CN102778597B

CN102778597B - 用于光伏电站电压测量中的电压频率转换高压隔离电路

Info

Publication number: CN102778597B
Application number: CN201210275769.5A
Authority: CN
Inventors: 杨朝辉; 郭志华
Original assignee: WUXI LONGMA TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: WUXI LONGMA TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-08-04
Filing date: 2012-08-04
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2032-08-04
Also published as: CN102778597A

Abstract

本发明涉及一种用于光伏电站电压测量中的电压频率转换高压隔离电路，其包括输入电压接口，输入电压接口的正极端通过分压电阻与第二十五电阻串接后与高压地相连，第二十五电阻通过第二十二电阻与第一运算放大器的同相端相连，第一运算放大器的输出端通过第十二电阻与第二运算放大器的反相端相连，并通过第三十电阻与其同相端相连；第二运算放大器的反相端通过第二十电容与其输出端相连，且其反相端通过第四十五电阻与DIS端相连；第二运算放大器的输出端CVOLT端相连；定时器的输出端与光耦晶闸管相连，光耦晶闸管二次回路的一端形成转换输出端。本发明确保隔离电压采集电路长期性能稳定运行，实现高电压隔离模拟量的检测，测量方便。

Description

用于光伏电站电压测量中的电压频率转换高压隔离电路

技术领域

本发明涉及一种电压频率转换高压隔离电路，尤其是一种用于光伏电站电压测量中的电压频率转换高压隔离电路，具体地说是用于光伏电站中对光伏电池板的高电压监测，监测隔离直流电压可高达1000V以上，属于光伏电压监测的技术领域。

背景技术

随着社会的发展，能源的需求日趋紧张。中国太阳能资源非常丰富，加快光伏电站的建设不仅符合我国国情，也会更加有力地推动我国经济结构转型和能源结构优化。随着计算机技术的发展，人们对光伏电站的监控要求越来越高，汇流箱的智能化越来越普及。

光伏电站中电池板电压一般都高达数百伏，甚至上千伏。智能汇流箱一般都带有电池板电压监测功能，为了能够安全监测电压的大小，目前电路一般使用模拟线性光耦隔离电路。其原理为：线性光耦由一个发光二极管和两个光电二极管组成，加上外部的运算放大器负反馈电路，一起组成了随着光强变化的模拟线性光耦隔离电路。这种模拟线性光耦隔离电路需要发光二极管的光尽量完全相同的照射到两个光电二极管，并且对这两个光电二极管的光电转换特性的一致性要求很高。想要把精度做的高，比较困难。而且，随着时间变长，发光二极管的老化，采集精度也会相应下降。所以原来的电路存在的问题：1、成本高；2、对光耦器件要求高；3、测量误差大，长时间后精度降低。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种用于光伏电站电压测量中的电压频率转换高压隔离电路，其能降低隔离光耦的要求，减少对隔离光耦性能的依赖，确保隔离电压采集电路长期性能稳定运行，实现高电压隔离模拟量的检测，测量方便，安全可靠。

按照本发明提供的技术方案，所述用于光伏电站电压测量中的电压频率转换高压隔离电路，包括输入电压接口，所述输入电压接口的正极端通过分压电阻与第二十五电阻串接后与高压地相连，输入电压接口的负极端与高压地相连；第二十五电阻与分压电阻相连的一端通过第二十二电阻与第一运算放大器的同相端相连，第一运算放大器的反相端通过第二十三电阻与第一运算放大器的输出端相连；第一运算放大器的输出端通过第四十二电阻与第二运算放大器的反相端相连，且第一运算放大器的输出端通过第三十电阻与第二运算放大器的同相端相连；所述第三十电阻与第二运算放大器相连的一端还通过第二十四电阻与高压地相连；第二运算放大器的反相端通过第二十电容与第二运算放大器的输出端相连；

第二运算放大器的反相端通过第四十五电阻的比较电路的一端相连，且第二运算放大器的输出端与比较电路的另一端相连，比较电路的输出端与光耦晶闸管一次回路的一端相连，所述光耦晶闸管一次回路的另一端通过第三十七电阻与隔离电压电路内的隔离电压输出端相连；光耦晶闸管二次回路的一端与地相连，光耦晶闸管二次回路的另一端通过第三十八电阻与电源VCC相连，并形成转换输出端；比较电路与隔离电压电路的隔离电压输出端相连；

第二运算放大器根据第二十电容上的电压值向比较电路输出调节信号，比较电路根据调节信号调整比较电路输出端的输出状态及第四十五电阻的连接状态，以在光耦晶闸管的转换输出端得到对应周期的频率信号。

所述比较电路采用555定时器，第二运算放大器）的反相端通过第四十五电阻与555定时器的DIS端相连；第二运算放大器的输出端与555定时器的CVOLT端相连；

555定时器的输出端与光耦晶闸管一次回路的一端相连，555定时器的RST端与第三十九电阻及第七十八电容的一端相连，所述第七十八电容的另一端与高压地相连，第三十九电阻与555定时器的RST端相连的另一端与定时器的TRIG端相连，并通过第四十电阻与高压地相连，且通过第五十一电阻与555定时器的THR相连；555定时器的VCC端与555定时器的RST端相互连接；所述第三十九电阻与555定时器的RST相连的一端与隔离电压电路内的隔离电压输出端相连。

所述隔离电压电路包括隔离电源，所述隔离电源的Vin端与电源VCC相连，隔离电源的GND端接地；隔离电源的0V端与高压地相连，隔离电源的VO端通过第二电感分别与第二十一电阻的一端相连，所述第二十一电阻的另一端与高压地相连，所述第二十一电阻的两端并联有第七十七电容；所述第二电感与第二十一电阻、第七十七电容相连的端部形成隔离电压输出端。

所述第二十五电阻与分压电阻相连的一端还与二极管的阴极端相连，所述二极管的阳极端与高压地及第七十九电容的一端相连，所述第七十九电容与二极管相连的另一端与隔离电压电路内的隔离电压输出端相连。

所述分压电阻包括依次串接的第四十四电阻，所述第四十四电阻与第四十一电阻、第十八电阻、第四十三电阻、第四十六电阻、第四十七电阻及第四十八电阻。

所述第一运算放大器与第二运算放大器均采用单电源轨对轨运算放大器放大器。

所述隔离电源采用IB0505LS-W75的电源模块。

本发明的优点：采用轨对轨运算放大器，提高了输入电压幅度和转换电路的测量范围；巧妙的设计了电压/频率转换电路，降低了材料成本，提高了转换精度；该电路降低了对隔离光耦的要求，不需要使用较复杂的线性隔离光耦；该电路的供电电源为直流+5V；该电路设计精巧，元器件少，测试测量方便，确保隔离电压采集电路长期性能稳定运行，实现高电压隔离模拟量的检测，测量方便，安全可靠。

附图说明

图1为本发明的电路原理图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示：以比较电路采用555定时器为例，本发明的电压频率转换高压隔离电路包括用于与外部电压连接的输入电压接口P22，所述输入电压接口P22的正极端通过分压电阻与第二十五电阻R25串接后与高压地GND3相连，输入电压接口P22的负极端与高压地GND3相连；所述分压电阻包括依次串接的第四十四电阻R44，所述第四十四电阻R44与第四十一电阻R41、第十八电阻R18、第四十三电阻R43、第四十六电阻R46、第四十七电阻R47及第四十八电阻R48。

第二十五电阻R25与分压电阻相连的一端通过第二十二电阻R22与第一运算放大器U14A的同相端相连，第一运算放大器U14A的反相端通过第二十三电阻R23与第一运算放大器U14A的输出端相连；第一运算放大器U14A的输出端通过第四十二电阻R42与第二运算放大器U14B的反相端相连，且第一运算放大器U14A的输出端通过第三十电阻R30与第二运算放大器U14B的同相端相连；所述第三十电阻R30与第二运算放大器U14B相连的一端还通过第二十四电阻R24与高压地GND3相连；第二运算放大器U14B的反相端通过第二十电容C20与第二运算放大器U14B的输出端相连，且第二运算放大器U14B的反相端通过第四十五电阻R45与定时器的DIS端相连；第二运算放大器U14B的输出端与定时器的CVOLT端相连；所述定时器即为555定时器。

由于MOS管的优点是没有开关导通的残余电压，所以本发明实施例在使用555定时器的DIS脚做接地开关时，采用了OD（Open Drain）输出的MOS器件的定时器，如：TI生产的TLC555。

555定时器的输出端与光耦晶闸管U20一次回路的一端相连，所述光耦晶闸管U20一次回路的另一端通过第三十七电阻R37与隔离电压电路内的隔离电压输出端相连；光耦晶闸管U20二次回路的一端与地GND相连，光耦晶闸管U20二次回路的另一端通过第三十八电阻R38与电源VCC相连，并形成转换输出端；555定时器的RST端与第三十九电阻R39及第七十八电容C78的一端相连，所述第七十八电容C78的另一端与高压地GND3相连，第三十九电阻R39与555定时器的RST端相连的另一端与555定时器的TRIG端相连，并通过第四十电阻R40与高压地GND3相连，且通过第五十一电阻R51与555定时器的THR相连；555定时器的VCC端与555定时器的RST端相互连接；所述第三十九电阻R39与555定时器的RST相连的一端与隔离电压电路内的隔离电压输出端相连。本发明实施例中所述第一运算放大器U14A与第二运算放大器U14B均采用TS922AID的放大器。

所述隔离电压电路包括隔离电源U12，所述隔离电源U12的Vin端与电源VCC相连，隔离电源U12的GND端接地；隔离电源U12的0V端与高压地GND3相连，隔离电源U12的VO端通过第二电感L2分别与第二十一电阻R21的一端相连，所述第二十一电阻R21的另一端与高压地GND3相连，所述第二十一电阻R21的两端并联有第七十七电容C77；所述第二电感L2与第二十一电阻R21、第七十七电容C77相连的端部形成隔离电压输出端。本发明实施例中，隔离电压输出端输出+5V2的电压，用于提供电路中的隔离电压。所述隔离电源U12采用IB0505LS-W75的电源模块。本发明隔离电压输出端输出+5V电压，即图中的+5V2电压。

所述第二十五电阻R25与分压电阻相连的一端还与二极管TVS1的阴极端相连，所述二极管TVS1的阳极端与高压地GND3及第七十九电容C79的一端相连，所述第七十九电容C79与二极管TVS1相连的另一端与隔离电压电路内的隔离电压输出端相连。所述二极管TVS1的阳极端还与第二运算放大器U14B的电源负极端相连，第二运算放大器U14B的电源正极端与隔离电压输出端相连。通过二极管TVS1能够避免第二十五电阻R25出现危险电压对整个电路的损坏，通过二极管TVS1能够将第二十五电阻R25上输出的电压箝位在安全电压范围内。

本发明中输入电压接口P22用于接入光伏电池板上的电压，光伏电池板上接入的电压一般在一千伏左右，为了能够便于后续的检测，通过分压电阻与第二十五电阻R25进行分压，并将第二十五电阻R25上的电压通过第二十二电阻R22接入第一运算放大器U14A的同相端，第一运算放大器U14A用于将相应的电流放大，并经过第一运算放大器U14A的输出端形成转换输入电压Vx。第一运算放大器U14A输出的转换输入电压Vx经过第三十电阻R30、第二十四电阻R24进行分压，并将第二十四电阻R24两端的分压值送入第二运算放大器U14B的同相端。

第二运算放大器U14B与第四十二电阻R42、第四十五电阻R45及第二十电容C20构成积分器。本发明实施例中555定时器有两个作用，一个是滞回比较器功能，另一个是接地开关功能。

从接地开关的控制逻辑上来说，接地开关断开时对转换输入电压Vx积分输出是负斜率，从滞回比较器的转移特性上来看，要使用滞回比较器输入电压的下降段，而555定时器的管脚DIS的接地开关在555输出为高电平时关断，所以，从滞回比较器的转移特性来看，只能选择转换输入电压Vx在两个阀值间下降时输出为高电平的滞回比较器，也就是同相滞回比较器。

本发明工作原理如下：

在电路中，积分器中的第二运算放大器的同相输入端的电位VB为：

VB = \frac{R 24}{R 30 + R 24} Vx

当第四十五电阻R45被断开时，积分电流为：

I 1 = \frac{VxR 30}{R 30 + R 24} \times \frac{1}{R 42}

当第四十五电阻R45被连接到地时，积分电流为：

I 2 = \frac{VxR 30}{R 30 + R 24} \times \frac{1}{R 42} - \frac{VxR 24}{R 30 + R 24} \times \frac{1}{R 45}

如果R24=2R30，R42=R45=R，则有：

I1=Vx/3R；I2=-I1

V/F转换的过程：（假设Vx>0，R39=2*R40）

第一阶段：555定时器输出高电平，555定时器的管脚DIS对地断开（相当于输出高阻状态），此时第四十五电阻R45被断开；积分电流I=I1，积分输出负斜率；本发明实施例中当电路启动上电时，第二运算放大器U14B的输出电压为+5V2，即加到555定时器的管脚DIS端的电压为+5V2；由于积分器输出负斜率，当积分器的积分输出电压下降到555定时器内双限比较器的低电压阀值（+5V2*1/3）时，555定时器内部比较器输出翻转，555定时器输出低电平时。当555定时器输出低电平时，光耦晶闸管U20处于接通状态。由于光耦晶闸管U20处于接通状态，转换输出端VFout在第三十八电阻R38及隔离电源VCC作用下呈低电平状态。上述555定时器内双限比较器的低电压阈值（+5V2*1/3）是由第三十九电阻R39及第四十电阻R40间的阻值关系决定。此时第四十五电阻R45被接地，第一阶段积分结束。

第二阶段：当555定时器输出低电平时，555定时器的管脚DIS接地，此时，当第四十五电阻R45被接地，积分电流I=-I1，积分输出正斜率。当随着积分器的不断积分，当积分电压上升到555定时器内双限比较器的高电压阀值（+5V2*2/3）时，555内部比较器输出翻转；上述555定时器内双限比较器的低电压阈值（+5V2*1/3）是由第三十九电阻R39及第四十电阻R40间的阻值关系决定。当555定时器输出高电平时，光耦晶闸管U20处于关断状态。由于光耦晶闸管U20处于关断状态，转换输出端VFout在第三十八电阻R38及隔离电源VCC作用下呈高电平状态。此时第四十五电阻R45被断开，即555定时器的管脚DIS端对地断开，第二阶段积分结束，恢复到第一阶段。

上述第一阶段与第二阶段如此往复，形成振荡，从而能够得到一个周期变换的方波信号，根据方波信号的周期能够光伏电池板的测量。

当第三十电阻R30与第二十四电阻R24相等，即R30=R24=R，C20=C,R39=2*R40时，我们可以得到这种V/F转换的周期T和频率F为：

T 1 = T 2 = \frac{T}{2} = \frac{RCVd}{Vx};

F = \frac{Vx}{2 RCVd} (HZ)

上述中，Vd表示隔离电压输出端输出的电压，即+5V2。

这种电压/频率转换的特点是电路简单，可以由第二运算放大器输出获得对称的三角波，从555定时器及光耦晶闸管U20的输出获得对称方波。输出频率F和转换输入电压Vx之间有很好的线性关系。由于电路中的运算放大器采用了单电源轨对轨运放，所以该电路可以在单电源下正常工作。

本发明采用轨对轨运算放大器，提高了输入电压幅度和转换电路的测量范围；巧妙的设计了电压/频率转换电路，降低了材料成本，提高了转换精度；该电路降低了对隔离光耦的要求，不需要使用较复杂的线性隔离光耦；该电路的供电电源为直流+5V，能测试的隔离电压达上千伏；该电路设计精巧，元器件少，测试测量方便，确保隔离电压采集电路长期性能稳定运行，实现高电压隔离模拟量的检测，测量方便，安全可靠。

Claims

1.一种用于光伏电站电压测量中的电压频率转换高压隔离电路，其特征是：包括输入电压接口（P22），所述输入电压接口（P22）的正极端通过分压电阻与第二十五电阻（R25）串接后与高压地（GND3）相连，输入电压接口（P22）的负极端与高压地（GND3）相连；第二十五电阻（R25）与分压电阻相连的一端通过第二十二电阻（R22）与第一运算放大器（U14A）的同相端相连，第一运算放大器（U14A）的反相端通过第二十三电阻（R23）与第一运算放大器（U14A）的输出端相连；第一运算放大器（U14A）的输出端通过第四十二电阻（R42）与第二运算放大器（U14B）的反相端相连，且第一运算放大器（U14A）的输出端通过第三十电阻（R30）与第二运算放大器（U14B）的同相端相连；所述第三十电阻（R30）与第二运算放大器（U14B）相连的一端还通过第二十四电阻（R24）与高压地（GND3）相连；第二运算放大器（U14B）的反相端通过第二十电容（C20）与第二运算放大器（U14B）的输出端相连；

第二运算放大器（U14B）的反相端通过第四十五电阻（R45）的比较电路的一端相连，且第二运算放大器（U14B）的输出端与比较电路的另一端相连，比较电路的输出端与光耦晶闸管（U20）一次回路的一端相连，所述光耦晶闸管（U20）一次回路的另一端通过第三十七电阻（R37）与隔离电压电路内的隔离电压输出端相连；光耦晶闸管（U20）二次回路的一端与地（GND）相连，光耦晶闸管（U20）二次回路的另一端通过第三十八电阻（R38）与电源VCC相连，并形成转换输出端；比较电路与隔离电压电路的隔离电压输出端相连；

第二运算放大器（U14B）根据第二十电容（C20）上的电压值向比较电路输出调节信号，比较电路根据调节信号调整比较电路输出端的输出状态及第四十五电阻（R45）的连接状态，以在光耦晶闸管的转换输出端得到对应周期的频率信号；

所述比较电路采用555定时器，第二运算放大器（U14B）的反相端通过第四十五电阻（R45）与555定时器的DIS端相连；第二运算放大器（U14B）的输出端与555定时器的CVOLT端相连；

555定时器的输出端与光耦晶闸管（U20）一次回路的一端相连，555定时器的RST端与第三十九电阻（R39）及第七十八电容（C78）的一端相连，所述第七十八电容（C78）的另一端与高压地（GND3）相连，第三十九电阻（R39）与555定时器的RST端相连的另一端与定时器的TRIG端相连，并通过第四十电阻（R40）与高压地（GND3）相连，且通过第五十一电阻（R51）与555定时器的THR相连；555定时器的VCC端与555定时器的RST端相互连接；所述第三十九电阻（R39）与555定时器的RST相连的一端与隔离电压电路内的隔离电压输出端相连。

2.根据权利要求1所述的用于光伏电站电压测量中的电压频率转换高压隔离电路，其特征是：所述隔离电压电路包括隔离电源（U12），所述隔离电源（U12）的Vin端与电源VCC相连，隔离电源（U12）的GND端接地；隔离电源（U12）的0V端与高压地（GND3）相连，隔离电源（U12）的VO端通过第二电感（L2）分别与第二十一电阻（R21）的一端相连，所述第二十一电阻（R21）的另一端与高压地（GND3）相连，所述第二十一电阻（R21）的两端并联有第七十七电容（C77）；所述第二电感（L2）与第二十一电阻（R21）、第七十七电容（C77）相连的端部形成隔离电压输出端。

3.根据权利要求1所述的用于光伏电站电压测量中的电压频率转换高压隔离电路，其特征是：所述第二十五电阻（R25）与分压电阻相连的一端还与二极管（TVS1）的阴极端相连，所述二极管（TVS1）的阳极端与高压地（GND3）及第七十九电容（C79）的一端相连，所述第七十九电容（C79）与二极管（TVS1）相连的另一端与隔离电压电路内的隔离电压输出端相连。

4.根据权利要求1所述的用于光伏电站电压测量中的电压频率转换高压隔离电路，其特征是：所述分压电阻包括依次串接的第四十四电阻（R44），所述第四十四电阻（R44）与第四十一电阻（R41）、第十八电阻（R18）、第四十三电阻（R43）、第四十六电阻（R46）、第四十七电阻（R47）及第四十八电阻（R48）。

5.根据权利要求1所述的用于光伏电站电压测量中的电压频率转换高压隔离电路，其特征是：所述第一运算放大器（U14A）与第二运算放大器（U14B）均采用单电源轨对轨运算放大器。

6.根据权利要求1所述的用于光伏电站电压测量中的电压频率转换高压隔离电路，其特征是：所述隔离电压电路包括隔离电源（U12），所述隔离电源（U12）采用IB0505LS-W75的电源模块。