电子式断路器电流源恒压控制系统及方法与流程

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种电子式断路器电流源恒压控制系统。

背景技术：

本发明主要应用在无需辅助电源，有电流通过的设备中产生恒定电压给内部电子设备供电的场合。如电子式断路器、万能式断路器等，其工作时流过的电流从几安培到上万安培，如采用传统的可变阻抗(根据电流的大小产生大小不同的负载阻抗)的方式来恒定输出电压，那么在通过大电流时负载阻抗会有很高的功率耗散从而产生很大的热量，需要选用大功率负载，且长时间有烧毁风险。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明旨在提供了一种电子式断路器电流源恒压控制系统，可以采用MOS管控制单元和PWM控制组合的方式来调节负载稳定电压，具有发热小，电流范围宽，电路简单成本低的优点。

第一方面，本发明提供了电子式断路器电流源恒压控制系统，包括：

电流互感模块，用于从高压侧将电流耦合至低压侧为系统提供电源和采样电流；

整流模块，用于将交流电源整流成单一方向的脉动电压；

功率控制模块，用于将单一方向的脉动电压进一步限定在一个固定的范围内，保证后端电路的稳定输出；

隔离保护模块，用于防止系统中电流反向流动，破坏功率控制模块的作用；

稳压模块，用于将功率控制模块输出的限定在一个固定范围内的电压值稳定在一个固定值后向外输出。

进一步地，所述电流互感模块的输出端连接至所述整流模块的输入端，所述整流模块的输出端连接至隔离保护模块的输入端，所述隔离保护模块的输出端连接至所述稳压模块的输入端，所述功率控制模块的输入端与所述隔离保护模块的输出端连接，所述功率控制模块的输出端与所述隔离保护模块的输入端连接。

进一步地，所述功率控制模块包括PWM信号发生单元以及MOS管控制单元，所述PWM信号发生单元的输出端与MOS管控制单元的栅极连接，所述MOS管控制单元的源极连接至所述隔离保护模块的输入端，所述MOS管控制单元的漏极连接至工作地。

进一步地，所述电流互感模块包括功率型电流互感器CT1、功率型电流互感器CT2、功率型电流互感器CT3，所述功率型电流互感器CT1采样三项交流电中L1相线的电压和电流，所述功率型电流互感器CT2采样三项交流电中L2相线的电压和电流，所述功率型电流互感器CT3采样三项交流电中L3相线的电压和电流。

进一步地，所述整流模块包括整流桥U3、整流桥U4、整流桥U5，所述整流桥U3的第一引脚和第二引脚分别连接至所述功率型电流互感器CT1，所述整流桥U4的第一引脚和第二引脚分别连接至所述功率型电流互感器CT2，所述整流桥U5的第一引脚和第二引脚分别连接至所述功率型电流互感器CT3；所述整流桥U3、整流桥U4、整流桥U5分别连接至所述二极管隔离模块的输入端。

进一步地，所述稳压模块包括三端稳压器U2、第一稳压电容C1、第二稳压电容C2、第三稳压电容C3以及第四稳压电容C4；所述三端稳压器U2的第二引脚连接至工作地，所述三端稳压器U2的第一引脚连接至电源VCC,所述第一稳压电容C1以及第二稳压电容C2分别跨接在所述三端稳压器U2的第三引脚与工作地之间，所述第三稳压电容C3以及第四稳压电容C4分别跨接在所述三端稳压器U2的第一引脚与工作地之间。

进一步地，所述PWM信号发生单元包括运算放大器U1以及电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7，所述运算放大器U1的第八引脚连接至电源VCC，所述运算放大器U1的第四引脚连接至工作地，所述运算放大器U1的第二引脚以并联的方式分别连接至电阻R6的一端和电阻R7的一端，所述运算放大器U1的第三引脚以并联的方式分别连接至电阻R2的一端和电阻R3的一端；所述运算放大器U1的第一引脚与所述电阻R1的一端连接，所述电阻R1的另一端连接至所述MOS管控制单元的栅极；所述电阻R6的另一端连接至电源VCC，所述电阻R7的另一端连接至工作地；所述电阻R2的另一端连接至运算放大器U1的第一引脚，所述电阻R3的另一端以并联的方式分别连接至电阻R4的一端和电阻R5的一端，所述电阻R4的另一端连接至所述隔离保护模块的输出端，所述电阻R5的另一端连接至工作地。

由上述技术方案可知，本发明提供的一种电子式断路器电流源恒压控制系统，设置有三个功率型互感器分别采集三项交流电的电流后输出至整流模块进行整流，可直接将三项交流电输出至有电流通过的设备中，使其产生恒定电压给内部电子设备供电。并采用MOS管控制单元和PWM控制组合的方式来调节负载稳定电压，最后利用稳压模块进行直流稳压输出。本发明提供的系统在通过高电流时负载阻抗低，发热小。电压输出稳定。

本发明提供的电路还设置有隔离保护模块防止电流逆向流至MOS管控制单元，从而影响输出电压的稳定。本发明还具有的可调电流范围宽，电路简单、成本低的优点。

第二方面，本发明提供了一种电子式断路器电流源恒压控制方法，包括：

步骤S1：利用功率型电流互感器CT1、CT2、CT3分别将所述三项交流电的L1相线、L2相线、L3相线的电流分别耦合至整流桥U3、整流桥U4、整流桥U5；

步骤S2：整流桥U3、整流桥U4、整流桥U5分别将采样到的L1相线的电流、L2相线的电流、L3相线的电流进行全波整流后通过隔离保护模块输出至三端稳压器U2的第三引脚；

步骤S3：运算放大器U1判断所述三端稳压器U2的第三引脚的电压值，若其达到下限电压则进入步骤S4，若其达到上限电压则进入步骤S5；所述三端稳压器U2的第三引脚电压值在上限电压和下限电压之间循环变化；

步骤S4：当步骤S3的电压值判断结果为下限电压时，则运算放大器U1第一引脚输出低电平OV，使得MOS管控制单元截止，此时所述L1相线、L2相线、L3相线的电流流过隔离保护模块输出至三端稳压器的第三引脚，并给第一稳压电容C1充电，使所述运算放大器U1的第三引脚的电压值升高；

步骤S5：当步骤S3的电压值判断结果为上限电压时，则运算放大器U1第一引脚输出高电平5V，使得MOS管控制单元导通，此时所述L1相线、L2相线、L3相线的电流全部从MOS管控制单元流至工作地，使所述运算放大器U1的第三引脚的电压值由于第一稳压电容C1的放电而降低。

进一步地，所述步骤S3中，所述三端稳压器U2的第三引脚的电压值的变化频率随输入电流的增大而增大。

进一步地，所述步骤S5中的隔离保护模块用于防止第一稳压电容C1储存的电量倒流至MOS管控制单元。

由上述技术方案可知，本发明提供的一种电子式断路器电流源恒压控制方法，设置有三个功率型互感器分别采集三项交流电的各项电流后输出至整流模块进行整流，可直接将三项交流电输出至有电流通过的设备中，使其产生恒定电压给内部电子设备供电。并采用MOS管控制单元和同向迟滞比较器的组合利用PWM调节的方式来调节负载稳定电压，最后利用稳压模块进行直流稳压输出。

本发明提供的同向迟滞比较器的输出高低电平的变化频率是根据从三项交流电各相电流的大小以及稳压电容的大小选择来决定的。当各项电流越大时电压调整的频率越高。因此本发明可以作大电流时的稳压输出使用。

本发明提供的系统在通过高电流时负载阻抗低，发热小，电压输出稳定。

本发明提供的电路还设置有隔离保护模块防止电流逆向流至MOS管控制单元，从而影响输出电压的稳定。本发明还具有的可调电流范围宽，电路简单、成本低的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1示出了本发明实施例所提供的电子式断路器电流源恒压控制系统的模块图；

图2示出了本发明实施例所提供的电子式断路器电流源恒压控制系统的电路图；

图3示出了本发明实施例所提供的电子式断路器电流源恒压控制系统的DC/DC模块的电路图；

图4示出了本发明实施例所提供的电子式断路器电流源恒压控制方法的流程图。

附图标记：1-电流互感模块；2-整流模块；3-功率控制模块；4-隔离保护模块；5-稳压模块。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

如图1所示，本发明实施例一提供了电子式断路器电流源恒压控制系统，包括：

电流互感模块，用于从高压侧将电流耦合至低压侧为系统提供电源和采样电压、电流；

整流模块，用于将交流电源整流成单一方向的脉动电压；

功率控制模块，用于将单一方向的脉动电压进一步限定在一个固定的范围内，保证后端电路的稳定输出；

隔离保护模块，用于防止系统中电流反向流动，破坏功率控制模块的作用；

稳压模块，用于将功率控制模块输出的限定在一个固定范围内的电压值稳定在一个固定值后向外输出。

本实施例中，所述电流互感模块的输出端连接至所述整流模块的输入端，所述整流模块的输出端连接至隔离保护模块的输入端，所述隔离保护模块的输出端连接至所述稳压模块的输入端，所述功率控制模块的输入端与所述隔离保护模块的输出端连接，所述功率控制模块的输出端与所述隔离保护模块的输入端连接。

本实施例中，所述功率控制模块包括PWM信号发生单元以及MOS管控制单元，所述PWM信号发生单元的输出端与MOS管控制单元的栅极连接，所述MOS管控制单元的源极连接至所述隔离保护模块的输入端，所述MOS管控制单元的漏极连接至工作地。

本实施例中，所述MOS管控制单元选配为型号是20N06的N沟道型场效应管。

本实施例中，所述电流互感模块包括功率型电流互感器CT1、功率型电流互感器CT2、功率型电流互感器CT3，所述功率型电流互感器CT1采样三项交流电中L1相线的电流，所述功率型电流互感器CT2采样三项交流电中L2相线的电流，所述功率型电流互感器CT3采样三项交流电中L3相线的电流。

本实施例中，所述整流模块包括连接至功率型电流互感器CT1的MB6S型整流桥U3、连接至功率型电流互感器CT2的MB6S型整流桥U4、连接至功率型电流互感器CT3的MB6S型整流桥U5。所述整流桥U3的第一引脚和第二引脚分别连接至所述功率型电流互感器CT1，所述整流桥U4的第一引脚和第二引脚分别连接至所述功率型电流互感器CT2，所述整流桥U5的第一引脚和第二引脚分别连接至所述功率型电流互感器CT3；所述整流桥U3、整流桥U4、整流桥U5分别连接至所述二极管隔离模块的输入端。

本实施例中，所述隔离保护模块为贴片型M7二极管D1。

本实施例中，所述稳压模块包括三端稳压器U2、第一稳压电容C1、第二稳压电容C2、第三稳压电容C3以及第四稳压电容C4；所述三端稳压器U2的第二引脚连接至工作地，所述三端稳压器U2的第一引脚连接至电源VCC,所述第一稳压电容C1以及第二稳压电容C2分别跨接在所述三端稳压器U2的第三引脚与工作地之间，所述第三稳压电容C3以及第四稳压电容C4分别跨接在所述三端稳压器U2的第一引脚与工作地之间。

本实施例中，所述三端稳压器U2的型号为78L05，所述第一稳压电容C1为1000μF/25V，所述第二稳压电容C2为0.1μF，所述第三稳压电容C1为470μF/25V，所述第四稳压电容C1为0.1μF。

本实施例中，所述PWM信号发生单元为运算放大器U1以及电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7组成的同向迟滞比较器。所述运算放大器U1的第八引脚连接至电源VCC，所述运算放大器U1的第四引脚连接至工作地，所述运算放大器U1的第二引脚以并联的方式分别连接至电阻R6的一端和电阻R7的一端，所述运算放大器U1的第三引脚以并联的方式分别连接至电阻R2的一端和电阻R3的一端；所述运算放大器U1的第一引脚与所述电阻R1的一端连接，所述电阻R1的另一端连接至所述N沟道型场效应管的V1栅极；所述电阻R6的另一端连接至电源VCC，所述电阻R7的另一端连接至工作地；所述电阻R2的另一端连接至运算放大器U1的第一引脚，所述电阻R3的另一端以并联的方式分别连接至电阻R4的一端和电阻R5的一端，所述电阻R4的另一端连接至所述二极管D1的输出端，所述电阻R5的另一端连接至工作地。

本实施例中，所述电阻R1为200Ω，所述电阻R2为10KΩ，所述电阻R3为2KΩ，所述电阻R4为6.8KΩ，所述电阻R5为2KΩ，所述电阻R6为10KΩ，所述电阻R7为10KΩ。所述同向迟滞比较器的上限电压为Vh＝((1+R3/R4)*2.5)*((R5+R4)/R5)＝13.2V，所述同向迟滞比较器的下限电压为Vl＝(((1+R3/R2)*2.5)-((R3/R2)*5))*((R5+R4)/R5)＝8.8V。

本实施例中，所述运算放大器U1的型号为LM258D。

本发明实施例提供的一种电子式断路器电流源恒压控制系统，设置有三个功率型互感器CT1、CT2、CT3分别采集三项交流电的L1项线、L2项线、L3项线电流后输出至整流模块进行整流，可直接将三项交流电输出至有电流通过的设备中，使其产生恒定电压给内部电子设备供电。并采用MOS管控制单元和PWM控制组合的方式来调节负载稳定电压，最后利用稳压模块进行直流稳压输出。本发明实施例提供的系统在通过高电流时负载阻抗低，发热小。电压输出稳定。

本发明提供的电路还设置有隔离保护模块防止电流逆向流至MOS管控制单元，从而影响输出电压的稳定。另外，本发明还具有的可调电流范围宽，电路简单、成本低的优点。

本发明实施例一的一个替代方案，是将电路中的稳压模块替换为DC/DC模块；由于线路电流在用电高峰和低谷时变化很大，因此从功率型电流互感器感应出的电压在线路电流较小时只有几伏，而在线路电流很大时输出电压有几十伏，因此需要能在较大范围内工作的稳压电路。

78系列三端稳压器本身大约有2V左右电压降，本身的功率消耗也较大。而先前在小电流状态感应出来的电压只有几伏，此时本发明实施例选择的78L05型三端稳压器的输出电压难以满足负载所需的直流电压输出。

本发明实施例一直接选用宽输入的DC/DC模块，此设计可以提高整体系统的稳定性。

如图3所示：本发明实施例一选用的DC/DC模块包括：第一稳压电容C1、第二稳压电容C2、保护电容CY、二极管VD、压敏电阻VR以及隔离稳压双输出DC/DC芯片。

所述压敏电阻VR、第一稳压电容C1、第二稳压电容C2分别并联地跨接在电路的A、B两端，

所述二极管VD串联在所述第一稳压电容C1与第二稳压电容C2之间。

当线路出现故障时，输入电压瞬间跌落(如线路故障后的几秒),DC/DC模块输入端的第一稳压电容C1用于在一定时间内给DC/DC模块提供维持电压，并可吸收模块输入端的电压尖峰。为了满足维持时间的要求，一般选用大容量的电解电容。本实施例具体为1000μF。在第一稳压电容C1前端串联的一个二极管VD，当第一稳压电容C1放电时，二极管VD切断电源输入端的放电路径；为了减小二极管VD上的电压降，本发明实施例一中使用肖基特二极管。为了降低共模噪声，特增加CY电容，CY电容的连接节点与模块外壳及系统保护地相连接，一般选择几nF的高频电容。具体数值范围在1nF至5nF之间。

所述压敏电阻VR用于保护DC/DC模块，防止在前端电压超过DC/DC的能承受的最大电压值而损坏DC/DC模块，当输入电压超出DC/DC模块的最大输入电压时，压敏电阻VR被击穿，此时加载到DC/DC输入端的电压就是压敏电阻VR的稳压值，从而保护了DC/DC模块。

本发明实施例一的替代方案选用宽电压隔离稳压DC/DC，其瞬变响应快，低纹波噪声输出，仅需少量外围元件，即可工作，脚位采用5PIN双列直插，小型封装，具有良好的屏蔽干扰性能及电磁兼容性、过流、过载、短路保护、自恢复等功能。

本发明实施例一的替代方案可保证在宽输入电压的范围内，稳定的提供15V的输出电压。

如图4所示，本发明实施例二提供了一种电子式断路器电流源恒压控制方法，包括：

步骤S1：利用功率型电流互感器CT1、CT2、CT3分别将所述三项交流电的L1相线、L2相线、L3相线的电流分别耦合至整流桥U3、整流桥U4、整流桥U5；

步骤S2：整流桥U3、整流桥U4、整流桥U5分别将采样到的L1相线的电流、L2相线的电流、L3相线的电流进行全波整流后通过隔离保护模块二极管D1输出至三端稳压器U2的第三引脚；

步骤S3：运算放大器U1判断所述三端稳压器U2第三引脚的电压值，若其达到下限电压8.8V时则进入步骤S4，若其达到上限电压13.2V时则进入步骤S5；所述三端稳压器U2的第三引脚电压值在上限电压13.2V和下限电压8.8V之间循环变化；

步骤S4：当步骤S3的电压值判断结果为下限电压时，则运算放大器U1第一引脚输出低电平OV，使得N沟道场效应管V1截止，此时所述L1相线、L2相线、L3相线的电流流过隔离保护模块二极管D1输出至三端稳压器U2的第三引脚，并给第一稳压电容C1充电，使所述运算放大器U1的第三引脚的电压值升高；

步骤S5：当步骤S3的电压值判断结果为上限电压时，则运算放大器U1第一引脚输出高电平5V，使得N沟道场效应管V1导通，此时所述L1相线、L2相线、L3相线的电流全部从N沟道场效应管V1流至工作地，使所述运算放大器U1的第三引脚的电压值由于第一稳压电容C1的放电而降低。

本实施例中，所述第二稳压电容C2、第三稳压电容C3、第四稳压电容C4用于将三端稳压器U2的第三引脚的电压值进一步稳压至5V定值输出。

本实施例中，所述步骤S5中的隔离保护模块二极管D1用于防止第一稳压电容C1储存的电量倒流至所述N沟道场效应管V1。

本发明实施例二的工作原理为：当交流侧线路电流增大时，输出电压同步增大，当电压增大至运算放大器U1的上限电压，即Vh＝((1+R3/R4)*2.5)*((R5+R4)/R5)＝13.2V时，运算放大器U1输出5V高电平,使得N沟道场效应管V1导通，此时交流侧由功率型电流互感器CT1、CT2、CT3耦合过来的电流短接至工作地，由于N沟道场效应管V1的内阻很小，即使当电流很大的情况下，产生的功率也很小，不会导致其发热。此时，二极管D1的正极电压为0，二极管D1的负极由于第一稳压电容C1的存在而电压维持不变，后端的同向迟滞比较器由第一稳压电容C1储存的电量供电，其电压随着第一稳压电容C1的电量消耗而逐渐降低。当电压降低至同向迟滞比较器的下限电压，即Vl＝(((1+R3/R2)*2.5)-((R3/R2)*5))*((R5+R4)/R5)＝8.8V时，同向迟滞比较器输出低电平0V，使得N沟道场效应管V1截止，此时交流侧由功率型电流互感器CT1、CT2、CT3耦合过来的电流重新流过二极管D1给后端电路供电并给第一稳压电容C1充电，当第一稳压电容C1充电至上限电压，即Vh＝((1+R3/R4)*2.5)*((R5+R4)/R5)＝13.2V时，同向迟滞比较器再次触发N沟道场效应管V1导通，完成一个完整周期的电压调节。

本实施例中，所述步骤S6中的电压值的变化频率随输入电流的增大而增大，从而保证后端稳压模块的恒压输出。

本发明实施例二提供的一种电子式断路器电流源恒压控制方法，设置有三个功率型互感器分别采集三项交流电的各项电流后输出至整流模块进行整流，可直接将三项交流电输出至有电流通过的设备中，使其产生恒定电压给内部电子设备供电。并采用N沟道场效应管和同向迟滞比较器的组合利用PWM调节的方式来调节负载稳定电压，最后利用稳压模块进行直流稳压输出。运算放大器U1的输出高低电平的变化频率是根据从三项交流电L1、L2、L3相线电流的大小以及稳压电容C1的大小选择来决定的。当各项电流越大时电压调整的频率越高。因此本发明实施例二可以用作大电流时的稳压输出。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。