CN107834645A - 一种应用于配电自动化终端后备超级电容的充电电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于配电自动化终端后备超级电容的充电电路，涉及配电自动化领域，包括直流电源、斜坡产生电路、三角波产生电路、比较器、驱动电路、mosfet开关管、二极管、电感及超级电容，BUCK直流降压电路由mosfet开关管、二极管、电感构成，BUCK直流降压电路输入端接直流电源正极，BUCK直流降压电路输出端接超级电容正极，BUCK直流降压电路的控制端接驱动电路的输出端，直流电源负极、二极管阳极和超级电容负极分别接地，斜坡产生电路接入比较器的同相输入端，三角波产生电路接入比较器反相输入端，比较器输出端产生的PWM信号接入驱动电路输入端，通过对BUCK直流降压电路进行脉冲宽度调制控制，以控制流过电感电流，达到对超级电容C平缓充电的目的。

Description

一种应用于配电自动化终端后备超级电容的充电电路

技术领域

本发明涉及配电自动化领域，尤其涉及一种应用于配电自动化终端后备超级电容的充电电路。

背景技术

馈线自动化终端(Feeder Terminal Unit，简称FTU)是配电自动化系统与一次设备联结的接口，可根据设定的动作逻辑，在特定条件下控制一次开关设备分合，以达到故障定位、故障隔离和非故障区域快速恢复供电等功能。

按《DL/T 721-2013配电自动化远方终端》要求，FTU一般采用铅酸储电池或超级电容作为后备电源。由于超级电容充功率密度高、充电速度快、放电电流大、使用寿命长、不污染环境等优点，在配电自动化远方终端中得到广泛应用。然而，现阶段一般采用功率电阻限流方式给超级电容充电，这种充电方式充电速度慢、效率低，功率电阻体积大、充电时发热大。在FTU中，该种充电方式的应用受到了很大的局限性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种应用于配电自动化终端后备超级电容的充电电路，采用PWM脉冲宽度调制控制方式，控制BUCK电路输出电压缓慢上升，以达到抑制超级电容充电电流的目的，提高超级电容充电的可靠性。

本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种应用于配电自动化终端后备超级电容的充电电路，包括BUCK直流降压电路、驱动电路、电源、超级电容、比较器、斜坡产生电路、三角波产生电路；BUCK直流降压电路输入端接所述电源正极，BUCK直流降压电路输出端接所述超级电容正极，所述驱动电路的输出端与BUCK直流降压电路控制端连接，所述驱动电路的输入端与比较器的输出端连接，电源负极、超级电容负极分别接地，比较器的同相输入端接所述斜坡产生电路，比较器的反相输入端接所述三角波产生电路。

进一步的，所述BUCK直流降压电路包括mosfet开关管、二极管、电感；所述mosfet开关管的源极分别与二极管的阴极、电感的一端连接，漏极与所述电源的正极连接，栅极与所述驱动电路的输出端连接；所述电感的另一端与所述超级电容的正极连接；所述二极管的阳极接地。

进一步的，所述电源为直流电源。

进一步的，所述比较器产生PWM信号，PWM信号占空比与时间的关系为：

式中，D为PWM信号占空比，0≤D≤1；f(t)为PWM信号占空比与时间的函数；Δt斜坡产生电路上升时间，t为时间的变化量，0≤t≤Δt。

进一步的，BUCK直流降压电路电压输出电压与时间关系为：式中，D为PWM信号占空比，V_o为BUCK直流降压电路输出电压，V_DC为BUCK直流降压电路输入端电压，Δt斜坡产生电路上升时间，t为时间的变化量，0≤t≤Δt。

进一步的，所述电感的取值采用下式表示：

式中，L为电感值，V_o为BUCK直流降压电路输出电压，V_DC为BUCK直流降压电路输入端电压，I_o为流过超级电容的平均电流，f_s为三角波产生电路频率，D为PWM信号占空比。

进一步的，所述超级电容的平均电流的采用下式表示：

式中，I_o为流过超级电容的平均电流，C为超级电容的电容值，V_o为BUCK直流降压电路输出电压，V_DC为BUCK直流降压电路输入端电压，Δt为斜坡产生电路上升时间。

进一步的，所述斜坡产生电路与所述三角波产生电路所产生的信号，经过所述比较器后，产生一个占空比由0％在设定的时间t内线性增加到100％的PWM信号。

进一步的，所述PWM信号接入驱动电路，对BUCK直流降压电路进行脉冲宽度调制控制，以控制流过电感电流I₀，达到对超级电容C平缓充电的目的。

与现有技术相比，本发明所提供的一种应用于配电自动化终端后备超级电容的充电电路，通过对BUCK直流降压电路进行脉冲宽度调制控制，以控制流过电感电流，达到对超级电容平缓充电的目的，解决了现阶段一般采用功率电阻限流方式给超级电容充电存在的充电速度慢、效率低，功率电阻体积大、充电时发热大的问题，使超级电容充电平缓。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是一种应用于配电自动化终端后备超级电容的充电电路的结构示意图；

图2是PWM控制信号产生原理图；

图3是一种应用于配电自动化终端后备超级电容的充电电路的实例仿真图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明所提供的一种应用于配电自动化终端后备超级电容的充电电路，包括由mosfet开关管、二极管D、电感L组合构成BUCK直流降压电路、驱动电路、直流电源、超级电容、比较器、斜坡产生电路、三角波产生电路；

mosfet开关管的源极分别与二极管的阴极、电感的一端连接；BUCK直流降压电路输入端为mosfet开关管的漏极处，BUCK直流降压电路输出端为电感L处，BUCK直流降压电路控制端为mosfet开关管的栅极处，BUCK直流降压电路输入端接直流电源正极，BUCK直流降压电路输出端接超级电容正极，驱动电路输出端与mosfet开关管的栅极连接，驱动电路的输入端与比较器的输出端连接，直流电源负极、二极管的阳极和超级电容负极分别接地，斜坡产生电路接入比较器的同相输入端，三角波产生电路接入比较器反相输入端。

斜坡产生电路与三角波产生电路所产生的信号，经过比较器后，产生一个占空比由0％在设定的时间Δt内线性增加到100％的PWM信号，PWM信号接入驱动电路，控制BUCK直流降压电路输出端电压线性上升，从而抑制超级电容充电电流，达到对超级电容C平缓充电的目的。

斜坡产生电路输出电压大于三解波产生电路输出电压时，比较器输出高电平；斜坡产生电路输出电压小于三解波产生电路输出电压时，比较器输出低电平，通过比较器输出高低电平的组合，产生PWM信号，PWM信号占空比为D(0≤D≤1)，该占空比与时间的函数关系为：式中，f(t)为PWM信号占空比与时间的函数，Δt斜坡产生电路上升时间，t为时间的变化量，0≤t≤Δt。

BUCK直流降压电路输入端接直流电源正极，输入电压恒定为V_DC，BUCK直流降压电路输出端接超级电容正极，BUCK直流降压电路输出电压为V_o。BUCK直流降压电路电压输出电压与时间关系为：式中，D为PWM信号占空比，V_o为BUCK直流降压电路输出电压，V_DC为BUCK直流降压电路输入端电压，Δt斜坡产生电路上升时间，t为时间的变化量，0≤t≤Δt。

BUCK直流降压电路输出电压Vo接入超级电容C正极，流过超级电容的平均电流采用下式表示：

式中，I_o为流过超级电容的平均电流，C为超级电容的电容值，V_o为BUCK直流降压电路输出电压，V_DC为BUCK直流降压电路输入端电压，t为时间的变化量，Δt为斜坡产生电路上升时间。

电感L取值采用下式表示：

式中，L为电感值，V_o为BUCK直流降压电路输出电压，V_DC为BUCK直流降压电路输入端电压，I_o为流过超级电容的平均电流，f_s为三角波产生电路频率，D为PWM信号占空比。

以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种应用于配电自动化终端后备超级电容的充电电路，其特征在于：包括BUCK直流降压电路、驱动电路、电源、超级电容、比较器、斜坡产生电路、三角波产生电路；BUCK直流降压电路输入端接所述电源正极，BUCK直流降压电路输出端接所述超级电容正极，所述驱动电路的输出端与BUCK直流降压电路控制端连接，所述驱动电路的输入端与比较器的输出端连接，电源负极、超级电容负极分别接地，比较器的同相输入端接所述斜坡产生电路，比较器的反相输入端接所述三角波产生电路。

2.根据权利要求1所述的应用于配电自动化终端后备超级电容的充电电路，其特征在于：所述BUCK直流降压电路包括mosfet开关管、二极管、电感；所述mosfet开关管的源极分别与二极管的阴极、电感的一端连接，漏极与所述电源的正极连接，栅极与所述驱动电路的输出端连接；所述电感的另一端与所述超级电容的正极连接；所述二极管的阳极接地。

3.根据权利要求1所述的应用于配电自动化终端后备超级电容的充电电路，其特征在于：所述电源为直流电源。

4.根据权利要求1所述的应用于配电自动化终端后备超级电容的充电电路，其特征在于：所述比较器产生PWM信号，PWM信号占空比与时间的关系为：式中，D为PWM信号占空比，0≤D≤1；f(t)为PWM信号占空比与时间的函数；Δt斜坡产生电路上升时间，t为时间的变化量，0≤t≤Δt。

5.根据权利要求1或2所述的应用于配电自动化终端后备超级电容的充电电路，其特征在于：BUCK直流降压电路电压输出电压与时间关系为：式中，D为PWM信号占空比，V_o为BUCK直流降压电路输出电压，V_DC为BUCK直流降压电路输入端电压，Δt斜坡产生电路上升时间，t为时间的变化量，0≤t≤Δt。

6.根据权利要求2所述的应用于配电自动化终端后备超级电容的充电电路，其特征在于：所述电感的取值采用下式表示：

<mrow> <mi>L</mi> <mo>&amp;GreaterEqual;</mo> <mfrac> <msub> <mi>V</mi> <mi>a</mi> </msub> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>f</mi> <mi>s</mi> </msub> <msub> <mi>I</mi> <mi>a</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>D</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mi>D</mi> <mi>C</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>D</mi> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>f</mi> <mi>s</mi> </msub> <msub> <mi>I</mi> <mi>a</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>D</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mo>|</mo> <mrow> <mi>D</mi> <mo>=</mo> <mn>0.5</mn> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mi>D</mi> <mi>C</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mn>8</mn> <msub> <mi>f</mi> <mi>s</mi> </msub> <msub> <mi>I</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> </mrow>

式中，L为电感值，V_o为BUCK直流降压电路输出电压，V_DC为BUCK直流降压电路输入端电压，I_o为流过超级电容的平均电流，f_s为三角波产生电路频率，D为PWM信号占空比。

7.根据权利要求6所述的应用于配电自动化终端后备超级电容的充电电路，其特征在于：所述超级电容的平均电流的采用下式表示：

<mrow> <msub> <mi>I</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>C</mi> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>dV</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>CV</mi> <mrow> <mi>D</mi> <mi>C</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> </mrow>

式中，I_o为流过超级电容的平均电流，C为超级电容的电容值，V_o为BUCK直流降压电路输出电压，V_DC为BUCK直流降压电路输入端电压，Δt为斜坡产生电路上升时间。