【应用】50KW高效三电平逆变UPS是怎样“炼”成的?

2017-03-27 世强 超哥

【摘要】本文将为50KW 级别的UPS设备(包括后备式或在线式方案)的三电平拓扑结构方案提供最核心、高速可靠的处理器MCU,顺便推荐高速高效的IGBT,以实现减小谐波,提高效率和功率因素等大功率UPS 的关键指标。同时推荐的集成器件将使得设备体积和重量轻量化,降低整机成本。


大功率UPS设计已从有变压器到无变压器方案过度,使得设备不再笨重,这就需要高开关速率的IGBT 和高速处理技术,随着三电平拓扑方案已被市场肯定,本文将为50KW 级别的UPS 设备(包括后备式或在线式方案)的三电平拓扑结构方案提供最核心、高速可靠的处理器MCU,顺便推荐高速高效的IGBT,以实现减小谐波,提高效率和功率因素等大功率UPS 的关键指标。同时推荐的集成器件将使得设备体积和重量轻量化,降低整机成本。 


首先,来看看三电平逆变UPS整机主功率拓扑架


图1:三电平逆变UPS整机主功率拓扑架


1)输入低通滤波器

由输入滤波电感L和滤波电容C组成,主要是为了滤除输入市电中的高频杂波。


2)市电整流电路

由6个晶闸管组成的三相全桥整流电路,对滤波后的市电进行整流,整流后的市电供给后级电路使用。


3)电池开关

由6个晶闸管组成的正负电池输入开关电路,在市电模式下关闭不工作,在电池模式下打开,将电池电压送给后记电路使用。同时关闭市电部分的6个晶闸管。


4)功率因素校正+升压电路

由开关管、二极管、电感和滤波电容组成的升压电路(Boost电路),一方面将市电模式和电池模式升压成稳定的直流母线电压。另一方面在市电模式下,通过功率因数校正技术保证输入电流波形为正弦波,以减小UPS对输入电网的污染。


5)三电平逆变电路

逆变电路将母线电压通过三电平逆变器转换成稳定可靠的标准正弦波,供用户使用。


6)充电电路

在市电模式下,将母线电压通过降压电路(Buck电路)生成稳定的直流充电电压,给蓄电池充电。


以下是功率部分比较合适应用的产品:

整流桥:NIEC,型号PT150KN16


功率模块10-PY07NPA150SM02-L365F08Y,650V/150A,IGBTH5 技术,NPC 逆变拓扑,优化的双向运行架构,非常适合高效三电平拓扑结构的50KW 级UPS DC/AC 逆变应用,使逆变效率达99%以上,紧凑低电感设计及集成DC 电容以滤除高频谐波,改善EMC 特性。


BOOST模块10-FY07NBA150S5-M506L9810-FZ07NBA100SM10-M305L68对称BOOST 电路,IGBTS5 技术,高速二极管,内含测温电阻,预涂相变材料(导热硅脂),相比传统导热硅脂,导热效果提高4 倍。


驱动电路:Renesas驱动光耦,型号PS9402PS9531L3


辅助电源:PI AC-DC控制器,型号INN2904K2SK2225


再来看看,三电平逆变UPS控制原理示意图


图2:三电平逆变UPS控制原理示意图


图2是基本的三电平UPS控制原理示意图,包括电压基准,电压调节器,电流调节器,MCU控制输出,SPWM调制,三电平逆变驱动器,输出LC滤波器,以及实时监测电流和电压等功能部分。本文主要围绕MCU输出控制相关PWM信号以及A、B、C三相输出的电压电流到MCU输入监测进行介绍。下面这张图是MCU输入采集和输出控制部分:


图3:MCU输入采集和输出控制部分


最高速度可达600MHz的双内核MCU控制器

MCU控制器采用RZ/T1系列产品,这是瑞萨电子公司推出的针对工业控制市场的SOC产品,集成32bit Cortex R4F和Cortex M3双内核最高速度可达600MHz,996DMIPS。片内带有浮点运算单元FPU,以太网控制器,USB2.0高速接口,CAN 通讯接口,高速12bit A/D模数转换,编码器接口,安全功能等。该系列还集成逆变控制IP和安全加密功能,高采样的速度和精度,使UPS 的开关频率达到更高速率,逆变输出的交流电与旁路的交流电保持同相,降低谐波,并保证UPS 与负载安全。


MCU外围数字输入输出可首先经过可编程逻辑器件CPLD进行灵活的内部逻辑转换,方便MCU数字部分的布局布线,以及引脚功能的重定义。该器件不是必须的,如果考虑成本原因可以省去,省掉后对MCU部分的软件和硬件设计难度将会加大。比如硬件连线将不能灵活地改变功能引脚,软件设计要更多地考虑时序和逻辑,异常处理等机制。12路PWM输出可通过MCU内部的多功能定时器Timers产生。例如:定时器脉冲单元TPUa,具有16bit X 6通道2个单元,最高运行频率75MHz;多功能定时器脉冲单元MTU3a,具有16bit x 8通道,最高运行频率150MHz,通用PWM定时器单元GPTa,比较匹配定时器单元CMT等多种定时器模块,扩展功能可达33种供不同需求选择。高速内部12bit数模转换AD,具有2个单元可同步转换。Unit 0 具有8个通道,每个通道0.483us的转换速率,Unit 1具有16个通道,每个通道0.883us,可以选择自动扫描模式,通过软件触发、定时器触发、外部事件触发3种模式,内部连接事件驱动模块ELC。可在MCU不干预的情况下通过AD事件驱动DMA进行转换结果的传输。设计的双核,Cortex R4F+FPU主要用来做复杂的计算以及算法处理,Cortex M3 主要用来实现操作系统,逻辑控制,数据通信,应用软件以及GUI的设计等等。该款SOC强大之处就在于双核分工处理复杂计算和控制应用,高速的12bit 多通道AD实现电流电压的采集,以及强大的定时器群用来产生多种需求的PWM波组合输出。支持工业以太网标准的控制器MAC和CAN通讯控制器等多种通讯方式,又是这款SOC的一大亮点。


主要特性如下所列:

1)On-chip 32bit ARM Cortex –R4F 哈弗架构8阶流水线,最高可达600MHz运行频率,支持存储器管理MPU单元,支持浮点运算FPU单元,支持数据指令Cache和ECC纠错功能。支持JTAG和SWD调试接口。

2)On-chip 32bit ARM Cortex-M3 哈弗架构3阶流水线,最高150MHz运行频率,支持存储器管理MPU单元

3)On-chip extended SRAM 可达1M片上扩展静态存储器SRAM且带有ECC纠错机制,运行频率150MHz。

4)Data transfer 支持16个通道2单元的DMA控制器。以太网专用DMA控制器1个通道。

5)Event link controller 功能模块可以被事件驱动信号唤醒工作,MCU继续保持在休眠模式降低功耗。

6)Clock functions 外部时钟25MHz,经过PLL倍频后可到600MHz,LOCO低速240KHz时钟用做看门狗,或者间隔定时器。

7)Encoder interfaces 支持BiSS-compliant 接口标准。

8)Safety functions 寄存器写保护,时钟监测,模块操作错误输出提示等。

9)Security functions 引导模式下的安全操作功能。

10)12-bit A/D converters 支持12位模数转换2个单元,每个单元8个通道,自监测输入信号丢失报警功能。

11)ΔΣ interface 支持4个ΔΣ模块可扩展外部连接。

12)Various communications interfaces 支持以太网接口,EtherCAT 2个通道,Ether-MAC 1个通道,或2个通道交换模式。USB 2.0高速接口1个通道,CAN ISO11898-1 2个通道,SCIFA 16字节 收发和接收FIFO 5个通道,IIC接口最大400kbps 2个通道。RSPIa 4个通道,SPIBSC 兼容串行Flash 存储器

13)External address space 可支持8、16、32bit总线宽度,6个片选CS区域,最大75MHz总线速率。

14)Up to 33 extended-function timers 逆变主要用到的16bit PWM输出CMT 单元6个通道。

15)General –purpose I/O ports 漏极开路输入5V 可容忍,可配置多种功能用途。

16)Operating temperature range 运行温度范围-40~+125摄氏度。

17)Power supply voltage control 双电源供电,典型值内核1.2V(1.14~1.26V),普通I/O 3.3V(3.0~3.6V)。

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  • 辛巴 Lv7. 资深专家 2018-11-20
    学习
  • 沉浮 Lv7. 资深专家 2018-09-06
    了解一下
  • 电子界的搬运工 Lv6. 高级专家 2017-05-26
    没有用无桥PFC,不完美
    • 世小强回复: 感谢您的建议,对追求性能价格不敏感的应用,可以加无桥PFC电路。
  • 136******33 Lv3. 高级工程师 2017-03-27
    这个不错
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