CN108512409A - 一种大功率脉冲负载电源软启动装置及启动方法 - Google Patents

一种大功率脉冲负载电源软启动装置及启动方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大功率脉冲负载电源软启动装置及启动方法，包括MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q1控制装置和MOS管Q2控制装置；MOS管Q2控制装置包括依次连接的电压采样电路、比较器和驱动电路；电压采样电路包括电阻RS1和电阻RS2，电阻RS1和电阻RS2相互串联后连接到储能电容C的两端；比较器的输入端连接到电阻RS1和RS2之间；MOS管Q2的漏极连接到储能电容一端，源极连接到直流母线负极；MOS管Q1控制装置包括电阻R1、R2、R3和直流电源；MOS管Q1的漏极连接到储能电容一端，源极通过电阻R1连接到直流母线负极，栅极通过电阻R2连接到直流电源；MOS管Q1的栅极还通过电阻R3连接到直流母线的负极；本发明浪涌电流抑制效果好，电路简单且损耗小，可适用于大功率应用场合。

Description

一种大功率脉冲负载电源软启动装置及启动方法
技术领域
本发明涉及一种电源软启动装置，具体涉及一种大功率脉冲负载电源软启动装置及启动方法。
背景技术
电子对抗设备输出信号一般呈宽频段、脉冲变化特性，该特性对其发电机供电的稳定性提出了更高的要求；当电子对抗设备的脉冲功率变化时，现有技术采用在供电系统增加一个大容值储能电容的方式来吸收电子对抗设备脉冲功率变化斜率；但使用此种方法给直流母线上电时，由于储能电容处于尚未充电的初始状态，开关导通的瞬间便会产生很大的浪涌电流；浪涌电流可能产生两个方面的问题：第一，如果直流电源不能供给足够的启动电流，开关电源可能进入一种锁定状态而无法启动；第二，这种浪涌电流可能造成输入电源电压的降低，足以引起使用同一输入电源的其他启动设备瞬间掉电；因此，直流母线接通时电路软启动是十分必要的。
传统的浪涌抑制电路方案为在供电母线与储能电容之间的供电线路上直接串入负温度特性的热敏电阻，此方法原理是：在供电开关导通时，具有负温度系数的热敏电阻在开机瞬间具有较高阻抗；利用自身高阻抗特性抑制浪涌电流后，随着开关电源进入正常工作状态，热敏电阻会产生自身加热现象，根据负温度系数特性，其阻值也随之下降，因此就大大减小了正常工作状态下的功率损耗问题且有效减小了浪涌电流值；但此方法局限性在于在抑制浪涌电流完成后，热敏电阻在开关电源工作一段时间后自身发热，阻值降低，此时如果开关电源进行关机并立刻再启动，那么会发生浪涌电流抑制失效的现象。
发明内容
本发明提供一种电路启动时具有高可靠性，并且电路正常工作时损耗较小的大功率脉冲负载电源软启动装置。
本发明采用的技术方案是：一种大功率脉冲负载电源软启动装置，包括MOS管Q1、MOS 管Q2、MOS管Q1控制装置和MOS管Q2控制装置；MOS管Q2控制装置包括依次连接的电压采样电路、比较器和驱动电路；电压采样电路包括电阻RS1和电阻RS2，电阻RS1和电阻RS2相互串联后连接到储能电容C的两端；比较器的输入端连接到电阻RS1和RS2之间；比较器的输出端连接到驱动电路的输入端，驱动电路的输出端连接到MOS管Q2的栅极；MOS管 Q2的漏极连接到储能电容一端，源极连接到直流母线负极；MOS管Q1控制装置包括电阻R1、 R2、R3和直流电源；MOS管Q1的漏极连接到储能电容一端，源极通过电阻R1连接到直流母线负极，栅极通过电阻R2连接到直流电源；MOS管Q1的栅极还通过电阻R3连接到直流母线的负极。
进一步的，所述直流电源为恒定直流电源。
一种大功率脉冲负载电源软启动装置的启动方法，包括以下步骤：
储能电容C和直流母线负极之间串接MOS管；
MOS管Q1源极和直流母线负极之间串接电阻R1，电流流过电阻R1并在其上产生的电压压降对栅极形成了负反馈，正是这一负反馈机致使MOS管Q1保持工作于恒流区域；
MOS管Q1保持工作于其恒流区域，使得储能电容C在直流母线接通时电流快速上升，并慢慢建立起输出电压，从而抑制浪涌电流，达到电源的软启动。
一种大功率脉冲负载电源软启动装置的启动方法，包括以下步骤：
储能电容C和直流母线负极之间串接相互并联的MOS管Q1和MOS管Q2；
MOS管Q1源极和直流母线负极之间串接电阻R3，电流流过电阻R1并在其上产生的电压压降对栅极形成了负反馈，正是这一负反馈机致使MOS管Q1保持工作于其恒流区域；
直流母线接通后，由于MOS管Q1工作在其恒流区域，直流母线电压对储能电容C快速充电；
当电压采样电路的电压值达到门限电压Vth时，即储能电容C两端电压达到设定值时，比较器输出电压翻转，由低电平变为高电平，经驱动电路后，为MOS管Q2提供门极驱动电压。此时由于R1的存在，MOS管Q2将MOS管Q1旁路掉，直流母线电流从MOS管Q1切换到MOS管Q2使直流母线输入端和脉冲负载输出端直通，完成大功率脉冲负载电源软启动过程。
本发明的有益效果是：
(1)本发明利用了MOS管导通阻抗Rds_on低和损耗小的特点；
(2)本发明能够实现电源的连续多次启动，增加了电路启动时的可靠性；
(3)本发明中的控制电路与主电路隔离供电，适用于大功率脉冲负载电源场合；
(4)本发明中MOS管Q1能抑制直流母线接通时的浪涌电流，MOS管Q2减少电路正常工作时的损耗。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明中驱动电路示意图。
图3为本发明实施例中软启动的示意图，其中a为母线电压接通时流过MOS管Q1的电流IQ1和储能电容充电电流Ic的仿真波形图，b为输出电压的启动波形。
图4为本发明实施例中储能电容电压达到门限值时比较器输出电压、MOS管Q2门极驱动电压和输出电压仿真波形图。
图5为本发明实施例中当电子对抗设备脉冲功率输出时流经MOS管Q1电流、MOS管Q2电流的和输出电流的仿真波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，一种大功率脉冲负载电源软启动装置，包括MOS管Q1、MOS管Q2、MOS 管Q1控制装置和MOS管Q2控制装置；MOS管Q2控制装置包括依次连接的电压采样电路、比较器和驱动电路；电压采样电路包括电阻RS1和电阻RS2，电阻RS1和电阻RS2相互串联后连接到储能电容C的两端；比较器的输入端连接到电阻RS1和RS2之间；比较器的输出端连接到驱动电路的输入端，驱动电路的输出端连接到MOS管Q2的栅极；MOS管Q2的漏极连接到储能电容一端，源极连接到直流母线负极；MOS管Q1控制装置包括电阻R1、R2、R3和直流电源；MOS管Q1的漏极连接到储能电容一端，源极通过电阻R1连接到直流母线负极，栅极通过电阻R2连接到直流电源；MOS管Q1的栅极还通过电阻R3连接到直流母线的负极。
一种大功率脉冲负载电源软启动装置的启动方法，包括以下步骤：
储能电容C和直流母线负极之间串接MOS管；
MOS管Q1源极和直流母线负极之间串接电阻R1，MOS管Q1栅极和源极之间电压差较小，电流流过电阻R1并在其上产生的电压压降对栅极形成了负反馈，由此产生的负反馈机制使MOS管Q1保持工作于其恒流区域；
MOS管Q1保持工作于其恒流区域，使得储能电容C在直流母线接通时电流快速上升，并慢慢建立起输出电压，从而抑制浪涌电流，达到电源的软启动。
在储能电容C充电到一定电压之后，通过将浪涌抑制电路旁路掉的方式使输出与输入直通，减小电路正常工作状态下的损耗，提供实现大功率脉冲负载电源软启动方法的装置。
一种大功率脉冲负载电源软启动装置的启动方法，包括以下步骤：
储能电容C和直流母线负极之间串接相互并联的MOS管Q1和MOS管Q2；
MOS管Q1源极和直流母线负极之间串接电阻R1，电流流过电阻R1并在其上产生的电压压降对栅极形成了负反馈，由此产生的负反馈机制使MOS管Q1保持工作于其恒流区域；
直流母线接通后，由于MOS管Q1工作在其恒流区域，直流母线电压对储能电容C快速充电；
当电压采样电路的电压值达到门限电压Vth时，即储能电容C两端电压达到设定值时，比较器输出电压翻转，由低电平变为高电平，经驱动电路后，为MOS管Q2提供门极驱动电压。此时由于R1的存在，MOS管Q2将MOS管Q1旁路掉，直流母线电流从MOS管Q1切换到MOS管Q2，使直流母线输入端和脉冲负载输出端直通，完成大功率脉冲负载电源软启动过程。
电压采样电路采用电阻分压采样结构；驱动电路采用驱动芯片IR2125及其外围电路构成，如图2所示；具体软启动过程如下：10V电源经电阻R2和R3分压后为缓启动MOS管Q1提供栅极电压，母线电压Vin开始对储能电容C快速充电；充电电流Iin经MOS管Q1经过电阻R1，在其上产生的压降对Q1的栅极和源极之间的电压建立形成了负反馈机制，使得Q1持续工作于其恒流区；由此软启动电路实现了对储能电容C的快速充电；此外，输出电压经过电阻RS1和RS2分压采样后送入比较器正极与门限电压Vth进行比较，当输出电压达到门限电压时，比较器发生反转，由低电平变为高电平，经驱动电路后，为MOS管Q2提供门极驱动电压。此时由于R1的存在，MOS管Q2将MOS管Q1旁路掉，直流母线电流从MOS管Q1切换到MOS管Q2，使直流母线输入端和脉冲负载输出端直通，完成大功率脉冲负载电源软启动过程。
为了验证本发明使用效果，采用PSIM软件对本发明方法进行时域仿真，其结果如图3至图5所示；本发明中采用的仿真条件为：母线电压Vin＝270V，输出电容C＝3000uF,门限电压 Vth设置为240V，电子对抗设备功率在1KW-8KW之间跳变，频率f＝10Hz，MOS管Q1栅极驱动直流电源为10V，R1＝1.5Ω，R2＝20KΩ，R3＝80KΩ。
图3(a)为母线电压接通时流过MOS管Q1的电流IQ1和储能电容充电电流Ic的仿真波形图，从图3(a)可以看出MOS管Q1工作在恒流区，直流母线电压对储能电容C快速充电，图3(b)为输出电压的启动波形，从图3(b)可以看出软启动过程中输出电压正在缓慢建立中；由此可见采用本发明装置和方法在脉冲电源启动时具有很好的浪涌电流抑制效果。
图4为当储能电容C电压达到门限电压时，比较器输出电压Vr、MOS管Q2门极驱动电压VQ2和输出电压V0的仿真波形图；如图4所示，当储能电容C两端电压达到240V时，比较器电压发生翻转输出高电平为MOS管Q2提供门极驱动电压，由于R1的存在，MOS管 Q2将MOS管Q1旁路掉，直流母线电流从MOS管Q1切换到MOS管Q2，使直流母线输入端和脉冲负载输出端直通，输出电压迅速拉高到母线电压270V后保持稳定，这种设计有利于缩短电路启动所需时间。
图5为当电子对抗设备由恒功率变为脉冲功率时，输出电流Io、缓启动MOS管Q1电流 IQ1和旁路MOS管Q2电流IQ2的波形；从图中可以看出当电子对抗设备功率在1KW和8KW之间跳变时，几乎全部电流从Q2经过，储能电容充放电正常，旁路MOS管的切入减小了电路正常工作状态的损耗。
本发明与现有采用负温度特性的热敏电阻的方案相比，具有MOS管的导通阻抗Rds_on 低和损耗小的优点，且能够实现电源的连续多次启动，增加了电路启动时的可靠性；本发明装置的控制电路与主电路隔离供电，可适用大功率脉冲负载电源场合；缓启动MOS管Q1和旁路MOS管Q2并联构成其主功率电路，缓启动MOS管Q1抑制直流母线接通时的浪涌电流，旁路MOS管Q2减少电路正常工作时的损耗。

Claims (4)

1.一种大功率脉冲负载电源软启动装置，其特征在于，包括MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q1控制装置和MOS管Q2控制装置；MOS管Q2控制装置包括依次连接的电压采样电路、比较器和驱动电路；电压采样电路包括电阻RS1和电阻RS2，电阻RS1和电阻RS2相互串联后连接到储能电容C的两端；比较器的输入端连接到电阻RS1和RS2之间；比较器的输出端连接到驱动电路的输入端，驱动电路的输出端连接到MOS管Q2的栅极；MOS管Q2的漏极连接到储能电容一端，源极连接到直流母线负极；MOS管Q1控制装置包括电阻R1、R2、R3和直流电源；MOS管Q1的漏极连接到储能电容一端，源极通过电阻R1连接到直流母线负极，栅极通过电阻R2连接到直流电源；MOS管Q1的栅极还通过电阻R3连接到直流母线的负极。
2.根据权利要求1所述的一种大功率脉冲负载电源软启动装置，其特征在于，所述直流电源为恒定直流电源。
3.如权利要求1所述一种大功率脉冲负载电源软启动装置的启动方法，其特征在于，包括以下步骤：
储能电容C和直流母线负极之间串接MOS管；
MOS管Q1源极和直流母线负极之间串接电阻R1，MOS管Q1栅极和源极之间电压差较小，MOS管Q1保持工作于恒流区域；
MOS管Q1保持工作于其恒流区域，使得储能电容C在直流母线接通时电流快速上升，并慢慢建立起输出电压，从而抑制浪涌电流，达到电源的软启动。
4.如权利要求1所述的一种大功率脉冲负载电源软启动装置的启动方法，其特征在于，包括以下步骤：
储能电容C和直流母线负极之间串接相互并联的MOS管Q1和MOS管Q2；
MOS管Q1源极和直流母线负极之间串接电阻R1，电流流过电阻R1并在其上产生的电压压降对栅极形成了负反馈，正是这一负反馈机致使MOS管Q1保持工作于恒流区域；
直流母线接通后，由于MOS管Q1工作在恒流区域，直流母线电压对储能电容C快速充电；
当电压采样电路的电压值达到门限电压Vth时，即储能电容C两端电压达到设定值时，比较器输出电压翻转，由低电平变为高电平，经驱动电路后为MOS管Q2提供门极驱动电压；此时由于R1的存在，MOS管Q2将MOS管Q1旁路掉，直流母线电流从MOS管Q1切换到MOS管Q2，使直流母线输入端和脉冲负载输出端直通，完成大功率脉冲负载电源软启动过程。
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