一种宽输入范围的交直流大功率开关量通用电路的制作方法

1.本发明属于继电保护技术领域，具体涉及一种宽输入范围的交直流大功率开关量通用电路。


背景技术：

2.随着电网的发展，电网对供电可靠性要求越来越高，为了防止变电站中直流接地或小干扰造成设备开关量误异常变位，导致保护装置的误动作，电力行业标准要求应用于直接跳闸回路的开关量启动功率应大于5w。
3.现有设计普遍做法是并联开关量回路和大功率电阻回路，开关量回路中串联了带常闭接点的继电器，大功率回路包含继电器的常闭接点和大功率电阻。当开关量功率大于设计的启动功率时，继电器动作，常闭继电器打开，切断并联的大功率电阻回路，避免大功率电阻长时间发热，影响装置整体温度和性能，甚至导致大功率电阻等元器件烧毁。该方案只适用于固定额定电压的直流开关量，开关量电压不能反接，额定电压改变时，需更换板卡，现场使用不够灵活，且pcb面积相同情况下，板卡上可设计的开关量回路数量少。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于设计一种宽输入范围的交直流大功率开关量通用电路。本发明采用以下技术方案。
5.本发明提供了一种宽输入范围的交直流大功率开关量通用电路，包括：电压整流桥电路1、功率控制电路2、开关量电压采样电路3、电源及信号隔离电路4和智能处理器电路5；所述功率控制电路2包括串联的电流可控恒流源6和大功率nmos电路7；所述电压整流桥电路1的输出电压正端分别与功率控制电路2、开关量电压采样电路3的正端输入端连接，输出电压负端为开关量电路的参考地；所述开关量电压采样电路3通过电源及信号隔离电路4连接所述智能处理器电路5，所述电流可控恒流源6与所述大功率nmos电路7连接用于抽取开关量回路电流；所述智能处理器电路5用于根据采样到的开关量转换后的电压和开关量的回路电流输出功率控制信号经由所述电源及信号隔离电路4传输至所述大功率nmos电路7实现控制nmos器件通断；进一步地所述电流可控恒流源6包括抽电流的恒流源和与其连接的智能控制接口，所述智能控制接口包含通用通信接口，所述智能控制接口通过通用通信接口经由电源及信号隔离电路4与所述智能处理器电路5双向通信，所述智能控制接口接收到所述智能处理器电路5传送来的指令后，根据指令控制所述恒流源抽取电流的大小和抽取电流的时间长短。
6.进一步地，所述开关量电压采样电路4包括相互连接的开关量电压分压电路8和高精度模数转换adc电路9。
7.进一步地，所述电源及信号隔离电路4包括隔离电源和控制信号隔离电路。
8.进一步地，所述智能处理器电路5采用微处理器mcu、现场可编程们阵列fpga、数字
信号处理器dsp或risc处理器arm的任意一种。
9.本发明所取得的有益技术效果：一、交流和直流开关量通用，使用灵活；二、额定电压等级从10v~300v通用，额定输入电压范围宽。
10.三、单位pcb面积，可以放置的大功率开关量路数多，集成度更高。
附图说明
11.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1为本发明具体实施例提供的宽输入范围的交直流大功率开关量通用电路结构原理图。
具体实施方式
12.下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
13.实施例一、一种宽输入范围的交直流大功率开关量通用电路，如图所示，包括：电压整流桥电路1、功率控制电路2、开关量电压采样电路3、电源及信号隔离电路4和智能处理器电路5；所述功率控制电路2包括串联的电流可控恒流源6和大功率nmos电路7；所述电压整流桥电路1的输出电压正端分别与功率控制电路2、开关量电压采样电路3的正端输入端连接，输出电压负端为开关量电路的参考地；所述开关量电压采样电路3通过电源及信号隔离电路4连接所述智能处理器电路5，所述电流可控恒流源6与所述大功率nmos电路7连接用于抽取开关量回路电流；所述智能处理器电路5用于根据采样到的开关量转换后的电压和开关量的回路电流输出功率控制信号经由所述电源及信号隔离电路4传输至所述大功率nmos电路7实现控制nmos器件通断。
14.下面对本实施例详细说明。
15.所述的电压整流桥电路1由高压二极管组成，建议直接使用集成二极管的高压整流桥。所述的电压整流桥电路1，功能在于输入端直流开关量电压可以反接，也支持交流电压输入，输出端电压极性固定，可防止功率控制电路2和开关量电压采样电路3输入反接，避免后级电路功能失效。
16.所述的大功率nmos电路7包含大功率nmos器件也就是nmos半导体功率管。所述的大功率nmos电路7中nmos的导通时间最大导通时间短，时间设置。nmos半导体功率管的栅极g和源极s经信号隔离后，与智能处理器电路5对应控制功能管脚相连。控制nmos的门极可以开通和关断大功率nmos器件，配合电流可控恒流源6实现大功率开关量功能。
17.所述的功率控制电路2和开关量电压采样电路3是电路并联关系，输入正端均与电压整流桥电路的输出正端相连。输入电压为u。
18.所述的大功率nmos电路7即功率回路，开关量启动功率p约等于输入电压u乘以电流可控恒流源6抽取开关量回路电流i。开关量回路电流i可以根据需求调节。
19.在具体实施例中，所述的开关量电压分压电路8由多个电阻串联分压组成，将开关量电压分压到高精度模数转换adc电路9中adc芯片模拟量输入管脚推荐电压范围以内。开
关量电压采样电路将强电压分压成弱电压，高精度adc芯片将弱电压转换成数字量，量化处理。输入源为整流桥电路输出电压。所述的开关量电压分压电路8可以把宽输入电压分压到模数转换adc芯片的输入范围内。所述的宽输入电压是指10v~300v左右的开关量电压。
20.可选地，高精度模数转换adc电路9包含高精度adc芯片，内部集成增益放大器，可以将开关量模拟电压转换成数字量，实现开关量电压的量化处理。
21.所述的高精度模数转换adc电路9包含高精度adc芯片及其外围电路。adc芯片的通信接口，经信号隔离后，也与智能处理器电路5相连。智能处理器电路5中的智能处理器能实时读取adc芯片的采样码值，联动控制大功率nmos电路7和电流可控恒流源6，实现开关量大功率开入功能。
22.所述的智能处理器电路5包含可编程的逻辑处理器，是整个系统的中枢，实现开关量电压的检测和功率控制。所述的可编程逻辑处理器不限于微处理器mcu、可编程逻辑器件fpga、数字信号处理器dsp、risc处理器arm中的任意一种。优选微处理器mcu，成本低，性价比高，使用灵活。所述的智能处理器电路5按指定逻辑编程，实现本发明专利要求的大功率开关量功能，和宽范围的开关量电压采样。需要说明的是，本领域的技术人员基于本发明所提供的一种宽输入范围的交直流大功率开关量通用电路，采用现有技术能够实现按照指定逻辑编程，因此逻辑编辑编程部分是本领域的惯用技术手段，不需要过多说明。
23.本发明专利使用分离器件，发挥智能处理器的长处，简化了大功率开关量电路设计，结构简单，稳定可靠，输入电压范围更宽，开关量启动功率灵活可设置，集成度更高，单位pcb面积可放置开关量路数更多，减少板卡数量，适用于工业对开关量可靠性要求较高的场合，具有良好的应用前景。
24.在以上实施例的基础上，可选地，所述的电流可控恒流源6包含可控恒流源及其智能控制接口，智能控制接口包含一种通用通信接口，所述智能控制接口通过通用通信接口经由电源及信号隔离电路4与所述智能处理器电路5双向通信，智能处理器通过该接口给可控恒流源发送控制指令，电流可控恒流源6按照控制指令工作。恒流源的特性是抽取电流，抽取电流i的大小可调节，与常规输出固定电流的恒流源特性不同。所述的抽电流的恒流源是一种吸收电流的电流恒流源，抽取电流的大小可调节，抽取电流的时间可设定。考虑到功率控制电路2回路为低阻抗回路，功率越大，电子元器件发热越严重。一般抽取电流控制在两百毫安以内，导通时间控制在一百毫秒以内。功率回路导通时间短，可有效避免功率nmos电路持续发热问题。
25.本实施例提供的宽输入范围的交直流大功率开关量通用电路的工作原理为：外部交流开关量或直流开关量经过整流桥转换后，都转换成正极性电压。正极性电压经开关量电压分压电路8后，转换成小信号电压，高精度模数转换adc电路9采集小信号电压，转换成对应的数字量。智能处理器电路5检测到开关量电压达到设定的门槛，触发大功率nmos电路7导通，同时电流可控恒流源6抽取回路电流。如果外部开关量回路功率大于设定功率，电流可控恒流源6抽取电流后，开关量入口电压不会下降，开关量上升到动作门槛后，开关量变位有效。如果外部开关量回路功率小于设定功率，电流可控恒流源6抽取电流后，因功率不足，开关量入口电压会下降，不满足开关量电压有效变位条件，增强了抗干扰能力。所述的开关量电压回路功率即为开关量入口电压乘以开关量回路电流。
26.电压整流桥电路1、功率控制电路2、开关量电压采样电路3这三个回路属于强电回
路，智能处理器电路5属于弱电回路，强电和弱电回路需要经电源及信号隔离电路4隔离，智能处理器电路5信号经电源及信号隔离电路4隔离后，与强电回路之间进行数据交互，相辅相成，实现宽输入范围的交直流大功率开关量电路功能。电源及信号隔离电路4隔离模块的隔离电压要求足够大，需满足规范要求。
27.本发明提供的一种宽输入范围的交直流大功率开关量通用电路，用于继电保护的应用场合，采用了一种全新的集成电路设计方案，解决现有设计方案输入电压类型单一，额定输入电压不可调、现场使用不灵活的问题。
28.需要说明的是，本发明提供的宽输入范围的交直流大功率开关量通用电路中包括的电压整流桥电路1、功率控制电路2、开关量电压采样电路3、电源及信号隔离电路4和智能处理器电路5、电流可控恒流源6和大功率nmos电路7、开关量电压分压电路8和高精度模数转换adc电路9，具体的电路结构都采用现有技术实现，这些不是本发明的发明点，在此不再赘述。
29.显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
30.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。