一种浪涌电流抑制电路的制作方法

文档序号:25990315发布日期:2021-07-23 21:01阅读:124来源:国知局
一种浪涌电流抑制电路的制作方法

本发明涉及开关电源技术领域,特别涉及一种开关电源的浪涌电流抑制电路。



背景技术:

开关电源设备在接入交流电网的瞬间呈现短路的状态,从交流电网吸取巨大的脉冲电流,该脉冲电流称之为浪涌电流。该电流值远远大于正常的工作电流,对交流电网造成很大的冲击,容易触发交流电网保护开关误动作,影响交流电网正常的供电。同时,巨大的瞬态浪涌电流也对开关电源内部的整流桥、电解电容、功率半导体等器件的可靠性、使用寿命造成负面的影响。

目前在小功率应用场合,受制于成本、体积,通常会使用热敏电阻(ntc)串入电路,利用热敏电阻的负温度特性抑制开机瞬间浪涌电流,原理框图见图1。在中大功率应用场合因输入电流相对较大,为降低抑制的器件的损耗,往往会使用继电器与电阻并联或半导体开关管与电阻并联的方案,其原理框图见图2和图3。

热敏电阻方案存在以下的缺点:热敏电阻串接在电路中,电路正常工作后,尽管阻值会大幅度下降,但热损耗依然存在,影响电源的效率。同时,热敏电阻在低温环境中,其阻值会大幅度增加,不利于在低压低温条件下启动,而在高温的环境,其阻值又会变小,对浪涌电流抑制的能力又会大幅度下降。

继电器与电阻并联方案的缺点:众所周知继电器是一种机械装置,其内部的触点随着动作次数增加,接触点的氧化导致阻抗增加,机械继电器体积、使用寿命表现均不优并在工作过程中伴随产生机械噪音。其次,继电器控制逻辑相对复杂,往往需要额外使用定时器、电压比较器等电路配合使用。

半导体开关管与电阻并联的方案,用功率半导体开关器件取代机械继电器,解决继电器机械寿命与触点氧化缺陷问题。但也同样存在以下的缺点:上电时,仅依靠并联支路电阻抑制浪涌电流。因并联支路电阻值是一个恒定值,故整电路的充电时序遵循rc充放电方程等式:由等式可知,指数值只可能无限接近于0,但永远不会等于0,所以电容电量要完全充满,就需要无穷大的时间值。

当t=rc时,ut=0.63vu;

当t=2rc时,ut=0.86vu;

当t=3rc时,ut=0.95vu;

当t=4rc时,ut=0.98vu;

当t=5rc时,ut=0.99vu。

由以上等式推导可知,需经过3~5个rc后,充电过程才算基本结束。当电容两端的电压达到ut=0.63vu后,后段的时序,充电的时间会以指数的形式递增,但电容两端的电压却上升缓慢,如图4所示。通过上述的分析,可知该方案的最大缺点是在于电容的充电时间过长,造成后级电路启动缓慢。在很多的应用场合为满足启动时间的技术指标要求,就需要减少并联支路的电阻值,而这样却反过来削弱对浪涌电流的抑制能力,无法实现两者兼优。



技术实现要素:

针对上述现有技术存在的问题点,本发明提出一种浪涌电流抑制电路,采用恒流电路为电容充电,使电容两端的电压与充电时间遵循方程等式:ut=t*i/c,即电容两端的电压与充电时间成线性比例增长,从而实现对输入浪涌电流的抑制与电路迅速启动。

本发明提供的技术方案如下:

一种浪涌电流抑制电路,其特征在于:包括恒流电路、检测电路和开关电路,恒流电路串联在电容的正极或串联在电容的负极,检测电路的输入端与恒流电路的输出端连接,检测电路的输出端与开关电路的输入端连接,开关电路的输出端与恒流电路的输入端连接,所述恒流电路用于检测并调节电容的充电电流,所述检测电路用于检测电容对参考地的电位差,当该两端的电位差小于设定值时,控制开关电路的开关管闭合导通,完成启动时序。

作为上述恒流电路的一种具体实施方式,其特征在于:所述恒流电路包括开关管q1、开关管q2、电阻r1和电阻r2,开关管q1的漏极为恒流电路的输出端,开关管q1的源极与开关管q2的基极、电阻r2的一端连接,开关管q1的栅极与开关管q2的集电极、电阻r1的一端连接,电阻r1的另一端为恒流电路的输入端,电阻r2的另一端、开关管q2的发射极与参考地gnd连接。

作为上述检测电路的一种具体实施方式,其特征在于:所述检测电路包括开关管q4、电阻r4和二极管d1,开关管q4的集电极为检测电路的输出端,开关管q4的发射极与参考地gnd连接,开关管q4的基极与二极管d1的阳极连接,二极管d1的阴极与电阻r4的一端连接,电阻r4的另一端为检测电路的输入端。

作为上述开关电路的一种具体实施方式,其特征在于:所述开关电路包括电阻r3、二极管d2和开关管q3,开关管q3的栅极与二极管d2的阴极、电阻r3的一端连接,电阻r3的另一端为开关电路的输出端,开关管q3源极、二极管d2的阳极与参考地gnd连接,开关管q3的漏极为开关电路的输入端。

优选的,所述开关管q1和开关管q3的栅极驱动电压由直流电压输入端hvdc提供。

优选的,所述开关管q1和开关管q3的栅极驱动电压由外置栅极驱动电压输入端gs-1提供。

优选的,所述开关管q1的栅极驱动电压由直流电压输入端hvdc提供,开关管q3的栅极驱动电压由外置栅极驱动电压输入端gs-2提供。

作为一种浪涌电流抑制电路的第一种具体实施方式,其特征在于:包括恒流电路、检测电路和开关电路,恒流电路包括开关管q1、开关管q2、电阻r1和电阻r2,检测电路包括开关管q4、电阻r4和二极管d1,开关电路包括电阻r3、二极管d2和开关管q3;

开关管q1的漏极与电容c1的负极连接,开关管q1的源极与开关管q2的基极、电阻r2的一端连接,开关管q1的栅极与开关管q2的集电极、电阻r1的一端连接,电阻r1的另一端与直流电压输入端hvdc连接,电阻r2的另一端、开关管q2的发射极与参考地gnd连接,开关管q3的栅极与二极管d2的阴极、电阻r3的一端连接,电阻r3的另一端与直流电压输入端hvdc连接,开关管q3源极、二极管d2的阳极与参考地gnd连接,开关管q3的漏极与电容c1的负极连接,开关管q4的集电极与二极管d2的阴极连接,开关管q4的发射极与参考地gnd连接,开关管q4的基极与二极管d1的阳极连接,二极管d1的阴极与电阻r4的一端连接,电阻r4的另一端与电容c1的负极连接。

作为一种浪涌电流抑制电路的第二种具体实施方式,其特征在于:包括恒流电路、检测电路和开关电路,恒流电路包括开关管q1、开关管q2、电阻r1和电阻r2,检测电路包括开关管q4、电阻r4和二极管d1,开关电路包括电阻r3、二极管d2和开关管q3;

开关管q1的漏极与电容c1的负极连接,开关管q1的源极与开关管q2的基极、电阻r2的一端连接,开关管q1的栅极与开关管q2的集电极、电阻r1的一端连接,电阻r1的另一端与外置栅极驱动电压输入端gs-1连接,电阻r2的另一端、开关管q2的发射极与参考地gnd连接,开关管q3的栅极与二极管d2的阴极、电阻r3的一端连接,电阻r3的另一端与外置栅极驱动电压输入端gs-1连接,开关管q3源极、二极管d2的阳极与参考地gnd连接,开关管q3的漏极与电容c1的负极连接,开关管q4的集电极与二极管d2的阴极连接,开关管q4的发射极与参考地gnd连接,开关管q4的基极与二极管d1的阳极连接,二极管d1的阴极与电阻r4的一端连接,电阻r4的另一端与电容c1的负极连接。

作为一种浪涌电流抑制电路的第三种具体实施方式,其特征在于:包括恒流电路、检测电路和开关电路,恒流电路包括开关管q1、开关管q2、电阻r1和电阻r2,检测电路包括开关管q4、电阻r4和二极管d1,开关电路包括电阻r3、二极管d2和开关管q3;

开关管q1的漏极与直流电压输入端hvdc连接,开关管q1的源极与电阻r2的一端连接,电阻r2的另一端、开关管q2的基极、开关管q2的发射极与电容c1的正极连接,开关管q2的集电极与开关管q1的栅极、电阻r1的一端连接,电阻r1的另一端与直流电压输入端hvdc连接,开关管q3的漏极与直流电压输入端hvdc连接,开关管q3的栅极与二极管d2的阴极、电阻r3的一端连接,电阻r3的另一端与外置栅极驱动电压输入端gs-2连接,开关管q3源极、二极管d2的阳极与参考地gnd-1连接,开关管q4的集电极与二极管d2的阴极连接,开关管q4的发射极与参考地gnd-1连接,开关管q4的基极与电阻r4的一端连接,电阻r4的一端与二极管d1的阳极连接,二极管d1的阴极与直流电压输入端hvdc连接。

本发明的核心构思是采用恒流电路替换常规的rc电路为电容充电,并辅以检测电路、开关电路。上电时,恒流电路输出恒定的电流为电容充电,使电容两端的电压与充电时间成线性比例增长;当检测电路检测到电容对参考地的电压差小于设定值,则自动闭合开关电路内部的开关管以减少电路的损耗。

本发明的工作原理将结合具体实施例进行分析,在此不赘述。本发明的有益效果如下:

(1)工作寿命长、功耗低、无机械噪声

使用开关管代替机械继电器,无机械开关动作次数寿命限制也无触点氧化、机械噪音问题,同时开关器件的驱动功耗更低,驱动电流仅为μa级别,远远低于机械继电器ma级别。

(2)充电电流灵活设置

可根据不同启动时间需求、电容容值灵活设置恒流电路的输出电流,通过改变电阻r2的值,即可改变恒流电路输出的电流值。

(3)电路启动迅速

对电路电容使用恒流充电方式,开关管q1在在后级电路完成启动前均工作在放大区,能根据输电容c1负极与参考地端gnd电压差,自动调节场效应管内部的阻抗,使输出的电流维持恒定,实现电容电压与充电时间成线性比例增长。

(4)电路结构简洁

电路仅由3个简洁的单元电路构成完整的闭环控制系统,无需使用复杂定时器、电流放大器、电压比较器电路即可实现充电电流恒定控制、开关电路自动开启关闭控制逻辑时序。

附图说明

图1为ntc方案原理框图;

图2为继电器电阻并联方案原理框图;

图3为半导体开关管电阻并联方案原理框图;

图4为半导体开关管电阻并联方案的rc充电时序图;

图5为本发明浪涌电流抑制电路第一实施例的电路原理图;

图6为本发明浪涌电流抑制电路第一实施例电容恒流充电的时序图;

图7为本发明浪涌电流抑制电路第二实施例的电路原理图;

图8为本发明浪涌电流抑制电路第三实施例的电路原理图;

附图标记说明

vbe三极管极基、集电极开启电压(约0.6-0.7v);

hvdc直流电压输入端;

gnd参考地;

ut电容两端任意时刻的电压值;

i恒流电路的工作电流;

t恒流电路的充电时间;

gs-1第二实施例外置栅极驱动电压输入端;

gs-2第三实施例外置栅极驱动电压输入端;

gnd-1参考地;

vz齐纳二极管的稳压值。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰明白,以下结合附图及实施例,对本发明进一步详细说明。

第一实施例

如图5所示,一种浪涌电流抑制电路,实现对输入浪涌电流的抑制与电路迅速启动,包括:恒流电路101、检测电路102和开关电路103,恒流电路101串联在直流电压输入端hvdc与电容c1负极之间,检测电路102的输入端与恒流电路101的输出端连接,检测电路102的输出端与开关电路103的输入端连接,开关电路103的输出端与恒流电路101的输入端连接,恒流电路101用于检测并调节电容c1的充电电流,检测电路102用于检测电容c1负极对参考地的电位差,当该两端的电位差小于设定值时,控制开关电路的开关管闭合导通以完成启动时序。

恒流电路101包括开关管q1、开关管q2、电阻r1和电阻r2,开关管q1的漏极为恒流电路101的输出端,开关管q1的源极与开关管q2的基极、电阻r2的一端连接,开关管q1的栅极与开关管q2的集电极、电阻r1的一端连接,电阻r1的另一端为恒流电路101的输入端,电阻r2的另一端、开关管q2的发射极与参考地gnd连接。

其中,开关管q1为场效应管,采用共源极接法,相应地可采用igbt、三极管功率器件作等效替代;开关管q2为npn三极管,采用共射极接法;在启动时,开关管q1和开关管q2均工作在放大区。

检测电路102包括开关管q4、电阻r4和二极管d1,开关管q4的集电极为检测电路102的输出端,开关管q4的发射极与参考地gnd连接,开关管q4的基极与二极管d1的阳极连接,二极管d1的阴极与电阻r4的一端连接,电阻r4的另一端为检测电路102的输入端。

其中,开关管q4为npn三极管,采用共射极接法,相应地根据开关电源产品需求可采用场效应管作等效替代。

开关电路103包括电阻r3、二极管d2和开关管q3,开关管q3的栅极与二极管d2的阴极、电阻r3的一端连接,电阻r3的另一端为开关电路103的输出端,开关管q3源极、二极管d2的阳极与参考地gnd连接,开关管q3的漏极为开关电路103的输入端。

其中,开关管q3为场效应管,采用共源极接法,相应地可采用igbt、三极管功率器件作等效替代;恒流电路完成充电时序前,开关管q3工作在截止区;当恒流电路完成充电时序后,开关管q3工作在饱和区。

本发明的工作原理如下:

电路通电后,直流电压输入端hvdc为恒流电路101中的开关管q1提供栅极偏置电压,当开关管q1栅极电压完成建立,达到开关管q1所需的开启电压阈值时,恒流电路101开始工作,输出恒定的电流经电阻r1、电阻r2至参考地gnd形成闭合回路,同时开关管q2的基极和集电极检测电阻r2两端电位差,当电阻r2两端电位差超过开关管q2的vbe阈值时,开关管q2开始进入放大区,电路跟随检测电流值的大小,调节开关管q1的栅极驱动电压,使开关管q1工作在放大区,自动调节内部阻抗,从而维持电路的电流恒定输出。

恒流电路输出的电流值遵循以下等式:i=vbe/r1,修改电阻r2的参数,即可设置恒流电路的输出电流。

同时地,直流电压输入端hvdc经恒流电路、电阻r3为开关电路103中的开关管q3提供栅极偏置电压,上电初,电容c1的负极与参考地cnd的电位差大于二极管d1的临界击穿电压,二极管d1处于导通的状态,开关管q4工作在饱和区域,开关管q3的栅极电压被置低电平,处于截止的状态。

随着充电时间的增加,当电容c1的负极与参考地gnd的电位差小于设定的值,即小于二极管d1的临界击穿电压时,二极管d1截止,开关管q4截止。开关管q3的栅极恢复为高电平,开关管q3工作在饱和区域,浪涌抑制电路完成开启时序。

二极管d1为齐纳二极管,选取不同齐纳二极管d1的稳压参数值vz,即可设定开关电路断开、闭合的阈值。

本发明通过对电路电容c1使用恒流充电方式,使开关管q1在后级电路完成启动前均工作在放大区,并能根据电容c1负极与参考地gnd的电压差,自动调节场效应管内部的阻抗,使输出的电流维持恒定,使电容c1两端的电压与充电时间遵循方程等式:ut=t*i/c,从而实现电容电压与充电时间成线性比例增长,充电的时序图如图6所示。

第二实施例

如图7所示为本实施例浪涌电流抑制电路的电路原理图,恒流电路101、检测电路102和开关电路103,恒流电路101串联在直流电压输入端hvdc与电容c1负极之间,检测电路102的输入端与恒流电路101的输出端连接,检测电路102的输出端与开关电路103的输入端连接,开关电路103的输出端与恒流电路101的输入端连接。

本实施例与第一实施例的区别为,恒流电路101的开关管q1和开关电路的开关管q3的栅极驱动电压由外置栅极驱动电压输入端gs-1提供。本实施例的工作原理与第一实施例类似,此处不再赘述。

第三实施例

如图8所示为本实施例浪涌电流抑制电路的电路原理图,恒流电路101、检测电路102和开关电路103,恒流电路101串联在直流电压输入端hvdc与电容c1正极之间,检测电路102的输入端与恒流电路101的输出端连接,检测电路102的输出端与开关电路103的输入端连接,开关电路103的输出端与恒流电路101的输入端连接。

本实施例与第一实施例的区别为,恒流电路101串联在直流电压输入端hvdc与电容c1正极之间,并加入一组隔离栅极驱动的电压gs-2、gnd-1,恒流电路101中的开关管q1的栅极驱动电压由直流电压输入端hvdc提供,开关电路103中的开关管q3的栅极驱动电压由外置栅极驱动电压输入端gs-2提供,其中gnd-1与gnd是两个不同的参考地。

恒流电路101用于检测并调节电容c1的充电电流,检测电路102用于检测电容c1正极对参考地cnd的电位差,当该两端的电位差小于设定值时,控制开关电路的开关管闭合导通,完成启动时序。其余工作原理与细节在本发明第一实施例中已有详细阐明,此处不再赘述。

以上实施案例只是本发明的优选实施方式,应当指出的是,上述优选实施方式不应视为对本发明的限制。另外,在不脱离本发明的精神和范围内,还可以做出若干改进和润饰,这是通过现有公知技术显而易见得到的,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围,这里不再用实施例赘述。

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