高频电源经整流滤波后生成约为+20V来提供。在基础电源板开始加上电源后，电源控制电路的启动由单独的启动电路来完成，启动电路主要由继电器RL1、MOSFET功率管MF1C和TL431等电路组成。

　　当UPS进行正常开机时,输入电源1开关S1(见图1)合上,基础电源板由输入电源1供电。当UPS进行冷开机(由蓄电池进行供电,电源1和电源2无输入)时,基础电源板由蓄电池供电。启动电路的工作过程如下:

　　①当UPS进行正常开机时,输入电源1开关S1合上,在整流桥D14～D17(见图3)的正电压端产生约为260V的直流电压,经电阻R46B、R37分压后在MF1C的栅极产生+15V的高电平(基础电源变换电路还没有正常工作,所以TL431此时在电路中不起作用),使得MF1C导通,继电器RL1工作,开关闭合。当UPS进行冷启动时,蓄电池组+300V的直流电压经分压电组,在电阻R25上得到约为+32V的直流电压,经稳压二极管Z4得到+12V电压,为IC7和驱动变压器TR11供电。

　　②电源板输入电源经电阻R32、R31、R42、二极管D5后,在IC7芯片的7脚产生+18V的工作电源(由二极管Z7进行电压钳位),IC7芯片开始启振。

　　③当基础电源电路输出达到稳定时,变压器RT1初级-12V电源加在IC7A的稳压管TL431上,TL431开始工作,在其阴极产生约-1V的电压,使得MF1C关断,RL1触点打开。

　　④在基础电源电路正常工作后,IC7芯片电源由变压器TR1次级7脚和4脚产生的高频电源经整流滤波后生成约+20V来提供,RL1打开(UPS进行冷启动时,二极管D6被反向截止)。

　　基础电源板正常工作时,IC7各引脚的电压如表1所示。

　　2.3 基础电源板上的直流母线反馈信号

　　(1)直流母线最大电压阈值反馈电路

　　直流母线上的最大电压值由蓄电池组均充电压值确定,SM10kVA UPS有24节(12V,24Ah)蓄电池组成,最大蓄电池组均充电压值为336V,因此电路设定直流母线上最大电压阈值设定为348V,当整流器控制电路接收到直流母线最大电压阈值信号时,迅速关闭整流器。

　　最大电压阈值反馈电路主要由分压电阻、光电耦合器件IC4、可编程三端稳压管IC6(TL431)及晶体三极管T8组成。其工作过程如下:直流母线电压经分压电阻后与IC6的参考电压2.5V进行比较。当直流母线电压增大时,TL431的阴极电压就会下降,流过光电耦合器的发光二极管电流也会增大,晶体三极管T8基极电流增大。当直流母线电压增大到348V时,T8饱和导通,直流母线最大电压阈值信号端CN7-4就会变为低电平送入微处理器。

　　(2)直流母线电压反馈隔离信号

　　直流母线电压反馈信号用来调整整流器输出电压,其电路主要由分压电阻、运算放大器IC5、IC1、隔离运算放大器IC3(IS0122)组成。电路中运算放大器IC1、IC5主要是放大功率,输入输出电压信号为1:1的关系。IC3输入端由±12V供电,输出端由±15V供电,它对直流母线电压反馈信号进行隔离。

　　直流母线电压反馈信号的工作过程如下:从直流母线上取得电压信号经分压电阻后,在IC5的同相端得到约8V(正常工作时直流母线反馈电压值)的直流母线电压信号,经运算放大后加在隔离运算放大器的输入端15脚,输入信号经IC3内部调制解调后,其7脚输出端得到8V与输入隔离的反馈信号,通过电压跟随器送入CN7-2口。IC3(ISO122)是利用调制解调技术的精确隔离运算放大器,输入模拟信号通过调制以数字信号的形式被发送到2pF的微分电容器,输出电路部分再通过解调后再以模拟信号输出,输入的模拟信号大小不受影响。

　　(未完待续)