帶后備電池的多路隔離輸出開(kāi)關(guān)電源

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人類對(duì)于電能的需求量越來(lái)越大。在化石能源等不可再生、能源日益短缺的情況下，越來(lái)越多的國(guó)家意識(shí)到節(jié)約能源與開(kāi)發(fā)可再生能源的重要性。因此近幾年，高壓直流輸電、太陽(yáng)能發(fā)電等高新技術(shù)得到快速發(fā)展。而這些高新技術(shù)的發(fā)展都離不開(kāi)性能日益提升的大功率可控器件，如IGBT。這些大功率器件往往功率較大、集成度高、價(jià)格昂貴，且需要有適合其工作的驅(qū)動(dòng)電路。由于這些大功率器件在工作中往往是多只組合構(gòu)成橋式電路工作，每只功率器件都是獨(dú)立的，因此其驅(qū)動(dòng)電路所需電壓必須由多路隔離的直流電壓提供，而這種多路隔離的直流電壓輸出一般都由開(kāi)關(guān)電源實(shí)現(xiàn)。開(kāi)關(guān)電源一般由市電為其供電，只要市電正常，開(kāi)關(guān)電源就可工作，并能輸出穩(wěn)定的多路隔離直流電壓。一旦市電發(fā)生故障，開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓就會(huì)下降，而由于連接大功率開(kāi)關(guān)器件的直流母線上并聯(lián)著容量較大的電解電容，開(kāi)關(guān)電源輸出電壓下降必然導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電路的電壓下降，由此很可能導(dǎo)致功率器件在應(yīng)該關(guān)斷的時(shí)刻不能立即關(guān)斷而燒毀。因此，驅(qū)動(dòng)電路的供電開(kāi)關(guān)電源對(duì)整個(gè)系統(tǒng)至關(guān)重要。為了保證功率器件可靠工作，其驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)該能不間斷工作；或者在市電斷電的情況下，保持供電一段時(shí)間，讓功率器件都相繼關(guān)閉再斷電。由于開(kāi)關(guān)電源是多路隔離輸出，且電壓等級(jí)也有很多種，如果為每一路輸出都配備一只蓄電池，雖然可以保證系統(tǒng)在市電斷電情況下運(yùn)行一段時(shí)間，但蓄電池?cái)?shù)量較多，需要很多充電器，且節(jié)點(diǎn)繁多，維護(hù)不便，使可靠性大打折扣。為保證市電斷電情況下多路隔離輸出開(kāi)關(guān)電源繼續(xù)工作，且只使用一只蓄電池，本文設(shè)計(jì)了一種帶后備電池的不間斷多路輸出開(kāi)關(guān)電源，該開(kāi)關(guān)電源能在市電斷電的情況下繼續(xù)提供直流電壓，并能將市電故障信號(hào)提供給控制電路。
1 帶后備電池的多路隔離輸出開(kāi)關(guān)電源的構(gòu)成
帶后備電池的多路隔離輸出開(kāi)關(guān)電源結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

在市電正常情況下，市電同時(shí)給多路隔離輸出開(kāi)關(guān)電源和輔助電源供電。多路隔離輸出開(kāi)關(guān)電源輸出多組相互隔離的直流電壓為負(fù)載供電，針對(duì)不同的負(fù)載供電要求，可以設(shè)計(jì)出相應(yīng)的多路隔離輸出開(kāi)關(guān)電源，而這種多路隔離輸出開(kāi)關(guān)電源的主電路形式都是相同的，只是輸出電壓的等級(jí)和數(shù)量有所不同。在多路隔離輸出開(kāi)關(guān)電源工作的同時(shí)，輔助電源也從市電獲取電能，為充電/控制器供電。在市電正常的情況下，充電/控制器為蓄電池充電，蓄電池充滿電時(shí)，充電/控制器對(duì)蓄電池進(jìn)行浮充電；同時(shí)充電/控制器為升壓電路提供電源，讓其工作，輸出設(shè)定的高壓直流電。
當(dāng)市電因故障斷電時(shí)，輔助電源斷電。由于升壓電路輸出高壓直流電，且并連著電解電容，因此可為多路隔離輸出開(kāi)關(guān)電源即時(shí)供電。此時(shí)，蓄電池立即投入工作，為升壓電路供電。蓄電池受其容量限制不可能無(wú)限時(shí)地為負(fù)載供電，因此充電/控制器不斷檢測(cè)蓄電池的電壓狀態(tài)，當(dāng)電壓低至一定值時(shí)（一般25 ℃時(shí)，單節(jié)電池1.8 V），充電/控制器將停止蓄電池對(duì)負(fù)載的供電，以免蓄電池因過(guò)放電而導(dǎo)致壽命提前終結(jié)。為了保證多路隔離輸出開(kāi)關(guān)電源所帶負(fù)載的安全工作，充電/控制器切斷蓄電池供電前將通過(guò)對(duì)外通信接口將信號(hào)傳遞給多路隔離輸出開(kāi)關(guān)電源所帶負(fù)載中的控制電路，讓其逐步關(guān)閉大功率開(kāi)關(guān)器件，并響應(yīng)充電/控制器。這樣充電/控制器即可安全斷開(kāi)蓄電池，同時(shí)充電/控制器中的MCU關(guān)閉一切可能耗電電路，進(jìn)入休眠狀態(tài)，以進(jìn)一步降低功耗。當(dāng)市電恢復(fù)正常時(shí)，多路隔離輸出開(kāi)關(guān)電源開(kāi)始工作，同時(shí)輔助電源工作，充電/控制器開(kāi)始為蓄電池充電，升壓電路也開(kāi)始工作。
如果在市電斷電后蓄電池開(kāi)始工作期間，市電又恢復(fù)正常，蓄電池將立即停止為升壓電路供電，且充電/控制器開(kāi)始對(duì)蓄電池充電。蓄電池中的電能始終為備份作用，且在市電正常狀態(tài)時(shí)，充電/控制器會(huì)補(bǔ)充其儲(chǔ)能或讓其容量保持在最大狀態(tài)。
2 多路隔離輸出開(kāi)關(guān)電源構(gòu)成及其工作原理
多路隔離輸出開(kāi)關(guān)電源的主電路為反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用UC3844作為工作芯片。UC3844只需配合少量的外部電路即可正常工作，UC3844可構(gòu)成微調(diào)的振蕩器，能進(jìn)行精確的占空比控制，提供溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖?，具有高增益誤差放大器[1]，電流取樣比較器和大電流圖騰柱式輸出可較好地驅(qū)動(dòng)MOSFET。同時(shí)UC3844還具備完善的保護(hù)功能。其原理框圖如圖2所示。

圖2所示為多路隔離輸出開(kāi)關(guān)電源，設(shè)計(jì)工作電壓為85 V～265 V，功率為45 W。輸入側(cè)由整流、濾波、RCD吸收電路等組成。RCD吸收電路可吸收在MOSFET關(guān)斷期間原邊繞組電感中的儲(chǔ)能。偏置繞組為UC3844正常工作提供電源，通過(guò)過(guò)流檢測(cè)電阻將流過(guò)原邊繞組及MOSFET的電流轉(zhuǎn)換成電壓值傳至UC3844。只要電流超過(guò)設(shè)定值，UC3844將關(guān)斷MOSFET。改變電阻阻值的大小可改變過(guò)流保護(hù)的最大電流值。由TL431及光耦組成的反饋電路取樣主輸出電路的電壓值，產(chǎn)生相應(yīng)的通斷信號(hào)反饋至UC3844，從而調(diào)節(jié)MOSFET驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比，進(jìn)而保持主輸出電壓的穩(wěn)定。主回路以外對(duì)電壓精度要求不高的其他輸出繞組可直接輸出，如圖2中的V3和V4，且這兩路輸出可同時(shí)輸出正負(fù)電壓，以滿足大功率開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)要求。如果對(duì)輸出電壓有精度要求，則可采用圖中V1和V2方式，在輸出端串聯(lián)78系列三端穩(wěn)壓芯片。圖2只是一個(gè)示意圖，在實(shí)際使用時(shí)，可根據(jù)負(fù)載電路的需求增加或減少輸出電壓的數(shù)量及改變其電壓參數(shù)。
3 升壓電路[２]及充電/控制器
升壓電路把輔助電源或蓄電池的低電壓轉(zhuǎn)換為約110 V的直流電壓，主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為推挽式，主控芯片為TL494。TL494可輸出帶死區(qū)的兩路互補(bǔ)的PWM信號(hào)，因此很適合驅(qū)動(dòng)兩個(gè)MOSFET[３]。MOSFET選擇IRF3205，其導(dǎo)通阻抗為8 mΩ，耐壓55 V，可流過(guò)的最大電流為110 A。整個(gè)電路的工作原理是：TL494產(chǎn)生PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)MOSFET，兩個(gè)MOSFET工作于高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，這樣變壓器的兩個(gè)原邊繞組就產(chǎn)生了高頻脈動(dòng)信號(hào)，在副邊產(chǎn)生相應(yīng)的高頻電壓，副邊輸出電壓與輸入電壓和匝數(shù)比有關(guān)。輸出側(cè)的高頻電壓經(jīng)過(guò)二極管整流，電容濾波后變成所需的直流電壓，同時(shí)輸出側(cè)直流電壓經(jīng)穩(wěn)壓管及光耦反饋至輸入端，以保持輸出側(cè)電壓的穩(wěn)定[４]。電路原理圖如圖3所示。

充電/控制器采用ATMEGA8作為其MCU[5]，該單片機(jī)內(nèi)部資源豐富，有ADC、PWM等模塊，因此無(wú)需外部擴(kuò)展即可實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜的電路控制。在本系統(tǒng)中，控制電路主要實(shí)現(xiàn)對(duì)鉛酸蓄電池的充電、浮充、市電狀態(tài)檢測(cè)以及蓄電池與升壓電路的通斷等功能。市電正常時(shí)，輔助電源對(duì)控制電路供電；市電發(fā)生故障中斷時(shí)，蓄電池為其供電。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
整個(gè)系統(tǒng)中，升壓電路是連接備用電池與多路隔離輸出開(kāi)關(guān)電源的核心部件。升壓電路主電路為推挽式電路。驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率約50 kHz，幅值約5 V，互補(bǔ)的一對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)加于原邊的兩只MOSFET，使兩個(gè)MOSFET互補(bǔ)通斷，且兩信號(hào)間附加一個(gè)死區(qū)，以防止兩個(gè)MOSFET直接導(dǎo)通而發(fā)生短路。這種驅(qū)動(dòng)方式可使高頻變壓器的工作更加穩(wěn)定，防止變壓器磁通飽和。
升壓電路的輸出波形如圖4所示。升壓電路變壓器的輸出為頻率約50 kHz的高頻方波交流電壓，其幅值約110 V，隨著蓄電池的電壓變化，輸出幅值略有變化，但有反饋的存在，變化范圍很小。由于此時(shí)輸出的電壓為方波交流電壓，且頻率很高，所以不能直接接入多路隔離輸出開(kāi)關(guān)電源的輸入端。為了能夠?qū)⑸龎弘娐返妮敵鲭妷喊踩嘏c多路隔離輸出開(kāi)關(guān)電源的輸入端相連，必須對(duì)其進(jìn)行整流濾波，以直流電壓形式接入。由于交流電壓頻率很高，因此需選擇頻率特性良好的二極