CN108880213A - 一种基于mosfet测控的超级电容放电保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于MOSFET测控的超级电容放电保护电路。本发明包括过流判别电路、检测与保护一体化电路，具体包括超级电容SC1、电压比较器IC1、晶闸管VT1、MOS管VT2、电源稳压管DW1、栅极稳压管DW2、电感L1、二极管D1、电源电容C1、滤波电容C2、稳压电阻R1、上分压电阻R2、下分压电阻R3、负端电阻R4、正端电阻R5、滞环电阻R6、上拉电阻R7、栅极电阻R8、限流电阻R9、发光管LED1等。本发明电路采用一只功率MOS管既可实现电流检测与又可实现保护控制，电路简单、成本低、可靠性高、通用性好，易于产品化。

Description

一种基于MOSFET测控的超级电容放电保护电路

技术领域

本发明属于工业测控领域，涉及一种电路，特别涉及一种基于MOSFET测控的超级电容放电保护电路，适用于使用超级电容储能、供电与控制的应用场合。

背景技术

超级电容在现代新能源储能、各类军民设备续航供电与控制方面，得到日益广泛的应用。超级电容应用技术中的一个重要问题之一就是在超级电容放电过程中要对过流或短路进行保护，目前常用的方法及其存在的问题是：基于电流传感器检测放电电流，进而通过控制电路进行判断与保护，执行元件主要是继电器接触器、功率三极管等。这种方案使得放电控制电路过于复杂，成本高，且保护的实时性、可靠性等也有待提高，此外，也难以形成超级电容放电保护的模块化产品。因此，如何设计一种过载/短路保护性能好、简单、可靠、易于产品化的方案，是本发明的出发点。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提出一种基于MOSFET测控的超级电容放电保护电路。该电路由过流判别电路、检测与保护一体化电路组成，其核心是以一只功率MOS管为测控元件，既作为保护控制的功率开关执行元件，又利用其导通电阻作为负载电流检测元件。

本发明电路包括过流判别电路、检测与保护一体化电路。

过流判别电路包括超级电容SC1、电压比较器IC1、电源稳压管DW1、电源电容C1、滤波电容C2、稳压电阻R1、上分压电阻R2、下分压电阻R3、负端电阻R4、正端电阻R5、滞环电阻R6、上拉电阻R7，直流供电电压端+Us端与超级电容SC1的正端+端、稳压电阻R1的一端、电感L1的一端、二极管D1的阴极、栅极电阻R8的一端连接，超级电容SC1的负端-端接地，稳压电阻R1的另一端与辅助电源电压端+Vcc端、上分压电阻R2的一端、电源稳压管DW1的阴极、电源电容C1的一端连接，电源稳压管DW1的阳极、电源电容C1的另一端均接地，上分压电阻R2的另一端、下分压电阻R3的一端、负端电阻R4的一端均与参考电压端+Vref端连接，下分压电阻R3的另一端接地，负端电阻R4的另一端与电压比较器IC1的负输入端IN-端连接，上拉电阻R7的一端与辅助电源电压端+Vcc端连接，上拉电阻R7的另一端与电压比较器IC1的输出端OUT端、晶闸管VT1的门极、滞环电阻R6的一端连接，滞环电阻R6的另一端与正端电阻R5的一端、滤波电容C2的一端连接，滤波电容C2的另一端接地，电压比较器IC1的正电源端+Vcc端与辅助电源电压端+Vcc端连接，电压比较器IC1的地端GND端接地。

检测与保护一体化电路包括晶闸管VT1、MOS管VT2、栅极稳压管DW2、电感L1、二极管D1、栅极电阻R8、限流电阻R9、发光管LED1，晶闸管VT1阳极与栅极电阻R8的另一端、栅极稳压管DW2的阴极、MOS管VT2的栅极G端连接，晶闸管VT1阴极、栅极稳压管DW2的阳极、MOS管VT2的源极S端均接地，MOS管VT2的漏极D端与正端电阻R5的另一端、发光管LED1的阴极、负载Load的负端-端连接，发光管LED1的阳极与限流电阻R9的一端连接，限流电阻R9的另一端与电感L1的另一端、二极管D1的阳极、负载Load的正端+端连接。

本发明的有益效果如下：

本发明以功率MOS管、晶闸管、电压比较器等为主的电路方案，能完全地满足对超级电容放电中的短路或过流进行实时保护要求。该电路方案采用一只功率MOS管既可实现电流检测与又可实现保护控制，电路简单、成本低、可靠性高、通用性好，易于产品化。

附图说明

图1为本发明的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种基于MOSFET测控的超级电容放电保护电路，包括过流判别电路、检测与保护一体化电路。

过流判别电路包括超级电容SC1、电压比较器IC1、电源稳压管DW1、电源电容C1、滤波电容C2、稳压电阻R1、上分压电阻R2、下分压电阻R3、负端电阻R4、正端电阻R5、滞环电阻R6、上拉电阻R7，直流供电电压端+Us端与超级电容SC1的正端+端、稳压电阻R1的一端、电感L1的一端、二极管D1的阴极、栅极电阻R8的一端连接，超级电容SC1的负端-端接地，稳压电阻R1的另一端与辅助电源电压端+Vcc端、上分压电阻R2的一端、电源稳压管DW1的阴极、电源电容C1的一端连接，电源稳压管DW1的阳极、电源电容C1的另一端均接地，上分压电阻R2的另一端、下分压电阻R3的一端、负端电阻R4的一端均与参考电压端+Vref端连接，下分压电阻R3的另一端接地，负端电阻R4的另一端与电压比较器IC1的负输入端IN-端连接，上拉电阻R7的一端与辅助电源电压端+Vcc端连接，上拉电阻R7的另一端与电压比较器IC1的输出端OUT端、晶闸管VT1的门极、滞环电阻R6的一端连接，滞环电阻R6的另一端与正端电阻R5的一端、滤波电容C2的一端连接，滤波电容C2的另一端接地，电压比较器IC1的正电源端+Vcc端与辅助电源电压端+Vcc端连接，电压比较器IC1的地端GND端接地。

检测与保护一体化电路包括晶闸管VT1、MOS管VT2、栅极稳压管DW2、电感L1、二极管D1、栅极电阻R8、限流电阻R9、发光管LED1，晶闸管VT1阳极与栅极电阻R8的另一端、栅极稳压管DW2的阴极、MOS管VT2的栅极G端连接，晶闸管VT1阴极、栅极稳压管DW2的阳极、MOS管VT2的源极S端均接地，MOS管VT2的漏极D端与正端电阻R5的另一端、发光管LED1的阴极、负载Load的负端-端连接，发光管LED1的阳极与限流电阻R9的一端连接，限流电阻R9的另一端与电感L1的另一端、二极管D1的阳极、负载Load的正端+端连接。

本发明所使用的包括晶闸管VT1、MOS管VT2、电压比较器IC1等在内的所有器件均采用现有的成熟产品，可以通过市场取得。例如：晶闸管采用KK1-2系列，MOS管采用IRF系列MOSFET管，电压比较器采用LM311等。

本发明中的主要电路参数配合关系如下：

设：电路供电电压为U_s(单位：V)，MOS管栅源极驱动电压阈值为U_gsth(单位：V)，MOS管的导通电阻为R_on(单位：Ω)，流过DS极的电流为I_ds(单位：A)，保护阈值为I_dsmax(单位：A)，MOS管栅源极驱动电压阈值为U_gsth(单位：V)，比较器IC1的供电电压为V_cc(单位：V)，比较器IC1的负输入端IN-端参考电压为V_ref(单位：V)。

U_gsth＜U_s (4)

式中的R₁、R₂、R₃、R₅、R₆分别是稳压电阻R1、上分压电阻R2、下分压电阻R3、正端电阻R5、滞环电阻R6的阻值(单位：Ω)，C₁、C₂分别是电源电容C3、滤波电容C4的电容值(单位：F)。

(1)设：u₀(0)＝0，当：u_i≥u_H＝R_onI_dsmax，V₊≥V_ref，u₀＝0→V_cc，即：令：

(2)设：u₀(0)＝V_cc，当：V₊≤V_ref，u₀＝V_cc→0，令：即：

本发明工作过程如下：

(1)上电运行时：基于式(1)、式(2)、式(3)、式(4)的参数配合关系，使得电路刚上电时，电源比较器IC1输出电压U₀为低电平，晶闸管VT1关断，MOS管VT2导通，超级电容向负载(Load)供电。

(2)正常运行时：在正常运行时，负载电流在MOS管D-S极间导通电阻R_on上的电压形成负载电流反馈信号，使得电压比较器IC1的正输入端IN+端电压低于其负输入端IN-端电压，则其输出电压U₀保持低电平，使晶闸管VT1关断、MOS管VT2导通，超级电容持续向负载(Load)供电。

(3)负载短路或过电流时：无论发生负载短路还是过流，由于电感L1的存在，使得电流负载电流不会突变，当负载电流上升到保护阈值I_dsmax时，使得电压比较器IC1的正输入端IN+端电压高于其负输入端IN-端电压，则其输出电压U₀为高电平，晶闸管VT1导通，使MOS管VT2因其栅源极电压低于导通驱动阈值而关断，超级电容停止向负载(Load)供电。此后，由于晶闸管只能控制导通，不能控制关断，所以，当MOS管关断导致负载电流为零进而使电压比较器IC1输出电压U₀变为低电平后，晶闸管VT1仍保持导通，MOS管仍保持关断，以实现可靠的保护作用。

(4)核心方法：采用基于一只功率MOS管的测控一体化方法，MOS管VT2既作为超级电容与负载间的供电开关，也利用其导通电阻作为电流传感器以检测负载电流。

Claims (2)

1.一种基于MOSFET测控的超级电容放电保护电路，包括过流判别电路、检测与保护一体化电路，其特征在于：

过流判别电路包括超级电容SC1、电压比较器IC1、电源稳压管DW1、电源电容C1、滤波电容C2、稳压电阻R1、上分压电阻R2、下分压电阻R3、负端电阻R4、正端电阻R5、滞环电阻R6、上拉电阻R7，直流供电电压端+Us端与超级电容SC1的正端+端、稳压电阻R1的一端、电感L1的一端、二极管D1的阴极、栅极电阻R8的一端连接，超级电容SC1的负端-端接地，稳压电阻R1的另一端与辅助电源电压端+Vcc端、上分压电阻R2的一端、电源稳压管DW1的阴极、电源电容C1的一端连接，电源稳压管DW1的阳极、电源电容C1的另一端均接地，上分压电阻R2的另一端、下分压电阻R3的一端、负端电阻R4的一端均与参考电压端+Vref端连接，下分压电阻R3的另一端接地，负端电阻R4的另一端与电压比较器IC1的负输入端IN-端连接，上拉电阻R7的一端与辅助电源电压端+Vcc端连接，上拉电阻R7的另一端与电压比较器IC1的输出端OUT端、晶闸管VT1的门极、滞环电阻R6的一端连接，滞环电阻R6的另一端与正端电阻R5的一端、滤波电容C2的一端连接，滤波电容C2的另一端接地，电压比较器IC1的正电源端+Vcc端与辅助电源电压端+Vcc端连接，电压比较器IC1的地端GND端接地；

检测与保护一体化电路包括晶闸管VT1、MOS管VT2、栅极稳压管DW2、电感L1、二极管D1、栅极电阻R8、限流电阻R9、发光管LED1，晶闸管VT1阳极与栅极电阻R8的另一端、栅极稳压管DW2的阴极、MOS管VT2的栅极G端连接，晶闸管VT1阴极、栅极稳压管DW2的阳极、MOS管VT2的源极S端均接地，MOS管VT2的漏极D端与正端电阻R5的另一端、发光管LED1的阴极、负载Load的负端-端连接，发光管LED1的阳极与限流电阻R9的一端连接，限流电阻R9的另一端与电感L1的另一端、二极管D1的阳极、负载Load的正端+端连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于MOSFET测控的超级电容放电保护电路，其特征在于电路参数配合关系如下：

设：电路供电电压为U_s，MOS管VT2栅源极驱动电压阈值为U_gsth，MOS管VT2的导通电阻为R_on，流过DS极的电流为I_ds，保护阈值为I_dsmax，MOS管VT2栅源极驱动电压阈值为U_gsth，比较器IC1的供电电压为V_cc，比较器IC1的负输入端IN-端参考电压为V_ref，则：

U_gsth＜U_s (4)

式中的R₁、R₂、R₃、R₅、R₆分别是稳压电阻R1、上分压电阻R2、下分压电阻R3、正端电阻R5、滞环电阻R6的阻值，C₁、C₂分别是电源电容C3、滤波电容C4的电容值。