大功率开关电源的软启动装置及方法

专利名称：大功率开关电源的软启动装置及方法
技术领域：
本发明属于电源启动技术领域，特别涉及一种大功率开关电源的软启动装置及方 法。
背景技术：
在大功率开关电源的输入级电路中，与整流电路并联的滤波电容是大容量的电解 电容而通过整流桥整流出来的电压也比较高。在上电瞬间，滤波电容两端电压为零，此时如 果整流出来的电压不经过限流电阻而直接加到滤波电容两端，将会产生很大的冲击电流， 极容易造成元器件的损坏。因此，我们必须设计一种装置，使得在上电的瞬间电容两端电压 缓慢上升，以避免上述的故障出现，这就是我们所说的软启动问题。常用的软启动方法有以下四种方案(1)串接热敏电阻如图1所示，该软启动电路包括由二极管1、二极管2、二极管3、二极管4、二极管 5、二极管6构成的整流桥以及热敏电阻7、电容8、绝缘栅晶体管9、绝缘栅晶体管10、绝缘 栅晶体管11、绝缘栅晶体管12和变压器13，整流桥接交流电源的三条相线99、100、101 ；热 敏电阻7为负温度系数的热敏电阻。具有负温度系数特性的热敏电阻7，室温电阻大，通电 升温后热敏电阻7的电阻急剧下降。利用热敏电阻7这种特性，可以减少上电瞬间的冲击 电流，同时降低电源正常工作时的功耗。这种方案的缺点在于，随着输入电流的增大，热敏 电阻7上的功耗也增大，从而使得输入级电路的效率降低，进而制约着整个开关电源的总 体效率。而在大功率开关电源中，输入电流较大。因此，这种软启动方案不适用于大功率开 关电源。(2)限流电阻、接触器切换如图2所示，该软启动电路包括由二极管14、二极管15、二极管16、二极管17、二 极管18、二极管19构成的整流桥以及限流电阻20、接触器触点21、接触器线圈22、继电器 触点23、继电器线圈24、电容25、绝缘栅晶体管26、绝缘栅晶体管27、绝缘栅晶体管28、绝 缘栅晶体管29、变压器30，整流桥接交流电源的三条相线99、100、101 ；上电瞬间，接触器的 线圈22不导通，接触器的触点21处于断开状态，整流电路通过限流电阻20对电容25充电， 等电容25电压充到预设电压值时，继电器的线圈24导通，继电器的触点23闭合，使接触器 的线圈22导通，接触器的触点21闭合，将限流电阻20短路，使得在电源正常工作时，限流 电阻20不产生功耗，克服了方案(1)的缺点。这种方案的缺点在于，接触器的导电部分是 活动触点，不适合通过大电流；继电器的动作电压会抖动及振荡，造成工作不可靠。(3)晶闸管三相全桥半控整流如图3所示，该电路包括由二极管34、二极管35、二极管36、晶闸管31、晶闸管32、 晶闸管33构成的半控整流桥以及滤波电容37、绝缘栅晶体管38、绝缘栅晶体管39、绝缘栅 晶体管40、绝缘栅晶体管41和变压器42，整流桥接交流电源的三条相线99、100、101 ；上电 启动时，控制晶闸管31、晶闸管32、晶闸管33的导通角，使得滤波电容37上的电压按设定的规律缓慢上升，实现软启动。这个方案的缺点在于，晶间管半控整流桥价格贵，成本较高， 而且需要对导通角进行控制，不允许无触发，触发电路设计复杂。(4)限流电阻、晶闸管切换如图4所示，该电路包括由二极管43、二极管44、二极管45、二极管46、二极管47、 二极管48构成的整流桥以及晶闸管49、限流电阻50、滤波电容51、绝缘栅晶体管52、绝缘 栅晶体管53、绝缘栅晶体管54、绝缘栅晶体管55和变压器56，整流桥接交流电源的三条相 线99、100、101 ；上电启动时，整流电路通过限流电阻50向滤波电容51充电，等滤波电容51 电压充到期望值时，触发晶闸管49。此方案的缺点是不允许无触发。

发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点与不足，提供一种结构简单、合理，能 可靠地保证滤波电容电压先升到期望电压后脉冲发生电路再工作的大功率开关电源的软 启动装置。本发明采用如下的技术方案大功率开关电源的软启动装置，包括软启动充电电路、三相桥式整流串联晶闸管 电路、滤波电容电压检测电路、电流检测切换判决电路、脉冲电源充电电路、脉冲发生电路 和滤波电容，软启动充电电路与三相桥式整流串联晶闸管电路并联连接；滤波电容电压检 测电路与脉冲电源充电电路、三相桥式整流串联晶闸管电路连接；电流检测切换判决电路 分别与脉冲电源充电电路、脉冲发生电路、软启动充电电路连接；所述脉冲电源充电电路与 脉冲发生电路连接；脉冲发生电路分别与三相桥式整流串联晶闸管电路、软启动充电电路 连接；所述软启动充电电路、三相桥式整流串联晶闸管电路、滤波电容电压检测电路、电流 检测切换判决电路、脉冲电源充电电路、脉冲发生电路均与滤波电容连接；所述软启动充电 电路、脉冲电源充电电路、三相桥式整流串联晶闸管电路分别外接三相交流电源。所述三相桥式整流串联晶间管电路包括第八二极管、第九二极管、第十二极管、 第十一二极管、第十二二极管、第十三二极管和晶间管，所述第八二极管、第九二极管、第 十二极管、第十一二极管、第十二二极管和第十三二极管均为功率二极管；第八二极管与第 十一二极管串联，第九二极管与第十二二极管串联，第十二极管与第十三二极管串联；第 八二极管的阴极、第九二极管的阴极和第十二极管的阴极相互连接，且均与晶闸管的阳极 连接；第十一二极管的阳极、第十二二极管的阳极和第十三二极管的阳极相互连接，且均与 滤波电容的负极连接；晶闸管的阴极与滤波电容的正极连接，其门极与脉冲发生电路连接； 所述第八二极管的阳极与第十一二极管的阴极之间、第九二极管的阳极与第十二二极管的 阴极之间、第十二极管的阳极与第十三二极管的阴极之间分别通过引出引线外接到三相交 流电源的三条相线上，且第十一二极管的阴极、第十二二极管的阴极、第十三二极管的阴极 分别与软启动充电电路连接。所述软启动充电电路包括第四二极管、第六二极管、第七二极管、第十三电阻和第 十四电阻，所述第四二极管、第六二极管和第七二极管均为整流二极管；第十三电阻与第 十四电阻串联，第十三电阻的另一端分别与第四二极管的阴极、第六二极管的阴极、第七二 极管的阴极连接，第十四电阻的另一端分别与电流检测切换判决电路、滤波电容的正极、脉 冲发生电路连接；第四二极管的阳极、第六二极管的阳极、第七二极管的阳极分别与三相交流电源的三条相线连接，且分别与三相桥式整流串联晶闸管电路中第十一二极管的阴极、 第十二二极管的阴极、第十三二极管的阴极连接。所述电流检测切换判决电路包括第五二极管、第三二极管、第四电阻、第六电容、 第九电阻、第十一电阻和第四三极管，所述第六电容为电解电容；第五二极管的阳极连接在 软启动充电电路中的第十三电阻与第十四电阻之间，第五二极管的阴极分别与第三二极管 的阳极、第六电容的正极连接；第三二极管的阳极与第六电容的正极连接，其阴极分别与第 四电阻的一端、脉冲电源充电电路连接；第四电阻的另一端与第六电容的负极、脉冲电源充 电电路连接；所述第九电阻的一端与第五二极管的阴极、第三二极管的阳极、第六电容的正 极连接，其另一端与第十一电阻、第四三极管的基极连接；第十一电阻的一端与第四三极管 的基极连接，另一端与第六电容的负极连接；第四三极管的发射极与第六电容的负极连接， 其集电极与脉冲发生电路连接，第六电容的负极分别与滤波电容的正极、软启动充电电路 中的第十四电阻连接。所述脉冲电源充电电路包括变压器、第一二极管、第一三极管、第二电阻、第二二 极管和第一电容，所述第一电容为电解电容，变压器的初级两端分别与三相交流电源的零 线和一个相线连接，其次级一端与滤波电容电压检测电路中第三三极管的集电极连接，其 次级另一端与第一二极管的阳极连接，第一二极管的阴极与第一三极管的发射极连接，第 一三极管的基极与第二二极管的阳极连接，第二二极管的阴极与电流检测切换判决电路连 接；第一三极管的集电极与第一电容的正极、脉冲发生电路连接；第一电容的负极与电流 检测切换判决电路、滤波电容的正极连接；所述第二电阻一端连接在第一二极管的阴极与 第一三极管的发射极之间，另一端连接在第一三极管的基极与第二二极管的阳极之间。所述脉冲发生电路包括第一电阻、第二三极管、单结晶体管、第十二电阻、第三电 阻、第二电容、第十电阻、第五电容、第四电容和第八电阻，第一电阻的一端分别与脉冲电源 充电电路连接，另一端与第二三极管的发射极连接；第二三极管的集电极与单结晶体管的 门极连接，第二三极管的基极与单结晶体管的阳极连接；单结晶体管的阴极与第十二电阻 的一端连接，第十二电阻的另一端与三相桥式整流串联晶闸管电路中的晶闸管的门极连 接；第三电阻的一端分别与第一电阻、第二三极管的发射极连接，另一端分别与第二三极管 的基极、单结晶体管的阳极、电流检测切换判决电路连接；第二电容的一端与单结晶体管的 阳极连接，另一端与电流检测切换判决电路中第六电容的负极、滤波电容的正极连接；第十 电阻和第五电容的一端均与单结晶体管的阴极连接，另一端均与电流检测切换判决电路中 第六电容的负极、滤波电容的正极连接；第四电容与第八电阻并联，且其一端均与单结晶体 管的门极、第二三极管的集电极连接，另一端均与电流检测切换判决电路中第六电容的负 极、滤波电容的正极连接；所述第十电阻、第五电容、第四电容和第八电阻均与软启动充电 电路连接。所述第一电阻的一端分别与脉冲电源充电电路中第一电容的正极、第一三极管的 集电极连接，另一端与第二三极管的发射极连接；所述第三电阻的一端分别与第一电阻、第 二三极管的发射极连接，另一端分别与第二三极管的基极、单结晶体管的阳极、电流检测切 换判决电路中第四三极管的集电极连接。所述滤波电容电压检测电路包括第三三极管、第三电容以及依次串联的第六电 阻、第七电阻和第五电阻，所述第三电容为电解电容；第五电阻的另一端与滤波电容的正极、第三电容的正极、第三三极管的发射极连接，第六电阻的另一端与滤波电容的负极、三 相桥式整流串联晶闸管电路连接；第三电容的负极连接在第七电阻和第五电阻之间并与第 三三极管的基极连接；第三三极管的基极连接在第七电阻和第五电阻之间，第三三极管的 集电极与脉冲电源充电电路中变压器次级的一端连接。由上述装置实现的大功率开关电源的软启动方法，包括如下步骤(1)大功率开关电源通过接入三相交流电上电；(2)软启动充电电路对滤波电容进行充电；(3)电流检测切换判决电路对软启动充电电路的电流进行检测，同时，滤波电容电 压检测电路对滤波电容两端的电压进行检测，若软启动充电电路的电流和滤波电容两端的 电压都同时满足条件，则脉冲电源充电电路工作；(4)在步骤(3)的基础上，电流检测切换判决电路对软启动充电电路的电流进行 检测，若软启动充电电路的电流小至使电流检测切换判决电路中的第四三极管截止，则脉 冲发生电路工作；(5)脉冲发生电路产生脉冲，触发三相桥式整流串联晶闸管电路中的晶闸管，切换 为三相桥式整流串联晶闸管电路对滤波电容进行充电，完成大功率开关电源的软启动。所述步骤(2)中软启动充电电路对滤波电容进行充电的具体步骤包括三相交流 电的三条相线上的电流分别经由软启动充电电路中的第四二极管、第六二极管、第七二极 管与三相桥式整流串联晶间管电路中的第十一二极管、第十二二极管、第十三二极管构成 三相全桥整流电路输出，再依次通过第十三电阻、第十四电阻给滤波电容充电；所述步骤(3)中，当软启动充电电路的电流小于设定值且滤波电容两端的电压大 于设定值时，则脉冲电源充电电路中的第一三极管导通，以使脉冲电源充电电路工作；三相 交流电通过其零线和相线向变压器提供电流，电流分别经第一二极管、第一三极管、第二电 阻、第二二极管和第一电容，通过第一电容进行储能，为脉冲发生电路供电；所述步骤(5)中，脉冲发生电路触发三相桥式整流串联晶闸管电路中的晶闸管的 具体步骤包括电流检测切换判决电路中的第六电容上的电压随滤波电容充电电流的不断 减小而下降至设定值时，第四三极管由导通变为截止，脉冲发生电路经由第一电阻、第三电 阻及第二三极管给第四电容充电，当第二电容上的电压上升至接近脉冲电源充电电路中的 第一电容上的电压时，第二三极管截止，使得第四电容经第八电阻放电，当第四电容上的电 压下降到一定值时单结晶体管被触发，在第十电阻及第五电容上形成一个脉冲电压并经第 十二电阻触发三相桥式整流串联晶闸管电路中的晶闸管；晶闸管被触发后，由第八二极管、 第九二极管、第十二极管及第十一二极管、第十二二极管、第十三二极管构成的三相全桥整 流电路经由晶闸管给滤波电容充电，从而完成软启动充电电路向三相桥式整流串联晶闸管 电路的切换。本发明的原理当大功率开关电源上电时，软启动充电电路对大容量滤波电容进 行充电，此时滤波电容两端电压较低，并没有高于设定的电压值，而且此时充电电流较大， 也没有小于设定的电流值，脉冲电源充电电路不能进入运行状态。随着滤波电容两端电压 的不断增加，当滤波电容的电压高于设定的电压值，但此时软启动充电电流(软启动充电 电路的电流)仍然高于设定值，脉冲电源充电电路仍然不能进入运行状态。随着软启动充 电电流的不断减少，当充电电流低于设定值，即表明整流电路输出电压与滤波电容两端电压的差值小于设定值，此时脉冲电源充电电路投入运行，当充电电流进一步减小到另一设 定值时，脉冲发生电路投入运行，此时滤波电容的充电电路由软启动充电电路切换到三相 桥式整流串联晶闸管电路，从而实现了在期望的滤波电容电压下充电电路的切换。电流检 测切换判决电路与滤波电容电压检测电路对于脉冲电源充电电路的控制是“与”逻辑，即只 有两个电路达到设定的目标时，脉冲电源充电电路才会投入运行。第五电阻、第六电阻和第七电阻对滤波电容两端电压进行分压，当第五电阻分得 的电压达到第三三极管发射结的导通电压时，脉冲电源充电电路的变压器次级才能输出电 流。这样我们可以通过适当选取第五电阻、第五电阻和第七电阻这三个电阻的阻值，来控制 第三三极管在滤波电容两端电压达到期望的值时才导通，第三电容起滤波作用，防止高频 干扰电压致使第三三极管导通。第十三电阻、第十四电阻既充当软启动充电电路的限流电阻，同时又兼负检测充 电电流的任务。降在第十四电阻两端的电压通过第五二极管对第六电容充电，使得第六电 容两端的电压基本与第十四电阻上的压降相等。当软启动充电电流较大时，降在第十三电 阻、第十四电阻上的电压较高，第六电容上的电压也较高，变压器是一个降压变压器，次级 电压有效值为9伏，经第一二极管输出的峰值电压约12伏，因此，当第六电容上的电压高于 12伏时，第二二极管总是处于截止状态，使得第一三极管因基极电流为零，而处于截止状 态，从而不能对第一电容充电，从而使得以第一电容为电源的脉冲发生电路不能工作。在滤 波电容两端电压高于设定的电压值的情况下，当软启动充电电流小到使第六电容上的电压 低于12伏时，第二二极管开始导通，使得第一三极管导通，对第一电容进行充电，即脉冲电 源充电电路工作。第九电阻、第十一电阻对第六电容分压，适当选择第九电阻、第十一电阻 的阻值，使得第六电容上的电压大于某个适当的值时第四三极管饱和导通，导致第二电容 不能被充电，脉冲发生电路不工作。当第六电容两端的电压小于某个阈值时第四三极管截 止，脉冲发生电路投入工作。脉冲发生电路是以单结晶体管为核心的张弛振荡电路。当第二电容上电压比脉冲 电源充电电路中的第一电容上电压低至超过第二三极管的发射结导通电压时，第一电容通 过第一电阻、第三电阻及第二三极管的发射结给第二电容充电，同时也通过第二三极管的 集电极给第四电容充电，选择第八电阻的阻值足够大，从而保证第四电容的放电速度较充 电速度慢的多，因此第四电容上的电压能很快充到只比第二三极管发射极电压低一个饱和 压降的程度，而只要第二三极管是导通的，第二电容上的电压就比第二三极管的发射极电 压低一个发射结导通电压，可见三极管导通时，第四电容上的电压要高于第二电容上的电 压，单结晶体管处于截止状态，当第二电容上的电压上升至第三电阻上的压降小于第二三 极管发射结的导通电压时，第二三极管截止，第二电容继续通过第三电阻充电，而第四电容 通过第八电阻放电，直至第四电容上的电压比第二电容上的电压低到触发单结晶体管，当 单结晶体管被触发而导通时，第二电容及第四电容均通过单结晶体管快速放电，并通过第 十二电阻产生一脉冲电流触发晶闸管，当单结晶体管恢复截止状态时，第二电容及第四电 容上已只有很低的剩余电压，因此再次开始充电，即脉冲发生电路开始下一周期的脉冲产 生过程，第十电阻及第五电容起滤波作用，防止高频干扰电压误触发晶闸管。当大功率开关电源上电时，滤波电容电压为零，第三三极管不导通，此时软启动充 电电流较大，第一三极管也不导通，而第四三极管饱和导通，因此脉冲电源充电电路和脉冲发生电路都不工作。随着滤波电容电压不断的增大，高于电压设定值，第三三极管导通。而 另一方面，软启动充电电流不断的减小，小于电流设定值，即整流电路输出电压与滤波电容 两端电压的差值到达设定值。此时，脉冲电源充电电路投入运行状态，开始对第一电容进行 充电，等第一电容两端的电压上升到合适的值，且软启动充电电流进一步减小使得第六电 容上的电压降至第四三极管截止，脉冲发生电路投入运行，电路由软启动充电状态切换为 三相桥式整流充电状态。电流检测与切换判决电路及滤波电容电压检测电路构成电路安全 的双保险，一旦其中一个电路因为各种原因不能工作，另一个电路单独工作也能使开关电 源免受很大的冲击。与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果(1)本发明通过设计滤波电容电压检测电路、电流检测切换判决电路以及软启动 电路等各个电路的巧妙地相互连接，保证了电路在干扰的情况下，依然能够在合适的滤波 电容电压下，从软启动充电电路切换到三相桥式整流串联晶闸管电路对滤波电容进行充 H1^ ο(2)本发明的装置简单，且成本低。


图1是现有技术的一种结构示意图。图2是现有技术的第二种结构示意图。图3是现有技术的第三种结构示意图。图4是现有技术的第四种结构示意图。图5是本发明装置的结构示意图。
具体实施例方式下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限 于此。实施例如图5所示，本大功率开关电源的软启动装置包括软启动充电电路、三相桥式整 流串联晶闸管电路、滤波电容电压检测电路、电流检测切换判决电路、脉冲电源充电电路、 脉冲发生电路和滤波电容97，软启动充电电路与三相桥式整流串联晶闸管电路并联连接； 滤波电容电压检测电路与脉冲电源充电电路、三相桥式整流串联晶闸管电路连接；电流检 测切换判决电路分别与脉冲电源充电电路、脉冲发生电路、软启动充电电路连接；所述脉冲 电源充电电路与脉冲发生电路连接；脉冲发生电路分别与三相桥式整流串联晶闸管电路、 软启动充电电路连接；所述软启动充电电路、三相桥式整流串联晶闸管电路、滤波电容电压 检测电路、电流检测切换判决电路、脉冲电源充电电路、脉冲发生电路均与滤波电容97连 接；所述软启动充电电路、脉冲电源充电电路、三相桥式整流串联晶闸管电路分别外接三相 交流电源。所述三相桥式整流串联晶间管电路包括第八二极管90、第九二极管91、第十二极 管92、第十一二极管93、第十二二极管94、第十三二极管95和晶间管96，所述第八二极管 90、第九二极管91、第十二极管92、第十一二极管93、第十二二极管94和第十三二极管95均为功率二极管；第八二极管90与第十一二极管93串联，第九二极管91与第十二二极管 94串联，第十二极管92与第十三二极管95串联；第八二极管90的阴极、第九二极管91的 阴极和第十二极管92的阴极相互连接，且均与晶间管96的阳极连接；第十一二极管93的 阳极、第十二二极管94的阳极和第十三二极管95的阳极相互连接，且均与滤波电容97的 负极连接；晶闸管96的阴极与滤波电容97的正极连接，其门极与脉冲发生电路中的第十二 电阻84连接；所述第八二极管90的阳极与第十一二极管93的阴极之间、第九二极管91的 阳极与第十二二极管94的阴极之间、第十二极管92的阳极与第十三二极管95的阴极之间 分别通过引出引线外接到三相交流电源的三条相线99、100、101上，且第十一二极管93的 阴极、第十二二极管94的阴极、第十三二极管95的阴极分别与软启动充电电路连接。所述软启动充电电路包括第四二极管85、第六二极管86、第七二极管87、第十三 电阻88和第十四电阻89，所述第四二极管85、第六二极管86和第七二极管87均为整流二 极管；第十三电阻88与第十四电阻89串联，第十三电阻88的另一端分别与第四二极管85 的阴极、第六二极管86的阴极、第七二极管87的阴极连接，第十四电阻89的另一端分别与 电流检测切换判决电路中第六电容70的负极、滤波电容97的正极、脉冲发生电路中的第十 电阻80、第五电容81、第四电容82和第八电阻83连接；第四二极管85的阳极、第六二极管 86的阳极、第七二极管87的阳极分别与三相交流电源的三条相线99、100、101连接，且分 别与三相桥式整流串联晶闸管电路中第十一二极管93的阴极、第十二二极管94的阴极、第 十三二极管95的阴极连接。所述电流检测切换判决电路包括第五二极管69、第三二极管71、第四电阻67、第 六电容70、第九电阻72、第十一电阻73和第四三极管74，所述第六电容70为电解电容；第 五二极管69的阳极连接在软启动充电电路中的第十三电阻88与第十四电阻89之间，第 五二极管69的阴极分别与第三二极管71的阳极、第六电容70的正极连接；第三二极管71 的阳极与第六电容70的正极连接，其阴极分别与第四电阻67的一端、脉冲电源充电电路中 第二二极管66的阴极连接；第四电阻67的另一端与第六电容70的负极、脉冲电源充电电 路中的第一电容68的负极连接；所述第九电阻72的一端与第五二极管69的阴极、第三二 极管71的阳极、第六电容70的正极连接，其另一端与第十一电阻73、第四三极管74的基极 连接；第十一电阻73的一端与第四三极管74的基极连接，另一端与第六电容70的负极连 接；第四三极管74的发射极与第六电容70的负极连接，其集电极与脉冲发生电路中的单结 晶体管79的阳极连接，第六电容70的负极分别与滤波电容97的正极、软启动充电电路中 的第十四电阻89连接。所述脉冲电源充电电路包括变压器62、第一二极管63、第一三极管64、第二电阻 65、第二二极管66和第一电容68，所述第一电容68为电解电容，变压器62的初级两端分别 与三相交流电源的零线98和一条相线99连接，其次级一端与滤波电容电压检测电路中第 三三极管61的集电极连接，其次级另一端与第一二极管63的阳极连接，第一二极管63的 阴极与第一三极管64的发射极连接，第一三极管64的基极与第二二极管66的阳极连接， 第二二极管66的阴极与电流检测切换判决电路中第四电阻67的一端、第三二极管71的阴 极连接；第一三极管64的集电极与第一电容68的正极、脉冲发生电路中的第一电阻75 — 端连接；第一电容68的负极与电流检测切换判决电路中第六电容70的负极、滤波电容97 的正极连接；所述第二电阻65 —端连接在第一二极管63的阴极与第一三极管64的发射极之间，另一端连接在第一三极管64的基极与第二二极管66的阳极之间。所述脉冲发生电路包括第一电阻75、第二三极管77、单结晶体管79、第十二电阻 84、第三电阻76、第二电容78、第十电阻80、第五电容81、第四电容82和第八电阻83，第一 电阻75的一端分别与脉冲电源充电电路的第一电容68的正极连接，另一端与第二三极管 77的发射极连接；第二三极管77的集电极与单结晶体管79的门极连接，第二三极管77的 基极与单结晶体管79的阳极连接；单结晶体管79的阴极与第十二电阻84的一端连接，第 十二电阻84的另一端与三相桥式整流串联晶闸管电路中晶闸管96的门极连接；第三电阻 76的一端分别与第一电阻75、第二三极管77的发射极连接，另一端分别与第二三极管77 的基极、单结晶体管79的阳极、电流检测切换判决电路的第四三极管74集电极连接；第二 电容78的一端与单结晶体管79的阳极连接，另一端与电流检测切换判决电路中第六电容 70的负极、滤波电容97的正极连接；第十电阻80和第五电容81的一端均与单结晶体管79 的阴极连接，另一端均与电流检测切换判决电路中第六电容70的负极、滤波电容97的正极 连接；第四电容82与第八电阻83并联，且其一端均与单结晶体管79的门极、第二三极管77 的集电极连接，另一端均与电流检测切换判决电路中第六电容70的负极、滤波电容97的正 极连接；所述第十电阻80、第五电容81、第四电容82和第八电阻83均与软启动充电电路中 的第十四电阻89连接。所述第一电阻75的一端分别与脉冲电源充电电路中第一电容68的正极、第一三 极管64的集电极连接，另一端与第二三极管77的发射极连接；所述第三电阻76的一端分别与第一电阻75、第二三极管77的发射极连接，另一端 分别与第二三极管77的基极、单结晶体管79的阳极、电流检测切换判决电路中第四三极管 74的集电极连接。所述滤波电容电压检测电路包括第三三极管61、第三电容59以及依次串联的第 六电阻57、第七电阻58和第五电阻60，所述第三电容59为电解电容；第五电阻60的另一 端与滤波电容97的正极、第三电容59的正极、第三三极管61的发射极连接，第六电阻57 的另一端与滤波电容97的负极连接；第三电容59的负极连接在第七电阻58和第五电阻60 之间并与第三三极管61的基极连接；第三三极管61的基极连接在第七电阻58和第五电阻 60之间，第三三极管61的集电极与脉冲电源充电电路的变压器62的次级一端连接。软启动充电电路用于大功率开关电源上电时，对大容量滤波电容97充电；三相桥 式整流串联晶闸管电路用于大功率开关电源正常工作时，对大容量滤波电容97充电；电流 检测切换判决电路用于检测软启动充电电流，并判断是否让脉冲电源充电电路和脉冲发生 电路投入运行，脉冲电源充电电路和脉冲发生电路投入运行的条件是滤波电容97上的电 压高于设定值，且软启动充电电流要小于设定值，需要指出的是，充电电流最终反映的是整 流电路输出电压与滤波电容97两端电压的差值；滤波电容电压检测电路是对滤波电容97 两端电压进行检测，并判断是否让脉冲电源充电电路投入运行，脉冲电源充电电路投入运 行的条件是滤波电容97两端电压要大于设定值且软起动充电电流小于设定值；脉冲电源 充电电路是为脉冲发生电路提供一个较为稳定的直流压；脉冲发生电路产生频率较高的可 以让晶闸管触发的脉冲。由上述装置实现的大功率开关电源的软启动方法，包括如下步骤(1)大功率开关电源通过接入三相交流电上电；
(2)软启动充电电路对滤波电容97进行充电；(3)电流检测切换判决电路对软启动充电电路的电流进行检测，同时，滤波电容电 压检测电路对滤波电容97两端的电压进行检测，若软启动充电电路的电流和滤波电容97 两端的电压都同时满足条件，则脉冲电源充电电路工作；(4)在步骤(3)的基础上，电流检测切换判决电路对软启动充电电路的电流进行 检测，若软启动充电电路的电流小至使电流检测切换判决电路中的第四三极管74截止，则 脉冲发生电路工作；(5)脉冲发生电路产生脉冲，触发三相桥式整流串联晶闸管电路中的晶闸管，切换 为三相桥式整流串联晶闸管电路对滤波电容97进行充电，完成大功率开关电源的软启动。所述步骤(2)中软启动充电电路对滤波电容进行充电的具体步骤包括三相交 流电的三条相线上的电流分别经由软启动充电电路中的第四二极管85、第六二极管86、第 七二极管87与三相桥式整流串联晶间管电路中的第十一二极管93、第十二二极管94、第 十三二极管95构成三相全桥整流电路输出，再依次通过第十三电阻88、第十四电阻89给滤 波电容97充电；所述步骤(3)中，当软启动充电电路的电流小于设定值且滤波电容97两端的电 压大于设定值时，则脉冲电源充电电路中的第一三极管64导通，以使脉冲电源充电电路工 作；三相交流电通过其零线和相线向变压器提供电流，电流分别经第一二极管63、第一三 极管64、第二电阻65、第二二极管66和第一电容68，通过第一电容68进行储能，为脉冲发 生电路供电；所述步骤(5)中，脉冲发生电路触发三相桥式整流串联晶闸管电路中的晶闸管的 具体步骤包括电流检测切换判决电路中的第六电容70上的电压随滤波电容充电电流的 不断减小而下降至设定值时，第四三极管74由导通变为截止，脉冲发生电路经由第一电阻 75、第三电阻76及第二三极管77给第二电容78充电，同时，脉冲电源充电电路也经由第一 电阻75及第二三极管77给第四电容82充电，当第二电容78上的电压上升至接近脉冲电 源充电电路中的第一电容68上的电压时，第二三极管77截止，使得第四电容82经第八电 阻83放电，当第四电容82上的电压下降到一定值时单结晶体管79被触发，在第十电阻80 及第五电容81上形成一个脉冲电压并经第十二电阻84触发三相桥式整流串联晶间管电 路中的晶间管96 ；晶间管被触发后，由第八二极管90、第九二极管91、第十二极管92及第 十一二极管93、第十二二极管94、第十三二极管95构成的三相全桥整流电路经由晶间管给 滤波电容97充电，从而完成软启动充电电路向三相桥式整流串联晶闸管电路的切换。本发明的原理当大功率开关电源上电时，软启动充电电路对大容量滤波电容97 进行充电，此时滤波电容97两端电压较低，并没有高于设定的电压值，而且此时充电电流 较大，也没有小于设定的电流值，脉冲电源充电电路不能投入运行状态。随着滤波电容97 两端电压的不断增加，当滤波电容97的电压先高于设定的电压值，但此时软启动充电电流 (软启动充电电路的电流)仍然高于设定值，脉冲电源充电电路仍然不能投入运行状态。随 着软启动充电电流的不断减少，当充电电流低于设定值，此时脉冲电源充电电路投入运行 状态，当软启动充电电流进一步减小至第四三极管74截止的时候，脉冲发生电路也投入运 行，此时滤波电容97的充电电路由软启动充电电路切换到三相桥式整流串联晶闸管电路， 从而实现了在适当的滤波电容97电压下充电电路的切换。电流检测切换判决电路与滤波电容电压检测电路对于脉冲电源充电电路的控制是“与”逻辑，即只有两个电路达到设定的 目标时，脉冲电源充电电路才会投入运行。第五电阻60、第六电阻57和第七电阻58对滤波电容97两端电压分压，当第五电 阻60分得的电压达到第三三极管61发射结的导通电压时，脉冲电源充电电路的变压器62 的次级才能输出电流。这样我们可以通过适当选取第五电阻60、第六电阻57和第七电阻58 这三个电阻的阻值，来控制第三三极管61在滤波电容97两端电压在取适当的值时才导通， 从而保证了在干扰之下，只有滤波电容97两端电压高于某个适当的阈值时，才有可能由软 启动充电电路切换到三相桥式整流串联晶闸管电路，。第十三电阻88、第十四电阻89既充当软启动充电电路的限流电阻，同时又兼负检 测充电电流的任务。降在第十四电阻89两端的电压通过第五二极管69对第六电容70充 电，使得第六电容70两端的电压基本与第十四电阻89上的压降相等。当软启动充电电流 较大时，降在第十三电阻88、第十四电阻89上的电压较高，第六电容70上的电压也较高， 变压器62是一个降压变压器，次级电压有效值为9伏，经第一二极管63输出的峰值电压约 12伏，因此，当第六电容70上的电压高于12伏时，第二二极管66总是处于截止状态，使得 第一三极管64因基极电流为零，而处于截止状态，从而不能对第一电容68充电，从而使得 以第一电容68为电源的脉冲发生电路不能工作。在滤波电容两端电压高于设定的电压值 的情况下，当软启动充电电流小到使第六电容70上的电压低于12伏时，第二二极管66开 始导通，使得第一三极管64导通，对第一电容68进行充电。第九电阻72、第十一电阻73对 第六电容70分压，适当选择第九电阻72、第十一电阻73的阻值，使得第六电容70上的电压 大于某个适当的值时第四三极管74饱和导通，导致第二电容78不能被充电，脉冲发生电路 不工作。当第六电容70两端的电压小于某个阈值时第四三极管74截止，脉冲发生电路投 入工作。脉冲发生电路是以单结晶体管79为核心的张弛振荡电路。当第二电容78上电压 比第一电容68上电压低至超过第二三极管77的发射结导通电压时，第一电容68通过第一 电阻75、第三电阻76及第二三极管77的发射结给第二电容78充电，同时也通过第二三极 管77的集电极给第四电容82充电，选择第八电阻83的阻值足够大，从而保证第四电容82 的放电速度较充电速度慢的多，因此第四电容82上的电压能很快充到只比第二三极管77 发射极电压低一个饱和压降的程度，而只要第二三极管77是导通的，第二电容78上的电压 就比第二三极管77的发射极电压低一个发射结导通电压，可见三极管导通时，第四电容82 上的电压要高于第二电容78上的电压，单结晶体管79处于截止状态，当第二电容78上的 电压上升至第三电阻76上的压降小于第二三极管77发射结的导通电压时，第二三极管77 截止，第二电容78继续通过第三电阻76充电，而第四电容82通过第八电阻83放电，直至 第四电容82上的电压比第二电容78上的电压低到触发单结晶体管79，当单结晶体管79被 触发而导通时，第二电容78及第四电容82均通过单结晶体管79快速放电，并通过第十二 电阻84产生一脉冲电流触发晶闸管96，当单结晶体管79恢复截止状态时，第二电容78及 第四电容82上已只有很低的剩余电压，因此再次开始充电，即脉冲发生电路开始下一周期 的脉冲产生过程，第十电阻80及第五电容81起滤波作用，防止高频干扰电压误触发晶闸管 96。当大功率开关电源上电时，滤波电容97电压为零，第三三极管61不导通，此时软启动充电电流较大，第一三极管64也不导通，而第四三极管74饱和导通，因此脉冲电源充 电电路和脉冲发生电路都不工作。随着滤波电容97电压不断的增大，高于电压设定值，第 三三极管61导通。而另一方面，软启动充电电流不断的减小，小于电流设定值，即整流电路 输出电压与滤波电容97两端电压的差值到达设定值。此时，脉冲电源充电电路投入运行 状态，开始对第一电容68进行充电，等第一电容68两端的电压上升到合适的值，且软启动 充电电流进一步减小使得第六电容70上的电压降至第四三极管74截止，脉冲发生电路投 入运行，电路由软启动充电状态切换为三相桥式整流充电状态。电流检测与切换判决电路 及滤波电容电压检测电路构成电路安全的双保险，一旦其中一个电路因为各种原因不能工 作，另一个电路单独工作也能使开关电源免受很大的冲击。 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的 限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化， 均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
大功率开关电源的软启动装置，其特征在于包括软启动充电电路、三相桥式整流串联晶闸管电路、滤波电容电压检测电路、电流检测切换判决电路、脉冲电源充电电路、脉冲发生电路和滤波电容，软启动充电电路与三相桥式整流串联晶闸管电路并联连接；滤波电容电压检测电路与脉冲电源充电电路、三相桥式整流串联晶闸管电路连接；电流检测切换判决电路分别与脉冲电源充电电路、脉冲发生电路、软启动充电电路连接；所述脉冲电源充电电路与脉冲发生电路连接；脉冲发生电路分别与三相桥式整流串联晶闸管电路、软启动充电电路连接；所述软启动充电电路、三相桥式整流串联晶闸管电路、滤波电容电压检测电路、电流检测切换判决电路、脉冲电源充电电路、脉冲发生电路均与滤波电容连接；所述软启动充电电路、脉冲电源充电电路、三相桥式整流串联晶闸管电路分别外接三相交流电源。
2.根据权利要求1所述的大功率开关电源的软启动装置，其特征在于所述三相桥式 整流串联晶间管电路包括第八二极管、第九二极管、第十二极管、第十一二极管、第十二二 极管、第十三二极管和晶间管，所述第八二极管、第九二极管、第十二极管、第十二极管、第 十二二极管和第十三二极管均为功率二极管；第八二极管与第十一二极管串联，第九二极 管与第十二二极管串联，第十二极管与第十三二极管串联；第八二极管的阴极、第九二极管 的阴极和第十二极管的阴极相互连接，且均与晶闸管的阳极连接；第十一二极管的阳极、第 十二二极管的阳极和第十三二极管的阳极相互连接，且均与滤波电容的负极连接；晶闸管 的阴极与滤波电容的正极连接，其门极与脉冲发生电路连接；所述第八二极管的阳极与第 十一二极管的阴极之间、第九二极管的阳极与第十二二极管的阴极之间、第十二极管的阳 极与第十三二极管的阴极之间分别通过引出引线外接到三相交流电源的三条相线上，且第 十一二极管的阴极、第十二二极管的阴极、第十三二极管的阴极分别与软启动充电电路连 接。
3.根据权利要求2所述的大功率开关电源的软启动装置，其特征在于所述软启动充 电电路包括第四二极管、第六二极管、第七二极管、第十三电阻和第十四电阻，所述第四二 极管、第六二极管和第七二极管均为整流二极管；第十三电阻与第十四电阻串联，第十三电 阻的另一端分别与第四二极管的阴极、第六二极管的阴极、第七二极管的阴极连接，第十四 电阻的另一端分别与电流检测切换判决电路、滤波电容的正极、脉冲发生电路连接；第四二 极管的阳极、第六二极管的阳极、第七二极管的阳极分别与三相交流电源的三条相线连接， 且分别与三相桥式整流串联晶闸管电路中第十一二极管的阴极、第十二二极管的阴极、第 十三二极管的阴极连接。
4.根据权利要求3所述的大功率开关电源的软启动装置，其特征在于所述电流检测 切换判决电路包括第五二极管、第三二极管、第四电阻、第六电容、第九电阻、第十一电阻和 第四三极管，所述第六电容为电解电容；第五二极管的阳极连接在软启动充电电路中的第 十三电阻与第十四电阻之间，第五二极管的阴极分别与第三二极管的阳极、第六电容的正 极连接；第三二极管的阳极与第六电容的正极连接，其阴极分别与第四电阻的一端、脉冲电 源充电电路连接；第四电阻的另一端与第六电容的负极、脉冲电源充电电路连接；所述第 九电阻的一端与第五二极管的阴极、第三二极管的阳极、第六电容的正极连接，其另一端与 第十一电阻、第四三极管的基极连接；第十一电阻的一端与第四三极管的基极连接，另一端 与第六电容的负极连接；第四三极管的发射极与第六电容的负极连接，其集电极与脉冲发生电路连接，第六电容的负极分别与滤波电容的正极、软启动充电电路中的第十四电阻连接。
5.根据权利要求4所述的大功率开关电源的软启动装置，其特征在于所述脉冲电源 充电电路包括变压器、第一二极管、第一三极管、第二电阻、第二二极管和第一电容，所述第 一电容为电解电容，变压器的初级两端分别与三相交流电源的零线和一个相线连接，其次 级一端与滤波电容电压检测电路中第三三极管的集电极连接，其次级另一端与第一二极管 的阳极连接，第一二极管的阴极与第一三极管的发射极连接，第一三极管的基极与第二二 极管的阳极连接，第二二极管的阴极与电流检测切换判决电路连接；第一三极管的集电极 与第一电容的正极、脉冲发生电路连接；第一电容的负极与电流检测切换判决电路、滤波电 容的正极连接；所述第二电阻一端连接在第一二极管的阴极与第一三极管的发射极之间， 另一端连接在第一三极管的基极与第二二极管的阳极之间。
6.根据权利要求5所述的大功率开关电源的软启动装置，其特征在于所述脉冲发生 电路包括第一电阻、第二三极管、单结晶体管、第十二电阻、第三电阻、第二电容、第十电阻、 第五电容、第四电容和第八电阻，第一电阻的一端分别与脉冲电源充电电路连接，另一端与 第二三极管的发射极连接；第二三极管的集电极与单结晶体管的门极连接，第二三极管的 基极与单结晶体管的阳极连接；单结晶体管的阴极与第十二电阻的一端连接，第十二电阻 的另一端与三相桥式整流串联晶闸管电路中的晶闸管的门极连接；第三电阻的一端分别 与第一电阻、第二三极管的发射极连接，另一端分别与第二三极管的基极、单结晶体管的阳 极、电流检测切换判决电路连接；第二电容的一端与单结晶体管的阳极连接，另一端与电流 检测切换判决电路中第六电容的负极、滤波电容的正极连接；第十电阻和第五电容的一端 均与单结晶体管的阴极连接，另一端均与电流检测切换判决电路中第六电容的负极、滤波 电容的正极连接；第四电容与第八电阻并联，且其一端均与单结晶体管的门极、第二三极管 的集电极连接，另一端均与电流检测切换判决电路中第六电容的负极、滤波电容的正极连 接；所述第十电阻、第五电容、第四电容和第八电阻均与软启动充电电路连接。
7.根据权利要求6所述的大功率开关电源的软启动装置，其特征在于所述第一电阻 的一端分别与脉冲电源充电电路中第一电容的正极、第一三极管的集电极连接，另一端与 第二三极管的发射极连接；所述第三电阻的一端分别与第一电阻、第二三极管的发射极连 接，另一端分别与第二三极管的基极、单结晶体管的阳极、电流检测切换判决电路中第四三 极管的集电极连接。
8.根据权利要求1 7任一项所述的大功率开关电源的软启动装置，其特征在于所 述滤波电容电压检测电路包括第三三极管、第三电容以及依次串联的第六电阻、第七电阻 和第五电阻，所述第三电容为电解电容；第五电阻的另一端与滤波电容的正极、第三电容的 正极、第三三极管的发射极连接，第六电阻的另一端与滤波电容的负极、三相桥式整流串联 晶闸管电路连接；第三电容的负极连接在第七电阻和第五电阻之间并与第三三极管的基极 连接；第三三极管的基极连接在第七电阻和第五电阻之间，第三三极管的集电极与脉冲电 源充电电路中变压器次级的一端连接。
9.由权利要求1 8任一项所述装置实现的大功率开关电源的软启动方法，其特征在 于，包括如下步骤(1)大功率开关电源通过接入三相交流电上电；(2)软启动充电电路对滤波电容进行充电；(3)电流检测切换判决电路对软启动充电电路的电流进行检测，同时，滤波电容电压检 测电路对滤波电容两端的电压进行检测，若软启动充电电路的电流和滤波电容两端的电压 都同时满足条件，则脉冲电源充电电路工作；(4)在步骤(3)的基础上，电流检测切换判决电路对软启动充电电路的电流进行检测， 若软启动充电电路的电流小至使电流检测切换判决电路中的第四三极管截止，则脉冲发生 电路工作；(5)脉冲发生电路产生脉冲，触发三相桥式整流串联晶闸管电路中的晶闸管，切换为三 相桥式整流串联晶闸管电路对滤波电容进行充电，完成大功率开关电源的软启动。
10.根据权利要求9所述的大功率开关电源的软启动方法，其特征在于，所述步骤(2) 中软启动充电电路对滤波电容进行充电的具体步骤包括三相交流电的三条相线上的电流 分别经由软启动充电电路中的第四二极管、第六二极管、第七二极管与三相桥式整流串联 晶闸管电路中的第十一二极管、第十二二极管、第十三二极管构成三相全桥整流电路输出， 再依次通过第十三电阻、第十四电阻给滤波电容充电；所述步骤(3)中，当软启动充电电路的电流小于设定值且滤波电容两端的电压大于设 定值时，则脉冲电源充电电路中的第一三极管导通，以使脉冲电源充电电路工作；三相交流 电通过其零线和相线向变压器提供电流，电流分别经第一二极管、第一三极管、第二电阻、 第二二极管和第一电容，通过第一电容进行储能，为脉冲发生电路供电；所述步骤(5)中，脉冲发生电路触发三相桥式整流串联晶闸管电路中的晶闸管的具 体步骤包括电流检测切换判决电路中的第六电容上的电压随滤波电容充电电流的不断 减小而下降至设定值时，第四三极管由导通变为截止，脉冲发生电路经由第一电阻、第三电 阻及第二三极管给第二电容充电，同时，脉冲电源充电电路也经由第一电阻及第二三极管 给第四电容充电，当第二电容上的电压上升至接近脉冲电源充电电路中的第一电容上的电 压时，第二三极管截止，使得第四电容经第八电阻放电，当第四电容上的电压下降到一定值 时单结晶体管被触发，在第十电阻及第五电容上形成一个脉冲电压并经第十二电阻触发三 相桥式整流串联晶闸管电路中的晶闸管；晶闸管被触发后，由第八二极管、第九二极管、第 十二极管及第十一二极管、第十二二极管、第十三二极管构成的三相全桥整流电路经由晶 闸管给滤波电容充电，从而完成软启动充电电路向三相桥式整流串联晶闸管电路的切换。
全文摘要
本发明提供了一种大功率开关电源的软启动装置，包括软启动充电电路、三相桥式整流串联晶闸管电路、滤波电容电压检测电路、电流检测切换判决电路、脉冲电源充电电路、脉冲发生电路和滤波电容，软启动充电电路与三相桥式整流串联晶闸管电路并联连接；滤波电容电压检测电路与脉冲电源充电电路、三相桥式整流串联晶闸管电路连接；电流检测切换判决电路与脉冲电源充电电路、脉冲发生电路、软启动充电电路连接；脉冲电源充电电路与脉冲发生电路连接；脉冲发生电路与三相桥式整流串联晶闸管电路、软启动充电电路连接；滤波电容与各电路分别连接。本发明还提供了由上述装置实现的软启动方法。本发明能严格地保证在软启动过程中核心的先后顺序。
文档编号H02M1/36GK101982934SQ201010529928
公开日2011年3月2日 申请日期2010年10月29日 优先权日2010年10月29日
发明者杜汝全, 王剑, 田联房 申请人:华南理工大学