CN105450050B - 电解电容串上电电阻的软上电整流电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电解电容串上电电阻的软上电整流电路，可以应用于采用AC‑DC变换器作为前级电路的应用领域，包括整流单元、比较单元和驱动单元，其中：整流单元用以完成单相整流过程，比较单元用以判断直流回路限流电阻切除条件，驱动单元用以完成软上电电阻切除控制；所述整流单元，包括四只功率二极管PD1‑PD4、一只功率MOSFET PS1、一只热敏电阻PTC1、一只电解电容EC1和三只分压电阻R1‑R3。本发明电解电容串上电电阻的软上电整流电路，能够同时实现软上电和单相整流，具有电路简单、功能齐全和成本低廉等优点。

Description

电解电容串上电电阻的软上电整流电路

技术领域

本发明涉及电力电子变换技术领域的一种单相整流电路，具体地，涉及一种电解电容串上电电阻的软上电整流电路。

背景技术

对含有二极管整流电路的交流电源供电电力电子变换设备，如变频器以及变频家电，需要考虑软上电问题。否则由于初始电解电容压为零，在上电阶段电力电子变换装置就会出现过流故障，造成后级变换器过压击穿和空气开关动作。

在常用的上电限流措施中，大都采用在交流或直流线路中增加限流电阻的方法，具体包括三种方式：(1)直流侧或交流火线上串联限流电阻，上电时限流，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，上电时限流，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，上电结束后保留。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200W以下的应用场合。为此，对于大功率应用场合，需要改进现有的上电限流方法，彻底解决上电冲击电流问题。

经过对现有技术的检索发现，张相军等在2011年6月的“电机与控制学报”文章中，在总结了两种传统的软启动电路后，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。发明专利“电力变换装置”(P2001—238459A)公开了一种改变单纯二极管整流桥为高端、低端或全桥为晶闸管的整流桥，并使得晶闸管并联合适的电阻和二极管支路，为此可以实现软上电功能，上电结束后晶闸管导通，触发角为零，起到二极管作用。

为了减少体积，往往上电功率电阻常用热敏电阻PTC代替。对于频繁启停的电力电子变换装置而言，PTC热敏电阻会因发热失去限流作用，严重时造成整流桥后级接入的开关电源失电，由此造成控制电路失电，整个设备无法工作。

综合以上，对软上电的整流电路现有电路结构的检索发现，目前阶段仍然需要推出集成有驱动单元和软上电功能的新型整流电路，同时具备结构简单、功能齐全和成本低廉等优势。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种电解电容串上电电阻的软上电整流电路，能够同时实现软上电和单相整流，同时具有电路结构简单、控制容易等优点。

为实现以上目的，本发明提供了一种电解电容串上电电阻的软上电整流电路，可以应用于采用AC-DC变换器作为前级电路的应用领域，包括整流单元、比较单元和驱动单元，其中：整流单元用以完成单相整流过程，比较单元用以判断直流回路上电电阻切除条件，驱动单元用以完成软上电电阻切除控制。

所述整流单元，包括四只功率二极管PD1—PD4、一只功率MOSFET(含有反并联的续流二极管)PS1、一只热敏电阻PTC1、一只电解电容EC1和三只分压电阻R1、R2、R3；其中：第一只功率二极管PD1的阴极与第三只功率二极管PD3的阴极相连后，形成直流回路正极，并与电解电容EC1的正极和第一只分压电阻R1的一端相连，第一只功率二极管PD1的阳极与第二只功率二极管PD2的阴极相连后，与单相交流电源的一端相连；

第三只功率二极管PD3的阳极与第四只功率二极管PD4的阴极相连后，与单相交流电源的另一端相连；第二只功率二极管PD2的阳极与第四只功率二极管PD4的阳极相连后，与功率MOSFET PS1的源极、热敏电阻PTC1的一端、第三只分压电阻R3的一端、比较单元中第五只电阻R5的一端相连，形成直流回路负极；功率MOSFET PS1的门极与驱动电路中第十五只电阻R15的一端相连，第一只功率二极管PD1与第二只功率二极管PD2构成整流单元的第一个桥臂，第三只功率二极管PD3与第四只功率二极管PD4构成整流单元的第二个桥臂，第一只分压电阻R1的另一端与第二只分压电阻R2的一端相连，第三只分压电阻R3的另一端与第二只分压电阻R2的另一端、比较单元中第四只电阻R4的一端相连。

所述比较单元，包括两只运算放大器A1、A2、三只电容C1、C2、C3和七只电阻R4-R10；其中，第四只电阻R4的另一端与第一只运算放大器A1的反相输入端、第一只电容C1的一端、第六只电阻R6的一端相连，第五只电阻R5的另一端与第一只运算放大器A1的非反相输入端、第二只电容C2的一端、第七只电阻R7的一端相连，第二只电容C2的另一端、第七只电阻R7的另一端与功率地相连；第一只电容C1的另一端、第六只电阻R6的另一端、第八只电阻R8的一端、第一只运算放大器A1的输出端相连，第八只电阻R8的另一端与第三只电容C3的一端、第二只运算放大器A2的反相输入端相连，第三只电容C3的另一端与功率地相连，第二只运算放大器A2的非反相输入端与第九只电阻R9的一端、第十只电阻R10的一端相连，第二只运算放大器A2的输出端与第九只电阻R9的另一端相连后，与驱动电路中的第十一只电阻R11的一端相连，第十只电阻R10的另一端与功率地相连，

所述驱动单元，包括五只电阻R11-R15、一只光电耦合器OC1、二只电容C4、C5、一只普通二极管D1和一只晶体管TR1，其中，第十一只电阻R11的另一端与第十二只电阻R12的一端、第四只电容C4的一端、晶体管TR1的基极相连，第十二只电阻R12的另一端、第四只电容C4的另一端、晶体管TR1的发射极相连后与功率地相连，晶体管TR1的集电极与光电耦合器OC1的第二引脚相连，光电耦合器OC1的第一引脚与+15V驱动电源相连，光电耦合器OC1的第四引脚与+15V驱动电源相连，光电耦合器OC1的第三引脚与第五只电容C5的一端、第十四只电阻R14的一端、第一只普通二极管D1的阴极、第十五只电阻R15的一端相连，第五只电容C5的另一端、第十四只电阻R14的另一端、第一只普通二极管D1的阳极与功率地相连，第十五只电阻R15的另一端与驱动电路中功率MOSFET PS1的门极相连。

本发明上述的电解电容串上电电阻的软上电整流电路，其中整流单元用以完成单相整流过程，具有明显的创新点。在上电过程中，在交流电源和由功率二极管PD1—PD4构成的整流桥供电下，电解电容EC1与热敏电阻PTC1构成RC充电支路，电解电容EC1端电压呈现近似指数规律上升，实现软上电过程。电解电容EC1端电压，即直流汇回路电压由比较单元检测和判断。当电解电容EC1端电压接近单相电源电压峰值附近时，驱动单元发生作用，使得功率MOSFET PS1触发导通，短接热敏电阻PTC1，使得整个整流电路转换为自然整流电路。由于将上电机构设置在直流低端，使得功率MOSFET PS1的触发非常容易，而且可以采用后级逆变器负载的驱动电源和工作电源，实现单电源供电，不仅降低成本，减少占地，而且还可以降低由多路输出开关电源带来的EMI。采用功率MOSFET PS1导通与关断无机械触点，可以消除火花，而且功率MOSFET PS1的导通电阻非常低，器件损耗小。此外，由于功率MOSFETPS1导通与关断可控，因此可以调节通断比例，可以实现在上电过程中电解电容EC1端电压上升曲线可控，可以实现位移因数为1的功率因数校正，减少上电过程中无功电流和畸变电流的产生。

与现有技术相比，本发明还具有如下的有益效果：

(1)整流单元可以支持整周波的软上电功能，在软上电中，当直流电压接近网压峰值时，驱动单元提供功率MOSFET驱动功能，自动短接上电电阻；

(1)电路简单，控制容易，成本低廉。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的电路原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种电解电容串上电电阻的软上电整流电路，可以应用于采用AC-DC变换器作为前级电路的应用领域，包括整流单元1、比较单元2和驱动单元3，其中：整流单元用以完成单相整流过程，比较单元用以判断直流回路限流电阻切除条件，驱动单元用以完成软上电电阻切除控制。

所述整流单元1，包括四只功率二极管PD1—PD4、一只功率MOSFET(含有反并联的续流二极管)PS1、一只热敏电阻PTC1、一只电解电容EC1和三只分压电阻R1、R2、R3；其中：第一只功率二极管PD1的阴极与第三只功率二极管PD3的阴极相连后，形成直流回路正极，并与电解电容EC1的正极和第一只分压电阻R1的一端相连，第一只功率二极管PD1的阳极与第二只功率二极管PD2的阴极相连后，与单相交流电源的一端相连；

第三只功率二极管PD3的阳极与第四只功率二极管PD4的阴极相连后，与单相交流电源的另一端相连；第二只功率二极管PD2的阳极与第四只功率二极管PD4的阳极相连后，与功率MOSFET PS1的源极、热敏电阻PTC1的一端、第三只分压电阻R3的一端、比较单元中第五只电阻R5的一端相连，形成直流回路负极；功率MOSFET PS1的门极与驱动电路中第十五只电阻R15的一端相连，第一只功率二极管PD1与第二只功率二极管PD2构成整流单元的第一个桥臂，第三只功率二极管PD3与第四只功率二极管PD4构成整流单元的第二个桥臂，第一只分压电阻R1的另一端与第二只分压电阻R2的一端相连，第三只分压电阻R3的另一端与第二只分压电阻R2的另一端、比较单元中第四只电阻R4的一端相连。

所述比较单元2，包括两只运算放大器A1、A2、三只电容C1、C2、C3和七只电阻R4-R10；其中，第四只电阻R4的另一端与第一只运算放大器A1的反相输入端、第一只电容C1的一端、第六只电阻R6的一端相连，第五只电阻R5的另一端与第一只运算放大器A1的非反相输入端、第二只电容C2的一端、第七只电阻R7的一端相连，第二只电容C2的另一端、第七只电阻R7的另一端与功率地相连；第一只电容C1的另一端、第六只电阻R6的另一端、第八只电阻R8的一端、第一只运算放大器A1的输出端相连，第八只电阻R8的另一端与第三只电容C3的一端、第二只运算放大器A2的反相输入端相连，第三只电容C3的另一端与功率地相连，第二只运算放大器A2的非反相输入端与第九只电阻R9的一端、第十只电阻R10的一端相连，第二只运算放大器A2的输出端与第九只电阻R9的另一端相连后，与驱动电路中的第十一只电阻R11的一端相连，第十只电阻R10的另一端与功率地相连，

所述驱动单元，包括五只电阻R11-R15、一只光电耦合器OC1、二只电容C4、C5、一只普通二极管D1和一只晶体管TR1，其中，第十一只电阻R11的另一端与第十二只电阻R12的一端、第四只电容C4的一端、晶体管TR1的基极相连，第十二只电阻R12的另一端、第四只电容C4的另一端、晶体管TR1的发射极相连后与功率地相连，晶体管TR1的集电极与光电耦合器OC1的第二引脚相连，光电耦合器OC1的第一引脚与+15V驱动电源相连，光电耦合器OC1的第四引脚与+15V驱动电源相连，光电耦合器OC1的第三引脚与第五只电容C5的一端、第十四只电阻R14的一端、第一只普通二极管D1的阴极、第十五只电阻R15的一端相连，第五只电容C5的另一端、第十四只电阻R14的另一端、第一只普通二极管D1的阳极与功率地相连，第十五只电阻R15的另一端与驱动电路中功率MOSFET PS1的门极相连。

本实施例中个元器件的具体选型：

供电电源：单相交流电源220V；

负载功率：2.5kW，

功率二极管(PD1—PD4)：600V，25A/100℃；

电解电容(EC1)：400V，3300μF，插件；

功率MOSFET(PS1)：600V，25A/100℃；

温敏电阻(PTC1)：49Ω/100℃，10W；

光电耦合器(OC1)：PC817D；

晶体管(TR1)：9013；

运算放大器(A1、A2)：LM224或LM358；

普通二极管(D1)：1N4148；

电容(C1、C2、C3、C4、C5)：10nF，50V；

分压电阻(R1、R2、R3)：分别为150kΩ、150kΩ、7.5kΩ；

电阻(R4、R5、R6、R7)：10kΩ；

电阻(R8)：1kΩ；

分压电阻(R9、R10)：10kΩ；

电阻(R11)：1kΩ；

电阻(R12)：10kΩ；

电阻(R13)：5kΩ；

电阻(R14)：10kΩ；

驱动电阻(R15)：15Ω；

本实施例整个电路具体工作过程为：当单相交流电源(220V)接通时，通过四只功率二极管PD1—PD4构成的整流桥对电解电容EC1整流充电，首先电解电容EC1与第一只温敏电阻PTC1构成阻容充电支路，电解电容EC1的电压缓慢上升，引起的网测电流较小，不至于引起电路故障。随着电解电容EC1的电压上升，大致140V时，整个电路的开关电源开始起振，提供+15V和-15V驱动电源和工作电源。当电解电容EC1的电压上升接近网压峰值时，大致300V时，第三分压电阻R3分得足够电压，送入后级比较单元中以运算放大器A1为核心的差动放大器，输出反相放大滤波后的电压，再次送入后级滞环比较器，输出正电压+15V，送入后级驱动单元，首先使得晶体管和光电耦合器导通，光电耦合器输出+15V驱动信号，该信号送入整流单元中的功率MOSFET门极，功率MOSFET导通，短接第一只温敏电阻PTC1，整流单元进入到正常不控整流状态。功率MOSFET的导通压降很低，导通损耗较低，功率损失比重很小。

鉴于本发明描述的技术为自动的软上电整流电路，因此适合稳定的单相交流输入电压情况。

本发明能够实现可控软上电，具有电路结构简单、使用器件数量少，简化电路设计和降低成本的优点。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (2)

1.一种电解电容串上电电阻的软上电整流电路，包括整流单元、比较单元和驱动单元，其中：整流单元用以完成单相整流过程，比较单元用以判断直流回路上电电阻切除条件，驱动单元用以完成软上电电阻切除控制；其特征在于：

所述整流单元，包括四只功率二极管PD1-PD4、一只功率MOSFET PS1、一只热敏电阻PTC1、一只电解电容EC1和三只分压电阻R1-R3；其中：第一只功率二极管PD1的阴极与第三只功率二极管PD3的阴极相连后，形成直流回路正极，并与电解电容EC1的正极和第一只分压电阻R1的一端相连，第一只功率二极管PD1的阳极与第二只功率二极管PD2的阴极相连后，与单相交流电源的一端相连；

第三只功率二极管PD3的阳极与第四只功率二极管PD4的阴极相连后，与单相交流电源的另一端相连；第二只功率二极管PD2的阳极与第四只功率二极管PD4的阳极相连后，与功率MOSFET PS1的源极、热敏电阻PTC1的一端、第三只分压电阻R3的一端、比较单元中第五只电阻R5的一端相连，形成直流回路负极；功率MOSFET PS1的门极与驱动单元中第十五只电阻R15的一端相连，第一只功率二极管PD1与第二只功率二极管PD2构成整流单元的第一个桥臂，第三只功率二极管PD3与第四只功率二极管PD4构成整流单元的第二个桥臂，第一只分压电阻R1的另一端与第二只分压电阻R2的一端相连，第三只分压电阻R3的另一端与第二只分压电阻R2的另一端相连；

所述比较单元，包括两只运算放大器A1-A2、三只电容C1-C3和七只电阻R4-R10；其中：第四只电阻R4的一端与第三只分压电阻R3的另一端相连，第四只电阻R4的另一端与第一只运算放大器A1的反相输入端、第一只电容C1的一端、第六只电阻R6的一端相连，第五只电阻R5的另一端与第一只运算放大器A1的非反相输入端、第二只电容C2的一端、第七只电阻R7的一端相连，第二只电容C2的另一端、第七只电阻R7的另一端与功率地相连；第一只电容C1的另一端、第六只电阻R6的另一端、第八只电阻R8的一端、第一只运算放大器A1的输出端相连，第八只电阻R8的另一端与第三只电容C3的一端、第二只运算放大器A2的反相输入端相连，第三只电容C3的另一端与功率地相连，第二只运算放大器A2的非反相输入端与第九只电阻R9的一端、第十只电阻R10的一端相连，第二只运算放大器A2的输出端与第九只电阻R9的另一端相连，第十只电阻R10的另一端与功率地相连；

所述驱动单元，包括五只电阻R11-R15、一只光电耦合器OC1、二只电容C4-C5、一只普通二极管D1和一只晶体管TR1，其中：第二只运算放大器A2的输出端与第九只电阻R9的另一端相连后，再与第十一只电阻R11的一端相连，第十一只电阻R11的另一端与第十二只电阻R12的一端、第四只电容C4的一端、晶体管TR1的基极相连，第十二只电阻R12的另一端、第四只电容C4的另一端、晶体管TR1的发射极相连后与功率地相连，晶体管TR1的集电极与光电耦合器OC1的第二引脚相连，光电耦合器OC1的第一引脚经第十三只电阻R13与+15V驱动电源相连，光电耦合器OC1的第四引脚与+15V驱动电源相连，光电耦合器OC1的第三引脚与第五只电容C5的一端、第十四只电阻R14的一端、第一只普通二极管D1的阴极、第十五只电阻R15的一端相连，第五只电容C5的另一端、第十四只电阻R14的另一端、第一只普通二极管D1的阳极与功率地相连，第十五只电阻R15的另一端与功率MOSFET PS1的门极相连。

2.根据权利要求1所述的电解电容串上电电阻的软上电整流电路，其特征在于：所述功率MOSFET，含有反并联的续流二极管。