CN101673956A - 一种ups软启动电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种UPS软启动电路，包括市电软启动模块、电池软启动模块、限流电路和正负母线，市电软启动模块、电池软启动模块的输入端分别接市电和电池的供电端，其输出端共同耦合到限流电路的输入端，限流电路的输出端耦合到正负母线的输入端，市电和电池软启动模块在UPS启动时分别通过限流电路的进行限流，并在UPS启动完成时停止所述限流电路的作用。本发明还公开了一种该UPS软启动电路采用的UPS软启动方法。本发明将市电和电池软启动相接结合作为一个整体来设计，控制非常简便，功能实现可靠，较传统的两部分分离设计的方式所使用的元器件大大减少，有效地降低了成本。

Description

一种UPS软启动电路及方法
技术领域
本发明涉及电源技术，具体涉及一种UPS(Uninterrupted PowerSupply，即不间断电源)软启动电路及方法。
背景技术
UPS以其性能卓越、维护方便的显著优点，在通信、网络、工控、铁路、军事等领域日益得到广泛的应用。正确合理地设计UPS系统，可以省去电源设计、调试方面的麻烦，不仅可以提高整体系统的可靠性和设计水平，而且更重要的是缩短了整个产品的研发周期。UPS电源系统的输入电路大都采用整流加电容滤波电路。在输入电路合闸瞬间，由于电容器上的初始电压为零会形成很大的瞬时冲击电流，特别是大功率UPS电源，其输入采用较大容量的滤波电容器，其冲击电流可达几百安以上。在电源接通瞬间有如此大的冲击电流幅值，往往会导致输入熔断器烧断，有时甚至将合闸UPS的触点烧坏，轻者也会使空气UPS合不上闸。上述原因均会造成UPS电源无法正常投入，为此，几乎所有的UPS电源在其输入电路设置的防止冲击电流的软起动电路，以保证UPS电源正常而可靠的运行。已知的几种软启动电路如下：
1.采用功率热敏电阻电路
其电路原理如图1所示。在电源接通瞬间，根据热敏电阻的负温度系数特性，热敏电阻R1的阻值较大，达到限制冲击电流的作用；当热敏电阻流过较大电流时，电阻发热而使其阻值变小，电路处于正常工作状态。采用热敏电阻防止冲击。
2.采用SCR-R(晶闸管-电阻)电路
其电路原理如图2所示。在电源瞬时接通时，输入电压经整流桥VD1-VD4和限流电阻R对电容器C充电。当电容器C充电到约80％的额定电压时，逆变器正常工作，经主变压器辅助绕组产生晶闸管SCR的触发信号，使晶闸管SCR导通并短路限流电阻R，开关电源正常运行。
3.继电器K1与电阻R构成的电路
其电路原理如图3所示。电源接通时，输入电压经限流电阻R1对滤波电容器C充电，同时辅助电源Vcc经电阻R2对并接于继电器K1线包的电容器C2充电，当C2的充电电压达到继电器的动作电压时，继电器K1动作，旁路限流电阻R1，达到瞬时防冲击电流的作用。
由于UPS系统可以在市电、电池两种模式下工作，系统启动因此也有两种途径，——电池启动或者市电启动。以往的方法是将电池软启动和市电软启动功能作为两个部分来设计，分别用独自的控制电路来实现软启动功能，但是，这样的设计方案不仅仅降低了系统的可靠性，而且增加了系统的设计成本和周期。
发明内容
本发明的主要目的就是解决现有技术中的问题，提供一种构造简单、控制简便，功能实现可靠，有效降低成本的UPS软启动电路及方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种UPS软启动电路，其特征在于，包括市电软启动模块、电池软启动模块、限流电路和正负母线，所述市电软启动模块、电池软启动模块的输入端分别接市电和电池的供电端，所述市电软启动模块、电池软启动模块的输出端共同耦合到所述限流电路的输入端，所述限流电路的输出端耦合到所述正负母线的输入端，所述市电软启动模块和所述电池软启动模块在UPS启动时分别通过所述限流电路的进行限流，并在UPS启动完成时停止所述限流电路的作用。
优选地：
所述市电软启动模块包括市电启动电路、母线检测电路和输入控制电路，所述市电启动电路的输出端通过所述限流电路耦合到所述正负母线的输入端，所述母线检测电路的检测端耦合到所述正负母线，所述母线检测电路的输出端耦合到所述输入控制电路，所述输入控制电路根据母线电压检测结果控制所述市电启动电路的启止。
所述市电启动电路包括耦合在市电信号输入端和所述限流电路的输入端之间的继电器电路，所述市电启动电路的启止通过所述继电器电路控制。
所述母线检测电路包括从所述正负母线取电的辅助电源，所述输入控制电路包括DSP及检测板电路，所述辅助电源在所述正负母线的电压值高于第一设定值时向所述DSP及检测板电路供电，所述DSP及检测板电路开启系统主路SCR，并在所述正负母线的电压值高于第二设定值时使所述市电启动电路停止作用。
所述电池软启动模块包括驱动脉冲发生单元和开关电路，所述驱动脉冲发生单元的输入端耦合到电池电极，其将电池能量转换为控制所述开关电路的通断的驱动脉冲，所述开关电路导通时，所述电池软启动模块启用，所述开关电路关断时，所述电池软启动模块停止作用。
所述电池软启动模块有并联的多个且分别设置有控制其回路通断的光电耦合器，还包括监控电路，所述监控电路的输出端分别耦合到所述光电耦合器，所述监控电路在监测到其中一个电池软启动模块正常开启时开通所述光电耦合器以使其它电池软启动模块工作。
一种UPS软启动方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、分别将市电软启动模块和电池软启动模块的输出端连接到共同的限流电路和正负母线；
B、接入市电，使所述市电软启动模块作用并通过所述限流电路限流，并在UPS启动后停止所述限流电路的限流作用；或者，接入电池，使所述电池软启动模块作用并通过所述限流电路限流，并在UPS启动后停止所述限流电路的限流作用。
优选地：
所述步骤B包括以下步骤：
B11、所述市电软启动模块中的市电启动电路接收市电输入，并通过所述限流电路给所述正负母线充电；
B12、在充电的同时，检测所述正负母线的电压，当检测到其高于第一设定值时，启动辅助电源向DSP&检测板供电，所述DSP&检测板开启系统主路SCR；
B13、当检测到所述正负母线的电压高于第二设定值时，所述DSP&检测板发出控制信号使所述市电启动电路的停止作用；
或者以下步骤：
B21、所述电池软启动模块接收电池输入，利用电池能量生成驱动脉冲信号，所述驱动脉冲信号使所述电池软启动模块中的开关电路导通以通过所述限流电路给所述正负母线充电，所述驱动脉冲信号宽度保证UPS在所述开关电路关断之前完成软启动；
B22、所述驱动脉冲信号作用结束，所述开关电路关断使得所述电池软启动模块停止作用。
所述步骤B中，所述市电启动电路的启止通过设置在市电信号输入端和所述限流电路的输入端之间的继电器电路来控制。
所述电池软启动模块具有并联的多个，所述步骤B中，当监测到其中一个电池软启动模块开启正常时，控制其它电池软启动模块启用。
本发明有益的技术效果是：
根据本发明，UPS软启动电路包括市电软启动模块和电池软启动模块，使UPS系统既可以在市电模式下软启动，也可以在电池模式下软启动，而且，市电软启动模块和电池软启动模块耦合到同一限流电路和正负母线，UPS在两种模式下软启动时，分别由市电软启动模块和电池软启动模块通过该限流电路对正负母线充电，直到UPS启动完成。由于共用同一限流电路，将市电和电池软启动模块结合在一起，两种模式的软启动功能作为一个整体来设计，控制非常简便，功能实现可靠，较传统的两部分分离设计的方式所使用的元器件大大减少，从而也有效地降低了成本。
附图说明
图1为现有采用功率热敏电阻的UPS软启动电路原理图；
图2为现有采用采用SCR-R电路的UPS软启动电路原理图；
图3为现有采用继电器与电阻的UPS软启动电路原理图；
图4为本发明一种实施例的UPS软启动电路原理图；
图5为图4中的市电软启动模块原理图；
图6为图4中的电池软启动模块原理图；
图7为本发明一种实施例的UPS软启动方法的流程图；。
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
具体实施方式
请参考图4，UPS软启动电路包括市电软启动模块、电池软启动模块、限流电路和正负母线BUS+、BUS-，其中，市电软启动模块、电池软启动模块的输入端分别接市电输入A相Vin_A和电池的正负极BAT+、BAT-，限流电路包括连接在市电软启动模块、电池软启动模块的输出端与正母线BUS+之间的第一限流单元，以及连接在市电软启动模块、电池软启动模块的输出端与负母线BUS-之间的第二限流单元，第一限流单元包括相并联的限流电阻R10、R11，第二限流单元包括相并联的限流电阻R12、R13，市电软启动模块和电池软启动模块在UPS启动时分别通过该限流电路的进行限流，并在UPS启动完成时停止该限流电路的作用。
请参考图4和图5，市电软启动模块包括市电启动电路、母线检测电路和输入控制电路，市电启动电路以及系统主路SCR(未图示)分别通过限流电路耦合到正负母线BUS+、BUS-，母线检测电路的检测端耦合到正负母线，母线检测电路的输出端耦合到输入控制电路，输入控制电路用于根据母线电压检测结果控制市电启动电路和系统主路SCR的启止。优选地，在市电信号输入端和限流电路的输入端之间的设置有继电器电路，其中包括由输入控制电路控制的常闭继电器RLY1，市电启动电路的启止通过继电器RLY1进行控制。母线检测电路包括从正负母线BUS+、BUS-取电的辅助电源(未图示)，输入控制电路包括DSP(数字信号处理器)及检测板电路(未图示)，辅助电源用于在正负母线BUS+、BUS-的电压值高于第一设定值时工作并向DSP及检测板电路供电，DSP及检测板电路开启系统主路SCR进行供电，并在正负母线BUS+、BUS-的电压值高于第二设定值时断开市电启动电路。
UPS市电软启动时，市电输入A相通过常闭继电器RLY1经过二极管D4、D5构成的单相全桥整流电路，通过限流电阻R10、R11、R12、R13给正负母线充电，正负母线BUS+、BUS-相当于常见的软启动电路中的大滤波电容，从正负母线取电构成系统的辅助电源，辅助电源输出用于控制的+15V、-15V、+24V电压，辅助电源有一个最低电压启动点(第一设定值)，当母线电压高于系统辅助电源的启动电压时，辅助电源才开始工作，接下来系统按照软件设定的程序开始工作。DSP&检测板得电后开启主路SCR启动，主路SCR启动过程中判断母线电压，当母线电压高于软件设定的标准值(第二设定值)时，发出高电平有效的使能信号SOFT_START，三极管Q2接收该信号时饱和导通，常闭继电器RLY1断开，限流功能解除，系统由系统主路SCR供电，市电软启动结束。
请参考图4和图6，电池软启动模块的输出端通过限流电路耦合到正负母线BUS+、BUS-，电池软启动模块包括驱动脉冲发生单元和开关电路，驱动脉冲发生单元将电池能量转换为控制开关电路的通断的驱动脉冲，开关电路导通时，电池软启动模块启用，开关电路关断时，电池软启动模块停止作用。优选地，电池软启动模块包括分别耦合在电池正、负极的正极输出单元和负极输出单元，驱动脉冲发生单元包括位于正极输出单元中的第一RC电路R17、C7和位于负极输出单元中的第二RC电路R18、C8，开关电路包括位于正极输出单元中的第一MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)Q4和位于负极输出单元中的第二MOSFET Q5，第一RC电路R17、C7和第二RC电路R18、C8分别并接在第一MOSFETQ4和第二MOSFET Q5的栅极和源极之间，第一MOSFET Q4的源极接第一二极管D9的阳极，第一二极管D9的阴极接限流电路的第一输入端，第二MOSFET Q5的源极接第二二极管D7的阴极，第二二极管D7的阳极接限流电路的第二输入端。正极输出单元设置有接线开关，接线开关的两个端子BAT_start1、BAT_start2相接时，正极输出单元回路闭合，第一RC电路R17、C7得以接收电池能量。正极输出单元和负极输出单元之间通过光电耦合器U2耦合，光电耦合器U2在正极输出单元工作时导通使负极输出单元回路闭合，从而使第二RC电路R18、C8得以接收电池能量并作用于第二MOSFET Q5。
电池软启动时，电池软启动模块接通电池后，15V的稳压二极管D1、D2将电容C5、C6的电压稳定在15V，按下外部键盘板的电池软启动按钮，将接线开关BAT_start1和BAT_start2两端接通，电容C6通过电阻R8将能量转移到电容C7，主回路的MOSFET Q4的驱动电压产生，可以通过改变电阻R17和电容C7的参数值来调整驱动脉冲的宽度，控制比较灵活。MOSFETQ4导通后，电池正极Bat+通过二极管D6、D8和MOSFET Q4经限流电阻R10、R11给正母线BUS+充电，二极管D6和D8的导通压降有2.5V左右，此时光耦U2导通，电容C5的能量通过电阻R6转移到电容C8，MOSFET Q5的驱动电压也产生，电池负极Bat-通过二极管D7和MOSFET Q5经限流电阻R12、R13给负母线BUS-充电。限流作用是通过R10、R11、R12、R13这四个限流电阻实现的，母线充电电流值I＝(Vbat-Vbus)/R，当MOSFET的驱动脉冲消失后，电池软启动结束，MOSFET关断后限流作用解除。驱动脉冲宽度是由RC电路的RC时间常数决定的，可以通过变更电容或者电阻的参数值来实现。MOSFET在驱动脉冲消失后关断，因此驱动脉冲宽度只要保证在MOSFET关断之前(解除限流作用之前)系统正常启动就可以。例如，优选设置RC电路R、C产生的驱动脉冲宽度：τ＝R×C＝106×47×10-6＝47s，这样，系统在47s的时间内可以完成软启动，整流器也可以正常开启。
作为改进，电池软启动模块还可以并联设置多个，多个电池软启动模块共用DSP及检测板电路作为监控电路，各电池软启动模块分别设置有可控制其回路通断的光电耦合器U1，DSP及检测板电路的控制信号输出端耦合到各光电耦合器U1，DSP及检测板电路在检测到其中一个电池软启动模块正常开启时，发出OTHERS_BAT_START_EN_O信号，使其它电池软启动模块对应的光电耦合器U1导通，MOSFET Q4得到驱动电压，软启动模块后续的工作过程同前描述，整个并机系统的电池软启动可以完成。
本发明在另一方面还提供了一种UPS软启动方法，请参考图7，其优选的实施例包括以下步骤：
步骤S1、分别将市电软启动模块和电池软启动模块的输出端连接到共同的限流电路和正负母线，进入步骤S21或步骤S31；
步骤S21、市电软启动模块中的市电启动电路接收市电输入，并通过限流电路给正负母线充电；
步骤S22、在充电的同时，检测正负母线的电压，当检测到其高于第一设定值时，启动辅助电源向DSP&检测板供电，DSP&检测板开启系统主路SCR进行供电；
步骤S23、当检测到正负母线的电压高于第二设定值时，DSP&检测板发出控制信号断开市电启动电路，结束市电软启动。
步骤S31、电池软启动模块接收电池输入，利用电池能量生成驱动脉冲信号，驱动脉冲信号使电池软启动模块中的开关电路导通以通过限流电路给正负母线充电，驱动脉冲信号宽度保证UPS在开关电路关断之前完成软启动；
步骤S32、驱动脉冲信号作用结束，开关电路关断使得电池软启动模块断开，结束电池软启动。
更优选地，市电启动电路的启止通过设置在市电信号输入端和限流电路的输入端之间的继电器电路来控制。
更优选地，电池软启动模块具有并联的多个，电池软启动过程中，当监测到其中一个电池软启动模块开启正常时，控制其它电池软启动模块启用。
该UPS软启动方法更为具体的实施原理请参考前述UPS软启动电路的原理及其工作过程的描述。
如前述实施例所示，R10、R11、R12、R13这四个限流电阻是市电软启动和电池软启动所共用的，而已知的分离设计均分别使用独自的电路，两者没有联系，因此，与传统的技术相比，本发明以两种模式的软启动功能作为一个整体来设计，控制更加简便，功能实现更加可靠，所使用的元器件大大减少，从而也有效地降低了成本。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明，例如，对于开关管Q4、Q5，既可以采用本实施例中MOSFET，还可以采用SCR等器件。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种UPS软启动电路，其特征在于，包括市电软启动模块、电池软启动模块、限流电路和正负母线，所述市电软启动模块、电池软启动模块的输入端分别接市电和电池的供电端，所述市电软启动模块、电池软启动模块的输出端共同耦合到所述限流电路的输入端，所述限流电路的输出端耦合到所述正负母线的输入端，所述市电软启动模块和所述电池软启动模块在UPS启动时分别通过所述限流电路的进行限流，并在UPS启动完成时停止所述限流电路的作用。
2.如权利要求1所述的UPS软启动电路，其特征在于，所述市电软启动模块包括市电启动电路、母线检测电路和输入控制电路，所述市电启动电路的输出端通过所述限流电路耦合到所述正负母线的输入端，所述母线检测电路的检测端耦合到所述正负母线，所述母线检测电路的输出端耦合到所述输入控制电路，所述输入控制电路根据母线电压检测结果控制所述市电启动电路的启止。
3.如权利要求2所述的UPS软启动电路，其特征在于，所述市电启动电路包括耦合在市电信号输入端和所述限流电路的输入端之间的继电器电路，所述市电启动电路的启止通过所述继电器电路控制。
4.如权利要求2所述的UPS软启动电路，其特征在于，所述母线检测电路包括从所述正负母线取电的辅助电源，所述输入控制电路包括DSP及检测板电路，所述辅助电源在所述正负母线的电压值高于第一设定值时向所述DSP及检测板电路供电，所述DSP及检测板电路开启系统主路SCR，并在所述正负母线的电压值高于第二设定值时使所述市电启动电路停止作用。
5.如权利要求1至4任意一项所述的UPS软启动电路，其特征在于，所述电池软启动模块包括驱动脉冲发生单元和开关电路，所述驱动脉冲发生单元的输入端耦合到电池电极，其将电池能量转换为控制所述开关电路的通断的驱动脉冲，所述开关电路导通时，所述电池软启动模块启用，所述开关电路关断时，所述电池软启动模块停止作用。
6.如权利要求5所述的UPS软启动电路，其特征在于，其特征在于，所述电池软启动模块有并联的多个且分别设置有控制其回路通断的光电耦合器，还包括监控电路，所述监控电路的输出端分别耦合到所述光电耦合器，所述监控电路在监测到其中一个电池软启动模块正常开启时开通所述光电耦合器以使其它电池软启动模块工作。
7.一种UPS软启动方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、分别将市电软启动模块和电池软启动模块的输出端连接到共同的限流电路和正负母线；
B、接入市电，使所述市电软启动模块作用并通过所述限流电路限流，并在UPS启动后停止所述限流电路的限流作用；或者，接入电池，使所述电池软启动模块作用并通过所述限流电路限流，并在UPS启动后停止所述限流电路的限流作用。
8.如权利要求7所述的UPS软启动方法，其特征在于，所述步骤B包括以下步骤：
B11、所述市电软启动模块中的市电启动电路接收市电输入，并通过所述限流电路给所述正负母线充电；
B12、在充电的同时，检测所述正负母线的电压，当检测到其高于第一设定值时，启动辅助电源向DSP&检测板供电，所述DSP&检测板开启系统主路SCR；
B13、当检测到所述正负母线的电压高于第二设定值时，所述DSP&检测板发出控制信号使所述市电启动电路的停止作用；
或者以下步骤：
B21、所述电池软启动模块接收电池输入，利用电池能量生成驱动脉冲信号，所述驱动脉冲信号使所述电池软启动模块中的开关电路导通以通过所述限流电路给所述正负母线充电，所述驱动脉冲信号宽度保证UPS在所述开关电路关断之前完成软启动；
B22、所述驱动脉冲信号作用结束，所述开关电路关断使得所述电池软启动模块停止作用。
9.如权利要求8所述的UPS软启动方法，其特征在于，所述步骤B中，所述市电启动电路的启止通过设置在市电信号输入端和所述限流电路的输入端之间的继电器电路来控制。
10.如权利要求7至9任意一项所述的UPS软启动方法，其特征在于，所述电池软启动模块具有并联的多个，所述步骤B中，当监测到其中一个电池软启动模块开启正常时，控制其它电池软启动模块启用。
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