CN109217653A - 具有超宽工作电压的电磁开关前馈反馈控制模块 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种具有超宽工作电压的电磁开关前馈反馈控制模块，电源经EMI滤波、整流滤波后，连接第一开关管；第一开关管连接电磁开关的线圈的一端；线圈的另一端连接第二开关管；第二开关管经第一电流采样电路接入主控处理器，作为反馈变量；第一电流采样电路分别通过第一续流二极管和快速去磁电路与线圈的两端连接；电源经EMI滤波、整流滤波后，经第二电压采样电路接入主控处理器，作为前馈变量；前馈变量和反馈变量在主控处理器中形成弱功率PWM信号；主控处理器的弱功率PWM信号经第一高压侧浮动驱动电路连接传输至第一开关管。本发明引入直流母线电压前馈及线圈电流反馈，能够有效应对电源扰动，抑制线圈电流谐波、纹波污染，降低线圈高频噪声。

Description

具有超宽工作电压的电磁开关前馈反馈控制模块

技术领域

本发明属于电磁开关领域，尤其涉及一种具有超宽工作电压的电磁开关前馈反馈控制模块。

背景技术

电磁开关是用量最大的一类电器产品，广泛地应用在自动控制和电力系统中。其在结构上可归结为两个子系统，分别为触头系统和电磁系统，电磁系统带动触头系统实现对电路的通断控制，承担着分配及传输电能、控制或保护负载的任务，直接影响着用电系统和控制系统的安全和稳定。

当前，新一轮能源变革在世界范围内蓬勃兴起，我国在新能源并网、智能配用电、电动汽车等方面快速发展，对高性能开关电器的需求成倍增长。以电磁接触器为例：风机中变频器使用的接触器控制电压可高达250-500V电压等级，此外还面临高电压穿越、低电压穿越、电压跌落等电源短时大幅波动的情况；大型、中型新能源汽车中使用的接触器，工作电压更是高达500V-1000V电压等级。新能源系统电压波动范围大、电压等级跨度大，电源条件复杂且严苛，要求电磁开关具有更高等级的工作电压、超宽范围的运行电压。

传统交流电磁开关标准工作电压范围为（85%-110%）的额定电压，交流电磁系统工作电压范围窄，动态特性随电源相角随机变化，导致触头系统吸合弹跳和运动过程的不确定性，影响电磁开关的电寿命；运行过程还存在噪声、能耗、温升等系列问题，远远达不到电动汽车、风电等新能源系统的要求。即便带有控制电路的电磁开关，工作电压仍集中在85-265V这一电压范围，也很难实现全电压范围内的无缝转换运行，在更高等级的电压领域无法适用。

近年来，电磁开关采用的闭环控制技术，改变了传统交流电磁电器运行状态，扩宽了电磁开关的工作电压范围，可实现电磁系统交直流通用，不加分磁环的本体结构，避免交流运行时产生的振动与噪声，通常认为这种控制模式能够实现无声运行。但是，电磁开关闭环控制以线圈电流作为单一反馈量，主要依赖反馈控制。随着电磁开关工作电压等级的提高，电压瞬态变化加剧，单一的反馈控制容易产生高频方波电压带来的线圈电流谐波、纹波等污染，由此引发高频噪音。同时，500V以上更高等级、更宽范围的工作电压，对线圈以及电子线路的耐压、温升、绝缘等要求更为严苛。电磁开关需要适应不同的电源类型、电压等级、电压范围等，若只依赖本体设计，即便采用繁多的电磁机构规格种类与之匹配，仍难以涵盖500V等级以上的电源系统。

发明内容

本发明的目的在于设计一种具有超宽工作电压的电磁开关前馈反馈控制模块。该控制模块可以采用单级或两级组合式结构，分别为前馈反馈励磁调节模块和限流电压型变换模块，辅助电源采用堆叠开关管结构，使得电磁开关的工作电压能够提升至250-1000V的超宽工作电压范围。前馈反馈励磁调节模块可单独工作在250-500V电压范围，引入直流母线电压前馈及线圈电流反馈，构成前馈反馈闭环控制环路，有效应对电源扰动，抑制线圈电流谐波、纹波污染，降低高频噪声。

本发明具体采用以下技术方案：

一种具有超宽工作电压的电磁开关前馈反馈控制模块，其特征在于：包括：前馈反馈励磁调节模块，所述前馈反馈励磁调节模块的电源经EMI滤波、整流滤波后，连接第一开关管；所述第一开关管连接电磁开关的线圈的一端；所述线圈的另一端连接第二开关管；所述第二开关管经第一电流采样电路接入主控处理器，作为反馈变量；所述第一电流采样电路分别通过第一续流二极管和快速去磁电路与线圈的两端连接；所述电源经EMI滤波、整流滤波后，经第二电压采样电路接入主控处理器，作为前馈变量；所述主控处理器经第一高压侧浮动驱动电路连接第一开关管。

优选地，所述电源经第一整流电路、第一电压采样电路后连接主控处理器的模数转换模块；所述电源经EMI滤波后连接第一辅助电源；所述第一辅助电源分别连接第一高压侧浮动驱动电路和主控处理器。

优选地，所述主控处理器的I/O口经隔离驱动电路连接第二开关管。

优选地，所述第一辅助电源包括：相连接的第二整流电路、堆叠驱动模块、堆叠开关管模块、限幅降压模块和二级稳压电路；所述堆叠驱动模块包括依次连接的N级稳压管；每级稳压管之前均设置有一个限流电路；所述堆叠开关管模块包括依次连接的N级开关管；每级开关管之前均设置有一个均压电路；在所述堆叠驱动模块和堆叠开关管模块中，每级稳压管均与同一级开关管连接；第N级稳压管还经所述限幅降压模块的振荡抑制电路和电压参考电路连接第N级开关管；所述第二整流电路分别连接第一级限流电路和第一级均压电路；第N级开关管连接第一高压侧浮动驱动电路，并经二级稳压电路连接主控处理器。

优选地，所述第一高压侧浮动驱动电路包括依次连接的高压二极管、电容储能模块、电平转换模块和功率放大模块；所述主控处理器经电平转换模块、功率放大模块连接第一开关管；所述第N级开关管连接高压二极管。

优选地，所述快速去磁电路包括：吸收电阻、去磁二极管、压敏电阻和吸收电容；所述吸收电阻分别连接去磁二极管、压敏电阻和吸收电容；所述去磁二极管、压敏电阻和吸收电容分别连接第一电流采样电路。

优选地，还包括限流电压型变换模块，所述限流电压型变换模块的电源经EMI滤波、整流滤波后，连接第三开关管；所述第三开关管连接滤波电感的一端；所述滤波电感的另一端连接滤波电容；所述滤波电容分别经第二电流采样电路和第三电压采样电路接入辅助处理器；所述第二电流采样电路通过第二续流二极管连接滤波电感与第三开关管连接的一端；所述辅助处理器经第二高压侧浮动驱动电路连接第三开关管；所述限流电压型变换模块的电源经EMI滤波后连接第二辅助电源；所述第二辅助电源分别连接第二高压侧浮动驱动电路和辅助处理器；所述限流电压型变换模块的滤波电容连接所述前馈反馈励磁调节模块的电源。

与现有技术相比，本发明及其优选方案具有如下优点：

1、引入整流滤波后的母线电压前馈变量，结合线圈电流反馈，形成前馈反馈闭环控制回路，相比单一电流反馈控制，能够顾及电源突升、突降等大信号扰动，同时前馈环路有益于控制环路稳定，输出所需的收敛状态PWM占空比，有效抑制线圈电流谐波、纹波污染，电磁开关高频噪声小；

2、提出辅助电源的堆叠开关管结构，兼容常见的二级稳压电路（如非隔离降压、开关电源等），通过改变堆叠开关管数目，以及调节降压限幅，能够将辅助电源输入电压范围提升至交直流250-500V、500-1000V。

3、控制模块采用组合式结构，前馈反馈励磁调节模块可单独工作在交直流250-250V宽电压范围，与限流电压型变换模块组合后，输入电压可提升至250-1000V的超宽工作电压范围，通过两级变换，电磁系统的耐压仍处于250-500V范围，同一电磁系统结构即可满足500V以上的工作要求，减少电磁系统规格种类。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

图1是本发明实施例前馈反馈励磁调节模块结构示意图；

图2是本发明实施例限流电压型变换模块结构示意图。

具体实施方式

为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：

如图1所示，在前馈反馈励磁调节模块中：第一电源（可以为直流或50/60Hz交流）经第一EMI滤波、第一整流滤波，获得直流母线电压。直流母线电压经过第一开关管进行调控，从而改变施加到线圈两端的平均电压：当第一开关管和第二开关管同时导通时，线圈两端为正向电压，线圈进行正向激磁；当第一开关管关断，第二开关管导通，线圈电流经过第二开关管、第一电流采样电路、第一续流二极管进行续流，此时线圈两端电压近乎为零；当第一开关管和第二开关管均关断时，线圈两端电压为负电压，线圈快速去磁。

经第一整流滤波后的直流母线电压经过第二电压采样电路进入主控处理器，作为前馈变量，线圈电流经过第一电流采样电路进入主控处理器，作为反馈变量，二者共同构成前馈反馈闭环控制环路，形成弱功率PWM信号，PWM信号通过第一高压侧浮动驱动电路进行功率放大及电压泵升，驱动上端的第一开关管。相比单一的电流反馈控制，前馈反馈控制环路顾及了电源变化引起的扰动和线圈电流扰动，快速响应电源电压突升、突降，及时改变PWM信号，有效提升了电磁开关的工作电压范围，适应250-500V电压等级；在稳态下，PWM信号能够根据线圈电流设定、电源电压变化，收敛至稳定变化的占空比状态，从而有效抑制线圈电流谐波、纹波，高频噪声小；在电磁开关吸合、保持阶段，主控处理器通过软件编程改变线圈电流设定，灵活调节电磁开关激磁状态，实现250-500V电压范围内，闭环状态下的无（少）弹跳起动、无高频噪声节能吸持，快速去磁分断。

前馈反馈励磁调节模块中的第一辅助电源如图1中所示，包括：相连接的第二整流电路、堆叠驱动模块、堆叠开关管模块、限幅降压模块和二级稳压电路。第一辅助电源能够在极宽的输入电压范围内（250-500V）输出主控处理器所需的工作电源，以及输出第一高压侧浮动驱动电路进行电压泵升、驱动所需的工作电源。第一辅助电源内部结构为：经第一EMI滤波后的电源经过第二整流电路变为脉动的直流信号，其中堆叠驱动模块由N级依次连接的限流电路和稳压管组成，堆叠开关管模块由N级依次连接的均压电路和稳压管组成，将N级稳压管和N级开关管分别编号为A₁至A_n，每一级稳压管分别驱动对应编号的同一级开关管处于不同的导通状态：当第二整流电路后的直流电压高于降压限幅时，堆叠驱动调节堆叠开关管处于饱和导通状态，输出降压后的限幅电压值；当第二整流电路后的直流电压低于降压限幅时，堆叠驱动调节堆叠开关管处于完全导通状态，输出的电压等于直流电压；根据输入电压不同，堆叠驱动模块调节开关管导通状态，对输入电源进行降压变换，均压电路可保证稳态时N级开关管的导通电压相等，避免单个开关管过压，总数量N可根据电源电压等级进行灵活调整；限幅降压模块由振荡抑制电路和电压参考电路组成，当第二整流电路后的直流电压高于参考电压时，堆叠驱动模块调节堆叠开关管模块处于饱和导通状态，堆叠开关管模块输出降压后的限幅电压值；当第二整流电路后的直流电压低于参考电压时，堆叠驱动模块调节堆叠开关管模块处于完全导通状态，输出的电压等于直流电压；通过灵活调节限幅降压模块中的参考电压值，二级稳压电路可兼容任意85-265VAC/DC工作的电源类型。

此外，第一电源经过第一整流电路、第一电压采样电路接入主控制处理器的ADC（模数转换）单元，使主控制处理器能够获取第一电源的变化信息，使得主控制处理器可根据第一电源的变化设定不同的电磁开关工作状态，如最低起动电压、低电压穿越等。

在本实施例中，采用的快速去磁电路由吸收电阻、去磁二极管、压敏电阻、吸收电容组成，能够同时且迅速地消耗和吸收线圈剩余磁能，实现电磁开关迅速分断；采用的主控处理器可以是单片机、DSP等微处理器；采用的高压侧浮动驱动电路包括依次连接的高压二极管、电容储能模块、电平转换模块和功率放大模块；主控处理器经电平转换模块、功率放大模块连接第一开关管；第N级开关管连接高压二极管，以能够实现对低压侧的弱功率PWM信号进行转换，从而高速地驱动高压侧的第一开关管。

以上为本实施例中前馈反馈励磁调节模块的工作原理，该模块可单独工作在250-500V交直流电源条件下，也可与图2所示的限流电压型变换模块连接形成组合式模块，进一步提升电磁开关的工作电压至500V电压等级以上。

如图2所示，限流电压型变换模块工作原理如下：第二电源可为交流或直流250-1000V电源电压，经过第二EMI滤波、第二整流滤波后形成高压直流，第三开关管导通时电源能量传递至滤波电感、滤波电容；第三开关管关断时，滤波电感、滤波电容、第二电流采样、第二续流二级管形成滤波电感电流导通回路。第三电压采样采集滤波电容上的输出电压，构成电压反馈变量输入辅助处理器，与辅助处理器内部预设的输出电压设定值进行比较形成PWM信号，经过第二高压侧浮动驱动电路（与第一高压侧浮动驱动电路的结构相同）改变第三开关管导通状态，从而调节输出电压至设定值，以适应前馈反馈励磁调节模块中第一电源的输入电压范围；第二电流采样电路采集输出电流至辅助处理器，形成电流反馈，限制输出电流最大值，避免电磁开关起动时的瞬时功率过大导致前端输入电源故障。

在本实施例中，第二辅助电源与第一辅助电源采用相同的拓扑结构，其中堆叠驱动模块和堆叠开关管模块中的级数可以为区别与N的任意值M，通过适当改变堆叠开关管数目以及降压限幅值，可将第二辅助电源输入电压提升至1000V。

本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的具有超宽工作电压的电磁开关前馈反馈控制模块，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种具有超宽工作电压的电磁开关前馈反馈控制模块，其特征在于：包括：前馈反馈励磁调节模块，所述前馈反馈励磁调节模块的电源经EMI滤波、整流滤波后，连接第一开关管；所述第一开关管连接电磁开关的线圈的一端；所述线圈的另一端连接第二开关管；所述第二开关管经第一电流采样电路接入主控处理器，作为反馈变量；所述第一电流采样电路分别通过第一续流二极管和快速去磁电路与线圈的两端连接；所述电源经EMI滤波、整流滤波后，经第二电压采样电路接入主控处理器，作为前馈变量；所述主控处理器经第一高压侧浮动驱动电路连接第一开关管。

2.根据权利要求1所述的具有超宽工作电压的电磁开关前馈反馈控制模块，其特征在于：所述电源经第一整流电路、第一电压采样电路后连接主控处理器的模数转换模块；所述电源经EMI滤波后连接第一辅助电源；所述第一辅助电源分别连接第一高压侧浮动驱动电路和主控处理器。

3.根据权利要求1所述的具有超宽工作电压的电磁开关前馈反馈控制模块，其特征在于：所述主控处理器的I/O口经隔离驱动电路连接第二开关管。

4.根据权利要求2所述的具有超宽工作电压的电磁开关前馈反馈控制模块，其特征在于：所述第一辅助电源包括：相连接的第二整流电路、堆叠驱动模块、堆叠开关管模块、限幅降压模块和二级稳压电路；所述堆叠驱动模块包括依次连接的N级稳压管；每级稳压管之前均设置有一个限流电路；所述堆叠开关管模块包括依次连接的N级开关管；每级开关管之前均设置有一个均压电路；在所述堆叠驱动模块和堆叠开关管模块中，每级稳压管均与同一级开关管连接；第N级稳压管还经所述限幅降压模块的振荡抑制电路和电压参考电路连接第N级开关管；所述第二整流电路分别连接第一级限流电路和第一级均压电路；第N级开关管连接第一高压侧浮动驱动电路，并经二级稳压电路连接主控处理器。

5.根据权利要求4所述的具有超宽工作电压的电磁开关前馈反馈控制模块，其特征在于：所述第一高压侧浮动驱动电路包括依次连接的高压二极管、电容储能模块、电平转换模块和功率放大模块；所述主控处理器经电平转换模块、功率放大模块连接第一开关管；所述第N级开关管连接高压二极管。

6.根据权利要求1所述的具有超宽工作电压的电磁开关前馈反馈控制模块，其特征在于：所述快速去磁电路包括：吸收电阻、去磁二极管、压敏电阻和吸收电容；所述吸收电阻分别连接去磁二极管、压敏电阻和吸收电容；所述去磁二极管、压敏电阻和吸收电容分别连接第一电流采样电路。

7.根据权利要求2所述的具有超宽工作电压的电磁开关前馈反馈控制模块，其特征在于：还包括限流电压型变换模块，所述限流电压型变换模块的电源经EMI滤波、整流滤波后，连接第三开关管；所述第三开关管连接滤波电感的一端；所述滤波电感的另一端连接滤波电容；所述滤波电容分别经第二电流采样电路和第三电压采样电路接入辅助处理器；所述第二电流采样电路通过第二续流二极管连接滤波电感与第三开关管连接的一端；所述辅助处理器经第二高压侧浮动驱动电路连接第三开关管；所述所述限流电压型变换模块的电源经EMI滤波后连接第二辅助电源；所述第二辅助电源分别连接第二高压侧浮动驱动电路和辅助处理器；所述限流电压型变换模块的滤波电容连接所述前馈反馈励磁调节模块的电源。