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英飞凌850VA居家办公双向UPS Demo板评估测试报告

发布时间:2020-09-10
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英飞凌850VA居家办公双向UPS Demo板评估测试报告

发布时间:2020-09-10
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随着现代电子技术和半导体工业的飞速发展,各种功能的电子设备被开发出来并应用在我们日常的工作和生活当中。电源是任何电子设备赖以正常工作的动力源泉,但有些电子设备对供电质量和可靠性提出了极高的要求,特别是对于使用精密电子仪器设备及工业过程控制,譬如打印机、数据存储设备、工业数控机床、生命检测用医疗设备等需要有稳定可靠的供电措施,这些设备一般需要配备不间断供电设备即所谓的UPS电源。以离线式UPS(offline UPS)为例,主要由储能铅酸电池装置,给电池充电整流充电电路、电网失电后直流转换为交流的逆变电路为主要组成部分的稳压稳频的交流电源。近年来,随着信息和网络化办公的快速发展,尤其是居家办公潮流盛行,5KW以内的小功率UPS的应用范围越来越广泛,几乎遍布所有行业。

作为功率半导体行业顶级供应商之一德国英飞凌公司近期推出了针对小型办公室或家庭办公(SOHO)环境中双向UPS解决方案,并提供基于工频变压器隔离单相双向850VA_12VDC_230VAC_UPS电源评估板。今天笔者有幸拿到英飞凌最新开发SOHO双向离线式UPS电源参考设计评估板“DEMO_850W_12V_230VAC”。接下来让我们来开箱看看该评估板具体面目吧。

如下图1所示评估板套件中包含50Hz/60Hz叠层铁芯电力变压器(外置配件)、实现双向逆变和充电功能的功率主板、基于infineon 32位带ARM Cortex-M0内核的控制器XMC1301控制板、逆变输出滤波电容。

DEMO_850VA_12VDC_230VAC_UPS整体开箱视图如下图1:


    
图1. 电源评估板DEMO_850VA_12VDC_230VAC_UPS套件

外包装盒设计精美,内部防静电防震处理充分体现正规国际大厂的风范,在包装盒正面印有Demo板关键器件型号、Demo板功能介绍、技术规格参数、快速使用说明以及关于Demo板的详细介绍的网站链接。内部包装在防震和防静电都处理的比较专业,首先值得点赞!

下面我们来具体看看此Demo板技术参数和各部分设计

评估版主要性能参数:

各部分硬件介绍如下:

评估板主要分为12V转220V工频变压器(图2),双向全桥功率变换板主板(图3、图4),控制板(图5、图6)、输出滤波电容组成。

图2.  12V-220V工频变压器图

图3.  双向全桥功率变换电路板(顶层)

图4.  双向全桥功率变换电路板(底层)

图5.  控制电路板(顶层)

图6.  控制电路板(底层)

DEMO_850VA_12VDC_230VAC_UPS评估板如图7所示,右方有AC input与AC output接口,当AC input接口上的市电电压满足正常供电需求时,评估板继电器直通将AC input与AC output直通由市电直接供电,此时市电通过全桥逆变功率电路给铅酸电池充电;当市电电压低于固件设定的阈值,继电器将会断开蓄电池通过全桥逆变器输出AC output220Vac给负载供电。

图7. 功率板输入输出接口介绍

如下图8所示,DEMO_850VA_12VDC_230VAC_UPS评估板中逆变器/充电器采用全桥拓扑结构,由四排三个并联MOSFET组成,主板上有2个EDL系列高压/低压侧栅极隔离驱动器。

图8. 逆变和充电双向功率器件

图9为DEMO_850VA_12VDC_230VAC_UPS评估板的控制板,控制板上提供了50/60Hz频率选择开关、蜂鸣器on/off开关、三个工作状态指示灯。如下表Table1 LED functions, 状态指示灯分别为D3 绿色LED灯,当交流输入电压且蓄电池正在充电时,D3点亮;当电池充满时D3熄灭;在Back- up模式当电池欠压时D3闪烁;D4黄色LED灯,当市电输入电压低于程序设定阈值时,继电器断开指示当前处于Back-up逆变器工作模式,D4点亮。D5红色LED,当Demo板上有电源时D5点亮。

Table 1.  LED functions

图9, 控制电路板

评估板工作原理示意图

图10.  双向离线UPS方框图

上图10所示为DEMO_850VA_12VDC_230VAC_UPS的功能模块图,当交流输入端电压可用时,输出段通过继电器连接到输入端,电池处于充电状态。如果交流输入端电压低于200VAC的阈值(程序固件中可调)时继电器触点断开,切断交流输入端与输出端的连接,此时逆变器启动以提供备用交流输出。如果交流输入端电压恢复,逆变器将停止工作,继电器触点闭合。具体试验接线图如下图11所示。

图11. 整体试验接线框图

下面通过具体测试看看电源评估板性能:

试验设备清单如下:
直流电源:EA-PS9080-340 0-80V 0-340A
示波器:RS RTM3004示波器;
电流探头一组;
高压隔离探头一组;
万用表一台;
12V铅蓄电池;
实验环境的搭建如右图所示
使用大功率直流电源模拟蓄电池实现大功率输出

图12. 试验测试环境搭建

图13.  DEMO_850VA_12VDC_230VAC_UPS评估板接线如图所示

图14.  测试环境搭建仪器设备整体视图

测试结果:
1)    在Buck-up模式下,不同输入和输出条件下的功率测试,具体数据见下表:

Table 2. 126W阻性负载下测试结果

Table 3. 263W阻性负载下测试结果

Table 4. 488W阻性负载下测试结果

Table 5. 672W阻性负载下测试结果

上述测试结果以曲线的形式表示如下(图15、图16、图17):


图15


图16


图17

2)    在Buck-up模式下工作波形,具体波形如下:

空载启动过程

空载稳态输出波形

488W阻性负载启动过程

488W阻性负载稳态输出波形

263W阻性负载下,全桥2个下管驱动和输出波形    

263W阻性负载下,全桥上下管驱动和输出波形

263W阻性负载下,MOSFET Vgs、VDS、Ipri波形    

672W阻性负载下,MOSFET Vgs、VDS、Ipri波形

3)    在充电到Buck-up工作模式切换瞬态和保护状态下工作波形,具体波形如下:

263W阻性负载从充电模式切换为后备模式波形

Vrelay (yellow), VOUT (blue), Ipri (red), Vpri (green)    

阻性负载过载保护测试波形

Vgs_Q7 (yellow), Vgs_Q10, VOUT (blue), IIN (green)

4)    工作在充电模式波形和Buck-up向充电工作模式切换瞬态波形,具体波形如下:

Relay close电池充电模式模式波形
Vgs_Q7  yellow), Ipri (red), VIN/OUT (blue), Vpri (green)

263阻性负载从后备模式切换到AC line模式波形
Vgs_Q7 (yellow), Ipri (red), VIN/OUT (blue), Vpri (green)

小结:通过对评估板DEMO_850VA_12VDC_230VAC_UPS的测评,得出以下总结

  • DEMO_850VA_12VDC_230VAC_UPS凝聚了Infineon的先进技术,提供了针对SOHO应用的充电和逆变双向UPS控制解决方案,对Demo稍作改动可以应用到24V或48V更高电压更高功率等级电池备用UPS场景。
  • 通过测试Demo板输出交流电压在电池9-15V输入范围并非完全实现闭环220Vac稳压,受到输出负载、电池电压、外接12V/220V工频变压器匝比和转换效率等居多因素影响。
  • 通过测试发现,功率MOSFET的关断速度比开通速度慢,主要是为了控制di/dt带来的EMI问题,同时可以有效控制MOSFET的关断过电压,尤其在短路条件下的Vds电压应力,同时也带来额外的开关关断损耗,牺牲了整体转换效率。
  • 功率器件的散热设计比较有创意,能够保证功率器件可靠散热。
  • 电路保护功率齐全,如过载、多路、电池过压、功率器件过温等。

综合评价这是一款很不错的双向高效率SOHO off-line UPS电源解决方案!

电路城原创内容,未经授权不得转载!

 

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