CN105322773A - 缓启动电路及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种缓启动电路及其操作方法。缓启动电路电性耦接于电源及操作电路之间，并用以于电源启动时保护操作电路。缓启动电路包含开关模块以及限流模块，开关模块包含开关单元及侦测单元。开关单元用以根据控制模块产生的控制信号决定开关单元的第一开关状态；侦测单元电性串联于开关单元，并用以侦测流经开关单元的电流，使得控制模块可根据所述电流判断开关单元的第二开关状态；限流模块电性并联于开关模块；当第一开关状态与第二开关状态不同时，控制模块使操作电路停止运作。

Description

缓启动电路及其操作方法

技术领域

本发明涉及一种缓启动电路，且特别涉及一种具保护功能且能应用于变频器系统的缓启动电路。

背景技术

一般而言，当连接至电子装置的电源瞬间启动时，因电源瞬间进入供电状态，电源的电压变化会造成过大的涌浪电流(inrushcurrent)流进电子装置，使得电子装置内的操作电路损坏的机率大幅增加。为解决上述问题，电子装置内通常会设置缓启动电路于电源与操作电路之间，用以于电源启动时降低涌浪电流的电流大小，并于操作电路与缓启动电路间设置电流侦测单元，用以侦测流进操作电路的电流大小。然而，当缓启动电路无法正常运作的情况下，电源启动时涌浪电流仍有可能造成操作电路的损坏。

一并参照图1A及图1B，图1A是绘示一缓启动电路100的示意图，缓启动电路100耦接于电源102与操作电路104之间，并包含具辅助接点的开关单元106及限流单元108，具辅助接点的开关单元106电性并联于限流单元108。于电源102启动时，缓启动电路100的开关单元106保持开路，电源102将流经限流单元108至操作电路104，由于限流单元108具高阻抗，故涌浪电流的电流大小能有效地被降低。随后，当电路稳定供电后，控制模块110将传送控制信号以闭合开关单元106，使得电源102提供的电流流经开关单元106至操作电路104，进而使得操作电路104正常运作。其中，如图1B所示，图1B是绘示具辅助接点的开关单元106的示意图，开关单元106包含开关114及辅助接点116，隔离开关侦测电路112将侦测开关单元106的辅助接点116，来判断开关114的开关状态，控制模块110可根据隔离开关侦测电路112侦测辅助接点116所回传的信号来判断开关单元106(即开关114)的开关状态。

因此，控制模块110可根据控制信号及隔离开关侦测电路112回传的信号来判断开关单元106是否失效，进而判断缓启动电路100是否正常运作。当开关单元106失效时，控制模块110将进行保护处置以保护限流单元108及操作电路104。

然而，具辅助接点的开关单元106通常价格较高，且需另连接于辅助接点及控制模块间的额外电路，因此，所述缓启动电路具较高的制作成本。

在另一种传统作法中，一并参照图1C及图1D，图1C是绘示一缓启动电路120的示意图。缓启动电路120使用一般开关单元122，但在限流单元108的两端另电性并联缓启动保护侦测电路124，用以侦测是否有过大的电流持续流经限流单元108，藉以避免限流单元108损毁。如图1D所示，图1D是绘示缓启动保护侦测电路108的示意图，缓启动保护侦测电路124电性并联于限流单元108以侦测流经限流单元108的电流，而开关单元122包含一开关126，但不包含如图1B所示的辅助接点116。

举例来说，于一般操作下(即非电源启动时)，若仍有过大的电流流经限流单元108，代表开关单元122已失效，缓启动保护侦测电路124将回传信号至控制模块110，控制模块110将据此进行保护处置以保护限流单元108及操作电路104。然而，额外的缓启动保护侦测电路124亦使缓启动电路120具较高的制作成本。

综上所述，为降低缓启动电路的制作成本并同时侦测缓启动电路是否正常运作，需要一种更有效率的电路配置。

发明内容

本发明提供一种缓启动电路及其操作方法，藉以保护缓启动电路本身及耦接至缓启动电路的操作电路。此外，本发明提供的缓启动电路及其操作方法亦可防止耦接于缓启动电路的前级电路(例如:整流电路)的损坏。

本发明的一方面是有关一种缓启动电路。缓启动电路电性耦接于电源及操作电路之间，并用以于电源启动时保护操作电路。缓启动电路包含开关模块以及限流模块，开关模块包含开关单元及侦测单元。开关单元用以根据控制模块产生的控制信号决定开关单元的第一开关状态；侦测单元电性耦接至开关单元，并用以侦测开关单元流经开关单元的电流，使得控制模块根据电流判断开关单元的第二开关状态；限流模块电性并联于开关模块；当第一开关状态与第二开关状态不同时，控制模块使操作电路停止运作。

本发明的另一方面是有关一种适用于缓启动电路的操作方法，其中，缓启动电路电性耦接于电源及操作电路之间，并包含开关模块以及限流模块，开关模块包含电性串联的开关单元及侦测单元，限流模块电性并联于开关模块。操作方法包含下列步骤：决定开关单元的第一开关状态；藉由侦测单元侦测流经开关单元的电流；根据所述电流判断开关单元的第二开关状态；以及当第一开关状态与第二开关状态不同时，停止运作操作电路。

以下将以实施方式对上述的说明作详细的描述，并对本发明的技术方案提供更进一步的解释。

附图说明

为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，说明书附图的说明如下：

图1A是绘示一缓启动电路的示意图；

图1B是绘示具辅助接点的开关单元的示意图；

图1C是绘示一缓启动电路的示意图；

图1D是绘示缓启动保护侦测电路的示意图；

图2A是依据本发明一实施例所绘示的缓启动电路的示意图；

图2B是依据本发明一实施例所绘示的缓启动电路的操作方法流程图；

图2C是依据本发明一实施例所绘示的缓启动电路的信号时序图；

图2D是依据本发明另一实施例所绘示的缓启动电路的信号时序图；

图3是依据本发明一实施例所绘示的缓启动电路应用于交流电源的电力系统示意图；以及

图4是依据本发明一实施例所绘示的缓启动电路应用于直流电源的电力系统示意图。

附图标记说明：

为让本案内容能更明显易懂，所附符号的说明如下：

100：缓启动电路

102：电源

104：操作电路

106：开关单元

108：限流单元

110：控制模块

112：隔离开关侦测电路

114：开关

116：辅助接点

120：缓启动电路

122：开关单元

124：缓启动保护侦测电路

126：开关

200：缓启动电路

202：电源

204：操作电路

206：开关模块

208：限流模块

210：开关单元

212：侦测单元

214：控制模块

S202、S204、S206、S208：步骤

300：电力系统

310：电源供应器

311～313：交流电源

320：滤波器

321～323：电感

330：缓启动器

340：变频器

341～346：晶体管

347：电容

400：电力系统

410：整流器

420：去耦合电容

430：电源转换器

431～436：晶体管

具体实施方式

本发明将在本说明书中利用随附图示的参考更充分地陈述，其中随附图示绘有本发明的实施方式。然而本发明以许多不同形式实现而不应受限于本说明书陈述的实施方式。这些实施方式的提出令本说明书详尽且完整，而将充分表达本发明范围予本发明所属技术领域的技术人员。本文中相同的参考编号意指相同的元件。

关于本文中所使用的“第一”、“第二”、…等，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本发明，其仅仅是为了区别以相同技术用语描述的元件或操作而已。关于本文中所使用的“模块”及“单元”并非特别指相对大小的意思，亦非用以限定本发明。

图2A是依据本发明一实施例所绘示的缓启动电路200的示意图。缓启动电路200电性耦接于电源202及操作电路204之间，当电源202启动时，缓启动电路200用以降低因电源202瞬间启动时所产生的涌浪电流(inrushcurrent)，进而防止操作电路204受到涌浪电流的破坏。在本实施例中，操作电路204可例如为电源转换电路。

缓启动电路200包含开关模块206及限流模块208，其中，开关模块206电性并联于限流模块208，开关模块206及限流模块208分别提供第一电流路径及第二电流路径。于电源202启动时，电源202输出的电流流经由限流模块208所提供的第二电流路径；当电源202稳定供电后或当操作电路204的输出已到达一定的直流电压电平时，开关模块206将导通，使得电源202输出的电流流经由开关模块206所提供的第一电流路径。相较于第一电流路径，限流模块208提供的第二电流路径具较高的阻抗，藉以降低电源202启动的瞬间所产生的涌浪电流。

开关模块206包含开关单元210及侦测单元212，开关单元210串联侦测单元212，开关单元210及侦测单元212分别电性连接至控制模块214。开关单元210包含第一端、第二端及控制端，侦测单元212包含第一端、第二端及回授端，限流模块208包含第一端及第二端。其中，开关单元210的第一端电性连接于限流模块208的第一端，开关单元210的第二端电性连接于侦测单元212的第一端，开关单元210的控制端电性连接于控制模块214，侦测单元212的第二端电性连接于限流模块208的第二端，侦测单元212的回授端电性连接于控制模块214。在本实施例中，开关单元210的第一端电性电性耦接于电源202，侦测单元212的第二端电性耦接至操作电路204。

在一些实施例中，开关单元210与侦测单元212连接的顺序可互换，换言之，开关单元210的第一端电性耦接于操作电路204，侦测单元212的第二端电性耦接至电源202。

开关单元210的控制端用以接收控制模块214产生的控制信号，并根据控制信号决定开关单元210的第一开关状态。在本实施例中，控制信号可为一位元的信号，当控制信号具逻辑高电平(即逻辑1)时，第一开关状态将对应至闭合的开关单元210，当控制信号具逻辑低电平(即逻辑0)时，第一开关状态将对应至开路的开关单元210，但控制信号的设定不以此为限。

在一些实施例中，控制信号亦可为脉冲宽度调变信号，当脉冲宽度调变信号超过一特定工作周期(dutycycle)时，第一开关状态将对应至闭合的开关单元210。举例来说，当工作周期为75％，而特定工作周期为50％时，第一开关状态将对应至闭合的开关单元210。

在一些实施例中，第一开关状态亦可称为给定开关状态。

侦测单元212用以侦测流经开关单元210的电流大小，藉以传送对应于所述电流大小的电流信号至控制模块214，值得注意的是，侦测单元212于侦测流经开关单元210的电流大小时，并不会侦测到流经限流模块208的电流大小，因此，控制模块214可根据电流信号精确地判断开关单元210的第二开关状态。举例来说，当电流信号对应的电流大小超过阈值电流时，控制模块214将判断第二开关状态为闭合，当电流信号对应的电流未超过阈值时，控制模块214将判断第二开关状态为开路。

在一些实施例中，阈值电流(Thresholdcurrent)可根据操作电路204所需的电流大小所设置。

值得注意的是，第一开关状态是由控制模块214所设定，而第二开关状态是由控制模块214根据开关单元210实际流经的电流所判断，因此，控制模块214同时具有第一开关状态及第二开关状态的信息，可进一步比较第一开关状态与第二开关状态以判断开关单元210是否失效。举例来说，当第一开关状态为逻辑高电平时(对应至开关单元210闭合)，且第二开关状态为逻辑高电平时(对应至开关单元210闭合)，控制模块214判断开关单元210为正常运作。反之，当第一开关状态为逻辑高电平时，而第二开关状态为低逻辑电平时(对应至开关单元210开路)，控制模块214判断开关单元210为失效。

在一些实施例中，限流模块208可为电阻或电感。

在一些实施例中，开关单元210可为继电器或电磁阀开关。

在一些实施例中，侦测单元212可为电流侦测单元或电压侦测(shunt)单元。

在一些实施例中，控制模块214可为中央处理器(CentralProcessingUnit，CPU)、控制元件(controlunit)、微处理器(microprocessor)或其他可执行指令的硬件元件。

一并参照图2B，图2B是依据本发明一实施例所绘示的缓启动电路200的操作方法流程图，于步骤S202中，控制模块214根据传送至开关单元210的控制信号确定开关单元210的第一开关状态；于步骤S204中，侦测单元212侦测流经开关单元210的电流并据此产生电流信号至控制模块214，控制模块214进一步比较电流信号对应的电流大小与一阈值电流，藉以判断开关单元210实际的第二开关状态；于步骤S206中，控制模块214进一步比较第一开关状态及第二开关状态是否相符，若是，则回到步骤S202，若否，则进入步骤S208；于步骤S208中，因第一开关状态及第二开关状态并不相同，表示开关单元210已失效，亦即缓启动电路200失去原先的功能，此时，控制模块214将停止操作电路204运作。

在一些实施例中，当缓启动电路200失去原先的功能，控制模块214将关闭电源202。

一并参照图2C及图2D。图2C是依据本发明一实施例所绘示的缓启动电路200的信号时序图，图2D是依据本发明另一实施例所绘示的缓启动电路200的信号时序图。于图2C及图2D中，控制信号于逻辑高电平时，代表第一开关状态为闭合，控制信号于逻辑低电平时，对代表第一开关状态为开路。另一方面，控制模块214将判断电流信号对应的电流大小是否超过阈值电流，若是，控制模块214判断第二开关状态为为闭合，若否，控制模块214判断第二开关状态为开路。

如图2C所示，电源202在时间点t0时启动，控制信号为逻辑低电平，代表开关单元210的第一开关状态为开路，另一方面，由于侦测单元212侦测的电流信号所对应的电流大小并未大于阈值电流，开关单元210的第二开关状态为开路。此时，第一开关状态与第二开关状态相符，故控制模块214判断开关单元210为正常运作。此时，电源202输出的电流将流经限流模块208提供的第二电流路径至操作电路204。

在时间点t1时，控制信号变为逻辑高电平，代表开关单元210的第一开关状态为闭合，此时，侦测单元212侦测的电流信号对应的电流大小大于阈值电流，控制模块214藉此判断开关单元210的第二开关状态为闭合。由于第一开关状态及第二开关状态相符，故控制模块214亦判断开关单元210为正常运作。此时，电源202输出的电流将流经开关模块206提供的第一电流路径至操作电路204。

时间点t2至时间点t3的信号状态类似于时间点t0至时间点t1的信号状态，时间点t3至时间点t4的信号状态类似于时间点t1至时间点t2的信号状态。

于时间点t4时，控制信号变为逻辑低电平，代表开关单元210的第一开关状态为开路，然而，侦测单元212侦测的电流信号所对应的电流大小依旧超过阈值电流，控制模块214判断开关单元210的第二开关状态为闭合。此时，由于第一开关状态与第二开关状态并未相符，故控制模块214判断开关单元210为异常，并将电源202关闭，藉以保护操作电路204。

在图2C所示的异常情况中，通常是因为开关单元210已经沾粘或是控制模块214连接至开关单元210的线路已经异常，造成开关单元210的机械式结构无法顺利打开，此时，若电源202重新启动，由于开关单元210持续保持闭合，电源202输出的电流将流经开关模块206提供的第一电流路径，而不是流经限流模块208(具较高阻抗)提供的第二电流路径，因此，电源202输出的电流(即涌浪电流)将可能造成操作电路204的毁坏。

如图2D所示，时间点t0至时间点t3的信号状态变化类似于图2C中时间点t0至时间点t3的信号状态变化。

于时间点t3时，控制信号变为逻辑高电平，代表开关单元210的第一开关状态为闭合。然而，侦测单元212侦测的电流信号所对应的电流并未超过阈值电流，控制模块214判断开关单元210的第二开关状态为开路，此时，由于第一开关状态与第二开关状态并未相符，故控制模块214判断开关单元210为异常，进而停止运作操作电路204以保护操作电路204及限流模块208。

在一些实施例中，当控制模块214判断开关单元210为异常，控制模块214将关闭电源202。

在图2D所示的异常情况中，通常是因为开关单元210的机械结构已失去原来的功能或是控制模块214连接至开关单元210的线路已经异常，造成开关单元210无法闭合，使得电源202输出的电流持续流经限流模块208，而长时间的电流流经限流模块208将使得限流模块208产生过大的损耗而损坏。

综上所述，本发明提供的缓启动电路200不需要成本较高的开关(如图1B所示的具辅助接点116的开关单元106)或是额外的缓启动保护电路，且藉由缓启动电路200的配置亦使控制模块214能有效地侦测缓启动电路200是否正常运作。

参照图3，图3是依据本发明一实施例所绘示的缓启动电路200应用于交流电源的电力系统300示意图。电力系统300包含电源供应器310、滤波器320、缓启动器330及变频器340。其中，电源供应器310电性连接于滤波器320，滤波器320电性连接于缓启动器330，缓启动器330电性连接于变频器340。

电源供应器310包含交流电源311、312及313，用以提供三相交流电源。滤波器320包含电感321、322及323，用以滤波三相交流电源。

在一些实施例中，本发明缓启动电路可应用于主动滤波器(activepowerfilter)、静态功因补偿器(staticvarcompensator,SVC)、静态功因补偿器(staticvarcompensator,SVC)、主动式前级(activefrontend,AFE)、电源回升模块(Regenerativeunit,REG)或环境管理系统(environmentalmanagementsystem,EMS)。

缓启动器330包含三个同于图2A所示的缓启动电路200，缓启动器330用以降低交流电源311、312及313于启动时所产生的涌浪电流。举例来说，缓启动器330中上方的缓启动电路200是用以降低交流电源311于启动时所产生的涌浪电流。

在一些实施例中，三个缓启动电路200分别的控制模块214可实作成单一控制模块。

在一些实施例中，缓启动器330可只包含一个或二个同于图2A所示的缓启动电路200，缓启动电路200可设置于交流电流311、312、313与变频器340的三个路径中的其中任一者或任二者。

变频器340包含六个晶体管341～346及电容347，晶体管341～346可例如为绝缘栅双极性晶体管(IGBT)或是可例如为金属氧化物半导体场效晶体管(Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor,MOSFET)。

在一些实施例中，电容347可为一电池。

参照图4，图4是依据本发明一实施例所绘示的缓启动电路200应用于直流电源的电力系统400示意图。电力系统400包含电源供应器310、整流器410、缓启动电路200、去耦合电容420以及电源转换器430。其中，电源供应器310电性连接于整流器410，整流器410电性连接于缓启动电路200、去耦合电容420及电源转换器430，缓启动电路200电性连接于电源转换器430。

在一些实施例中，去耦合电容420亦称作为储能电容。

电源供应器310用以提供三相交流电源，整流器410用以将三相交流电源转换成直流电源，电源转换器430用以转换去耦合电容420上储存的能量成另一三相交流电源。

缓启动电路200用以于交流电源311、312及313开启时，防止转换后的直流电源产生过大的涌浪电流流进去耦合电容420或是电源转换器430，藉以保护去耦合电容420或是电源转换器430。另一方面，于交流电源311、312及313开启时，交流电源311、312及313亦会产生涌浪电流流经整流器410，进而造成整流器410的烧毁，因此，缓启动电路200不但可用以保护去耦合电容420或是电源转换器430，亦可用以保护整流器410免于涌浪电流的破坏。

电源转换器430包含六个晶体管431～436，晶体管431～436可例如为绝缘栅双极性晶体管(IGBT)或是可例如为金属氧化物半导体场效晶体管(Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor,MOSFET)。

综上所述，本发明提供的缓启动电路200不但可应用至应用于交流电源的电力系统300亦可应用于直流电源的电力系统400。

功效依据前述实施例可知，应用本发明的缓启动电路200不但能降低制造成本，且能有效地侦测缓启动电路是否正常运作。

虽然本发明已以实施方式公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的变动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (10)

1.一种缓启动电路，电性耦接于一电源及一操作电路之间，用以于该电源启动时保护该操作电路，其中该缓启动电路包含：

一开关模块，包含：

一开关单元，用以根据一控制模块产生的一控制信号决定该开关单元的一第一开关状态；以及

一侦测单元，电性串联至该开关单元，用以侦测流经该开关单元的一电流，使得该控制模块根据该电流判断该开关单元的一第二开关状态；以及

一限流模块，电性并联于该开关模块；

其中，当该第一开关状态与该第二开关状态不同时，该控制模块使操作电路停止运作。

2.如权利要求1所述的缓启动电路，其中，该开关单元包含：

一第一端，电性连接至该限流模块的一第一端；

一第二端，电性连接至该侦测单元的一第一端；以及

一控制端，电性耦接至该控制模块；

其中，该侦测单元的一第二端电性连接至该限流模块的一第二端。

3.如权利要求2所述的缓启动电路，其中，该开关单元的该第一端电性耦接至该电源，该侦测单元的该第二端电性耦接至该操作电路。

4.如权利要求2所述的缓启动电路，其中，该开关单元的该第一端电性耦接至该操作电路，该侦测单元的该第二端电性耦接至该电源。

5.如权利要求1所述的缓启动电路，其中，当该第一开关状态为开路且该第二开关状态为闭合时，或当该第一开关状态为闭合且该第二开关状态为开路时，该控制模块使操作电路停止运作。

6.如权利要求1所述的缓启动电路，其中，该侦测单元为一电流侦测装置或一电压侦测装置。

7.如权利要求1所述的缓启动电路，其中，该限流模块为一电阻或一电感。

8.如权利要求1所述的缓启动电路，其中，该开关单元为一继电器或一电磁阀开关。

9.一种操作方法，适用于一缓启动电路，其中，该缓启动电路接收一电源并包含一开关模块以及一限流模块，该开关模块包含电性串联的一开关单元及一侦测单元，该限流模块电性并联于该开关模块，其中，该操作方法包含：

决定该开关单元的一第一开关状态；

藉由该侦测单元侦测流经该开关单元的一电流；

根据该电流判断该开关单元的一第二开关状态；以及

当该第一开关状态与该第二开关状态不同时，关闭该电源。

10.如权利要求9所述的操作方法，其中，当该第一开关状态为开路且该第二开关状态为闭合时，或当该第一开关状态为闭合且该第二开关状态为开路时，关闭该电源。