CN102624210A - 软启动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电力电子变换技术领域的软启动电路，包括：整流器、阻抗变换电路与控制器，其中：所述整流器包括：整流桥与输入滤波电容，其中整流桥的输入端分别于单相交流电源的火线与中线相连，输入滤波电容跨接与整流桥的输入端，整流桥的输出直流正极与阻抗变换电路的输入端正极相连构成整流器的正极输出端子，整流桥的输出直流负极与阻抗变换电路输入端负极相连，构成整流器的负极输出端子。本发明具有结构简单、附加成本低、启动电流可调、实现容易等优点，且开关管具有共地、共源的优势，解决了开关管驱动电源的问题。

Description

软启动电路

技术领域

本发明涉及的是一种电力电子变换器技术领域的电路，具体是一种软启动电路。

背景技术

电力电子变换装置可以用于开关电源、大功率电源等应用领域，其可靠运行在实际应用中非常重要，其中启动过程对于装置的安全运行与可靠性有很大影响。传统的启动方式，输入电源通过电感直接给输出电容充电，充电回路电阻很小，冲击电流较大，这会引起不良的状况：网侧冲击电流过大，造成电网谐波电流污染；大冲击电流要求较高的输出电容耐压值，对其安全运行造成威胁等。考虑到冲击电流的危害，需要采用限制启动冲击电流的方案。

目前，常用的上电限流措施多采用在启动阶段增加限流电阻、提高回路阻抗的方法。具体包括两种方式：(1)直流侧或交流火线上串联限流电阻，在上电时限流，但在上电结束后时利用继电器自动切除；(2)串联PTC热敏电阻，利用其正温度特性，在上电时限流，但在上电结束后利用继电器自动切除；(3)串联NTC热敏电阻，利用其负温度特性，在上电时限流，但在上电结束后时保留。前两种方法的问题是：在电阻切除时带来了二次电流冲击问题。后一种方法的问题是：只适合负载功率小于200W的应用场合。为此，对于大功率应用场合，需要对现有的上电限流电路进行改进，彻底解决上电冲击电流问题。

经过对现有技术的检索发现，张相军等，“电机与控制学报”.2011年6月.总结了两种传统的软启动电路，提出了“一种启动冲击电流抑制电路”，即三级冲击电流抑制电路，该电路可有效抑制启动时的一次冲击电流和二次冲击电流，但是仍然存在冲击电流，对电网的谐波电流冲击比较严重，而且结构复杂，元器件数量多，控制不简便。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种软启动电路，具有电路结构简单、控制简便、启动电流可控、位移因数为1、启动效果良好的优点。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：整流器、阻抗变换电路与控制器，其中：整流器的输出端与阻抗变换电路的输入端相连，阻抗变换电路的输出端与控制器的输入端相连，控制器的输出端与阻抗变换电路的控制端相连。

所述的整流器包括：输入滤波电容与整流桥，其中整流桥的输入端与单相交流电源的火线与中线相连，输入滤波电容跨接于整流桥的两端，整流桥的输出端与阻抗变换电路的输入端相连。

所述的阻抗变换电路包括：升压电感、两个逆导开关、功率二极管、快恢复二极管、启动限流电阻、储能电容与两个分压电阻，其中：整流器的输出正极与升压电感的一端、功率二极管的阳极相连，升压电感的另一端分别与快恢复二极管的阳极、第一逆导开关的输入端相连，储能电容的一端与功率二极管的阴极、快恢复二极管的阴极、第一分压电阻的一端相连，形成输出正极端子，储能电容的另一端与第二逆导开关的输入端、启动限流电阻的一端相连，第一逆导开关、第二逆导开关、启动限流电阻的另一端、第二分压电阻的另一端与整流器的输出负极端子相连，形成阻抗变换电路的输出负极端子，第一逆导开关与第二逆导开关的门极与控制器的输出端子相连，第一分压电阻与第二分压电阻相连，公共端与控制的输入端相连。

所述的控制器包括：微控制器与两个隔离驱动电路，其中微控制器的输入端与阻抗变换电路的第一分压电阻与第二分压电阻的公共端相连，输出端分别与第一隔离驱动电路及第二隔离驱动电路相连，第一隔离驱动电路的输出端与阻抗变换电路的第一逆导开关的控制端相连，第二隔离驱动电路的输出端与阻抗变换电路的第二逆导开关的控制端相连。

本发明通过整流器、阻抗变换电路与控制器实现AC-DC升压变换，使用适当的控制策略可以实现网侧单位功率因数运行。启动阶段，对初始电压为零的储能电容充电将产生冲击电流。在充电时间内，第一逆导开关保持关断状态，而第二逆导开关进行高频开通与关断动作，以此来改变其与启动限流电阻构成的等效传入阻抗值，控制启动冲击电流。单相电源通过整流器、功率二极管向储能电容充电，当储能电容电压达到期望值时，电流趋于稳定，随之，第二逆导开关持续导通，同时第一逆导开关在适当的控制策略下工作。所有控制均在控制器的参与下完成，使得启动充电电流可以按照期望的曲线上升，印制了启动冲击电流，实现了软启动过程，具有结构简单、附加成本低、容易实现等优点，且开关管与主电路共地、共源，解决了开关管的驱动电源问题。

附图说明

图1为本发明实施例1的电路示意图；

图2为本发明实施例2的电路示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式与具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例包括：整流器1、阻抗变换电路2与控制器3，其中：整流器1的输出端与阻抗变换电路2的输入端相连，阻抗变换电路2的输出端与控制器3相连，控制器3的输出端与阻抗变换电路2的控制端相连。

本实施例中，所述的整流器1包括：整流桥BR1与输入滤波电容C1，其中整流桥BR1的两个输入端分别与单相交流电源的L端与N端相连，输入滤波电容C1跨接于整流桥BR1的输入端，整流桥BR1的输出端正极与阻抗变换电路2的输入端正极相连，构成整流器1的输出正极端子，整流桥BR1的输出端负极与阻抗变换电路2的输入端负极相连，构成整流器1的输出负极端子。

本实施例中，所述的整流桥BR1采用D25XB80，额定电流与额定电压分别为25A/800V；所述的输入滤波电容C1为CBB交流电容，2.0μF/275V。

本实施例中，所述的阻抗变换电路2包括：升压电感L1、第一逆导开关S1、第二逆导开关S2、功率二极管D1、快恢复二极管FRD1、储能电容E1、启动限流电阻R1、第一分压电阻R2与第二分压电阻R3，其中：整流器1的输出正极分别于升压电感L1的一端、功率二极管D1的阳极相连，升压电感L1的另外一端分别与快恢复二极管FRD1的阳极、第一逆导开关S1的输入端相连，储能电容E1的正极分别与功率二极管D1的阴极、快恢复二极管FRD1的阴极、第一分压电阻R2的一端相连，构成输出正极端子，储能电容E1的负极分别与启动限流电阻R1的一端、第二逆导开关S2的输入端相连，整流器1的输出负极、启动限流电阻R1的另一端、第一逆导开关S1的输出端、第二逆导开关S2的输出端、第二分压电阻R3的另一输出端相连，构成阻抗变换电路2的负极输出端子，第一分压电阻R2与第二分压电阻R3的公共端经过控制器3的第一模数转换器ADC1与微控制器相连，第一逆导开关S1的门极与控制器3的第一隔离驱动电路DR1的输出端相连，第二逆导开关S2的门极与控制器3的第二隔离驱动电路DR2的输出端相连。

本实施例中，所述的升压电感为非晶体材料，采用平面结构，感值为500μH；所述的功率二极管D1为HER607；所述的快恢复二极管FRD1为SiC反向快恢复型600V/20A/100℃，FFAF60UA60DN；所述的第一逆导开关S1与第二逆导开关S2均为BUP314D，额定电流与额定电压分别为32A/1200V；所述的储能电容E1为两只680μF/400V电解电容串联；所述的启动限流电阻R1为插件电阻，阻值为35～70Ω/50W；所述的第一分压电阻R2为插件电阻，阻值为R2为220kΩ/2W；所述的第二分压电阻R3为插件电阻，阻值为1kΩ/0.25W。所述的逆导开关是、S2为IGTB，采用RJH60F7ADPK：50A/100℃/600V，FRD采用SiC CSD20060D：20A/150℃/600V。

本实施例中，所述的控制器3包括：第一隔离驱动电路DR1、第二隔离驱动电路DR2与微控制器DSP，其中第一隔离驱动电路为电压型驱动器，其输入信号来自微控制器DSP的第一脉冲输出端PWM1，其输出信号输出至阻抗变换电路2的第一逆导开关S1的门极；第二隔离驱动电路DR2为电压型驱动器，其输入信号来自微控制器DSP的第二脉冲输出端PWM2，其输出信号输出到阻抗变换电路2的第二逆导开关S2的门极；第一隔离驱动电路DR1的输入端与微控制器DSP的第一脉冲输出端PWM1相连，第一隔离驱动电路DR1的输出端与阻抗变换电路2的第一逆导开关S1的门极相连；第二隔离驱动电路DR2的输入端与微控制器DSP的第二脉冲输出端PWM2相连，第二隔离驱动电路DR2的输出端与阻抗变换电路2的第二逆导开关S2的门极相连；微控制器DSP的第一模数转换端子ADC1与阻抗变换电路2的第一分压电阻R2与第二分压电阻R3的公共端相连。

本实施例中，所述的第一隔离驱动电路DR1与第二隔离驱动电路DR2为脉冲变压器；所述的微控制器DSP通过TMS320F240核心处理器实现。

本实施例通过以下步骤进行工作：

启动阶段，第一逆导开关始终保持关断状态。单相交流电源施加在整流器1中的整流桥BR1的两个输入端，整流器1的输出端得到正弦半波直流电压。当第二逆导开关S2开通时，启动限流电阻R1被短路，整流器1、功率二极管D1、储能电容E1、第二逆导开关S2构成充电回路；当第二逆导开关S2关断时，整流器1、功率二极管D1、储能电容E1、启动限流电阻R1构成充电回路。启动限流电阻R1的切入与切除可改变充电电流的幅值与脉动频率。微控制器DSP发出适当频率的脉冲串，通过电压型隔离驱动器DR2驱动阻抗变换电路2中的第二逆导开关S2，可使输入电流按照相应的频率脉动，降低启动时的充电电流，使充电电流按照预期的曲线上升。

储能电容E1的电压达到期望值时，微控制器DSP通过电压型隔离驱动器DR2关断阻抗变换电路2中的第二逆导开关S2，同时，微控制器DSP发出适当的脉冲，通过电压型隔离驱动电路DR1驱动阻抗变换电路2中第一逆导开关S1，使得电路进入PFC状态工作。正常工作时，任何现有的PFC控制策略均适用于阻抗变换电路2的控制。

本实施例单相交流电源220V，空载直流输出电压500V，额定输出功率5kW，充电电流可调。整流桥BR1的额定电流与额定电压为25A/800V，输入滤波电容C1为交流电容2.0μF/500V，功率二极管FRD1为HER607，升压电感L1为非晶体材料，采用平面结构，感值为500μH，快恢复二极管FRD1为SiC反向快恢复型600V/20A/100℃，第一逆导开关S1与第二逆导开关S2均为BUP314D，额定电流与额定电压分别为32A/1200V，储能电容E1为两只680μF/400V电解电容串联，启动限流电阻R1为35～70Ω/50W，第一分压电阻R2为220kΩ/2W，第二分压电阻R3为1kΩ/0.25W，第一隔离驱动器DR1与第二隔离驱动器DR2均采用脉冲变压器。

实施例2

如图2所示，本实施例涉及一种简化的软启动电路，与实施例1的电路原理图的区别之处为：去除阻抗变换电路2中的功率二极管D1。

本实施例中，所述的阻抗变换电路2包括：升压电感L1、第一逆导开关S1、第二逆导开关S2、快恢复二极管FRD1、储能电容E1、启动限流电阻R1、第一分压电阻R2与第二分压电阻R3，其中：整流器1的输出正极与升压电感L1的一端相连，升压电感L1的另外一端分别与快恢复二极管FRD1的阳极、第一逆导开关S1的输入端相连，储能电容E1的正极分别与快恢复二极管FRD1的阴极、第一分压电阻R2的一端相连，构成输出正极端子，储能电容E1的负极分别与启动限流电阻R1的一端、第二逆导开关S2的输入端相连，整流器1的输出负极、启动限流电阻R1的另一端、第一逆导开关S1的输出端、第二逆导开关S2的输出端、第二分压电阻R3的另一输出端相连，构成阻抗变换电路2的负极输出端子，第一分压电阻R2与第二分压电阻R3的公共端经过控制器3的第一模数转换器ADC1与微控制器相连，第一逆导开关S1的门极与控制器3的第一隔离驱动电路DR1的输出端相连，第二逆导开关S2的门极与控制器3的第二隔离驱动电路DR2的输出端相连。

本实施例的工作原理与实施例不同：启动阶段，第一逆导开关S1保持关断，第二逆导开关S2进行高频的开通与关断动作，可使充电电流在脉动中上升，限制充电电流。当储能电容的电压达到期望值时，微控制器DSP通过第二电压型隔离驱动器DR2使第二逆导开关保持开通状态，通过第一电压型隔离驱动器DR1使电路进入PFC工作模式。

相对于实施例1，本实施例省去了一个功率二极管FRD1，电路成本降低，电路设计简化，且控制简单，实用性较强。

从以上实施例可以看出，本发明电路中，所有控制均在控制器的参与下完成，实现了软启动过程，电路结构简单、附加成本低、启动电流可调、容易实现，且开关管与主电路共地、共源，解决了开关管的驱动电源问题。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种软启动电路，包括整流器、阻抗变换电路与控制器，其中：整流器的输出端与阻抗变换电路的输入端相连，阻抗变换电路中的两个分压电阻的公共端与控制器的输入端相连，控制器的输出端与阻抗变换电路的控制端相连，其特征在于：所述的阻抗变换电路包括：升压电感、两个逆导开关、快恢复二极管、储能电容、一个启动限流电阻与两个分压电阻，其中：整流器的输出端正极与升压电感的一端相连，升压电感的另一端分别与快恢复二极管的阳极、第一逆导开关的输入端相连，储能电容的正极分别与快恢复二极管的阴极、第一分压电阻的一端相连，构成输出正极端子，储能电容的另一端分别与第二逆导开关的输入端、启动限流电阻的一端相连，第一分压电阻的另一端与第二分压电阻的一端相连，整流器的负极输出端子、第一逆导开关的输出端、启动限流电阻的另一端、第二逆导开关的输出端与第二分压电阻相连，构成阻抗变换电路的负极输出端子，第一分压电阻与第二分压电阻的公共端与控制器的输入端相连，第一逆导开关的门极与第二逆导开关的门极分别与控制器的两个输出端相连。

2.根据权利要求1所述的软启动电路，其特征是，所述的阻抗变换电路进一步包括功率二极管，所述功率二极管的阳极与整流器的输出端正极相连，功率二极管的阴极与储能电容的正极相连。

3.根据权利要求1所述的软启动电路，其特征是，所述的整流器包括：整流桥与输入滤波电容，其中整流桥的输入端分别与单相交流电源的火线与中线相连，输入滤波电容跨接于整流桥的输入端，整流桥的输出直流正极与阻抗变换电路的输入端正极相连构成整流器的正极输出端子，整流桥的输出直流负极与阻抗变换电路输入端负极相连，构成整流器的负极输出端子。

4.根据权利要求1-3任一项所述的软启动电路，其特征是，所述的控制器包括：两个隔离驱动器与一个微控制器，其中：第一驱动器的输入端与微控制器的第一输出端连接，第一驱动器的输出端与阻抗变换电路连接，第二驱动电路的输入端与微控制器的第二输出端连接，第二驱动器的输出端与阻抗变换电路相连，微控制器的输入端与阻抗变换电路相连。

5.根据权利要求4所述的软启动电路，其特征是，所述的控制器中：第一隔离驱动电路为电压型驱动器，其输入信号来自微控制器的第一脉冲输出端，其输出信号输出至阻抗变换电路的第一逆导开关的门极；第二隔离驱动电路为电压型驱动器，其输入信号来自微控制器的第二脉冲输出端，其输出信号输出到阻抗变换电路的第二逆导开关的门极；第一隔离驱动电路的输入端与微控制器的第一脉冲输出端相连，第一隔离驱动电路的输出端与阻抗变换电路的第一逆导开关的门极相连；第二隔离驱动电路的输入端与微控制器的第二脉冲输出端相连，第二隔离驱动电路的输出端与阻抗变换电路的第二逆导开关的门极相连；微控制器的第一模数转换端子与阻抗变换电路的第一分压电阻与第二分压电阻的公共端相连。

6.根据权利要求5所述的软启动电路，其特征是，所述第一分压电阻与第二分压电阻的公共端经过控制器的第一模数转换器与微控制器相连，第一逆导开关的门极与控制器的第一隔离驱动电路的输出端相连，第二逆导开关的门极与控制器3的第二隔离驱动电路的输出端相连。

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