CN102692591A - 高低压端绝缘失效检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高低压端绝缘失效检测装置，包括：连接在高压端的电源正极与参考地之间的第一分压电路，其包括依次串联的第一电阻、开关管和第二电阻；连接在参考地与高压端的电源负极之间的第二分压电路，其包括依次串联的第三电阻和第四电阻；加法电路，加法电路的一个输入端与第一分压电路的输出端和第二分压电路的输出端电连接，另一个输入端与一参考电位电连接；微处理器，该微处理器的信号输入端与加法电路的输出端电连接，该微处理器的控制输出端与开关管的控制端电连接。本发明还公开了一种利用上述检测装置进行绝缘失效检测的方法。本发明能够检测出正高压端和负高压端的绝缘同时失效的情况。

Description

高低压端绝缘失效检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及绝缘失效检测技术。

背景技术

车载应用时，由于各种情况，极易发生电路的高压端与低压端绝缘失效情况，造成电子系统的损坏，甚至可能引发严重的安全事故。为此，必须要采取相应的措施进行系统的绝缘检测及绝缘失效情况下的器件保护。绝缘检测电路作为系统的附属子电路，必须满足以下几个基本要求：1)电路结构简单，所占空间尽可能小；2)电路必须稳定可靠。采用的元器件尽量简单，不含不稳定元件；3) 电路可移植性好，能够轻易面对复杂情况。

现有的绝缘检测及保护电路所占体积较大，成本较高，不适用于集成度较高的电路中。另外，在实际工作中有可能会遇到正、负高压端与低压端之间的的绝缘同时失效的情况，如果这两端的漏电阻阻值相等，现有的电桥平衡式绝缘检测电路将无法检测出绝缘失效。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种高低压端绝缘失效检测装置，其不仅能够检测出正高压端与低压端之间的绝缘失效以及负高压端与低压端之间的绝缘失效，还能检测出正高压端和负高压端的绝缘同时失效的情况。

本发明所采用的技术方案是：一种高低压端绝缘失效检测装置，包括：

第一分压电路，该第一分压电路连接在高压端的电源正极与参考地之间，包括依次串联的第一电阻、开关管和第二电阻；

第二分压电路，该第二分压电路连接在参考地与高压端的电源负极之间，包括依次串联的第三电阻和第四电阻；

加法电路，所述加法电路的一个输入端与第一分压电路的输出端和第二分压电路的输出端电连接，另一个输入端与一参考电位电连接；

微处理器，该微处理器的信号输入端与所述加法电路的输出端电连接，该微处理器的控制输出端与所述开关管的控制端电连接。

本发明还公开了一种利用上述的高低压端绝缘失效检测装置进行绝缘失效检测的方法，包括以下步骤：

步骤1，微处理器控制所述的开关管导通，

步骤2，微处理器采集加法电路的输出电压；

步骤3，微处理器将采集到的加法电路的输出电压与一预设电压范围进行比较，若高于该预设电压范围，则判断高压端的电源正极与参考地之间存在绝缘失效，若低于该预设电压范围，则判断高压端的电源负极与参考地之间存在绝缘失效，若位于该预设电压范围内，则控制所述的开关管断开，将开关管处于断开时所采集到的加法电路的输出电压值与预设电压范围进行比较，若位于该预设电压范围内，则判断高压端与参考地之间的绝缘正常，若高于预设电压范围，判断高压端的电源正、负极与参考地之间均存在绝缘失效。

上述的绝缘失效检测方法，其中，加法电路包括运算放大器、第五电阻、第六电阻和第七电阻；运算放大器的正相端与所述的参考电位电连接；第五电阻的一端连接于开关管和第二电阻的连接点，另一端与运算放大器的反相端电连接；第六电阻的一端连接于第三电阻和第四电阻的连接点，另一端与运算放大器的反相端电连接；第七电阻的两端分别与运算放大器的反相端和输出端电连接；第一电阻与第四电阻的阻值相等，第二电阻与第三电阻的阻值相等；第五电阻、第六电阻和第七电阻的阻值相等；开关管为NMOS场效应管，该NMOS场效应管的漏极与第一电阻的一端连接，源极与第二电阻的一端连接。

上述的绝缘失效检测方法，其中，当所述微处理器判断高压端的正极与参考地之间存在绝缘失效时，根据以下公式来计算高压端的电源正极与参考地的绝缘电阻X₁：

当所述微处理器判断高压端的负极与参考地之间存在绝缘失效时，根据以下公式来计算高压端的电源负极与参考地的绝缘电阻X₂：

当所述微处理器判断高压端的电源正、负极均与参考地之间存在绝缘失效时，根据以下公式来计算高压端的电源正极与参考地的绝缘电阻X₁以及高压端的电源负极与参考地的绝缘电阻X₂：

 

 

其中：

；b=3*V_f－U_c；b₂=3*V_f－U_c；c=（R₁+R₂）；R₁为第一电阻和第四电阻的阻值，R₂为第二电阻和第三电阻的阻值，V_DC为高压端的电源值大小，V_f为与加法电路连接的参考电位的电压值，U_c为加法电路的输出电压值，b是根据开关管导通时的U_c计算得出的参数，b₂是根据开关管断开时的U_c计算得出的参数。 

采用上述技术方案后，本发明解决了在正、负高压端与低压端之间的绝缘同时失效的情况下有可能发生的漏检问题。此外，通过本发明还能计算出绝缘电阻的阻值大小以做电路的扩展应用。本发明电路结构简单，检测结果可靠性高。

附图说明

图1是根据本发明一实施例的原理框图。

图2是根据本发明一实施例的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做出进一步的说明。

如图1所示，根据本发明一实施例的高低压端绝缘失效检测装置包括第一分压电路1、第二分压电路2、加法电路3和微处理器4。

第一分压电路1连接在高压端的电源V_DC的正极与参考地（低压端）之间，其与高压端的电源正极与参考地之间的绝缘电阻X₁并联；第二分压电路2连接在参考地与高压端的电源V_DC的负极之间，其与高压端的电源负极与参考地之间的绝缘电阻X₂并联。第一分压电路1包括依次串联的第一电阻Ra、开关管S和第二电阻Rb。第二分压电路2包括依次串联的第三电阻Rc和第四电阻Rd。加法电路3的一个输入端与第一分压电路1的输出端和第二分压电路2的输出端电连接，另一个输入端与一参考电位V_f电连接。微处理器4的信号输入端与加法电路3的输出端电连接，微处理器4的控制输出端与开关管S的控制端电连接。

微处理器4包括开关控制单元41、信号采样单元42和比较判断单元43。开关控制单元41用于控制开关管S的导通和断开。信号采样单元42用于采集加法电路3的输出电压Uc。比较判断单元43用于接收信号采样单元42采集到的加法电路3的输出电压Uc，将开关管S处于导通时所采集到的加法电路的输出电压值与预设电压范围进行比较，若高于该预设电压范围，则判断高压端的电源正极与参考地之间存在绝缘失效，若低于该预设电压范围，则判断高压端的电源负极与参考地之间存在绝缘失效，若位于该预设电压范围内，则通知开关控制单元41控制开关管S断开，将开关管S处于断开时所采集到的加法电路3的输出电压值Uc与预设电压范围进行比较，若位于该预设电压范围内，则判断高压端与参考地之间的绝缘正常，若高于预设电压范围，判断高压端的电源正、负极与参考地之间均存在绝缘失效。

在图2所示的实施例中，开关管为NMOS场效应管P1，该NMOS场效应管P1的漏极与第一电阻Ra的一端连接，源极与第二电阻Rb的一端连接。加法电路3包括运算放大器OP、第五电阻Re、第六电阻Rf和第七电阻Rg。运算放大器OP的正相端与参考电位V_f电连接；第五电阻Re的一端连接于开关管和第二电阻Rb的连接点A，另一端与运算放大器OP的反相端电连接；第六电阻Rf的一端连接于第三电阻Rc和第四电阻Rd的连接点B，另一端与运算放大器OP的反相端电连接；第七电阻Rg的两端分别与运算放大器OP的反相端和输出端电连接。第一电阻Ra与第四电阻Rd的阻值相等，第二电阻Rb与第三电阻Rc的阻值相等；第五电阻Re、第六电阻Rf和第七电阻Rg的阻值相等。在图2中，还示出了设置在加法电路3与微处理器之间的滤波电路5，该滤波电路5由第八电阻Rh和电容C1组成。

如图2所示，如果在高、低电压端间没有漏电流（漏电阻）的产生，则通过A点和B的电流相等，有I_A=I_B。由于A、B两点到参考地G之间的电阻（Rb和Rc）阻值相等，这两个电阻上的压降也相等，即U_A=﹣U_B。运放OP的同相端的输入电压U₊=V_f=1.25V，反相输入端的输入电压U_—=( U_A+U_B)。其中，V_f为与运放OP的同相端连接的参考电位的电压值。由运算放大器计算方程可得U_C=3*V_f－( U_A+U_B)。如果没有绝缘失效，则U_A=﹣U_B，在这种情况下，运放OP的输出电压Uc=3*V_f=3.75V，考虑到测量误差因素，将这个值进一步放宽到3.7V～3.8V。这个3.7V～3.8V 也就是前文所述的预设电压范围。如果有绝缘失效，则U_C取决于实际的V_DC及绝缘电阻，V_DC为高压端的电源值大小，V_DC的值为预定值。

器件运作之前，可通过本发明的高低压端绝缘失效检测装置进行绝缘检测，以判断器件是否适合开启；在器件运行的过程中，如果随时检测到漏电流，则可进行相关的绝缘保护措施（如关断器件）。根据本发明一实施例的高低压端绝缘失效检测装置的工作原理现介绍如下。

在图1中，X₁和

分别为要检测的绝缘电阻。Ra、Rb、Rc、Rd和V_f均为已知量。U_C为被检测到的输出量。由于电路中增加了一个开关管S，因此可以得到不同的输出方程，从而计算出X₁和X₂。省略推导过程，计算方程组如下所示：

b=3*V_f－U_c；

c=（R₁+R₂）

其中，X₁’ 代表高压端的电源正极与参考地之间的等效电阻，X₂’代表高压端的电源负极与参考地之间的等效电阻，R₁为第一电阻Ra和第四电阻Rd的阻值，R₂为第二电阻Rb和第三电阻Rc的阻值。

电路中的绝缘情况一共可能有四种，以下将逐一说明。为了便于说明，此处忽略了电路中的NMOS管P1的导通压降。

1).绝缘正常的情况

若NMOS管P1的导通压降被忽略，在正常工作状况下，（U_A+U_B）的值为0，加法电路3的输出电压值U_C为3.75 V。

在这种情况下，有

X₁=＋∞

X₂=＋∞

2).高压端的电源正极与低压端（参考地）之间的绝缘失效

如果绝缘失效发生在高压端的电源正极与参考地之间，相当于在高压端的电源正极与参考地之间并上了一个电阻（图中参考地并非为真正的大地，该端点悬空，且没有电流损失）。从图1中可看出，电路正半部分的等效电阻因为并联而降低，而输入的高压值不变，因此正半部分的电压降变低，A点和参考地G之间的电压降也被拉低；与此同时，电路负半部分的电压降变高，B点与参考地G之间的电压降被拉高。由此可知，( U_A+U_B)的值不再为零，而是比零小的负值，而加法电路3的输出电压值则会高于3.75 V。因此，比较判断单元43可将开关管处于导通时所采集到的加法电路的输出电压值

与3.7V～3.8V进行比较，若大于3.8V则判断高压端的正极与参考地之间存在绝缘失效，并根据以下公式来计算高压端的电源正极与参考地的绝缘电阻X₁：

 (X₂=＋∞)

3).高压端的电源负极与低压端（参考地）之间绝缘失效

在这种状况下，分析方法和第2种状况类似。( U_A+U_B)的值会高于零，而加法电路3的输出电压值U_C的值则会低于3.75 V。因此，比较判断单元43可将NMOS管P1处于导通时所采集到的加法电路的输出电压值与3.7V～3.8V进行比较，若低于3.7V则判断高压端的负极与参考地之间存在绝缘失效，并根据以下公式来计算高压端的电源负极与参考地的绝缘电阻X₂：

  (X₁=＋∞)

4).高压端的电源的正、负极与低压端（参考地）之间的绝缘同时失效

实际情况中可能会遇到两端绝缘同时失效的情况。如果加在两端的漏电阻阻值相等，则由电路的对称性及上述输出电压计算公式，加法电路3的输出电压值U_C将不会改变，而为3.75V。这样的话，这种状况就很容易和第一种情况混淆，而导致绝缘判断失败。为了能检测出正高压端和负高压端的绝缘同时失效的情况，在本发明中，在NMOS管P1处于导通时所采集到的加法电路3的输出电压U_C的值大于等于3.7V且小于等于3.8V时，比较判断单元43通知开关控制单元41控制NMOS管P1断开，将NMOS管P1处于断开时所采集到的加法电路的输出电压值与预设电压范围3.7V～3.8V再进行比较。关断NMOS管P1后，如果是第一种情况（绝缘正常），则环路被断开，没有电流流过A点和B点，U_A和U_B的值都为零，由此加法电路3的输出电压值

为3.75V不变，因此，在

位于预设电压范围3.7V～3.8V 内时，比较判断单元43判断高压端与参考地之间的绝缘正常；如果是第四种情况（两端绝缘同时失效），则电路中依旧有环路存在，此时，流过B点的电流不为零而流过A点的电路为零，U_A为零而U_B为一负值。加法电路3的输出电压U_C的值就会明显高于3.75 V，比较判断单元43在U_C高于3.8V时，可以做出高压端的电源正、负极与参考地之间均存在绝缘失效的判断。

当开关管处于断开时，

等于

,计算式不变。由于

变化，因此b也相应地改变。由前述的方程组，可得到两个方程：

 

b=3*V_f－U_c；b₂=3*V_f－U_c；b和b₂分别对应MOSFET管打开或关断的情况。比较判断单元43可根据以下公式来计算高压端的电源正极与参考地的绝缘电阻X₁以及高压端的电源负极与参考地的绝缘电阻X₂：

  

  

本发明的高低压端绝缘失效检测装置进行绝缘失效检测的方法，包括以下步骤：

步骤1，微处理器4控制开关管S导通，

步骤2，微处理器4采集加法电路3的输出电压；

步骤3，微处理器4将采集到的加法电路的输出电压U_C与一预设电压范围进行比较，若高于该预设电压范围，则判断高压端的电源正极与参考地之间存在绝缘失效，若低于该预设电压范围，则判断高压端的电源负极与参考地之间存在绝缘失效，若等于该预设电压范围，则控制开关管S断开，将开关管处于断开时所采集到的加法电路的输出电压值与预设电压范围进行比较，若等于该预设电压范围，则判断高压端与参考地之间的绝缘正常，若高于预设电压范围，判断高压端的电源正、负极与参考地之间均存在绝缘失效。

Claims (10)

1.一种高低压端绝缘失效检测装置，其特征在于， 包括：

第一分压电路，该第一分压电路连接在高压端的电源正极与参考地之间，包括依次串联的第一电阻、开关管和第二电阻；

第二分压电路，该第二分压电路连接在参考地与高压端的电源负极之间，包括依次串联的第三电阻和第四电阻；

加法电路，所述加法电路的一个输入端与第一分压电路的输出端和第二分压电路的输出端电连接，另一个输入端与一参考电位电连接；

微处理器，该微处理器的信号输入端与所述加法电路的输出端电连接，该微处理器的控制输出端与所述开关管的控制端电连接。

2.如权利要求1所述的高低压端绝缘失效检测装置，其特征在于，所述的微处理器包括：

开关控制单元，用于控制所述开关管的导通和断开；

信号采样单元，用于采集所述加法电路的输出电压；

比较判断单元，用于接收所述信号采样单元采集到的加法电路的输出电压，将所述的开关管处于导通时所采集到的加法电路的输出电压值与预设电压范围进行比较，若高于该预设电压范围，则判断高压端的电源正极与参考地之间存在绝缘失效，若低于该预设电压范围，则判断高压端的电源负极与参考地之间存在绝缘失效，若位于该预设电压范围内，则通知开关控制单元控制所述开关管断开，将开关管处于断开时所采集到的加法电路的输出电压值与预设电压范围进行比较，若位于该预设电压范围内，则判断高压端与参考地之间的绝缘正常，若高于预设电压范围，判断高压端的电源正、负极与参考地之间均存在绝缘失效。

3.如权利要求2所述的高低压端失效绝缘检测装置，其特征在于，所述的加法电路包括运算放大器、第五电阻、第六电阻和第七电阻；

所述运算放大器的正相端与所述的参考电位电连接；

第五电阻的一端连接于开关管和第二电阻的连接点，另一端与所述运算放大器的反相端电连接；

第六电阻的一端连接于第三电阻和第四电阻的连接点，另一端与所述运算放大器的反相端电连接；

所述第七电阻的两端分别与所述运算放大器的反相端和输出端电连接。

4.如权利要求3所述的高低压端绝缘失效检测装置，其特征在于，所述第一电阻与第四电阻的阻值相等，所述的第二电阻与第三电阻的阻值相等；

所述的第五电阻、第六电阻和第七电阻的阻值相等。

5.如权利要求1所述的高低压端绝缘失效检测装置，其特征在于，所述的开关管为NMOS场效应管，该NMOS场效应管的漏极与第一电阻的一端连接，源极与第二电阻的一端连接。

6.如权利要求5所述的高低压端绝缘失效检测装置，其特征在于， 

当所述比较判断单元判断高压端的正极与参考地之间存在绝缘失效时，根据以下公式来计算高压端的电源正极与参考地的绝缘电阻X₁：

当所述比较判断单元判断高压端的负极与参考地之间存在绝缘失效时，根据以下公式来计算高压端的电源负极与参考地的绝缘电阻X₂：

当所述比较判断单元判断高压端的电源正、负极均与参考地之间存在绝缘失效时，根据以下公式来计算高压端的电源正极与参考地的绝缘电阻X₁以及高压端的电源负极与参考地的绝缘电阻X₂：

   

 

其中：

；b=3*V_f－U_c；b₂=3*V_f－U_c；c=（R₁+R₂）；R₁为第一电阻和第四电阻的阻值，R₂为第二电阻和第三电阻的阻值，V_DC为高压端的电源值大小，V_f为与加法电路连接的参考电位的电压值，U_c为加法电路的输出电压值，b是根据开关管导通时的U_c计算得出的参数，b₂是根据开关管断开时的U_c计算得出的参数。

7.如权利要求1所述的高低压端绝缘失效检测装置，其特征在于，所述微处理器为MCU或单片机。

8.一种利用如权利要求1所述的高低压端绝缘失效检测装置进行绝缘失效检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，微处理器控制所述的开关管导通，

步骤2，微处理器采集加法电路的输出电压；

步骤3，微处理器将采集到的加法电路的输出电压与一预设电压范围进行比较，若高于该预设电压范围，则判断高压端的电源正极与参考地之间存在绝缘失效，若低于该预设电压范围，则判断高压端的电源负极与参考地之间存在绝缘失效，若位于该预设电压范围内，则控制所述的开关管断开，将开关管处于断开时所采集到的加法电路的输出电压值与预设电压范围进行比较，若位于该预设电压范围内，则判断高压端与参考地之间的绝缘正常，若高于预设电压范围，判断高压端的电源正、负极与参考地之间均存在绝缘失效。

9.如权利要求8所述的绝缘失效检测方法，其特征在于，所述的加法电路包括运算放大器、第五电阻、第六电阻和第七电阻；所述运算放大器的正相端与所述的参考电位电连接；第五电阻的一端连接于开关管和第二电阻的连接点，另一端与所述运算放大器的反相端电连接；第六电阻的一端连接于第三电阻和第四电阻的连接点，另一端与所述运算放大器的反相端电连接；所述第七电阻的两端分别与所述运算放大器的反相端和输出端电连接；

所述第一电阻与第四电阻的阻值相等，所述的第二电阻与第三电阻的阻值相等；所述的第五电阻、第六电阻和第七电阻的阻值相等；

所述的开关管为NMOS场效应管，该NMOS场效应管的漏极与第一电阻的一端连接，源极与第二电阻的一端连接。

10.如权利要求9所述的绝缘失效检测的方法，其特征在于，在所述步骤3中： 

当所述微处理器判断高压端的正极与参考地之间存在绝缘失效时，根据以下公式来计算高压端的电源正极与参考地的绝缘电阻X₁：

当所述微处理器判断高压端的负极与参考地之间存在绝缘失效时，根据以下公式来计算高压端的电源负极与参考地的绝缘电阻X₂：

当所述微处理器判断高压端的电源正、负极均与参考地之间存在绝缘失效时，根据以下公式来计算高压端的电源正极与参考地的绝缘电阻X₁以及高压端的电源负极与参考地的绝缘电阻X₂：

 

 

其中：

；b=3*V_f－U_c；b₂=3*V_f－U_c；c=（R₁+R₂）；R₁为第一电阻和第四电阻的阻值，R₂为第二电阻和第三电阻的阻值，V_DC为高压端的电源值大小，V_f为与加法电路连接的参考电位的电压值，U_c为加法电路的输出电压值，b是根据开关管导通时的U_c计算得出的参数，b₂是根据开关管断开时的U_c计算得出的参数。

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