CN101710695A - 不间断电源中开关管的逐波限流方法及装置 - Google Patents

不间断电源中开关管的逐波限流方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种不间断电源中开关管的逐波限流方法及装置，采用表征该PFC开关管工作状态的I/O信号(DSP_IO_PFC+、DSP_IO_PFC-)和开关管限流信号(PFC_LIMIT_I)进行运算，从而使开关管限流信号中存在表征开关管工作状态的信号，然后再用此信号去影响PFC开关管驱动信号，使得市电工作模式下能正常限流，而在电池模式下高频段限流和工频段不限流，避免了PFC开关管在工频段限流恢复后无法再次导通、出现限流发生后一个周期内有10MS内无通路的问题。工频段PFC开关管驱动信号(DSP_PFC_DRV+、DSP_PFC_DRV-)采用小于100％的大占空比发波而不是采用等于占空比等于100％的恒高电平，从而进一步保证电池模式下工频段不限流。

Description

不间断电源中开关管的逐波限流方法及装置
技术领域
本发明涉及一种不间断电源(下称UPS)中PFC(功率因数校正)开关管的硬件逐波限流方法及装置，尤其是UPS中PFC开关管在电池工作模式下的硬件逐波限流方法及装置。
背景技术
一种典型的UPS拓扑如图1所示。基工作原理如下：
①市电模式：当检测到母线电压与当前市电电压峰值小于一定范围时，如5伏就可以切断市电软启动开关Qs，同时闭合市电输入部分开关Q1。此时，三相市电分别通过三相前置电感L1和整流桥实现PFC功能，保持母线电容电压的稳定。市电模式下，与电池相连的开关(电池输入的开关)QBA+和QBA-均处于开路状态。
②电池模式：当市电出现问题，如高压、低压、断电、频率超限等市电供电质量问题时，UPS需要从市电模式切换到电池模式。电池模式工作时，市电输入部分开关Q1全都断开，充电器开关管QB停止工作。充电器与负母线连接的开关QC均处于断开状态，以保证电池模式下正常工作。与此同时，电池输入的开关QBA+和QBA-同时闭合，PFC开关管QA开始发波，其发波方式为正组开关管和负组开关管分别一组作高频斩波，一组作工频开关。给正半周母线电容充电时，负组开关管作工频开关，正组作高频斩波。给负半周母线电容充电时，正组开关管作工频开关，负组作高频斩波。图1中其余标号为：F1-市电保险，Rs-软启电阻，QBs-电池软启开关，FB-电池保险，QO-充电器开关，LC-电池模式下工作电感。
在高、低压和突加负载情况下，为了有效保护PFC开关管QA不被损毁，必须对流过PFC开关管QA电流进行限流。为此，已提出了一些方案，比如通过对PFC开关管上管和下管驱动信号DSP_PFC_DRV+和DSP_PFC_DRV-进行封波，来实现逐波限流。但是，现有的逐波限流电路是在限流发生后上管和下管同时封波，这在市电模式下虽然是可以的，但在电池模式下会带来很大问题。根据工作原理可知，UPS限流发生后，只能对高频斩波管封波，对工频管不能封波，否则PFC开关管(IGBT)在工频段限流恢复后无法再次导通，出现限流发生后一个周期内有10ms内无通路。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是弥补上述现有技术的不足，提出一种不间断电源中开关管的逐波限流方法及装置，能成功地实现限流而又不会对工频管封波，既能适用于市电模式，又能适用于电池模式。
为此，本发明提出一种UPS中PFC开关管的硬件逐波限流方法，包括如下步骤：
一种UPS中PFC开关管的硬件逐波限流方法，其特征在于包括以下步骤：A.针对每个PFC开关管，设置一个用于表征该PFC开关管工作状态的I/O信号(DSP_IO_PFC+、DSP_IO_PFC-)，并控制其电平根据该PFC开关管的工作状态而定，当该PFC开关管工作在高频段时为低电平，当该PFC开关管工作在工频段时为高电平，或者反之；B、设置一个PFC开关管限流信号(PFC_LIMIT_I)，并控制其电平根据是否超过设定限流点而变，电流未超设定限流点时为高电平，超过设定限流点时为低电平，或者反之；C、利用上述I/O信号(DSP_IO_PFC+、DSP_IO_PFC-)和PFC开关管限流信号(PFC_LIMIT_I)的逻辑运算来实现电池模式下高频段限流和工频段不限流问题，在市电模式下，逻辑运算的输出电平翻转恒由PFC开关管限流信号(PFC_LIMIT_I)决定；电池模式下，高频阶段，逻辑运算的输出电平翻转恒由PFC_LIMIT_I信号决定；工频阶段，逻辑运算的输出电平翻转恒由I/O信号(DSP_IO_PFC+、DSP_IO_PFC-)信号决定；D、将上述逻辑运算的结果信号与PFC开关管驱动信号(DSP_PFC_DRV+、DSP_PFC_DRV-)进行第二逻辑运算，用第二逻辑运算的结果信号对PFC开关管进行驱动。
根据本发明实施例，实现上述步骤C的逻辑运算为或运算，在市电模式下，I/O信号(DSP_IO_PFC+、DSP_IO_PFC-)恒为低；电池模式下，I/O信号(DSP_IO_PFC+、DSP_IO_PFC-)为50HZ方波，高频阶段I/O信号(DSP_IO_PFC+、DSP_IO_PFC-)为低电平，工频阶段，I/O信号(DSP_IO_PFC+、DSP_IO_PFC-)为高电平。
根据本发明实施例，工频段PFC开关管驱动信号(DSP_PFC_DRV+、DSP_PFC_DRV-)采用小于100％的占空比发波。
本发明还包括一种UPS中PFC开关管的硬件逐波限流装置，其特征在于包括：
A、I/O信号设置装置，用于针对每个PFC开关管设置一个用于表征该PFC开关管工作状态的I/O信号(DSP_IO_PFC+、DSP_IO_PFC-)，并控制该I/O信号(DSP_IO_PFC+、DSP_IO_PFC-)电平根据相应PFC开关管的工作状态而定，当该PFC开关管工作在高频段时为低电平，当该PFC开关管工作在工频段时为高电平，或者反之；B、开关管限流信号(PFC_LIMIT_I)设置装置，用于设置一个PFC开关管限流信号(PFC_LIMIT_I)，并控制其电平根据是否超过设定限流点而变，电流未超设定限流点时为高电平，超过设定限流点时为低电平，或者反之；C、逻辑运算装置，用于对上述I/O信号(DSP_IO_PFC+、DSP_IO_PFC-)和PFC开关管限流信号(PFC_LIMIT_I)进行逻辑运算来实现电池模式下高频段限流和工频段不限流问题，在市电模式下，逻辑运算的输出电平翻转恒由PFC开关管限流信号(PFC_LIMIT_I)决定；电池模式下，高频阶段，逻辑运算的输出电平翻转恒由PFC_LIMIT_I信号决定；工频阶段，逻辑运算的输出电平翻转恒由I/O信号(DSP_IO_PFC+、DSP_IO_PFC-)信号决定；D、第二逻辑运算装置，用于将上述逻辑运算的结果信号与PFC开关管驱动信号(DSP_PFC_DRV+、DSP_PFC_DRV-)再次进行逻辑运算，用第二逻辑运算装置的结果信号对PFC开关管进行驱动。
根据本发明实施例，所述逻辑运算装置为或运算装置，在市电模式下，I/O信号(DSP_IO_PFC+、DSP_IO_PFC-)恒为低；电池模式下，I/O信号(DSP_IO_PFC+、DSP_IO_PFC-)为50HZ方波，高频阶段I/O信号(DSP_IO_PFC+、DSP_IO_PFC-)为低电平，工频阶段，I/O信号(DSP_IO_PFC+、DSP_IO_PFC-)为高电平。
根据本发明实施例，工频段PFC开关管驱动信号(DSP_PFC_DRV+、DSP_PFC_DRV-)为占空比小于100％的占空比信号。
本发明与现有技术对比的有益效果是：由于采用了表征该PFC开关管工作状态的I/O信号(DSP_IO_PFC+、DSP_IO_PFC-)和开关管限流信号(PFC_LIMIT_I)进行运算，从而使开关管限流信号中存在表征开关管工作状态的信号，然后再用此信号去影响PFC开关管驱动信号，使得市电工作模式下能正常限流，而在电池模式下高频段限流和工频段不限流。
由于工频段PFC开关管驱动信号(DSP_PFC_DRV+、DSP_PFC_DRV-)采用小于100％的占空比发波而不是采用等于占空比等于100％的恒高电平，从而进一步保证电池模式下工频段不限流。
附图说明
图1是一种典型的UPS拓扑示意图。
图2是本发明实施例一开关管逐波限流电路示意图。
图3是本发明实施例二开关管逐波限流电路示意图。
图4是本发明实施例二电池模式下发波时序示意图。
图5是本发明实施例二市电模式下发波时序示意图。
具体实施方式
实施例一
如图2所示是一种用于UPS中PFC开关管的硬件逐波限流装置，包括：A、I/O信号设置装置，用于针对每个PFC开关管设置一个用于表征该PFC开关管工作状态的I/O信号(DSP_IO_PFC+、DSP_IO_PFC-)，并控制该I/O信号(DSP_IO_PFC+、DSP_IO_PFC-)电平根据相应PFC开关管的工作状态而定，即：当该PFC开关管工作在高频段时为低电平，当该PFC开关管工作在工频段时为高电平，或者反之；B、开关管限流信号(PFC_LIMIT_I)设置装置，用于设置一个PFC开关管限流信号(PFC_LIMIT_I)，并控制其电平根据是否超过设定限流点而变，即：电流未超设定限流点时为高电平，超过设定限流点时为低电平，或者反之；C、逻辑运算装置，用于对上述I/O信号(DSP_IO_PFC+、DSP_IO_PFC-)和PFC开关管限流信号(PFC_LIMIT_I)进行逻辑运算来实现电池模式下高频段限流和工频段不限流问题，即：在市电模式下，逻辑运算的输出电平翻转恒由PFC开关管限流信号(PFC_LIMIT_I)决定；电池模式下，高频阶段，逻辑运算的输出电平翻转恒由PFC_LIMIT_I信号决定；工频阶段，逻辑运算的输出电平翻转恒由I/O信号(DSP_IO_PFC+、DSP_IO_PFC-)信号决定；D、第二逻辑运算装置，用于将上述逻辑运算的结果信号与来自PFC控制信号发生装置的PFC开关管驱动信号(DSP_PFC_DRV+、DSP_PFC_DRV-)再次进行逻辑运算，用第二逻辑运算装置的结果信号对PFC开关管进行驱动。
用上述装置进行UPS中PFC开关管的硬件逐波限流方法包括以下步骤：A.针对每个PFC开关管，设置一个用于表征该PFC开关管工作状态的I/O信号(DSP_IO_PFC+、DSP_IO_PFC-)，并控制其电平根据该PFC开关管的工作状态而定，即：当该PFC开关管工作在高频段时为低电平，当该PFC开关管工作在工频段时为高电平，或者反之；B、设置一个PFC开关管限流信号(PFC_LIMIT_I)，并控制其电平根据是否超过设定限流点而变，即：电流未超设定限流点时为高电平，超过设定限流点时为低电平，或者反之；C、利用上述I/O信号(DSP_IO_PFC+、DSP_IO_PFC-)和PFC开关管限流信号(PFC_LIMIT_I)的逻辑运算来实现电池模式下高频段限流和工频段不限流问题，即：在市电模式下，逻辑运算的输出电平翻转恒由PFC开关管限流信号(PFC_LIMIT_I)决定；电池模式下，高频阶段，逻辑运算的输出电平翻转恒由PFC_LIMIT_I信号决定；工频阶段，逻辑运算的输出电平翻转恒由I/O信号(DSP_IO_PFC+、DSP_IO_PFC-)信号决定；D、将上述逻辑运算的结果信号与PFC开关管驱动信号(DSP_PFC_DRV+、DSP_PFC_DRV-)进行第二逻辑运算，用第二逻辑运算的结果信号对PFC开关管进行驱动。
实施例二
如图3所示，本实施例中，针对PFC开关管上管，通过I/O信号设置装置设置一个可用软件控制的I/O信号DSP_IO_PFC+(针对下管，则为DSP_IO_PFC-，以下依此类推)，用于电池模式下IGBT工作在高频段还是工频段；利用DSP_IO_PFC+和PFC_LIMIT_I或逻辑来实现电池模式下高频段限流和工频段不限流问题。
在市电模式下，DSP_IO_PFC+信号恒为低，U63的Y脚(U34的/CLR脚)电平翻转由PFC开关管限流信号即PFC_LIMIT_I信号(电流未超设定限流点时为高电平，超过设定限流点时为低电平)决定。此时，可实现限流功能。市电模式下的发波时序如图5所示。
电池模式下，DSP_IO_PFC+信号为50Hz方波，高频阶段DSP_IO_PFC+信号为低电平，U63的Y脚(U34的/CLR脚)电平翻转由PFC_LIMIT_I信号决定；工频阶段，DSP_IO_PFC+信号为高电平，U63的Y脚(U34的/CLR脚)电平翻转由DSP_IO_PFC+信号决定。
当U63的Y脚(U34的/CLR脚)电平翻转由PFC_LIMIT_I信号决定时，即可实现限流：当PFC电流超过额定电流时，PFC开关管限流信号PFC_LIMIT_I(电流未超设定限流点时为高电平，超过设定限流点时为低电平)由高电平变为低电平，RS触发器(U34)的/CLR脚(置零端)使能，Q脚输出低电平，PFC驱动信号DSP_PFC_DRV+(PFC开关管上管驱动信号；下管的驱动信号则为DSP_PFC_DRV-)经过与门U42后被封波，即O_PFC_DRV+(连接IGBT驱动板)变为低电平。如上所述，这种情形发生于高频阶段，因此高频阶段可以实现限流。
当U63的Y脚(U34的/CLR脚)电平翻转由DSP_IO_PFC+信号决定时，则PFC驱动信号DSP_PFC_DRV+不会被封波，因此不会发生限流。因此，就实现了工频阶段不限流的目的。
图3中其余标号，R、S为RS触发器的信号输入端，C1为时钟输入端，1D为电源端。
实施例三
本实施例的提出是基于：本发明人意外地发现，如果在工频段时PFC驱动信号DSP_PFC_DRV+的占空比为100％(即恒高电平)，则有时会出现PFC驱动信号DSP_PFC_DRV+会被意外封波的现象。研究证明，这是由于因用C语言编程，很难可靠保证DSP_IO_PFC+一定在工频和高频交替之前翻转造成的。如果DSP_IO_PFC+滞后，且就在工频和高频交替时刻发生限流，那么就不能实现工频段不限流(不封波)的目的，因工频段DSP_PFC_DRV+是恒高电平，图3所示电路中的RS触发器没有时钟了(U34的第3脚CLK恒高)。
因此，为提高工频段不封波的可靠性，必须硬件电路和软件发波时序相互配合。本实施例为了能可靠实现工频段不限流(不封波)的方案是，工频段DSP_PFC_DRV+采用接近于100％而不到100％的占空比发波，比如本例中电池模式下的发波时序如图4所示，本例中为98％占空比，这样，在工频段，DSP_PFC_DRV+就不会是恒高电平，而是有短暂的低电平，从而为图3中RS触发器提供了上升沿，保证RS触发器正常工作，以确保电池模式下工频段不限流(不封波)。
(市电模式下的发波时序仍如图5所示，与实施例二同。)
该大占空比发波的DSP_PFC_DRV+中低电平所占的比例要足够小，以确保所提代的低电平只在图3所示的限流电路中起作用，其相应的输出信号O_PFC_DRV+通过后续的驱动板电路后，不足以导通后续硬件，造成后续硬件自动吃掉工频段IGBT短暂关断的部分时间(即DSP_PFC_DRV+的短暂低电平)的效果，从而使到达IGBT的驱动仍然是恒高电平。或者到达IGBT的驱动仍有短暂的低电平但其已不足以导通IGBT开关管。
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。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。比如：上述实施例是以PFC开关管上管为例进行说明的，不能认为本发明只适用于上管；又如，上述实施例中用到或门、与门等，但完全可以因信号高低电平的定义不同而可能采用不同的逻辑器件，RS触发器也可以用特殊的D触发器替代，等等，不再穷举。

Claims (6)

1.一种不间断电源中开关管的逐波限流方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、针对每个PFC开关管，设置一个用于表征该PFC开关管工作状态的I/O信号(DSP_IO_PFC+、DSP_IO_PFC-)，并控制其电平根据该PFC开关管的工作状态而定，当该PFC开关管工作在高频段时为低电平，当该PFC开关管工作在工频段时为高电平，或者反之；
B、设置一个PFC开关管限流信号(PFC_LIMIT_I)，并控制其电平根据是否超过设定限流点而变，电流未超设定限流点时为高电平，超过设定限流点时为低电平，或者反之；
C、利用上述I/O信号(DSP_IO_PFC+、DSP_IO_PFC-)和PFC开关管限流信号(PFC_LIMIT_I)的逻辑运算来实现电池模式下高频段限流和工频段不限流问题，在市电模式下，逻辑运算的输出电平翻转恒由PFC开关管限流信号(PFC_LIMIT_I)决定；电池模式下，高频阶段，逻辑运算的输出电平翻转恒由PFC_LIMIT_I信号决定；工频阶段，逻辑运算的输出电平翻转恒由I/O信号(DSP_IO_PFC+、DSP_IO_PFC-)信号决定；
D、将上述逻辑运算的结果信号与PFC开关管驱动信号(DSP_PFC_DRV+、DSP_PFC_DRV-)进行第二逻辑运算，用第二逻辑运算的结果信号对PFC开关管进行驱动。
2.如权利要求1所述的不间断电源中开关管的逐波限流方法，其特征在于，实现上述步骤C的逻辑运算为或运算，在市电模式下，I/O信号(DSP_IO_PFC+、DSP_IO_PFC-)恒为低；电池模式下，I/O信号(DSP_IO_PFC+、DSP_IO_PFC-)为50HZ方波，高频阶段I/O信号(DSP_IO_PFC+、DSP_IO_PFC-)为低电平，工频阶段，I/O信号(DSP_IO_PFC+、DSP_IO_PFC-)为高电平。
3.如权利要求1或2所述的不间断电源中开关管的逐波限流方法，其特征在于，工频段PFC开关管驱动信号(DSP_PFC_DRV+、DSP_PFC_DRV-)采用小于100％的占空比发波，其占空比足够大以至于其中短暂的低电平信号不足以导通后续开关管。
4.一种不间断电源中开关管的逐波限流装置，其特征在于包括：
A.I/O信号设置装置，用于针对每个PFC开关管设置一个用于表征该PFC开关管工作状态的I/O信号(DSP_IO_PFC+、DSP_IO_PFC-)，并控制该I/O信号(DSP_IO_PFC+、DSP_IO_PFC-)电平根据相应PFC开关管的工作状态而定，当该PFC开关管工作在高频段时为低电平，当该PFC开关管工作在工频段时为高电平，或者反之；
B、开关管限流信号(PFC_LIMIT_I)设置装置，用于设置一个PFC开关管限流信号(PFC_LIMIT_I)，并控制其电平根据是否超过设定限流点而变，电流未超设定限流点时为高电平，超过设定限流点时为低电平，或者反之；
C、逻辑运算装置，用于对上述I/O信号(DSP_IO_PFC+、DSP_IO_PFC-)和PFC开关管限流信号(PFC_LIMIT_I)进行逻辑运算来实现电池模式下高频段限流和工频段不限流问题，在市电模式下，逻辑运算的输出电平翻转恒由PFC开关管限流信号(PFC_LIMIT_I)决定；电池模式下，高频阶段，逻辑运算的输出电平翻转恒由PFC_LIMIT_I信号决定；工频阶段，逻辑运算的输出电平翻转恒由I/O信号(DSP_IO_PFC+、DSP_IO_PFC-)信号决定；
D、第二逻辑运算装置，用于将上述逻辑运算的结果信号与PFC开关管驱动信号(DSP_PFC_DRV+、DSP_PFC_DRV-)再次进行逻辑运算，用第二逻辑运算装置的结果信号对PFC开关管进行驱动。
5.如权利要求4所述的不间断电源中开关管的逐波限流装置，其特征在于，所述逻辑运算装置为或运算装置，在市电模式下，I/O信号(DSP_IO_PFC+、DSP_IO_PFC-)恒为低；电池模式下，I/O信号(DSP_IO_PFC+、DSP_IO_PFC-)为50HZ方波，高频阶段I/O信号(DSP_IO_PFC+、DSP_IO_PFC-)为低电平，工频阶段，I/O信号(DSP_IO_PFC+、DSP IO_PFC-)为高电平。
6.如权利要求4或5所述的不间断电源中开关管的逐波限流装置，其特征在于，工频段PFC开关管驱动信号(DSP_PFC_DRV+、DSP_PFC_DRV-)为占空比小于100％的大占空比信号，其占空比足够大以至于其中短暂的低电平信号不足以导通后续开关管。
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