CN100426614C

CN100426614C - 交流电源输入高压保护装置

Info

Publication number: CN100426614C
Application number: CNB2004100706730A
Authority: CN
Inventors: 郑大成; 周建平
Original assignee: ZTE Corp
Current assignee: ZTE Corp
Priority date: 2004-07-29
Filing date: 2004-07-29
Publication date: 2008-10-15
Anticipated expiration: 2024-07-29
Also published as: CN1728490A

Abstract

本发明公开了一种电源领域中的交流电源输入高压保护装置，包括高压防护主电路、主继电器控制电路、辅助继电器控制电路、交流输入电压检测电路，辅助电源供电电路。交流输入电压检测电路与主回路相连接，分别向主继电器控制电路和辅助继电器控制电路输出交流输入电压检测信号；主继电器控制电路控制高压防护主电路中主继电器的吸合或断开；辅助继电器控制电路控制高压防护主电路中辅助继电器的吸合或断开；高压防护主电路的交流输入经整流桥整流后给电解电容供电；辅助电源供电电路给辅助电源提供直流输入电源。本发明克服了现有技术存在成本过高、保护速度慢、负载电流相关及无法长期稳定工作的缺点，具有低成本、高速、可靠性高等优点。

Description

交流电源输入高压保护装置

技术领域

本发明涉及电源领域，尤其涉及交流电源输入高压保护装置。

背景技术

随着工业的高速发展，对于电力供应系统的要求也日益增高。根据各类应用的具体需要，电源通常组成各种容量的供电系统对负载进行供电，如在通讯用电源中，电源的交流输入通过交流接触器或空气开关直接与交流电网相连接，当交流电源输入产生长期高压或三相掉零线时，虽然此时电源交流输入过压保护没有功率输出，但是其输入电路仍然没有脱离电网，如果电源或负载系统不采取措施，就会损坏整流桥后面输出滤波的电解电容(通常是450V/470μF)，造成电解电容爆裂，甚至引起电源起火，造成负载系统的工作中断。

由于成本或技术的问题，大多数电源系统对输入高压没有采取任何保护措施，目前现有的一些电源保护措施主要包括以下两种：

一种是系统保护方法，当检测到交流输入电压过高或三相掉零线时，利用系统的交流接触器断开交流输入，达到保护电源的目的。这种系统级别的高压防护方法需要增加一套与电网永久连接的电源及检测电路和控制电路，不仅成本大大增加，而且也增加了系统的额外功耗。另外一种是电源自身保护方法(如图1所示)，图1中所示的R即为正温度系数热敏电阻(positive temperature coefficient thermistor)，将正温度系数热敏电阻R串入启动缓冲电路，正常工作后，正温度系数热敏电阻R被与之并联的继电器短路，在系统处于高压状态时用一个或两个继电器将主功率电路断开，将正温度系数热敏电阻R接入，利用正温度系数热敏电阻R发热时呈高阻状态的特点，来限制主功率电路的电流和压降，从而实现对主功率电路整流后滤波电容的过压保护。虽然该方法成本相对不是很高，但该方法的缺点也很明显，由于正温度系数热敏电阻R的发热至高阻状态需要较长时间，从而导致保护速度长达数秒至数十秒，在这段时间内很容易发生整流桥后面的电解电容损坏。而且该方法的保护性能同输入过压的大小和过压保护后负载电流有关，如果过压或负载电流越大，则当过压保护时流过正温度系数热敏电阻R的电流也较大，正温度系数热敏电阻R发热也较快，使得保护速度较快，反之，保护速度较慢。另外当过压保护时，主功率回路仍然接在交流电网上，继电器处于间歇式断开和吸合的工作模式，整流桥后面电解电容上电压维持在交流输入过压的峰值电压之上和电解电容过压保护电压之下，此时电解电容上的电压应力偏高，不利于长期可靠的工作。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术存在成本过高、保护速度慢、负载电流相关及无法长期稳定工作的缺点，以期提出一种低成本、高速、可靠性高的交流电源输入高压保护装置。

为实现上述目的，本发明构造了一种交流电源输入高压保护装置，包括辅助继电器控制电路、交流输入电压检测电路，其特征在于，还包括高压防护主电路、主继电器控制电路和辅助电源供电电路。

所述高压防护主电路进一步包括整流桥、电解电容、主继电器和辅助继电器；

所述交流输入电压检测电路一端与主回路的火线L、零线N线相连接，分别向所述主继电器控制电路和辅助继电器控制电路输出交流输入电压检测信号；所述主继电器控制电路根据交流输入电压检测信号来控制所述高压防护主电路中主继电器的吸合或断开；所述辅助继电器控制电路根据交流输入电压检测信号来控制所述高压防护主电路中辅助继电器的吸合或断开；所述高压防护主电路的交流输入经整流桥整流后给电解电容供电，为所述辅助电源供电电路及后面的变换提供一个直流电源；所述辅助电源供电电路给辅助电源提供直流输入电源，同时由主回路的交流输入给辅助电源供电。

本发明所述装置不用正温度系数热敏电阻，电源本身能够根据电源的交流输入电压状况来立即、完全切断主回电路，其保护响应时间为数毫秒，实现电源输入高压防护的电路，从而解决电源高压输入时的可靠性问题。采用本发明所述的装置，通过检测交流输入电压实现电源的交流输入高压防护，具有快速、简单、可靠、成本低等优点。

附图说明

图1是现有技术中利用正温度系数热敏电阻高压保护装置结构图。

图2是本发明所述交流电源输入高压保护装置结构图。

图3是本发明所述装置中高压防护主电路图。

图4是本发明所述装置中辅助继电器K2控制电路图。

图5是本发明所述装置中主继电器K1控制电路图。

图6是本发明所述装置中交流输入电压检测电路图。

图7是本发明所述装置中辅助电源供电电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步描述本发明的交流高压保护装置：

图2是本发明所述交流电源输入高压保护装置的结构框图。包括高压防护主电路、主继电器控制电路、辅助继电器控制电路、交流输入电压检测电路，辅助电源供电电路。

高压防护主电路：利用控制串入主回路中的两个继电器的断开和吸合来解决高压防护的问题。只有当交流输入电压为正常时，辅助继电器和主继电器才吸合，否则，都立即断开；第一，正常工作电压下，辅助继电器先吸合，通过固定电阻给电解电容充电，此时的充电电流限定在预定范围内，主继电器延时到当电解电容上的电压与交流输入电压峰值接近时才吸合，此时冲击电流很小；第二，正常工作时交流输入电压变为高压时，主继电器和辅助继电器都立即断开，实现对主回路的过压快速保护；第三，当交流输入为高压时再接入电源，辅助继电器和主继电器都保持断开，高压不能窜进主回路；

主继电器控制电路：根据交流输入电压检测信号来控制主继电器的吸合或断开：当交流输入电压检测信号为过压时主继电器断开，同时将延时复位；交流输入电压正常时主继电器才延时吸合，确保每当交流输入正常时，辅助继电器都先吸合，避免主继电器因先吸合时吸合电流过大而造成损坏。

辅助继电器控制电路：也是根据交流输入电压检测信号来控制辅助继电器的吸合或断开：当交流输入电压过压时，辅助继电器断开；当交流输入电压正常时，辅助继电器吸合。

辅助电源供电电路：通过整流二极管、防浪涌电阻和电容给辅助电源提供直流输入电源，同时由主回路的输出电解通过一个二极管给辅助电源供电；第一，电源启动时，由整流二极管、防浪涌电阻和电容给辅助电源提供直流输入电源；第二，当交流输入电压正常，主继电器吸合后，辅助电源由输出电解通过一个二极管供电，而整流二极管、防浪涌电阻几乎不流过电流，对于有功率因数校正(power factor correction)升压的电路，因电解电容上的电压高于交流输入电压的峰值，整流二极管反偏，因此整流二极管、防浪涌电阻不流过电流，因此，正常工作时不增加额外功耗。第三，过压保护时，输出电解上的电压下降为零，辅助电源完全经整流二极管、防浪涌电阻和电容供电。用于辅助电源供电的电容可取很小容量，只需在交流输入电压正常范围内输入最低电压时保证继电器可靠吸合即可，但因过压时电压较高，需选工作电压较高的电容。

图3～7是本发明的具体实施例，图3是本发明的高压防护主电路原理图，高压防护主电路的交流输入经整流桥整流后给电解电容供电，为后面的变换提供一个直流电源，此电解电容就是本电路所要保护的。其具体实现如下：主继电器K1的一个触点和辅助继电器K2的一个触点与输入的交流火线L相连，辅助继电器K2的另一个触点与电阻R12的一端相连，电阻R12的另一端、主继电器K1的另一个触点与整流桥VD10的1脚相连，整流桥VD10的3脚与交流零线N相连，整流桥VD10的2脚、电解电容C4的正极与电解电容上的电压信号POWER相连，整流桥VD10的4脚、电解电容C4的负极与控制地GND相连，电阻R13的一端和电阻R14的一端与电源VCC相连，电阻R13的另一端、主继电器K1线包的一端与整流器VD6的阴极相连，主继电器K1线包的另一端、整流器VD6的阳极与主继电器控制信号RELAY-K1相连，电阻R14的另一端和辅助继电器K2线包的一端与整流器VD7的阴极相连，辅助继电器K2线包的另一端、整流器VD7的阳极与辅助继电器控制信号RELAY-K2相连。

图4是本发明的辅助继电器K2控制电路原理图，辅助继电器控制电路把输入的交流输入电压检测信号AC-H处理后送出一个控制辅助继电器吸合或断开的控制信号RELAY-K2给高压防护主电路。其具体实现如下：电阻R2的一端与电源VCC相连，电阻R2的另一端、电阻R4的一端与VD3的阳极相连，VD3的阴极与交流输入电压检测信号AC-H相连，电阻R4的另一端、电阻R3的一端与三极管VT1的基极相连，电阻R3的另一端、三极管VT1的发射极与控制地GND相连，三极管VT1的集电极与辅助继电器的控制信号RELAY-K2相连，辅助继电器的控制信号RELAY-K2输出到高压防护主电路。

图5是本发明的主继电器K1控制电路原理图，主继电器控制电路把输入的交流输入电压检测信号AC-H处理后送出一个控制主继电器吸合或断开的控制信号RELAY-K1给高压防护主电路。其具体实现如下：电阻R11的一端、二极管VD4的阴极、R5的一端和运放D1A的8脚与电源VCC相连，电阻R11的另一端、二极管VD5的阳极、二极管VD4的阳极、电阻R6的一端、电容C2的一端、电阻R8的一端与运放D1A的3脚相连，二极管VD5的阴极与交流过压检测信号AC-H相连，电阻R5的另一端、电阻R9的一端与运放D1A的2脚相连，电阻R7的一端、电阻R8的另一端、电阻R9的另一端、运放D1A的4脚、三极管VT2的发射极与控制地GND相连，R6的另一端、运放D1A的1脚与R10的一端相连，R10的另一端、R7的另一端与三极管VT2的基极相连，三极管VT2的集电极与主继电器K1的控制信号RELAY-K1相连，主继电器K1的控制信号RELAY-K1输出到高压防护主电路。

图6是本发明的交流输入电压检测电路原理图，交流输入经检测电路分压后得到一个与交流输入电压线性变化的电压信号，此信号与设定的基准信号进行比较，输出一个交流输入电压检测信号AC-H到主继电器控制电路和辅助继电器控制电路。其具体实现如下：二极管VD9的阳极与交流输入的火线L相连，二极管VD8的阳极与交流零线N相连，二极管VD9的阴极、二极管VD8的阴极与电阻R15的一端相连，电阻R15的另一端、电阻R19的一端、电阻R16的一端与电容C3的一端相连，电阻R19的另一端、电容C3的另一端与控制地GND相连，电阻R16的另一端与运放D1B的6脚相连，电阻R17的一端与电压基准信号VREF相连，电阻R17的另一端、电阻R18的一端与运放D1B的5脚相连，电阻R18的另一端、放大器D1B的7脚与交流输入电压检测信号AC-H相连，交流输入电压检测信号AC-H输出到主继电器控制电路和辅助继电器控制电路。

图7是本发明的辅助电源供电电路原理图，辅助电源供电电路为辅助电源提供直流输入。其具体实现如下：电阻R1的一端与交流输入的火线L相连，电阻R1的另一端与二极管VD1的阳极相连，二极管VD2的阳极与输出电解电容C4上的电压信号POWER相连，二极管VD1的阴极、二极管VD2的阴极、电容C1的一端与辅助电源直流输入信号FVIN相连，电容C1的另一端与控制地GND相连。

此电路可在交流输入电压过高时实现对主回路的保护。启动时由二极管VD1和电阻R1及电容C1给辅助电源供电，同时进行交流输入电压检测，第一，当交流输入电压正常时，交流采样信号送给运放D1B的6脚的电平比给定的参考电压(运放D1B的5脚)低，运放D1B的输出信号AC-H为高电平，三极管VT1导通，辅助继电器K1的控制信号RELAY-K1为低电平，辅助继电器K1吸合，主功率电路经电阻R12给输出电解电容C4充电，AC-H为高电平时，电阻R11、R8开始给C2充放电，当C2上的电压上升到高于给定参考电压(运放D1A的2脚)时，运放D1A输出高电平，VT2导通，主继电器K1的控制信号RELAY-K1为低电平，主继电器K1吸合，将辅助继电器串电阻R12的支路短路，主功率回路通过主继电器K1给整流桥VD10供电，主继电器K1吸合后，辅助电源由POWER供电，二极管VD1串电阻R1的支路几乎不流过电流，电源进入正常工作状态；第二，当交流输入电压过高时，交流采样信号送给运放D1B的6脚的电平比给定的参考电压(运放D1B的5脚)高，运放D1B的输出信号AC-H为低电平，三极管VT1截止，辅助继电器K1的控制信号RELAY-K1为高电平，辅助继电器K1维持断开状态，AC-H为低电平时，C2上的电压维持低电平，运放D1A输出低电平，VT2截止，主继电器K1的控制信号RELAY-K1为高电平，主继电器K1维持断开状态，从而交流输入高压不能窜进主功率回路，辅助电源由二极管VD1串电阻R1的支路和电容C1供电；第三，当电源正常工作后交流输入再过压，交流采样信号送给运放D1B的6脚的电平比给定的参考电压(运放D1B的5脚)高，运放D1B的输出信号AC-H为低电平，三极管VT1截止，辅助继电器K1的控制信号RELAY-K1为高电平，辅助继电器K1断开，AC-H为低电平时，二极管VD5立即给C2放电，即给主继电器K1延时复位，C2上的电压低于给定参考电压(运放D1A的2脚)，运放D1A输出低电平，VT2截止，主继电器K1的控制信号RELAY-K1为高电平，主继电器K1断开，从而快速、完全切断主功率回路，实现过压保护，输出电容C4上的电压POWER将下降直零伏，辅助电源由二极管VD1串电阻R1的支路和电容C1整流滤波供电；第四，交流输入过压后再恢复正常时，重新进入第一状态。

本发明所述的装置通过检测交流输入电压状况实现电源的交流输入高压防护，可以对没有功率因数校正和有功率因数校正的电源进行保护，同时此保护装置不仅适用于电源，同时可以用在各种使用交流输入的电器产品中对主功率电路进行高压保护，另外其交流输入即可以是单相，也适用于三相交流输入，只需将原理图2-6中的火线L和零线N都改成火线即可。本发明所述的装置快速、可靠，所增加的元件为常用的阻容元件、二极管、三极管、运放和辅助继电器，数量少，成本低，正常工作时基本不增加额外功耗，大大提高了电源的可靠性。

Claims

1、一种交流电源输入高压保护装置，包括辅助继电器控制电路和交流输入电压检测电路，其特征在于，还包括高压防护主电路、主继电器控制电路和辅助电源供电电路；

所述交流输入电压检测电路一端与主回路的火线(L)、零线(N)线相连接，分别向所述主继电器控制电路和辅助继电器控制电路输出交流输入电压检测信号；所述主继电器控制电路根据交流输入电压检测信号来控制所述高压防护主电路中主继电器的吸合或断开；所述辅助继电器控制电路根据交流输入电压检测信号来控制所述高压防护主电路中辅助继电器的吸合或断开；所述高压防护主电路的交流输入经整流桥整流后给电解电容供电，为所述辅助电源供电电路及主功率电路提供一个直流电源；所述辅助电源供电电路给辅助电源提供直流输入电源，同时由主回路的交流输入给辅助电源供电。

2、根据权利要求1所述的交流电源输入高压保护装置，其特征在于，所述高压防护主电路中的辅助继电器和主继电器在交流输入电压为正常时吸合，否则都立即断开；正常工作电压下所述辅助继电器先吸合，所述主继电器延时到当电解电容上的电压与交流输入电压峰值接近时吸合。

3、根据权利要求1所述的交流电源输入高压保护装置，其特征在于，所述辅助电源供电电路进一步包括整流二极管、防浪涌电阻和电容；由所述整流二极管、防浪涌电阻和电容在电源启动时给辅助电源提供直流输入电源；当交流输入电压正常、所述主继电器吸合后，所述整流二极管、防浪涌电阻不流过电流；过压保护时，辅助电源完全经所述整流二极管、防浪涌电阻和电容供电。

4、根据权利要求1所述的交流电源输入高压保护装置，其特征在于，所述高压防护主电路包括主继电器(K1)、辅助继电器(K2)、第十二电阻(R12)、整流桥(VD10)、电解电容(C4)、第十三电阻(R13)、第十四电阻(R14)、第六二极管(VD6)和第七二极管(VD7)；

所述主继电器(K1)的一个触点和所述辅助继电器(K2)的一个触点与输入的交流火线(L)相连；所述辅助继电器(K2)的另一个触点与所述第十二电阻(R12)的一端相连；所述第十二电阻(R12)的另一端和所述主继电器(K1)的另一个触点与所述整流桥(VD10)的第一脚(1)相连；所述整流桥(VD10)的第三脚(3)与交流零线(N)相连，所述整流桥(VD10)的第二脚(2)和所述电解电容(C4)的正极与电解电容(C4)上的电压信号端(POWER)相连，所述整流桥(VD10)的第四脚(4)和所述电解电容(C4)的负极与控制地(GND)相连；所述第十三电阻(R13)的一端和所述第十四电阻(R14)的一端与电源(VCC)相连，所述第十三电阻(R13)的另一端和主继电器(K1)线包的一端与所述第六二极管(VD6)的阴极相连；所述主继电器(K1)线包的另一端和所述第六二极管(VD6)的阳极与所述主继电器(K1)的第一控制信号(RELAY-K1)端相连；所述第十四电阻(R14)的另一端和所述辅助继电器(K2)线包的一端与所述第七二极管(VD7)的阴极相连；所述辅助继电器(K2)线包的另一端和所述第七二极管(VD7)的阳极与所述辅助继电器(K2)的第二控制信号(RELAY-K2)端相连。

5、根据权利要求1所述的交流电源输入高压保护装置，其特征在于，所述辅助继电器控制电路包括第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第三二极管(VD3)和第一三极管(VT1)；

所述第二电阻(R2)的一端与电源(VCC)相连；所述第二电阻(R2)的另一端和所述第四电阻(R4)的一端与所述第三二极管(VD3)的阳极相连；所述第三二极管(VD3)的阴极与交流输入电压检测信号端(AC-H)相连；所述第四电阻(R4)的另一端和第三电阻(R3)的一端与所述第一三极管(VT1)的基极相连；所述第三电阻(R3)的另一端和所述第一三极管(VT1)的发射极与控制地(GND)相连；所述第一三极管(VT1)的集电极与所述辅助继电器(K2)的第二控制信号(RELAY-K2)端相连，所述辅助继电器(K2)的第二控制信号(RELAY-K2)输出到所述高压防护主电路。

6、根据权利要求1所述的交流电源输入高压保护装置，其特征在于，所述主继电器控制电路包括第十一电阻(R11)、第五电阻(R5)、第六电阻(R6)、第七电阻(R7)、第八电阻(R8)、第九电阻(R9)、第十电阻(R10)、第四二极管(VD4)、第五二极管(VD5)、运放(D1A)、第二电容(C2)和第二三极管(VT2)；

所述第十一电阻(R11)的一端、第四二极管(VD4)的阴极、第五电阻(R5)的一端和所述运放(D1A)的8脚与电源(VCC)相连；所述第十一电阻(R11)的另一端、第五二极管(VD5)的阳极、第四二极管(VD4)的阳极、第六电阻(R6)的一端、第二电容(C2)的一端和第八电阻(R8)的一端与所述运放(D1A)的3脚相连；所述第五二极管(VD5)的阴极与交流输入电压检测信号端(AC-H)相连；所述第五电阻(R5)的另一端和第九电阻(R9)的一端与所述运放(D1A)的2脚相连；所述第七电阻(R7)的一端、第八电阻(R8)的另一端、第九电阻(R9)的另一端、运放(D1A)的4脚和第二三极管(VT2)的发射极与控制地(GND)相连；所述第六电阻(R6)的另一端和运放(D1A)的1脚与所述第十电阻(R10)的一端相连；所述第十电阻(R10)的另一端和第七电阻(R7)的另一端与所述第二三极管(VT2)的基极相连；所述第二三极管(VT2)的集电极与所述主继电器(K1)的第一控制信号(RELAY-K1)端相连，所述主继电器(K1)的第一控制信号(RELAY-K1)输出到所述高压防护主电路。

7、根据权利要求1所述的交流电源输入高压保护装置，其特征在于，所述交流输入电压检测电路包括第八二极管(VD8)、第九二极管(VD9)、第十五电阻(R15)、第十六电阻(R16)、第十七电阻(R17)、第十八电阻(R18)、第十九电阻(R19)、第三电容(C3)和放大器(D1B)；

所述第九二极管(VD9)的阳极与交流输入的火线(L)相连；所述第八二极管(VD8)的阳极与交流零线(N)相连；所述第九二极管(VD9)的阴极和第八二极管(VD8)的阴极与所述第十五电阻(R15)的一端相连；所述第十五电阻(R15)的另一端、第十九电阻(R19)的一端和第十六电阻(R16)的一端与所述第三电容(C3)的一端相连；所述第十九电阻(R19)的另一端和第三电容(C3)的另一端与控制地(GND)相连；所述第十六电阻(R16)的另一端与所述放大器(D1B)的6脚相连；所述第十七电阻(R17)的一端与电压基准信号(VREF)相连；所述第十七电阻(R17)的另一端和第十八电阻(R18)的一端与所述放大器(D1B)的5脚相连；所述第十八电阻(R18)的另一端和放大器(D1B)的7脚与交流输入电压检测信号端(AC-H)相连，交流输入电压检测信号(AC-H)输出到所述主继电器控制电路和所述辅助继电器控制电路。

8、根据权利要求1所述的交流电源输入高压保护装置，其特征在于，所述辅助电源供电电路包括第一电阻(R1)、第一二极管(VD1)、第二二极管(VD2)和第一电容(C1)；

所述第一电阻(R1)的一端与交流输入的火线(L)相连，另一端与第一二极管(VD1)的阳极相连；所述第二二极管(VD2)的阳极与所述电解电容(C4)上的电压信号端(POWER)相连；所述第一二极管(VD 1)的阴极、第二二极管(VD2)的阴极和第一电容(C1)的一端与辅助电源直流输入信号端(FVIN)相连；所述第一电容(C1)的另一端与控制地(GND)相连。