CN100423400C - 低纹波高可靠性大容量电容稳压充电电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低纹波高可靠性大容量电容稳压充电电路，其中IGBT开关(T1)发射极和输出充电电容C2之间串联功率电阻R3，电阻R3限制起始充电电流，保护电容C2和IGBT开关(T1)，并起短路保护的作用；稳压管Z1防止IGBT开关(T1)的门极电压过高击穿；本发明充电电路电压稳定、静态功耗低，改进了常规使用开关电源设计电容充电电路时元器件多、纹波大、电磁干扰强，可靠性、安全性低的缺点。本发明充电电路适用于低速，重复频率不高电且压较高的大容量电容充电场合。

Description

低纹波高可靠性大容量电容稳压充电电路

技术领域

本发明涉及一种低纹波高可靠性大容量电容稳压充电电路，本发明稳压充电电路克服了传统使用开关电源给大电容充电时电路元器件多，纹波大，电磁干扰大，可靠性低等缺点，是一种适用于各种使用大容量电容储能充电的场合，如断路器分合闸储能电容的充电场合。

背景技术

一般电容在充放电时没有严格的充放电特性要求，但各种电池在充放电时有严格的充放电特性要求，电容具有高功率密度，非常短的充放电时间，循环寿命长，可靠性高等优点而广泛应用于很多场合。电容充电用电源不同于普通的直流电源，它工作负载范围非常宽，可能近似于短路，也可能近似于开路；由于电容充电时要求电压稳定，纹波小，并且要解决电容充电的软启动问题。而要实现以上的目的，充电电路元器件使用较多，可靠性相应将下降。

目前，断路器分合闸电容充电采用开关电源，对电网谐波污染较大，且这种场合充电频率不高，开关电源效率高的优点并没有得到充分利用。另外，开关电源产生的高频噪声会对系统产生电磁干扰。采用常规的串联型开关电源大电容充电电路或者并联型开关电源大电容充电电路实现的电容充电电路控制复杂，可靠性不高，纹波大，电磁干扰强。为了减小开关电源中开关损耗，提高充电效率，提高电磁兼容性能，把软开关技术应用于电容器充电电路中或采用恒流充电。采用恒流充电相应有工频L-C谐振恒流电源、恒流加逆变器构成的恒流源、谐振DC-DC变换器。如图2所示的常用高压电容充电用混合式谐振电路结构，该混合式谐振电路中在给电容C1充电时，其中4个开关管T11、开关管T12、开关管T13和开关管T14组成全桥变换，电容C12、电容C13、电感L和变压器TR原边电感组成混合谐振电路。这些解决方法不但要用到脉宽调制或频率调制技术，而且产生谐振涉及大量磁性元件如电感、高频变压器等的控制，所用元器件较多，电路发生故障的几率增加，系统可靠性下降。这种电路主要适用于频繁、高速的充电场合。

发明内容

为了提高低速，重复频率不高时大容量电容充电电路的可靠性，而且电路纹波小，电压稳定性高，本发明提供了一种低纹波高可靠性大容量电容稳压充电电路。本发明稳压充电电路克服了传统使用开关电源给大电容充电时电路元器件多，纹波大，电磁干扰大，可靠性低等缺点，实现电路控制的简单可靠，是一种适用于各种使用大容量电容储能充电的场合。

本发明是一种低纹波高可靠性大容量电容稳压充电电路，所述充电电路中的IGBT开关T1的集电极与发射极之间并联有二极管D2，IGBT开关T1的发射极与电容C2之间串联有电阻R3，IGBT开关T1的门极与三极管T2的集电极之间串联有电阻R2，IGBT开关T1的集电极与三极管T2的集电极之间联接有电阻R1，IGBT开关T1的门极与发射极之间联接有稳压管Z1，三极管T2的发射极与地GND之间联接有稳压管Z2，三极管T2的发射极与基极之间联接有二极管D3，三极管T2的发射极与电阻R3的与电容C2联接端之间联接有电阻R6，三极管T2的基极与电阻R3的与电容C2联接端之间联接有电阻R4，三极管T2的基极与地GND之间联接有电阻R5，电阻R3的与电容C2联接端与地GND之间联接有电阻R7，电阻R3与地GND之间联接有电容C2，输入电压和IGBT开关T1的集电极之间联接有二极管D1，整流二极管D1的阴极与地之间联接有电容C1。

所述IGBT开关T1采用电压驱动器件IGBT，电容C2上电压稳定后，IGBT开关T1和三极管T2损耗小；稳压管Z1用于限制IGBT开关T1门极的驱动电压在20V以下。

所述电阻R3用于限制启动时对电容C2的冲击电流，并对IGBT开关T1提供短路保护；所述电阻R3的消耗能量表示为 $W={\∫}_0^t\frac{U^2}{R3}\mathrm{dt},$ 式中W表示电阻R3的消耗能量，t表示电容C2充电过渡时间，U表示电容C2充电过程中电阻R3两端电压；交流220V输入，直流稳压220V输出时，通过对电阻R3消耗能量W的限定，并且由于充电时间较短，既要考虑散热又要考虑电阻热容量，在电阻容许的工作温度下，给出两倍左右的余度估算出电阻R3的功率大约为30W。

本发明稳压充电电路的优点是：(1)IGBT开关T1采用电压驱动器件IGBT，电容C2上电压稳定后，IGBT开关T1和三极管T2损耗小；(2)功率电阻R3用于限制电路工作启动时大电流对电容C2的冲击，保护IGBT开关T1，并且提供输出短路保护；(3)电容充电电压达到稳定值后，纹波小，电容C2使用寿命得到提高，本发明电容充电电路元器件相对较少，工作可靠性高，尤其适用于低速，重复频率不高的大电容充电场合；(4)本发明电容充电电路可以作为断路器永磁操动机构分合闸电容的充电电路。

附图说明

图1是本发明的低纹波高可靠性大容量电容稳压充电电路的原理图。

图2是现有技术中常规的混合谐振开关电源大电容充电电路的原理图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

请参见图1所示，本发明是低纹波高可靠性大容量电容稳压充电电路，所述充电电路中的IGBT开关T1的集电极与发射极之间并联有二极管D2，IGBT开关T1的发射极与电容C2之间串联有电阻R3，IGBT开关T1的门极与三极管T2的集电极之间串联有电阻R2，IGBT开关T1的集电极与三极管T2的集电极之间联接有电阻R1，IGBT开关T1的门极与发射极之间联接有稳压管Z1，三极管T2的发射极与地GND之间联接有稳压管Z2，三极管T2的发射极与基极之间联接有二极管D3，三极管T2的发射极与电阻R3的电容C2联接端之间联接有电阻R6，三极管T2的基极与电阻R3的电容C2联接端之间联接有电阻R4，三极管T2的基极与地GND之间联接有电阻R5，电阻R3的电容C2联接端与地GND之间联接有电阻R7，电阻R3与地之间联接有电容C2，输入电压和IGBT开关T1的集电极之间联接有二极管D1，整流二极管D1的阴极与地GND之间联接有电容C1。

本发明是一种针对低速，重复频率不高且电压较高的大容量电容充电场合，二极管D1半波整流后给电容C1充电，输入也可以为直流电压；IGBT开关T1发射极和输出电容C2之间接电阻R3，电阻R3限制起始充电电流，保护充电电容C2和IGBT开关T1；稳压管Z1用于限制IGBT开关T1的门极驱动电压，防止击穿，稳压管Z2构成反馈控制的基准电压源。三极管T2，电阻R4和电阻R5用于调节充电电压，本发明改进了常规使用开关电源设计电容充电电路时元器件多，纹波大，电磁干扰大，可靠性低的缺点。

针对低速，重复频率不高且电压较高的大电容充电场合的特点，在本发明中，提出了一种低纹波高可靠性大容量电容稳压充电电路(如图1所示)，二极管D1半波整流，稳压充电电源与交流系统共地；电容C1与其并联等效电阻的时间常数远大于电源周期，电容C1上电压纹波小；电阻R3用于限制启动时对电容C2的冲击电流，并对IGBT开关T1提供短路保护；电容C2充电时间常数在10秒以下，稳压管Z1用于限制IGBT开关T1的门极驱动电压在20V以下，防止高压击穿。

选用正温度系数的稳压管Z2(其精度高于5％)，稳压管Z2构成反馈控制的基准电压源，启动时，电容C2上的电压上升；当精密电阻R4与电阻R5分压达到稳压管Z2上的基准电压和三极管T2基极-发射极电压0.7V之和时，三极管T2进入放大区，通过负反馈，使得电容C2上的电压呈稳定状态。

反馈调节选用放大倍数高的电流驱动型双极器件三极管T2，在不使用输入升压变压器的情况下，通过调节精密电阻R4和电阻R5的值，输入220V交流时，可把充电电压稳定在310V直流电压范围；当电容C2上电压稳定后，电阻R7可把静态消耗电流限制在1mA以下；三极管T2基极-发射极电压V_be通常为负温度系数，选择正温度系数的稳压管Z2，两者互为温度补偿，选择放大倍数大的三极管T2和特性优良的稳压管Z2，可以提高稳压精度。电压稳态精度可达0.5％以上，可以满足许多场合的应用要求。

以直流输出220V电压为例，该电路启动过程为：220V交流电经过二极管D1半波整流后，经输入电容C1储能。电容C1上电压经电阻R1、电阻R2、电阻R3使稳压管Z1两端的电压稳定到10V以后，IGBT开关T1饱和导通，电容C1通过IGBT开关T1、电阻R3向电容C2快速充电，电容C2上电压低于220V之前，电阻R4、电阻R5分压电路使得电阻R5两端电压低于稳压管Z2两端电压与三极管T2基极-发射极电压0.7V之和，三极管T2截止。直到电容C2电压达到220V时，电阻R5上电压上升为10.7V，三极管T2导通，IGBT开关T1栅漏极电压降低退出饱和进入放大区，通过电阻R3的充电电流减小，维持电容C4电压稳定在220V。

设计中电容的选择：电路中Uin～对电容C1充电时间常数极小，电容C1与其并联等效电阻的时间常数远大于电源周期，电容C1起到输入滤波作用，将整流桥输出的半波信号滤波成比较平滑的直流信号，同时起到保护IGBT开关T1的作用，否则每半个周期都会在IGBT开关T1的集电极出现低电平，这样在IGBT开关T1的发射极和集电极之间出现的反向电压，很容易将IGBT开关T1击穿。这里增加二极管D2起到保护IGBT开关T1的作用。

设计中的电阻选择：分压电阻R4、电阻R5选取1‰精密电阻；而对于起到限流作用的电阻R3，电路启动时，后级电容C2两端电压为零，IGBT开关T1开始导通瞬间，220V交流电流整流后的约310V直流电压直接加在电阻R3的两端；随着电容C2两端电压上升并最后达到220V，IGBT开关T1由饱和状态进入放大状态，此时，电阻R3两端的电压从310V减到I×R3(I表示充电电压稳定后的电阻R3上的电流值)。

在本发明中，电阻R3用于限制启动时对电容C2的冲击电流，并对IGBT开关T1提供短路保护；所述电阻R3的消耗能量表示为 $W={\∫}_0^t\frac{U^2}{R3}\mathrm{dt},$ 式中W表示电阻R3的消耗能量，t表示电容C2充电过渡时间，U表示电容C2充电过程中电阻R3两端电压；交流220V输入，直流稳压220V输出时，通过对电阻R3消耗能量W的限定，并且由于充电时间较短，既要考虑散热又要考虑电阻热容量，在电阻容许的工作温度下，给出两倍左右的余度估算出电阻R3的功率大约为30W。

Claims (3)

1. 一种低纹波高可靠性大容量电容稳压充电电路，其特征在于：所述充电电路中IGBT开关(T1)的发射极与电容C2之间串联有电阻R3，IGBT开关(T1)的门极与三极管(T2)的集电极之间串联有电阻R2，IGBT开关(T1)的集电极与三极管(T2)的集电极之间联接有电阻R1，IGBT开关(T1)的门极与发射极之间联接有稳压管Z1，三极管(T2)的发射极与地(GND)之间联接有稳压管Z2，三极管(T2)的发射极与基极之间联接有二极管D3，三极管(T2)的发射极与电阻R3的与电容C2联接端之间联接有电阻R6，三极管(T2)的基极与电阻R3的与电容C2联接端之间联接有电阻R4，三极管(T2)的基极与地(GND)之间联接有电阻R5，电阻R3的与电容C2联接端与地(GND)之间联接有电阻R7，电阻R3与地(GND)之间联接有电容C2，输入电压和IGBT开关(T1)的集电极之间联接有二极管D1，二极管D1的阴极与地(GND)之间联接有电容C1。

2. 根据权利要求1所述的低纹波高可靠性大容量电容稳压充电电路，其特征在于：IGBT开关(T1)采用电压驱动器件IGBT；稳压管Z1用于限制IGBT开关(T1)门极的驱动电压在20V以下，以保护IGBT开关(T1)的门极与集电极不被击穿。

3. 根据权利要求1所述的低纹波高可靠性大容量电容稳压充电电路，其特征在于：电阻R3用于限制启动时对电容C2的冲击电流，并对IGBT开关(T1)提供短路保护；所述电阻R3的消耗能量表示为 $W={\∫}_0^t\frac{U^2}{R3}\mathrm{dt},$ 式中W表示电阻R3的消耗能量，t表示电容C2充电过渡时间，U表示电容C2充电过程中电阻R3两端电压；交流220V输入，直流稳压220V输出时，通过对电阻R3消耗能量W的限定，给出两倍余度估算出电阻R3的功率为30W。

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