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越大,。在化石能源等不可再生,、能源日益短缺的情況下，越來越多的國家意識(shí)到節(jié)約能源與開發(fā)可再生能源的重要性,。因此近幾年,，高壓直流輸電、太陽能發(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關(guān)電源實(shí)現(xiàn),。開關(guān)電源一般由市電為其供電,，只要市電正常,，開關(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,，開關(guān)電源的輸出電壓就會(huì)下降，而由于連接大功率開關(guān)器件的直流母線上并聯(lián)著容量較大的電解電容，開關(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關(guān)電源，該開關(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關(guān)電源的構(gòu)成
    帶后備電池的多路隔離輸出開關(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)給多路隔離輸出開關(guān)電源和輔助電源供電,。多路隔離輸出開關(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)的多路隔離輸出開關(guān)電源,，而這種多路隔離輸出開關(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限時(shí)地為負(fù)載供電,，因此充電/控制器不斷檢測蓄電池的電壓狀態(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,，以免蓄電池因過放電而導(dǎo)致壽命提前終結(jié)。為了保證多路隔離輸出開關(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對(duì)外通信接口將信號(hào)傳遞給多路隔離輸出開關(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)，多路隔離輸出開關(guān)電源開始工作,，同時(shí)輔助電源工作,，充電/控制器開始為蓄電池充電，升壓電路也開始工作,。
    如果在市電斷電后蓄電池開始工作期間,，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 多路隔離輸出開關(guān)電源構(gòu)成及其工作原理
    多路隔離輸出開關(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,，通過過流檢測電阻將流過原邊繞組及MOSFET的電流轉(zhuǎn)換成電壓值傳至UC3844。只要電流超過設(shè)定值,，UC3844將關(guān)斷MOSFET,。改變電阻阻值的大小可改變過流保護(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管,，本系統(tǒng)中選擇反向恢復(fù)時(shí)間很短的FR107作為整流管。升壓電路輸出經(jīng)整流,、濾波后的電壓為幅值約110 V的直流電,。

    圖5所示為市電掉電時(shí),多路隔離輸出開關(guān)電源加入后備電池前后輸出電壓情況。

    在不接入后備電池與升壓電路的情況下,，當(dāng)市電斷電時(shí),，多路隔離輸出開關(guān)電源輸出其中的一路(15 V)，電壓開始下降,，但不會(huì)立即降為零,，這是由于輸出側(cè)的電容中儲(chǔ)存了一定電能。經(jīng)過約0.25 s電壓已降至10 V,，如果此時(shí)開關(guān)電源對(duì)外接有負(fù)載,，很可能導(dǎo)致負(fù)載中的大功率器件驅(qū)動(dòng)電路發(fā)生紊亂，導(dǎo)致嚴(yán)重事故,。經(jīng)過約1 s的時(shí)間,，輸出電壓已降至0 V。如果要使多路隔離輸出開關(guān)電源不間斷輸出,，必須增加后備電源,。接入后備電池與升壓電路后，在黑色箭頭所示時(shí)刻市電突然掉電,，多路隔離輸出開關(guān)電源輸出中的一路（15 V）輸出波形,。由于輸出側(cè)濾波電容的儲(chǔ)能作用，所以在市電掉電時(shí),，多路隔離輸出開關(guān)電源的輸出不受任何影響,。
    本文將蓄電池結(jié)合升壓電路作為多路隔離輸出開關(guān)電源的后備電源，在市電發(fā)生故障掉電時(shí),，后備電源接入系統(tǒng)工作,，保證多路隔離輸出開關(guān)電源輸出的穩(wěn)定,。結(jié)果表明，整個(gè)系統(tǒng)工作可靠,，不足之處在于后備電源會(huì)消耗一部分電能,，降低整個(gè)系統(tǒng)的效率。
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