Wildcat 3KHV架构及线路分析报告

评论 2024-10-09

测试型号：野猫3KHV

一基本架构及主电路分析：

简化主电路图：

工作模式： 1、线路模式：（1）正常模式； (2)升压模式； (3)降压模式

2.电池模式

3.旁路模式

各种工作模式的工作原理分析：

1. Line mode：

基本动作

A、谨慎工作

B、给电池充电

C、给负载供电

(1) Normal mode：

基本动作

对BUS（有线连接）充电，为负载（有线连接）供电并增益：

带体二极管的MOSFET导通时相当于一根导线，工频时的电感也相当于一根导线。

（黑蓝箭头为市电正半周电流流向，红紫箭头为市电负半周）

参考如下波形：

Ch1: Q7 Vge; CH2: Q6 Vge； CH3:Q9 Vge; CH4: 总线.V

含义：Q7、Q6、Q9低频同时导通

电流波形：

正常模式空载：CH1: L2（输入）上的电流； CH2:BUS.V； CH3：L3（中间）上的电流； CH4：L1 上的电流（输出）

带R 负载的正常模式：CH1: L2 上的电流（输入）； CH2:BUS.V； CH3：L3（中间）上的电流； CH4：L1 上的电流（输出）

（2）Boost mode：

基本动作

充电BUS（升压电路）

B 向负载供电（电线已连接）

收成

在某些情况下，MOSFET可以用作二极管，实现UPS升压的另一种方式。当——AC升压电路的输入低于正常值时，UPS进入升压模式：市电正半周，L2、Q8、Q7和C11的体二极管形成升压线路，对输入市电进行升压力量。 Q8开启，市电通过Q8将能量存储在L2中。 L2的电压极性为左正、右负； Q8截止，L2的极性变为左负右正。市电电源叠加在L2中存储的能量上，并通过Q7体。二极管续流以实现升压。 Q8的开关频率为20KHz。在负半周期间，L2、Q7、Q8和C11的体二极管构成升压电路，对电压进行升压。 Q9和Q10维持工频开关并将BUS.V逆变为交流输出。

（黑色箭头为市电正半周L2储能时电流流向，蓝色为Q7体二极管续流；红色为市电负半周，L2储能；紫色是Q8体二极管的续流）

参考波形如下：

Ch1: Q7 Vge; CH2: Q6 Vge； CH3:Q9 Vge; CH4: 总线.V

含义：Q7高频、Q6低频、Q9低频

展开对应的绿色框：

Ch1: Q7 Vge; CH2: Q6 Vge； CH3:Q9 Vge; CH4: 总线.V

展开对应的红框：

Ch1: Q7 Vge; CH2: Q6 Vge； CH3:Q9 Vge; CH4: 总线.V

电流波形：

带R 负载的升压模式：CH1: L2 上的电流（输入）； CH2:BUS.V； CH3：L3（中间）上的电流； CH4：L1 上的电流（输出）

含义：高频电流波形

（3）Buck mode：

基本动作

充电总线（有线连接）

B给负载供电（降压电路的一部分）

收成

A.另一种实现ups降压的方式——AC降压电路

当输入市电功率高于正常值时，UPS进入降压模式：Q7和Q8以工频交替开启和关闭。市电正半周，Q9、L1、Q10体二极管、C5组成降压线对BUS进行降压。V：Q9导通，L1储存能量，极性为左正右负，Q9关闭，L1的极性变为左负。正右，经中性线返回火线，通过C11、Q10体二极管进行续流，实现降压功能； Q9开关频率为20KHz；同样，在市电电源的负半周期，L1、Q10、Q9 体二极管和C5 形成降压线路。 L1的续流路径是Q9体二极管---C11---线---中性线---L1。参考下图：

（黑色箭头为市电正半周时L1储能电流方向；蓝色为L1通过Q10体二极管续流。红色箭头为负半周时L1储能电流方向市电电源的半个周期；紫色是L1 通过Q9 体二极管的续流电流）

参考波形如下：

Ch1: Q7 Vge; CH2: Q6 Vge； CH3:Q9 Vge; CH4: 总线.V

含义：Q7、Q6、Q9 是组合

展开对应的绿色框：

Ch1: Q7 Vge; CH2: Q6 Vge； CH3:Q9 Vge; CH4: 总线.V

展开对应的红框：

Ch1: Q7 Vge; CH2: Q6 Vge； CH3:Q9 Vge; CH4: 总线.V

电流波形：

带R 负载的降压模式：CH1: L2 上的电流（输入）； CH2:BUS.V； CH3：L3（中间）上的电流； CH4：L1 上的电流（输出）

对应上图红框展开：

带R 负载的降压模式：CH1：L3 上的电流（中）； CH2:BUS.V； CH3: L2电流（输入）； CH4：L1 上的电流（输出）

含义：单个周期内电感电流的变化

带R负载的降压模式：CH1:L3电流； CH2:BUS.V； CH3: 总线电流； CH4: L1电流

对应上图红框展开：

带R负载的降压模式：CH1:L3电流； CH2:BUS.V； CH3: 总线电流； CH4: L1电流

充电线路：

基本动作：

BUS充电（部分降压线）收获

BUS可以作为充电器的输出源（使用NEW BN线中的BUS作为充电器的输入源岂不是一个绝佳的选择）？另一种充电器电路——buck电路本机使用的充电器是buck线。组成降压电路的元件有：D2、L4、Q4。

其工作原理为：Q4导通时，BUS.V在L4中储存能量，极性为左正右负；当Q4关断时，L4的极性变为左负右正，并通过D2发生续流。

由于充电器采用降压线，只有当正弦波的瞬时值高于电池电压时才会工作。

（黑色箭头为BUS.V在L4上的储能；蓝色箭头为L4通过D2续流）

参考波形如下：

CH1：充电MOSFET驱动； CH2：L4 上的电流

展开相应的框：

CH1：充电MOSFET驱动； CH2：L4 上的电流

2.Battery mode：

Wildcat 3KHV架构和电路分析报告

基本动作

充电总线（部分接线和部分升压电路）

B给负载供电（部分降压电路和部分电线连接）

收成：

另一种电池波形组合的方法（电池输出电量的波形也是波形组合）。本机使用的电池数量为10节。电池电压恒定，在130V左右。因此，机器将其调制为正弦波输出，必须分为两个阶段：（1）当电池电压低于正弦波瞬时值时，对其进行升压：Q7、L2、Q8体二极管， C11组成升压电路，将电池电压升压并调制为正弦波。此时Q9、Q10为低频开关，使输出反相； (2)当电池电压高于正弦波瞬时值时，降低电压：升压电路不工作。当输出为正半周时，Q9、L1、Q10体二极管、C5组成降压线；当输出为负半周时，Q10、L3、Q9体二极管和C5形成降压线。电池输出分别调制成正弦波逆变器输出。

第一级和第二级分别调制的弦波叠加，形成完整的弦波。参考下图：

升压时：

（黑色箭头是电池通过Q7流向L2储能的电流；蓝色是通过Q8体二极管对C11进行续流充电；橙色是升压线通过低频导通Q9输出调制正弦波；绿色是升压线调制的正弦波通过低频导通的Q10输出）

降低电压时（输出正半周）：

（蓝色是电池通过Q9在L1上储存能量；红色是当Q9关闭时，L1通过Q10体二极管续流）

降低电压时（输出负半周）：

（蓝色是电池通过Q10 在L3 上储存能量；红色是当Q10 关闭时L3 通过Q9 体二极管续流）

参考如下波形：

Ch1: Q7 Vge; CH2: Q6 Vge； CH3:Q9 Vge; CH4: 总线.V

展开对应的绿色框：

Ch1: Q7 Vge; CH2: Q6 Vge； CH3:Q9 Vge; CH4: 总线.V

展开对应的红框：

Ch1: Q7 Vge; CH2: Q6 Vge； CH3:Q9 Vge; CH4: 总线.V

电流波形：

带R 负载的电池模式：CH1: L2 上的电流（输入）； CH2:BUS.V； CH3：L3（中间）上的电流； CH4：L1 上的电流（输出）

展开相应的框：

带R 负载的电池模式：CH1: L2 上的电流（输入）； CH2:BUS.V； CH3：L3（中间）上的电流； CH4：L1 上的电流（输出）

3.BYPASS.MODE

CPU异常，导致BYP-RLY-DR1无法正常下发。此时BYPASS.RLY关闭，市电直接给负载供电，UPS进入BYPASS.MODE

电流波形两点异常的分析：

CH1: L2 电流（输入）； CH2:BUS.V； CH3：L3（中间）上的电流； CH4：L1 上的电流（输出）

标注1处的波形分析：

收获：

A、BUS也可以作为PRSY的输入源（NEW BN线中的BUS也应该作为prsy的输入源）

CH2: C11（总线电容）上的电流； CH3：总线V； CH4：L3 上的电流

显然，当电流波形突出时，BUS电容上没有电流。分析电路后发现，电源的输入电容通过二极管与BUS电容并联。参考下图：

捕获C86的电流波形如下：

CH2: C86（电源输入电容）上的电流； CH3：总线V； CH4：L3 上的电流

显然，1点的大电流是由电源电解电容C86充电引起的。

标注2处的电流分析：

CH1：Q6 Vge； CH2：Q5 Vge； CH3：L3 上的电流

从上述波形可以发现，Q5和Q6的占空比与其他两组IGBT不同，相对较短。市电模式下Q5、Q6的开关逻辑为：正半周Q6导通；在负半周期期间，Q5导通。当Q5和Q6都关断时，此时BUS电容进入放电周期，由于Q5和Q6的关断，BUS.V的放电回路被切断，因此L3上的电流变为零。

Relay动作逻辑分析：

基本动作

A、控制UPS各种工作状态的切换。

问题：

ABF.RLY 关闭后、HV-START.RLY 关闭前，UPS 正在做什么？ ——猜测：为PRSY的储能电容提供足够的能量，为下一步的能量消耗做准备。

用波形说话

逻辑顺序如下：

图中，当继电器驱动信号设置为低电平时，继电器不动作，触点保持在常闭端；当继电器信号设置为高电平时，继电器闭合。当驱动信号设置为高电平时，Q20 和IGBT 导通，当驱动信号设置为低电平时，Q20 和IGBT 关闭。

主电源启动

市电供电后，ABF-RLY 闭合，5.6 秒后HV-Start-RLY 闭合，接通市电。 9.6ms后，控制板开始驱动IGBT。此时，输入电压处于零交叉点。

主电源至电池

当市电转至电池时，HV-START-RLY和BAL-RLY同时断开，L2连接至电池负极，停止提供IGBT驱动，同时ABF-RLY关闭相对延迟375ms 后； ABF-RLY2 相对于HV-START-RLY 和BAL-RLY 在延迟4.9ms 后断开。同时Q20导通并维持40ms。电池正极连接至BUS.V。几乎在ABF-RLY2动作的同时，控制板给出电池模式的驱动信号。

电池至主电源

重新连接主电源。 103ms后，ABF-RLY关闭。延时2.2s后，HV-START-RLY闭合，同时ABF-RLY2断开。此时，由于BAL-RLY仍然连接到电池负极，因此没有市电。电气输入；电池的正极端子仍然通过Q20 连接到BUS.V。此时机器以电池模式输出。 4ms后，Q20关断，BAL-RLY闭合，L2连接到I/P.N，并连接到市电电源。此时，IGBT 没有驱动器。 5ms后，控制板开始为IGBT提供驱动，机器再次工作在市电模式。

二其他线路分析：

ABF relay drive circuit

基本操作：

控制ABF.RLY的拉入和折断收割

A、新型降压电路芯片

市电输入通过整流桥进行整流，然后通过降压线降压，为ABF 继电器提供驱动。其中IC U500（TOP244YN）是集成开关管，开关频率为66KHz。 U500、L501、D512 和C509 构成降压线。

吸引

上电后，降压电路工作，产生26V驱动电压给ABF.RLY，ABF.RLY吸合

断开

Bypass relay drive circuit：

基本动作：

控制K3的吸合和断开，加速其初始阶段的导通收获

A、当一个小电阻（1Kohm以下）与一个带电的小电容（50uf以下）并联时，可以只考虑电阻率。

B、新型继电器加速电路

问题：

A、二极管D500、D501、D502的作用是什么？

吸收驱动信号断开时电感产生的背压

B、为什么K3关闭时不使用直流信号而是使用交流信号？

猜测：驱动芯片I/O不够

断开：

当UPS正常工作时，BY-PASS-RLY断开，控制板发出BYP-RLY-DR1信号。

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关闭Q500，导致BYPASS.RLY 打开。此时，整流输出电压信号（BYP_RLY_DRV_HV）将对C503充电。

该信号是频率为10KHz、占空比为45.5%的脉冲信号。光耦的发光二极管导通，然后光耦的三极管导通，将Q500的G极电位拉低，K500断开。

单周期分析：

BYP-RLY-DR1为高电平，环路是BYP-RLY-DR1通过光耦二极管、C512到COM。光耦二极管发光，C512充电

BYP-RLY-DR1低：C512经R527和光耦二极管放电，光耦二极管放电

加速拉入：

当CPU异常时，BYP-RLY-DR1丢失。

Coil.V 通过R517 和R519 为C500 充电。 3秒后，C500的负电压足以导通Q501（Q501是P沟道MOSFET）。线圈.V 加到Q500 的G 极，使Q500 导通。由于此时C503为高电压（67.2V），因此可以加速BYPASS.RLY的导通和BYPASS.RLY的关闭。

稳态吸合：

BYPAS.RLY线圈电阻很小，由整流输出电压信号（BYP_RLY_DRV_HV）得到的实际电压也很小，因此BYPAS.RLY线圈的稳态电压由ABF的降压电路输出提供.继电器驱动电路。

参考波形

CH1:Q500 Vgs CH2:Q501 Vgs

含义：当C500的充电电压达到6V时，Q501导通，然后Q500导通。

CH1: Q500 Vgs CH2:C503 至GND

含义：这是一个继电器加速电路

原因：开机时，C13充电至67.2V，这样继电器吸合时，就能有瞬时高电压。接通后，该电路可以看成是K3线圈电阻与Q500 Rds on（可以忽略）串联，然后与C503并联（电容电阻可以视为无穷大）的过程。所以相当于K3线圈电阻。由于线圈电阻只有663欧姆，所以根据分压原理得到的电压很小（0.2V=67.2*0.663/224.663），所以当降到26V时，电压由降压电路输出提供

Balance Relay drive circuit：

基本动作：

A、控制BALANCE.RLY的开通和关断，并加速其初始阶段的导通。

收成

一种新型继电器驱动加速电路

断开：在LINE.MODE下，BAL-RLY-DR置高，Q5断开，BALANCE.RLY断开。 Vss为26V，Vss为电容C114和C69充电

加速拉入：

当用市电调节电池时，当BAL-RLY-DR信号设置为低电平时，晶体管Q12导通。此时C114的正极相当于地。因此，地电位相对于C114的负极较高，使晶体管Q13导通，电容C69的正极相当于与C114的负极短路。 C114负极相对于地的压降为-26V，C69负极相对于C114负极也是-26V，所以C69负极相对于地的压降为-52V ，则Vss相对于C69负极的压降为78V，实现了在驱动Really的初始阶段起到加速作用。等效电路图所示

稳态传导：

继电器接通后，C114、C69经D15串联短路，线圈电压等于Vss电压26V。

BALANCE.RLY驱动器等效电路图

参考波形

CH1: BAL-RLY-DR CH2:K2 1 至5

Power supply circuit：

基本动作：

为ups工作提供工作电源并获得：

A、prsy关闭的另一种方法

该线路是典型的反激线路。 BUS.V通过R183分压器加到UC3844（U18）的Vcc上，使3844开始工作。电源开始工作后，反馈绕组输出的VGPL向3844提供Vcc。以上四组输出为主线中的IGBT提供驱动。

启动：BUS通过R183给3844供电，3844启动，prsy工作

稳态：1路输出Vgpl给3844供电，3844进入无限循环。

关机：CPU检测关机良好，关闭驱动器，总线充电操作结束，prsy消耗bus.c能量，prsy关闭

Battery Start Circuit：

基本动作

A.控制ups的启动和关闭

启动：

J4连接到面板上的开关，Q11是P沟道MOSFET。当按下开关且J4-1和J4-4短路时，电池通过D10和R38通过BUS电容对C80充电。 Q11 已开启。然后电池通过Q11给BUS电容充电，电源建立。松开开关后，C80通过R44放电，Q11截止。

稳态：prsy工作，反馈绕组输出VGPL为18V，VR1为15V稳压管，C1为无极性电容，所以C1的电压为3V，极性为左正左负在右侧。此时再按下面板上的开关，由于二极管D10反向偏压而不能导通，电池无法给C80充电，因此电源工作在稳态时Q11也不能导通。

关机：CPU检测到关机信号，关闭驱动器，总线充电操作结束，prsy消耗总线能量，ups关机。

LINE START

基本动作

A. 给BUS.C充电并启动PRSY

RT10

I/P.N

ABF RLY线材

D31

ABF RLY线材

I/P.L

总线C

上图是LINE START的等效电路图

当市电接通时，ABF.RLY闭合，然后在市电负半周期间，通过D31和RT10对BUS.C充电，PRSY建立。

Fan control circuit

基本动作：控制风扇速度

风扇的工作电压为24V。风扇有两种工作状态： 1、低速：低速运行时，fan-control-dr 信号置高，Q15 截止。提供给风扇的电压为VDD（12V），风扇低速运转。 2、高速：高速运行时，将fan-control-dr信号置低，Q15导通，向风扇提供Vss（24V），风扇高速运行。 J7-1接风扇正极，J7-3接风扇负极，J7-2、TACH-1为风扇反馈信号。

HV-Start-relay protect circuit

基本动作

当电池与主电源断开时，减少HV-START-RELAY 触点的触点电流采集：

A、新型继电器触点保护电路

C6为输入滤波电容。由于本机市电输入电流波形畸变严重，需要加滤波电容。添加该电容后，电容前面的高压启动继电器存在安全隐患。继电器闭合时对C6充电时，瞬间会有很大的电流，很容易造成继电器触点粘连。因此，需要增设继电保护电路。

其原理是：市电负半周期间，电容C6通过D31、RT10充电，C6充电至负峰值。当市电负半周峰值到来时，继电器吸合。此时，继电器两侧电位相等（电位差）。为零），因此不存在大电流，从而实现继电保护。

参考下图：

CH1：HV.START.RELAY驱动； CH2：C6电压； CH4：交流输入

从图中可以看出，线圈通电5ms后HV-START-RLY吸合，给HV-START-RLY提供驱动10ms后，控制板开始给IGBT提供驱动。因此，HV-START-RLY开启后5ms对IGBT进行驱动，机器开始输出。由于HV-START-RLY在负半周的峰值处激活，因此当机器开始输出时，它对应于输入的过零点。参考下图：

CH1：HV.START.RELAY驱动；CH2：输出电压

ABF.RLY2 PROTECT CIRCUIT

基本功能：减少切换ABF.RLY2时的接触电流

当市电跳越电池时，ABF-RLY2 相对于HV-START-RLY 和BAL-RLY 延迟4.9ms，然后断开。同时Q20导通并维持40ms。电池正极连接至BUS.V，几乎与ABF-RLY2 动作同时。也就是说，在ABF.RLY开启之前，BAT+已经通过Q20连接到RAIL_VOLT+，所以此时继电器的触点电流几乎为零。

收获：新型继电保护电路