CN1553554A - 一种用于实现不间断电源系统切换控制的静态开关装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于实现不间断电源系统切换控制的静态开关装置。采用双向可控硅作为静态开关，克服了继电器切换时的瞬间断电和拉弧造成的环流，实现切换时中断时间为0mS。采用旁路静态开关和逆变开关互锁电路，保证旁路市电供电电源和逆变器供电之间不存在环流。采样旁路可控硅输出电压并参与互锁电路的控制，实现旁路市电转换到逆变器电源时的零电流和零电压切换。在不间断电源系统上电辅助电源(双重备份)供电过程中，可控硅能自我实现缓起动，缓起动完成后才根据静态开关控制信号使得可控硅有相应的输出。当某种意外的原因使可控硅的供电电源欠压时，可控硅能自我进行关输出保护，提高静态开关系统的可靠性。

Description

一种用于实现不间断电源系统切换控制的静态开关装置

技术领域

本发明涉及一种用于实现不间断电源系统切换控制的静态开关装置，属于实现交流不间断电源的旁路市电和逆变交流电之间进行切换及其控制技术，具体涉及一种用于不间断电源系统在由交流旁路供电转逆变器电源供电和由逆变器电源供电转交流旁路供电的静态开关装置。

背景技术

在计算机网络及电信网络迅猛发展的客观需求推动下，当今的不间断电源系统已在大量引进微处理器监控技术的基础上发展成为一种智能的的不间断电源系统。

当用户按不间断电源系统面板开关，开启不间断电源系统后，不间断电源系统在刚开机的一段时间内通过交流旁路向负载供电(在市电电压在规定的范围内)，不间断电源系统的逆变器在空载运行正常后，在微处理器的控制下不间断电源系统将从市电供电转换到逆变器电源供电。

当不间断电源系统电源在运行过程中，遇到以下故障时：1)输出端出过载或短路故障；2)不间断电源系统内部由于环境温度或冷却用风扇故障导致功率器件温度过高；3)不间断电源系统逆变器本身出故障。不间断电源系统将执行从逆变器电源供电切换到交流旁路供电。在故障排除后又要能切换回到逆变器供电。

用于上述两种供电模式的切换装置就是所谓的静态开关。在切换过程中最主要的问题是供电的中断和两组交流电源之间切换的环流。

图1为最常见的通过继电器切换的静态开关，但在切换时会产生瞬时中断。为克服上诉缺点可用高速动作晶闸管开关与继电器开关组成(并联)的混合式开关，瞬时供电时晶闸管静态开关接通，连续供电是继电器开关接通。但是此方法控制电路复杂，继电器的开通和断开时间的离散性很大，且在不间断电源系统输出负载很重时继电器切换触点间存在拉弧现象，容易使得逆变器电源和市电电源形成环流而烧毁不间断电源系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是克服背景技术中存在的缺点，提出了一种采用双向可控硅，实现不间断电源系统切换控制的静态开关装置，保证在市电供电电源和逆变器电源之间互相切换时可靠而且切换中断时间为0mS，保证了不间断电源系统供电的可靠性。

本发明是这样实现的：

一种用于实现不间断电源系统切换控制的静态开关装置，其特征在于：该装置包括：

选择导通电路，用于实现对静态开关控制信号的光耦隔离，通过选通信号将经光耦隔离后的静态开关控制信号输出至互锁控制电路；

互锁控制电路，接收选择导通电路输出的静态开关控制信号、旁路电压检测控制电路的输出信号、缓起动电路的输出信号、PWM调制信号的控制，实现旁路或逆变静态开关驱动信号的输出；

所述静态开关控制信号经互锁处理后，通过变压器耦合输出，驱动主电路的相应双向可控硅，实现旁路和逆变供电的切换，所述PWM调制信号，用于使得经互锁处理的静态开关驱动信号能通过变压器耦合送至主电路；

所述旁路电压检测控制电路的输出信号经互锁处理，实现由旁路转为逆变供电时零电流和零电压切换；

主电路，接收经互锁处理输出的旁路或逆变静态开关驱动信号，驱动相应双向可控硅，实现旁路市电电源和逆变器电源的无中断切换，并将旁路双向可控硅开关两端的电压信号送至旁路电压检测控制电路；

旁路电压检测控制电路，用于检测主电路中旁路双向可控硅开关两端的电压信号，相应输出的信号送至互锁控制电路，实现旁路供电向逆变器电源供电的零电流和零电压切换，实现电池和市电不同模式控制；

缓起动电路，在不间断电源系统上电辅助电源供电过程中，开始封锁静态开关驱动信号的输出，正常后开通互锁控制电路的输出，在供电电压欠压时，封锁静态开关驱动信号的输出，以提高系统的可靠性；

所述静态开关控制信号，在微处理器控制下实现逆变供电、短路保护、旁路供电、电池供电四种输出模式；

所述选择导通电路，选通信号通过光耦隔离，将由微处理器控制的四种输出模式的静态开关控制信号送至互锁控制电路；

在光耦导通时，经电容瞬时充电，将得到的瞬时高电平，送至旁路电压检测控制电路，作为电池起动时，互锁控制电路的瞬时清零信号，以保证电池模式静态开关控制信号的正确输出；

所述互锁控制电路，由与门控制芯片构成，实现在任何情况下仅有一路静态开关驱动信号的输出为高电平；

输入端包括：静态开关控制信号、旁路电压检测控制电路的输出信号、PWM调制信号，输出端包括：静态开关驱动信号、缓起动电路的输出信号；

所述主电路，旁路市电火线和逆变器电源火线分别加到相应双向可控硅的输入；

其中旁路双向可控硅两端的电压信号送至旁路电压检测控制电路；

所述相应双向可控硅两端的高压吸收电容，用于在切换时减小电压应力；

所述旁路电压检测控制电路，由整流、光耦及外围器件组成，将旁路双向可控硅两端的电压信号作为输入，经整流、放大及光耦比较输出，送至互锁控制电路，用于实现由旁路向逆变的切换过程中，只有当旁路供电静态开关驱动信号的电压降下来后，才由互锁控制电路输出逆变静态开关驱动信号，以防止有环流；

所述缓起动电路，用于保证刚上电时旁路静态开关驱动信号和逆变静态开关驱动信号开始都为零，以防止误导通；

当从辅助电源来的供电电压从零上升到某一值时，稳压器开始工作，光耦导通，供电电压通过阻容回路充电，分别建立旁路、逆变的缓起动过程，使输出信号有高电平输出；

所述旁路阻容回路的RC参数比逆变阻容回路的RV参数小，保证旁路输出缓起动比逆变缓起动要快；

关闭时电容放电，供电电压需要降到更低时光耦才能关闭，用于在辅助电源供电电压异常欠压时关断静态开关驱动信号的输出。

在本发明中，不间断电源系统系统根据运行的情况，通过开关选择导通单元电路，实现控制静态开关在旁路、市电、电池以及短路下的不同输出，实现静态开关四种模式输出，完成不间断电源系统在旁路市电供电和逆变器电源供电的无间断无环流的高可靠切换。

本发明由于采用双向可控硅作为静态开关，克服了继电器切换时的瞬间断电和拉弧造成的环流，做到切换时中断时间为0mS，提高不间断电源系统供电系统的可靠性。同时采用了旁路静态开关和逆变开关互锁电路，保证旁路市电供电电源和逆变器供电之间不存在环流，提高不间断电源系统供电系统的可靠性。本发明采样旁路可控硅输出电压并参与互锁电路的控制，实现旁路市电转换到逆变器电源时的零电流和零电压切换。同时在不间断电源系统上电辅助电源(双重备份)供电过程中，静态开关能自我实现缓起动，缓起动完成后才根据静态开关控制信号使得静态开关有相应的输出。当某种意外的原因静态开关的供电电源欠压时，静态开关能自我进行关输出保护，提高静态开关的可靠性。

一般情况下，不间断电源系统都要进行旁路市电供电和逆变器电源供电的切换。采用本发明所述的装置，可以解决切换时的供电瞬间间断和两个供电系统间的环流，同时还实现静态开关旁路向逆变切换时的零电压切换，实现静态开关的缓起动和供电电源欠压保护，提高不间断电源系统整个供电系统的可靠性。而在现有的不间断电源系统静态开关装置中，采用继电器或继电器和可控硅的组合，存在着切换的瞬时间断、环流等切换不可靠缺点，不适合可靠性要求高的场合，从而限制了这些技术的广泛应用。本发明解决了现有技术中存在的缺陷和不足，并可在其它相关领域里借鉴采用。

附图说明

图1是常用的简单继电器静态开关示意图；

图2是本发明静态开关装置的电路框图；

图3是选择导通电路图；

图4是互锁控制电路图；

图5是主电路图；

图6是旁路电压检测控制电路图；

图7是缓起动电路图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

如图3所示：为静态开关选择导通电路，选通信号通过光耦D1和D2的隔离，送到互锁控制电路。图3中的VT6-b信号(D2导通时电容C4瞬时充电而VT6-b瞬时为高电平)为电池起动时互锁电路D6-8脚的瞬时清零信号，送到旁路电压检测控制电路，保证电池模式下静态开关有正确的输出。通过微处理器对选通信号F1、F2的控制，将得到4种不同状态的P1、P2静态开关控制信号送到互锁控制电路。

如图4所示：为静态开关互锁控制电路，此电路的核心电路由与门控制芯片D6和D7构成，保证在任何情况下仅有一路静态开关驱动信号的输出为高电平。用DRV-B和DRV-N分别表示旁路静态开关和逆变静态开关的驱动信号，P1和P2分别表示微处理器系统给的静态开关控制信号，则输入和输出的控制信号逻辑关系如下表所示：

输入		输出		对应状态	备注
						P1	P2	DRV-N	DRV-B
1	0	1	0	逆变供电
						0	1	0	0	两路都不通	短路保护
0	0	0	1	旁路供电
						1	1	1	0	电池供电

在互锁电路的输入端引进反映旁路双向可控硅电压的控制信号，即旁路电压检测控制电路的输出信号N1参与控制，在输出端引进反映旁路缓起动电路的输出信号S1和S2参与控制。PWM调制信号参与控制，使得互锁电路产生的逻辑电平信号能用变压器进行耦合输出驱动。

如图5所示：为静态开关的主电路，旁路市电火线和逆变器电源火线分别加到相应的静态开关输入，旁路市电静态开关输出火线和逆变器电源静态开关输出火线连接起来作为总的输出向负载供电。在此单元电路中，旁路静态可控硅两端的电压还送到旁路电压检测控制单元。静态开关可控硅两端高压吸收电容C23、C24、C25、C26可在切换时减小电压应力。

如图6所示：为旁路电压检测控制电路，电路由D14-17和光耦D9等外围器件组成。在旁路向逆变的切换过程中，只有旁路开关的电压降下来，才能开通逆变开关，防止有环流。也就是从旁路到逆变状态切换信号已经过来，但若旁路电流还没有降下来后的话，由于D9的不导通，从而使得D6C的9脚是高电平，此时D6B的5脚是低电平，其输出4脚是高电平，所以D6C的10脚是低电平，使得D7B的4脚输出低电平，逆变开关不能导通，直到加在旁路可控硅的电压整流后能使光耦D9导通，即旁路可控硅的电流降得很低光耦D9才导通。在从旁路到逆变切换时，若F1变已为高电平，控制信号在输出电压在很小的正负电压范围内发出，则可实现零电压切换。

如图7所示：为静态开关缓起动电路图，对应图2的205单元。为保证刚上电时DRV-B和DRV-N开始都为零，防止误导通，静态开关的驱动触发信号需要有缓起动的过程。当从辅助电源来的供电电压Vc从零上升到某一值时，三端稳压器D10开始工作，光耦D11导通，此时Vc通过R42、R47和R46分别给C29和C28充电，建立起缓起动过程，S1和S2有高电平输出。调节上述参数，保证旁路输出缓起动比逆变缓起动要快。由于VD20的导通，相当于电阻R43和R44并联，D10的R极电位提高，Vc电压需要降到更低时D11才能关闭。此缓起动电路在辅助电源供电电压异常欠压时还能关两路静态开关的输出。由于开机刚上电时不间断电源系统输出处于旁路模式供电，R46、C28的RC参数应比R47、C29的RC参数小。

Claims (7)

1.一种用于实现不间断电源系统切换控制的静态开关装置，其特征在于：该装置包括：

选择导通电路，用于实现对静态开关控制信号的光耦隔离，通过选通信号将经光耦隔离后的静态开关控制信号输入至互锁控制电路；

互锁控制电路，接收选择导通电路输出的静态开关控制信号、旁路电压检测控制电路的输出信号、缓起动电路的输出信号、PWM调制信号的控制，实现旁路或逆变静态开关驱动信号的输出；

所述静态开关控制信号经互锁处理后，通过变压器耦合输出，驱动主电路的相应双向可控硅，实现旁路和逆变供电的切换，所述PWM调制信号，用于使得经互锁处理的驱动信号能通过变压器耦合输出送至主电路的静态开关上；

所述旁路电压检测控制电路的输出信号经互锁处理，实现由旁路转为逆变供电时零电流和零电压切换；

主电路，接收经互锁处理输出的旁路或逆变静态开关驱动信号，驱动相应双向可控硅，实现旁路市电电源和逆变器电源的无中断切换，并将旁路双向可控硅开关两端的电压信号送至旁路电压检测控制电路；

旁路电压检测控制电路，用于检测主电路中旁路双向可控硅开关两端的电压信号，相应输出的信号送至互锁控制电路，实现旁路供电向逆变器电源供电的零电流和零电压切换，实现电池和市电不同模式控制；

缓起动电路，在不间断电源系统上电辅助电源供电过程中，开始封锁静态开关驱动信号的输出，正常后开通互锁控制电路的输出，在供电电压欠压时，封锁静态开关驱动信号的输出，以提高系统的可靠性。

2.如权利要求1所述用于实现不间断电源系统切换控制的静态开关装置，其特征在于：

所述静态开关控制信号，在微处理器控制下实现逆变供电、短路保护、旁路供电、电池供电四种输出模式。

3.如权利要求1所述用于实现不间断电源系统切换控制的静态开关装置，其特征在于：

所述选择导通电路，选通信号通过光耦隔离，将由微处理器控制的四种输出模式的静态开关控制信号送至互锁控制电路；

在光耦导通时，经电容瞬时充电，将得到的瞬时高电平，送至旁路电压检测控制电路，作为电池起动时，互锁控制电路的瞬时清零信号，以保证电池模式静态开关控制信号的正确输出。

4.如权利要求1所述用于实现不间断电源系统切换控制的静态开关装置，其特征在于：

所述互锁控制电路，由与门控制芯片构成，实现在任何情况下仅有一路静态开关驱动信号的输出为高电平；

输入端包括：静态开关控制信号、旁路电压检测控制电路的输出信号、PWM调制信号，输出端包括：静态开关驱动信号、缓起动电路的输出信号。

5.如权利要求1所述用于实现不间断电源系统切换控制的静态开关装置，其特征在于：

所述主电路，旁路市电火线和逆变器电源火线分别加到相应双向可控硅的输入；

其中旁路双向可控硅两端的电压信号送至旁路电压检测控制电路；

所述相应双向可控硅两端的高压吸收电容，用于在切换时减小电压应力。

6.如权利要求1所述用于实现不间断电源系统切换控制的静态开关装置，其特征在于：

所述旁路电压检测控制电路，由整流和光耦及外围器件组成，将旁路双向可控硅两端的电压信号作为输入，经整流、放大及光耦比较输出，送至互锁控制电路，用于实现由旁路向逆变的切换过程中，只有当旁路供电静态开关驱动信号的电压降下来后，才由互锁控制电路输出逆变静态开关驱动信号，以防止有环流。

7.如权利要求1所述用于实现不间断电源系统切换控制的静态开关装置，其特征在于：

所述缓起动电路，用于保证刚上电时旁路静态开关驱动信号和逆变静态开关驱动信号开始都为零，以防止误导通；

当从辅助电源来的供电电压从零上升到某一值时，稳压器开始工作，光耦导通，供电电压通过阻容回路充电，分别建立旁路和逆变的缓起动过程，使输出信号有高电平输出；

所述旁路阻容回路的RC参数比逆变阻容回路的RV参数小，保证旁路输出缓起动比逆变缓起动要快；

关闭时电容放电，供电电压需要降到更低时光耦才能关闭，用于在辅助电源供电电压异常欠压时关断静态开关驱动信号的输出。

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