CN101055983A - 一种硬件过压脱离电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电压检测控制技术，特别涉及一种当交流电网过压时将直流电源模块从电网脱离的硬件过压脱离电路，其中包括脱离继电器和电压检测电路，所述脱离继电器串联连接在交流电网与电源模块的功率因数校正电路之间；所述电压检测电路的第一采样端在交流电网与脱离继电器之间采样交流电网电压，其输出端与所述脱离继电器的控制端相连，用于当交流电网过压时断开脱离继电器，将电源模块从交流电网脱离，当交流电网电压正常后再将脱离继电器接入。本发明硬件过压脱离电路的启动速度快于母线电压上升到极限值的速度，且当电源模块除辅助电源外都不工作的情况下继电器仍然可以动作，模块的辅助电源始终保持在工作状态。系统成本低。
Description
[技术领域]
本发明涉及电压检测控制技术，特别涉及一种当交流电网过压时将电源模块(整流模块)从电网脱离的硬件过压脱离电路。
[背景技术]
现有技术中，过压保护存在一个盲区，模块在上电瞬间，只依靠模块正常工作时的保护电路实现模块输入过压保护，往往存在保护延迟问题，这样电源模块便存在遭到损坏的隐患或是直接被损坏。另外，电源模块在脱离后，往往需要通过第二块辅助电源板来实现识别判断输入电压的功能，以便在电网电压降低后重新将电源模块接入系统，但是这样会增加系统成本，且可靠性也不高。
[发明内容]
针对现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种响应及时、可以在电源模块上电瞬间即行保护的硬件过压脱离电路，可以在电网电压上升到设定值(或电网与直流母线都达到设定值)时将电源模块脱离电网、电网电压恢复到一定值时(或电网与直流母线电压都恢复到一定值时)重新将电源模块接入电网的。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种硬件过压脱离电路，其中包括脱离继电器和电压检测电路，所述脱离继电器串联连接在交流电网与电源模块的功率因数校正电路之间；所述电压检测电路的第一采样端在交流电网与脱离继电器之间采样交流电网电压，其输出端与所述脱离继电器的控制端相连，用于当交流电网过压时断开脱离继电器，将电源模块从交流电网脱离，当交流电网电压正常后再将脱离继电器接入。
作为本发明的一个改进，所述电压检测电路还包括第二采样端，其在电源模块的直流母线上采样直流母线电压，用于当交流电网和直流母线同时过压时断开脱离继电器，将电源模块从交流电网脱离，当交流电网和直流母线电压都正常后再将脱离继电器接入电源模块。
作为本发明的一个实施方式，所述脱离继电器串联连接在交流电网与电源模块的整流滤波电路之间。
作为本发明的另一个实施方式，本发明电路中包括两个脱离继电器，分别串联连接在交流电网与所述功率因数校正电路的两路输入之间，其控制端都与所述电压检测电路的输出端相连。
具体的，所述脱离继电器的动开关与交流电网的一端相连，其常闭触点与所述整流滤波电路的一个输入端相连，其常开触点悬空，其线圈的第一端与直流电源相耦合，其线圈的第二端作为控制端与所述电压检测电路的输出端相连。
进一步的，本发明电路还包括串联连接在交流电网与脱离继电器之间的限流电阻。
当本发明电路中只采样交流电网电压时，所述电压检测电路包括串联连接的交流电压检测部分和驱动部分，所述交流电压检测部分包括串联连接的电压采样单元和峰值保持与逻辑判断单元；电压采样单元的输入端作为电压检测电路的采样端，驱动部分的输出端作为电压检测单元的输出端。
当本发明电路同时采样电网电压和直流母线电压时，所述电压检测电路包括交流电压检测部分、母线电压检测部分和驱动部分；所述交流电压检测部分包括串联连接的电压采样单元、峰值保持与逻辑判断单元；所述电压采样单元的输入端和母线电压检测部分的输入端分别作为电压检测电路的第一采样端和第二采样端；所述峰值保持与逻辑判断单元的输出端和母线电压检测部分的输出端耦合后输出控制信号到驱动部分，所述驱动部分的输出端作为电压检测电路的输出端。
进一步的，所述电压采样单元主要包括第一二极管、第二二极管、第五电阻和第六电阻；所述第一二极管的阳极与交流电网的一个输入端相连，其阴极与第二二极管的阴极相连后与第五电阻的一端相连；第二二极管的阳极与交流电网的另一个输入端相连；第五电阻的另一端与第六电阻的一端相连，同时作为电压采样单元的输出端与峰值保持与逻辑判断单元的输入端耦合；第六电阻的另一端接地。
进一步的，所述峰值保持与逻辑判断单元主要包括第一运算放大器和第一比较器；所述第一运算放大器的正向输入端与所述电压采样单元的输出端相连，其反向输入端与所述第一比较器的正向输入端相连，其输出端通过电阻和二极管组成的串联支路与所述第一比较器的正向输入端相连，用于峰值保持；所述第一比较器的反向输入端与第一基准源相耦合，其正向输入端通过电阻和二极管组成的串联支路与其输出端相连，其输出端作为峰值保持与逻辑判断单元的输出端；所述第一运算放大器和第一比较器的反向输入端都通过阻容并联支路接地。
进一步的，所述驱动部分为一开关管，其基极作为驱动部分的输入端，同时通过一电阻接地，其集电极作为驱动部分的输出端与脱离继电器的控制端相连，其发射极接地。
具体的，所述母线电压检测部分主要包括第二比较器，所述第二比较器的正向输入端作为电压检测电路的第二输入端，其通过电阻和二极管组成的串联支路与其输出端相连，其反向输入端与第二基准源相耦合，其输出端作为母线电压检测部分的输出端。
本发明硬件过压脱离电路从电源模块的交流输入端采样电压值，在电网电压上升到极限值之前就将电源模块脱离电网(一般是脱离电源模块中的整流模块)，使得保护电路的启动速度快于母线电压上升到极限值的速度，且当电源模块除辅助电源外都不工作的情况下继电器仍然可以动作。本发明电路同时还检测直流母线电压作为是否开断继电器的条件之一，避免了交流电网瞬间过压产生的误保护。同时当电源模块从电网脱离后，本发明电路继续监视电网电压(或同时监视直流母线电压)，当电网电压恢复到一定值时重新将电源模块接入电网，使得脱离继电器1工作在打嗝状态，通过母线电容的间歇充电使得模块的辅助电源始终保持在工作状态。电压检测电路2采用峰值保持电路，使得电源模块脱离交流电网后的采样依然准确。脱离继电器1串联限流电阻在减缓启动电流、限制充电电压的同时也起到了保护继电器和使继电器小型化的作用，降低了系统的成本。
[附图说明]
图1是本发明一种硬件过压脱离电路实施例一的电路结构框图。
图2是本发明中采样单元的电路结构原理图。
图3是本发明中峰值保持与逻辑判断单元23的电路结构原理图。
图4是本发明中驱动部分21的电路结构原理图。
图5是本发明实施例二的电路结构框图。
图6是本发明实施例三的电路结构框图。
图7是本发明实施例三中交流电压检测部分和母线电压检测部分24的电路结构原理图。
图8是本发明实施例四的电路结构框图。
图9是本发明实施例五中峰值保持与逻辑判断单元23的电路结构原理图。
图10是在实测中电源模块在输入过压情况下开机时母线电压波形图。
[具体实施方式]
下面根据附图和具体实施例对本发明作进一步阐述。
实施例一：
如图1所示，本发明一种硬件过压脱离电路包括脱离继电器1和电压检测电路2。电压检测电路2包括串联连接的交流电压检测部分和驱动部分21。交流电压检测部分包括串联连接的电压采样单元22和峰值保持与逻辑判断单元23。
其中，脱离继电器1串联连接在交流电网与电源模块的整流滤波电路4之间，可以串联连接在整流滤波电路4的任一输入回路上。脱离继电器1的动开关a与交流电网的一端相连，其常闭触点b与整流滤波电路4的第一输入端相连，其常开触点c悬空，其线圈的第一端通过两个并联连接的电阻与直流电源VCC1相连，其线圈的第二端作为控制端与电压检测电路2的输出端相连。还包括两个反并联二极管，连接在脱离继电器1线圈第一端与第二端之间。还包括串联连接在交流电网与脱离继电器1之间的限流电阻R，其在减缓启动电流限制充电电压的同时也起到了保护脱离继电器1和使继电器小型化的作用，此电阻选用抗功率冲击型。在实际应用中，该限流电阻可以是热敏电阻、水泥电阻或者两者串连而成。在电网电压正常的情况下，电压检测电路2并没有控制信号输入到脱离继电器1线圈的第二端，脱离继电器1线圈中无电流流过，其动开关a与常闭触点b接通电网与后续电路。
如图2所示，电压采样单元22包括第一到第六电阻(R1到R6)、第一二极管D1、第二二极管D2、滤波电容C1和第四运算放大器U4。其中，电压采样单元22分别通过第一电阻R1、第一二极管D1和第二电阻R2组成的串联支路、第三电阻R3、第二二极管D2和第四电阻R4组成的串联支路将交流电AC转换为半波，再通过第五电阻R5和第六电阻R6分压，分压后的电压经连接成电压跟随器的第四运算放大器U4输出到峰值保持与逻辑判断单元23。其中，第四运算放大器U4用于隔离前后电路，防止信号干扰。
如图3所示，峰值保持与逻辑判断单元23主要包括第一运算放大器U1和第一比较器U2。第一运算放大器U1的正向输入端与上述第四运算放大器U4的输出端相连，其反向输入端与第一比较器U2的正向输入端相连，其输出端通过第七电阻R7和第三二极管D3组成的串联支路与第一比较器U2的正向输入端相连。第一比较器U2的反向输入端通过第九电阻R9与第一基准源VREF1相连，其正向输入端通过第八电阻R8和第四二极管D4组成的串联支路与其输出端相连，其输出端作为峰值保持与逻辑判断单元23的输出端与驱动部分21的输入端相连。第一运算放大器U1和第一比较器U2的反向输入端都通过阻容并联支路接地。其中，第一运算放大器U1、第七电阻R7和第三二极管D3完成峰值保持功能，第八电阻R8和第四二极管D4用于设定第一比较器U2的回差大小，第四二极管可以反接，工作原理相同。第一基准源VREF1确定保护电压的大小。当交流电网过压时，脱离继电器1断开，电源模块与交流电网脱离，位于脱离继电器1前端的电压采样单元22只能半波导通造成电压采样单元22输出波形半波不对称。使用峰值保持的作用在于消除继电器脱离后电路半波导通造成的波形不对称引起的有效值采样误差，当峰值与有效值不对应时有效值检测方式不能倒推出模块输入端口的实际有效值。例如，当交流电网输入有效值为300V，电源模块没有脱离前有效值检测电路输出为3V，一但电源模块脱离，由于半波不对称此时有效值检测电路的输出将变为2.4V，这将造成逻辑混乱，导致电压检测电路2不准确，严重时电源模块会被损坏。使用峰值保持功能后，即使半波不对称，对于峰值保持与逻辑判断单元23来说，输入电压总有一个半波的峰值与实际有效值对应，使得驱动部分21可以准确输出控制信号到脱离继电器1。
如图4所示，驱动部分21由一个开关管Q1完成驱动功能，该开关管可以是三极管、IGBT等开关管中的一种。本实施例中采用三极管。开关管Q1的基极作为驱动部分21的输入端与上述第一比较器U2的输出端相连，其基极同时通过第十电阻R10接地，其集电极作为驱动部分21的输出端与脱离继电器1线圈的第二端相连，其发射极接地。其中，开关管Q1的基极也可以通过一个反向连接的二极管与第一比较器U2的输出端相连。
这样，从电源模块一上电开始，本发明电路即开始工作，电压采样单元22实时检测交流电网的电压，并输出到峰值保持与逻辑判断单元23中，第一比较器U2将输入其正向输入端的有效值与基准源电压进行比较，一旦发现电网电压超过预设值便输出一高电平到开关管Q1，开关管Q1导通，脱离继电器1线圈中有电流通过，脱离继电器1动开关a切换到常开触点c上，则电源模块脱离交流电网。当交流电网电压再次下降到一定值(该值和上述预设值的差值由回差决定)后，第一比较器U2翻转，输出低电平到开关管Q1的基极，开关管Q1截止，脱离继电器1线圈第二输入端相当于悬空，脱离继电器1不工作，其动开关a切换到常开触点c上，则电源模块再次接入交流电网。
在实际应用中母线电压DC极限值为450V，设定继电器的脱离点为整流后母线电压为450V时的交流电压，大约为320V左右。在实际测试中，电源模块在交流电网输入AC为415V开机(如果直接整流到母线，电压为587V左右)，当母线电压到达0.916*500＝458V时本发明脱离继电器1动作，电源模块脱离电网，母线电压开始下降，如图10所示。一般的电源模块中都设置有DSP模块，可以实现软件保护，但是DSP模块在电源模块刚刚开机时本身不能立即上电工作，而本发明可以实现开机即行保护，弥补了开机瞬间无保护的空白。
实施例二：
如图5所示，本实施例硬件过压脱离电路与实施例一的区别在于脱离继电器1串联连接在整流滤波电路4与功率因素校正电路3(PFC电路)之间，其工作原理与实施例一中相同。
实施例三：
如图6、图7所示，本发明一种硬件过压脱离电路包括脱离继电器1和电压检测电路2。电压检测电路2包括串联连接的交流电压检测部分、母线电压检测部分24和驱动部分21。其中，脱离继电器1的连接方式与实施例一中的相同。交流电压检测部分和驱动部分21的电路结构原理与实施例一种的相似：电压检测电路2与实施例一中相同，包括串联连接的电压采样单元22、峰值保持与逻辑判断单元23；驱动部分21的电路结构也与实施例一中的相同。不同的是：电压采样单元22的输入端和母线电压检测部分24的输入端分别作为电压检测电路2的第一采样端和第二采样端；峰值保持与逻辑判断单元23的输出端和母线电压检测部分24的输出端分别通过反向连接的第七二极管D7和第八二极管D8相连后，输出控制信号到驱动部分21。上述第二采样端连接到电源模块的功率因素校正电路3之后，即连接到直流母线的高电压端，用于采样直流母线电压DC。
母线电压检测部分24主要由第二比较器U3组成。第二比较器U3的正向输入端作为电压检测电路2的第二采样端与直流母线高电压端相连，同时通过第十一电阻R11和第五二极管D5组成的串联支路与其输出端相连，其反向输入端与第二基准源VREF2相耦合，其输出端作为母线电压检测部分24的输出端与第八二极管D8的阴极相连。第八二极管D8的阳极与驱动部分21的输入端相连。其中，第五二极管D5可以反向连接，也可以正向连接。
这样，只有当交流电网和直流母线电压同时过压时，脱离继电器1才脱离电网，当交流电网和直流母线电压都正常后再将脱离继电器1接入。提高了系统的抗扰性和动作准确性。
同实施例二相同的，本实施例中，脱离继电器1可以串联连接在整流滤波电路4与功率因素校正电路3之间，其工作原理与本实施例电路相同。
实施例四：
如图8所示，本实施例与实施例三相比，多了一个脱离继电器1，即：交流电网与整流滤波电路4的两路输入之间分别串联一个脱离继电器1。两个脱离继电器1的控制端都与电压检测电路2的输出端相连。每个脱离继电器1之前都串联限流电阻R。电路的工作原理与实施例三相似。
同实施例二相同的，本实施例中，脱离继电器1可以串联连接在整流滤波电路4与功率因素校正电路3之间，其工作原理与本实施例电路相同。
实施例五：
本实施例与上述实施例的区别在于峰值保持与逻辑判断电路不再使用峰值保持功能，采样选用平均值方式，如图9所示。本实施例适用于对保护精度要求不高的电源模块。
Claims (12)
1、一种硬件过压脱离电路，其中包括脱离继电器和电压检测电路，其特征在于：所述脱离继电器串联连接在交流电网与电源模块的功率因数校正电路之间；所述电压检测电路的第一采样端在交流电网与脱离继电器之间采样交流电网电压，其输出端与所述脱离继电器的控制端相连，用于当交流电网过压时断开脱离继电器，将电源模块从交流电网脱离，当交流电网电压正常后再将脱离继电器接入。
2、根据权利要求1所述的硬件过压脱离电路，其特征在于：所述电压检测电路还包括第二采样端，其在电源模块的直流母线上采样直流母线电压，用于当交流电网和直流母线同时过压时断开脱离继电器，将电源模块从交流电网脱离，当交流电网和直流母线电压都正常后再将脱离继电器接入电源模块。
3、根据权利要求1或2所述的硬件过压脱离电路，其特征在于：所述脱离继电器串联连接在交流电网与电源模块的整流滤波电路之间。
4、根据权利要求1或2所述的硬件过压脱离电路，其特征在于：包括两个脱离继电器，分别串联连接在交流电网与所述功率因数校正电路的两路输入之间，其控制端都与所述电压检测电路的输出端相连。
5、根据权利要求1或2所述的硬件过压脱离电路，其特征在于：所述脱离继电器的动开关与交流电网的一端相连，其常闭触点与所述整流滤波电路的一个输入端相连，其常开触点悬空，其线圈的第一端与直流电源相耦合，其线圈的第二端作为控制端与所述电压检测电路的输出端相连。
6、根据权利要求5所述的硬件过压脱离电路，其特征在于：还包括串联连接在交流电网与脱离继电器之间的限流电阻。
7、根据权利要求1所述的硬件过压脱离电路，其特征在于：所述电压检测电路包括串联连接的交流电压检测部分和驱动部分，所述交流电压检测部分包括串联连接的电压采样单元和峰值保持与逻辑判断单元；电压采样单元的输入端作为电压检测电路的采样端，驱动部分的输出端作为电压检测单元的输出端。
8、根据权利要求2所述的硬件过压脱离电路，其特征在于：所述电压检测电路包括交流电压检测部分、母线电压检测部分和驱动部分；所述交流电压检测部分包括串联连接的电压采样单元、峰值保持与逻辑判断单元；所述电压采样单元的输入端和母线电压检测部分的输入端分别作为电压检测电路的第一采样端和第二采样端；所述峰值保持与逻辑判断单元的输出端和母线电压检测部分的输出端耦合后输出控制信号到驱动部分，所述驱动部分的输出端作为电压检测电路的输出端。
9、根据权利要求7或8所述的硬件过压脱离电路，其特征在于：所述电压采样单元主要包括第一二极管、第二二极管、第五电阻和第六电阻；所述第一二极管的阳极与交流电网的一个输入端相连，其阴极与第二二极管的阴极相连后与第五电阻的一端相连；第二二极管的阳极与交流电网的另一个输入端相连；第五电阻的另一端与第六电阻的一端相连，同时作为电压采样单元的输出端与峰值保持与逻辑判断单元的输入端耦合；第六电阻的另一端接地。
10、根据权利要求7或8所述的硬件过压脱离电路，其特征在于：所述峰值保持与逻辑判断单元主要包括第一运算放大器和第一比较器；所述第一运算放大器的正向输入端与所述电压采样单元的输出端相连，其反向输入端与所述第一比较器的正向输入端相连，其输出端通过电阻和二极管组成的串联支路与所述第一比较器的正向输入端相连，用于峰值保持；所述第一比较器的反向输入端与第一基准源相耦合，其正向输入端通过电阻和二极管组成的串联支路与其输出端相连，其输出端作为峰值保持与逻辑判断单元的输出端；所述第一运算放大器和第一比较器的反向输入端都通过阻容并联支路接地。
11、根据权利要求7或8所述的硬件过压脱离电路，其特征在于：所述驱动部分为一开关管，其基极作为驱动部分的输入端，同时通过一电阻接地，其集电极作为驱动部分的输出端与脱离继电器的控制端相连，其发射极接地。
12、根据权利要求7或8所述的硬件过压脱离电路，其特征在于：所述母线电压检测部分主要包括第二比较器，所述第二比较器的正向输入端作为电压检测电路的第二输入端，其通过电阻和二极管组成的串联支路与其输出端相连，其反向输入端与第二基准源相耦合，其输出端作为母线电压检测部分的输出端。
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