分析buck boost电路的工作原理（3KHV架构及线路分析报告）

Wildcat 3KHV架构及线路分析报告

测试机种：wildcat 3KHV

一．基本架构及主电路分析：

主电路简化图：

工作模式：1.line mode：（1）normal mode；（2）boost mode；（3）buck mode

2.battery mode

3.bypass mode

各类工作模式的工作原理分析：

1. Line mode：

基本动作

A，prsy工作

B，给电池充电

C，给负载供电

(1) Normal mode：

基本动作

1. 充BUS （导线连通）
2. 给负载供电（导线连通）

收获：

带本体二极管的MOSFET导通时，相当于导线，工频时的电感相当于导线

（黑色与蓝色箭头为市电正半周电流流向，红色和紫色为负半周）

参照如下波形：

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

意义：Q7,Q6,Q9同时低频导通

电流波形：

Normal mode no load：CH1: current on L2（输入）;CH2:BUS.V;CH3：current on L3（中间）；CH4：current on L1（输出）

Normal mode with R load：CH1: current on L2（输入）;CH2:BUS.V;CH3：current on L3（中间）；CH4：current on L1（输出）

（2）Boost mode：

基本动作

A充BUS （boost 电路）

B 给负载供电（导线连通）

收获

1. MOSFET在特定情况下，可以用作二极管
2. 实现ups升压的另外一种办法——AC boost电路

输入市电低于normal值时，UPS进入boost mode：市电正半周，L2,Q8,Q7的本体二极管及C11组成一boost线路对输入市电升压。Q8导通，市电通过Q8对L2进行储能，L2的电压极性左正右负；Q8关断，L2极性变成左负右正，市电叠加上L2所储能量，通过Q7本体二极管续流，实现升压。Q8的开关频率为20KHz。负半周时，L2,Q7,Q8的本体二极管及C11组成boost线路进行升压。Q9，Q10保持工频开关，将BUS.V逆变成交流输出。

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

参考波形如下：

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

意义：Q7高频，Q6低频，Q9低频

对应绿色方框处展开：

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

对应红色方框处展开：

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

电流波形：

Boost mode with R load：CH1: current on L2（输入）;CH2:BUS.V;CH3：current on L3（中间）；CH4：current on L1（输出）

意义：高频电流波形

（3）Buck mode：

基本动作

A充BUS （导线连通）

B 给负载供电（部分buck电路）

收获

A，实现ups降压的另外一种办法——AC buck电路

输入市电高于normal值时，UPS进入buck mode：Q7,Q8以工频交替开通关断。市电正半周，Q9,L1,Q10本体二极管，C5组成buck线路对BUS.V降压：Q9导通， L1储能，极性左正右负，Q9关断，L1极性变成左负右正，通过neutral线回到line线，经C11，Q10本体二极管进行续流，实现buck功能；Q9开关频率20KHz；同样的，在市电负半周，L1,Q10,Q9本体二极管，C5组成buck线路。L1的续流通路是Q9本体二极管---C11 ---line线---neutral线---L1。参考下图：

（黑色箭头为市电正半周时，L1储能的电流流向；蓝色为L1经Q10本体二极管续流。红色箭头为市电负半周时，L1储能；紫色为L1经Q9本体二极管续流）

参考波形如下：

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

意义：Q7,Q6,Q9是一个组合

对应绿色方框处展开：

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

对应红色方框处展开：

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

电流波形：

Buck mode with R load：CH1: current on L2（输入）;CH2:BUS.V;CH3：current on L3（中间）；CH4：current on L1（输出）

对应上图红色方框处展开：

Buck mode with R load：CH1：current on L3（中间）；CH2:BUS.V; CH3: current on L2（输入）；CH4：current on L1（输出）

意义：单个周期内电感电流的变化

Buck mode with R load：CH1:L3 current；CH2:BUS.V; CH3: BUS current; CH4: L1 current

对应上图红色方框处展开：

Buck mode with R load：CH1:L3 current；CH2:BUS.V; CH3: BUS current; CH4: L1 current

充电线路：

基本动作：

1. BUS充电（部分buck线路）

收获

1. BUS可以做为charger的输出源（NEW BN线路中的BUS做为charger的输入源岂不是一个绝佳的选择）
2. 另外一种Charger电路——buck电路

本机所使用的充电器是一个buck线路。组成buck线路的元件是：D2,L4,Q4.

其工作原理是：Q4导通时，BUS.V对L4储能，极性左正右负；Q4关断时，L4极性变为左负右正，通过D2进行续流。

由于充电器采用的是buck线路，因此它只会在弦波瞬时值高于电池电压时工作。

（黑色箭头为BUS.V对L4储能；蓝色为L4通过D2续流）

参考波形如下：

CH1：charge mosfet drive；CH2：current on L4

对应方框处展开：

CH1：charge mosfet drive；CH2：current on L4

2.Battery mode：

基本动作

A充BUS （部分导线连通和部分boost电路）

B 给负载供电（部分buck 电路和部分导线连通）

收获：

1. 电池波形组合的另外一种方法（power的电池输出波形也是一个波形组合）

该机器所使用的电池数为10节。电池电压是恒定的，将近130V左右。因此机器将其调制成弦波输出，必然分为两个阶段：（1）电池电压低于弦波瞬时值时对其升压：Q7,L2,Q8本体二极管，C11组成boost线路，将电池电压升压调制成弦波，此时Q9,Q10为低频开关，将其逆变输出；（2）电池电压高于弦波瞬时值时对其降压：boost线路不动作。输出为正半周时，Q9,L1,Q10本体二极管，C5组成buck线路；输出为负半周时，Q10,L3,Q9本体二极管，C5组成buck线路。分别将电池输出调制成弦波逆变输出。

一阶段和二阶段分别调制的弦波叠加起来成为完整的弦波。参考下图：

升压时：

（黑色箭头为电池通过Q7对L2储能的电流流向；蓝色为通过Q8本体二极管续流对C11充电；橙色为boost线路调制的弦波通过低频导通的Q9输出；绿色为boost线路调制的弦波通过低频导通的Q10输出）

降压时（输出正半周）：

（蓝色为电池通过Q9对L1储能；红色为Q9关断时，L1通过Q10本体二极管续流）

降压时（输出负半周）：

（蓝色为电池通过Q10对L3储能；红色为Q10关断时L3通过Q9本体二极管续流）

参考如下波形：

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

对应绿色方框处展开：

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

对应红色方框处展开：

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

电流波形：

Battery mode with R load：CH1: current on L2（输入）;CH2:BUS.V;CH3：current on L3（中间）；CH4：current on L1（输出）

对应方框处展开：

Battery mode with R load：CH1: current on L2（输入）;CH2:BUS.V;CH3：current on L3（中间）；CH4：current on L1（输出）

3.BYPASS.MODE

CPU异常，导致BYP-RLY-DR1不能正常发出，此时BYPASS.RLY闭合，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：

2

1

CH1: current on L2（输入）;CH2:BUS.V;CH3：current on L3（中间）；CH4：current on L1（输出）

标注1处的波形分析：

收获：

1. A，BUS也可以做为PRSY的输入源（NEW BN线路中的BUS应该也可以做为prsy的输入源）

）

CH2: current on C11（Bus电容）；CH3：BUS.V；CH4：current on L3

很显然，电流波形产生突起的时候，BUS电容上并没有电流。分析线路发现，power supply的输入电容是与BUS电容通过一二极管并联的，参考下图：

抓取C86的电流波形如下：

CH2:current on C86（Power supply输入电容）；CH3：BUS.V；CH4：current on L3

很明显，1处的大电流是因为给power supply的电解电容C86充电引起的。

标注2处的电流分析：

CH1：Q6 Vge；CH2：Q5 Vge；CH3：current on L3

CH1：Q6 Vge；CH2：Q5 Vge；CH3：current on L3

由上面的波形可以发现，Q5,Q6的占空比与另外两组IGBT不同，相对要短。而Q5,Q6在市电模式下的开关逻辑是：正半周，Q6导通；负半周，Q5导通。当Q5，Q6均关断时，此时的BUS电容正处入放电周期，而由于Q5，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：

1. 在ABF.RLY闭合后，而HV-START.RLY没闭合前，UPS在做什么？

——猜测：给PRSY的储能电容提供足够的能量，为接下来的能量消耗做准备。

用波形说话

其逻辑时序如下图：

图中Relay的驱动信号置低时，relay不动作，触点维持在常闭端；Relay信号置高时，relay吸合。Q20和IGBT在驱动信号置高时导通，置低关断。

市电启动

上市电后，ABF-RLY合上，5.6s后HV-Start-RLY合上，接入市电。9.6ms后，控制板开始给IGBT提供驱动，此时输入电压处于过零点。

市电转电池

市电转电池时，HV-START-RLY与BAL-RLY同时断开，L2接电池负极，并停止提供IGBT驱动，而ABF-RLY相对延时375ms后关断；ABF-RLY2相对HV-START-RLY和BAL-RLY延时4.9ms后断开，同时Q20导通并维持40ms，电池正极接BUS.V，几乎与ABF-RLY2动作的同时，控制板给出电池模式下的驱动信号。

电池转市电

重新接入市电，103ms后，ABF-RLY合上，延时2.2s后， HV-START-RLY合上，ABF-RLY2同时断开，此时由于BAL-RLY仍接电池负极，因此没有市电输入；电池正极通过Q20仍接BUS.V，此时机器在电池模式下输出，4ms后，Q20关断，BAL-RLY合上，L2接入I/P.N,接入市电，此时IGBT亦无驱动，5ms后，控制板开始给IGBT提供驱动，机器重新工作在市电模式下。

二．其他线路分析：ABF relay drive circuit

基本动作：

1. 控制ABF.RLY的吸合和断开

收获

A，一种新的buck电路芯片

市电输入，通过整流桥整流，再经一buck线路降压，给ABF-relay提供驱动。其中IC U500（TOP244YN）是一集成的开关管，其开关频率为66KHz。U500,L501,D512，C509组成buck线路。

吸合

上市电，buck电路工作，产生26V的驱动电压给ABF.RLY, ABF.RLY吸合

断开

市电断后，buck电路没有能源来源，buck电路shutdown，ABR.RLY没有驱动电压，ABF.RLY断开

Bypass relay drive circuit：

基本动作：

1. 控制K3的吸合和断开，并能在初始阶段加速其导通

收获

A，小电阻（1Kohm以下）与充电的小电容（50uf以下的）并联时，可以只考虑电阻性

B，一种新的relay加速电路

问题：

A，D500，D501，D502这些二极管的作用？

吸收驱动信号断开时，电感产生的反压

B, 关断K3为什么不使用直流信号，而使用交流信号？

猜测：驱动芯片I/O不够用

断开：

UPS 正常工作时，BY-PASS-RLY是断开的，控制板会发出BYP-RLY-DR1信号，

关断Q500,进而使BYPASS.RLY断开。这时，整流输出电压信号（BYP_RLY_DRV_HV）会给C503充电。

该信号是一频率为10KHz，duty为45.5%的脉冲信号，光耦的发光二极管导通，进而光耦的三极管导通，将Q500 G极电位拉低，K500断开。

单个周期分析：

BYP-RLY-DR1高，回路是BYP-RLY-DR1经光耦二极管，C512到com。光耦二极管发光，C512被充电

BYP-RLY-DR1低：C512经R527和光藕二极管放电，光耦二极管放电

加速吸合：

CPU异常时，BYP-RLY-DR1丢失。

Coil.V通过R517，R519对C500充电，3s后C500负极电压足够让Q501导通（Q501为P沟道MOSFET），coil.V加到Q500 G极，使得Q500导通，由于C503此时是高电压（67.2V），所以能够加速BYPASS.RLY的导通，BYPASS.RLY闭合。

稳态吸合：

BYPAS.RLY线圈电阻很小，实际从整流输出电压信号（BYP_RLY_DRV_HV）分得的电压很小，所以BYPAS.RLY线圈稳态的电压是由ABF.Relay drive circuit的buck电路输出提供的

参考波形

CH1:Q500 Vgs CH2:Q501 Vgs

意义：表明C500充电电压到6V时，Q501导通，进而Q500导通

CH1: Q500 Vgs CH2:C503 TO GND

意义：这是一个relay加速电路

理由：开始启动时，C13被充电到67.2V，这样relay在导通时，可以有一个瞬时高电压。导通后，此电路可以看作K3线圈电阻与Q500 Rds on串联（可以忽略）再与C503并联的过程（电容阻值可以看作无穷大），所以也就等效于K3线圈电阻，由于线圈电阻只有663ohm，所以按照分压原理到的电压很小（0.2V＝67.2*0.663/224.663），所以当降到26V时，由buck电路输出提供电压

Balance Relay drive circuit：

基本动作：

A，控制BALANCE.RLY的吸合和断开，并能在初始阶段加速其导通

收获

1. 一种新的relay驱动加速电路

断开：LINE.MODE时，BAL-RLY-DR被置高，Q5断，BALANCE.RLY处于断开状态。Vss为26V，Vss对电容C114和C69充电

加速吸合：

市电调电池时，。BAL-RLY-DR信号置低时，三极管Q12导通，此时C114的正极相当于接地。因此地相对于C114负极电位为高，使得三极管Q13导通，则电容C69的正极相当于与C114的负极短接。C114的负极相对地的压降为-26V,而C69的负极相对C114的负极也是-26V，所以C69的负极相对于地的压降为-52V，则Vss相对C69负极的压降是78V，实现了在驱动Realy的初始阶段加速的作用。如图等效电路图

稳态导通：

Relay导通后， C114和C69串联被D15短路，线圈电压等于Vss电压26V

BALANCE.RLY 驱动等效电路图

参考波形

CH1: BAL-RLY-DR CH2:K2 1 TO 5

Power supply circuit：

基本动作：

1. 给ups工作提供工作电源

收获：

A，prsy shutdown另外一种方法

该线路是一典型的flyback线路。BUS.V通过R183分压加至UC3844（U18）的Vcc，使3844开始工作。Power supply开始工作后，由反馈绕组输出的VGPL对3844提供Vcc。上面的四组输出给主线路中的IGBT提供驱动。

启动：BUS通过R183给3844供电，3844启动，prsy工作

稳态：一路输出Vgpl给3844供电，3844进入死循环工作

关闭：cpu侦测到关机好，关掉驱动，充bus动作结束，prsy消耗掉bus.c能量，prsy关闭

Battery Start Circuit：

基本动作

A，控制ups的启动和关机

启动：

J4接panel板上的开关，Q11是P沟道MOSFET。当按下开关，J4-1与J4-4短接时，电池通过BUS电容经D10,R38对C80充电。Q11导通。进而电池通过Q11对BUS电容充电，power supply建立。松开开关后，C80通过R44放电，Q11关断。

稳态：prsy工作，反馈绕组输出VGPL为18V，而VR1是15V的稳压管，C1是无极性的电容，所以C1电压为3V，极性左正右负。当此时再次按下panel板上开关时，由于二极管D10处于反偏，无法导通，则电池无法对C80充电，因此Q11在power supply工作于稳态时无法导通

关机：cpu侦测到关机信号，关掉驱动，充bus动作结束，prsy消耗掉bus能量，ups关机

LINE START

基本动作

A，给BUS.C充电，启动PRSY

K3

RT10

I/P.N

ABF RLY WIRE

D31

ABF RLY WIRE

I/P.L

BUS.C

上图为 LINE START的等效电路图

上市电，ABF.RLY 闭合，然后在市电负半周时，通过D31,RT10对BUS.C充电，PRSY建立。

Fan control circuit

基本动作：控制风扇转速

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

HV-Start-relay protect circuit

基本动作

1. 电池跳市电时，减小HV-START-RELAY 触点的触点电流

收获：

A，一种新的relay触点保护电路

C6为输入滤波电容。由于该机器市电输入电流波形畸变严重，因此需要加入滤波电容。加入该电容后，在电容前的HV-start-relay存在安全隐患，relay在合上时对C6充电，瞬间会有大电流，容易导致relay触点粘死，因此需加入relay保护电路。

其原理是：市电负半周时，通过D31,RT10对电容C6充电，C6被充成负的峰值，在市电负半周峰值到来时，relay切换，此时由于relay两侧电位相等（电位差为零），所以没有大电流，从而实现了对relay的保护。

参考下图：

CH1：HV.START.RELAY drive; CH2：C6 voltage；CH4：AC input

由图可见，HV-START-RLY在线圈通电5ms后吸合，而在给HV-START-RLY提供驱动10ms后，控制板开始给IGBT提供驱动。因此亦即HV-START-RLY吸合后5msIGBT被提供驱动，机器开始有输出。而由于HV-START-RLY于负半周峰值时吸合，因此机器开始有输出时对应的是输入的过零点。参考下图：

CH1：HV.START.RELAY drive;CH2：output voltage

ABF.RLY2 PROTECT CIRCUIT

基本功能：减小ABF.RLY2 切换时的触点电流

市电跳电池时，ABF-RLY2相对HV-START-RLY和BAL-RLY延时4.9ms后断开，同时Q20导通并维持40ms，电池正极接BUS.V，几乎与ABF-RLY2动作的同时，换句话说，在ABF.RLY导通之前，BAT 已经通过Q20连到RAIL_VOLT ，所以此时，relay吸合的触点电流几乎为零

收获：一种新的relay保护电路

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