MST电路及其工作模式分析.docx
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MST电路及其工作模式分析
MST电路及其工作模式分析
在UPE新一代Lineinteractive3KV.AUPS中,Wildcat和MST电路分别被考虑并进行了成本评估,在成本评估结果中MST电路拓扑具有竞争力。
MST是Wildcat电路的变形,基本工作原理与Wildcat拓扑基本相同,Wildcat拓扑是Powerware公司所申请的一份专利,并且被Powerware的LineinteractiveUPS产品所使用。
MST电路拓扑如下图所示:
Wildcat电路拓扑如下图所示:
从上面MST和Wildcat电路可以看出,与Wildcat相比,MST的不同之处主要有两点:
⑴在Wildcat中DCsource正极直接与Bus正端相连,而在MST中DCsource负极直接与Bus负端相连;
(2)在Wildcat中Charge电路使用一个二极管和一个二极管与开关管串联环节来设计,而在MST中使用两个开关管来设计。
上述变化不影响Line模式和Bat模式下的正常工作,但是否会带来其它影响不得而知。
Wildcat拓扑来源于Powerware的一份专利,专利电路拓扑如下图所示:
从上述专利拓扑可以看出,Wildcat电路与之的差异主要在于:
专利中Bus使用两个电
容串联,且Bus电容中点与N线相连;而在Wildcat中用一个电容代替,没有Bus中点。
由于在专利电路工作中,总是有一端Bus电压为零,因此如此变形是可行的。
下面我们来
分析专利电路在各种模式下的具体工作过程。
当LineinteractiveUPS工作于DCsource模式时,电路可以简化如下:
在DCsource工作模式下,开关切换过程有两种方式,下面首先介绍第一种切换方式,
下面为其工作示意图;在一个输出周期内,电路可以分为6个运行状态。
在任何状态下,
每个桥臂的两个开关都以互补模式进行工作。
⑵在输出电压正半周,当DCsource电压低于输出电压时,即示意图中1214段,此
时421闭合,422断开;432闭合,431断开;411、412以开关频率进行调制以输出Vout,此时是典型的Boost电路,电路的Duty为开关411的占空比。
电路如下:
⑶在输出电压正半周,当DCsource电压再次高于输出电压时,即示意图中1216段,此时421闭合,422断开;412闭合,411断开;431、432以开关频率进行调制以输出Vout,此时Vout与V1相等,是变形的Buck电路,电路的Duty为开关432的占空比。
电路如下:
⑷在输出电压负半周,当DCsource电压高于输出电压时,即示意图中1222段,此时412闭合,411断开;431闭合,432断开;421、422以开关频率进行调制以输出Vout,,此时是典型的Buck电路,电路的Duty为开关422的占空比。
电路如下:
⑹在输出电压负半周,当DCsource电压再次高于输出电压时,即示意图中1226段,此时412闭合,411断开;422闭合,421断开;431、432以开关频率进行调制以输出Vout,,此时Vout与V2相等,是变形的Buck电路,电路的Duty为开关431的占空比。
电路如下:
至此,一个工频输出周期结束,下个输出周期开始,反复循环。
在DCsource模式
下,还有另一种操作状态顺序,它也主要分为6个开关状态切换,下面是它的一个输出周
期示意图:
⑵在输出电压正半周,当DCsource电压低于输出电压时,即示意图中1314段,此
时421闭合,422断开;432闭合,431断开;411、412以开关频率进行调制以输出Vout,此时是典型的Boost电路,电路的Duty为开关411的占空比。
电路如下:
⑶在输出电压正半周,当DCsource电压再次高于输出电压时,即示意图中1316段,此时412闭合,411断开;432闭合,431断开;421、422以开关频率进行调制以输出Vout,此时是典型的Buck电路,电路的Duty为开关421的占空比。
电路如下:
⑸在输出电压负半周,当DCsource电压低于输出电压时,即示意图中1324段,此时431闭合,432断开;422闭合,421断开;411、412以开关频率进行调制以输出Vout,,此时是典型的Boost电路,电路的Duty为开关411的占空比。
电路如下:
⑹在输出电压负半周,当DCsource电压再次高于输出电压时,即示意图中1326段,此时412闭合,411断开;422闭合,421断开;431、432以开关频率进行调制以输出Vout,此时Vout与V2相等,是变形的Buck电路,电路的Duty为开关431的占空比。
电路如下:
Load
至此,一个工频输出周期结束,下个输出周期开始,反复循环。
在ACsource工作模式下,可以分为三种情况进行讨论,此时的电路拓扑如下图所示:
1、Vin电压与Vout电压相等,工作状态示意图如下所示:
⑴当ACsource处于正半周,AC电压高于门槛电压VT,411闭合,412关断;421闭合,422关断;432闭合,431关断。
此时V1和Vout相等并追踪输入电压。
电路如下:
⑵当ACsource处于正半周,AC电压低于门槛电压VT时,411关断,412关断;432、431以开关频率进行调制,432Duty逐渐减小,431Duty逐渐增大,使V1正电压逐渐减小,V2负电压逐渐增大,为典型的Buck—Boost电路;当Vin电压为零时,V1和V2的绝对值基本相同,Duty约为50%。
此阶段421、422以开关频率进行调制以保证Vout电压,实现平滑过渡,为典型的Buck电路。
电路如下:
⑷当ACsource处于负半周,AC电压低于门槛电压—VT,412闭合,411关断;422闭合,421关断;431闭合,432关断。
此时V2和Vout相等并追踪输入电压。
电路如下:
⑸当ACsource处于负半周,AC电压高于门槛电压—VT时,411关断,412关断;432、431以开关频率进行调制,431Duty逐渐减小,432Duty逐渐增大,使V1正电压逐渐增大,V2负电压逐渐减小,为典型的Buck—Boost电路;当Vin电压为0时,V1和V2的绝对值相等,此时Duty为50%。
此阶段421、422以开关频率进行调制以保证Vout电压,实现平滑过渡,为典型的Buck电路。
电路如下:
2、Vin电压 电压,工作状态示意图如下所示: ⑴当ACsource处于正半周,AC电压高于门槛电压VT,411、412以开关频率进行调制,为典型的Boost电路;421闭合,422关断;432闭合,431关断。 此时V1和Vout相等并追踪输入电压。 电路如下: ⑵当ACsource处于正半周,AC电压低于门槛电压VT时,411关断,412关断;432、431以开关频率进行调制,432Duty逐渐减小,431Duty逐渐增大,使V1正电压逐渐减小,V2负电压逐渐增大,为典型的Buck—Boost电路;当Vin电压为零时,V1和V2的绝对值基本相同,Duty约为50%。 此阶段421、422以开关频率进行调制以保证Vout电压,实现平滑过渡,为典型的Buck电路。 电路如下: ⑷当ACsource处于负半周,AC电压低于门槛电压—VT,412、411以开关频率进行调制,为典型的Boost电路;422闭合,421关断;431闭合,432关断。 此时V2和Vout相等并追踪输入电压。 电路如下: ⑸当ACsource处于负半周,AC电压高于门槛电压—VT时,411关断,412关断;432、431以开关频率进行调制,431Duty逐渐减小,432Duty逐渐增大,使V1正电压逐渐增大,V2负电压逐渐减小,为典型的Buck—Boost电路;当Vin电压为0时,V1和V2的绝对值相等,此时Duty为50%。 此阶段421、422以开关频率进行调制以保证Vout电压,实现平滑过渡,为典型的Buck电路。 电路如下: 3、Vin电压>Vout 电压,工作状态示意图如下所示: ⑴当ACsource处于正半周,AC电压高于门槛电压VT,411闭合,412关断;421、 422以开关频率进行调制,为典型的Buck电路;432闭合,431关断。 此时V1和Vin相 等。 电路如下: ⑶当ACsource处于负半周,AC电压高于门槛电压—VT时,411关断,412关断;432、431以开关频率进行调制,432Duty逐渐减小,431Duty逐渐增大,使V1正电压逐渐减小,V2负电压逐渐增大,为典型的Buck—Boost电路;当Vin电压为一VT时,V1为零,V2为—VT,此时432Duty为0%,431Duty为100%。 此阶段421、422以开关频率进行调制以保证Vout电压,实现平滑过渡,为典型的Buck电路。 电路如下: ⑷当ACsource处于负半周,AC电压低于门槛电压—VT,412闭合,411关断;422、 421以开关频率进行调制,为典型的Buck电路;431闭合,432关断。 此时V2和Vin相 等。 电路如下: ⑸当ACsource处于负半周,AC电压高于门槛电压—VT时,411关断,412关断;432、431以开关频率进行调制,431Duty逐渐减小,432Duty逐渐增大,使V1正电压逐渐增大,V2负电压逐渐减小,为典型的Buck—Boost电路;当Vin电压为0时,V1和V2的绝对值相等,此时Duty为50%。 此阶段421、422以开关频率进行调制以保证Vout ⑹当ACsource处于正半周,AC电压低于门槛电压VT时,411关断,412关断;432、431以开关频率进行调制,431Duty逐渐减小,432Duty逐渐增大,使V1正电压 逐渐增大,V2负电压逐渐减小,为典型的Buck—Boost电路;当Vin电压为VT时,V1电 压为VT,,V2电压为零,431Duty约为0%,432Duty约为100%。 此阶段421、422以开关频率进行调制以保证Vout电压,实现平滑过渡,为典型的Buck电路。 电路如下: 当工作于ACsource模式时,charging过程开始启动,下面是ACsource模式下给 DCsource充电的电路拓扑: 当charge过程开始工作时的示意图如下所示: ⑴当ACsource正半周,V1电压小于DCsource电压时,442关断,charge电路不工作,charge电流为零。 ⑵当ACsource正半周,V1电压大于DCsource电压时,442以开关频率进行切换, charge电流流入DCsource正端,charge电路为典型的Buck电路,电路图如下: ⑹当ACsource负半周,V2电压绝对值再次小于DCsource电压时,442关断,charge电路不工作,charge电流为零。 注意: 可以通过控制V1和V2上的电压幅值来控制DCsource的充电电流。
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- MST 电路 及其 工作 模式 分析
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