CN110137928A - 一种浪涌抑制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浪涌抑制电路，包括：浪涌抑制器，用于对输入的浪涌电压和浪涌电流进行抑制；电压检测电路，用于当检测到的电压将高于浪涌参考电压VS_ref，则将误差电压放大后输入到驱动调控电路；电流检测电路，用于当检测到的电流将高于浪涌参考电流IS_ref，则将误差电流放大后输入驱动调控电路；驱动调控电路，用于接收所述误差电压和误差电流，将调控信号由隐形调整为显性，并降低开关管的驱动电压；开关管驱动电路，用于为开关管提供偏置电压。本发明实施例将单个开关管替换为多个串联的开关管阵列，通过驱动调控电路和开关管驱动电路，不仅实现了电压和电流浪涌抑制，而且所有开关管能够实现自动均压。

Description

一种浪涌抑制电路

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，特别是一种浪涌抑制电路。

背景技术

随着电子技术的飞速发展，各种各样的电子设备和系统大量应用于航空、通讯、家电、工业、国防等领域，因此供电系统的安全可靠性和供电品质对人们的工作和生产产生了重大的影响。由于存在雷击、设备故障、线路老化等各种不确定因素，我们使用的供电电源并不能保证持续稳定和洁净，这些因素通常导致电压或者电流在短时间内的大幅度变化，称作浪涌，轻则导致后级电子设备和系统无法正常工作，重则损坏设备，严重影响生命财产安全。

传统的浪涌抑制方法主要有两种，第一种方法如图1所示，在供电设备的输出正级和输出负级采用TVS管进行钳位，该方法的主要优点在于设计非常简单，但缺点也非常明显，由于TVS管和负载并联，因此只能抑制电压浪涌而不能抑制电流浪涌，且TVS管的击穿电压受到温度的影响较大，在一些温度敏感的场合需要进行温度补偿。第二种方法如图2所示，在回路中采用单个开关管串联，通过反馈电压信号和回路电流信号来调整开关管的导通度，该方法能够同时实现电压和电流浪涌抑制，在一些要求较高的电子系统上广泛应用该种浪涌抑制方案，该方案的不足之处在于，当浪涌信号触发后，开关管的工作区由完全导通进入可变电阻区，开关管上承受一定的压降，这部分电压乘以流过开关管的电流产生的功率最终转化为热量，从而需要增大开关管和散热器的体积；此外受到单个功率开关管耐压的限制，当浪涌电压过高，造成开关击穿，浪涌电压直接作用到后级设备，容易对后级设备产生了不良影响，综合这两方面的因素，为了保证浪涌抑制开关的安全工作，不仅要增大开关管和散热器的体积，还要降低浪涌持续的时长。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明要解决的技术问题是提供一种浪涌抑制电路，用以至少解决现有技术为了保证浪涌抑制开关管的安全工作，不仅要增大开关管和散热器的体积，还要降低浪涌持续的时长的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明实施例中的一种浪涌抑制电路，包括：

浪涌抑制器，由多个串联开关管组成，用于对输入的浪涌电压和浪涌电流进行抑制；

电压检测电路，与所述浪涌抑制器的电压输出端相连，用于检测浪涌抑制器输出端的电压，当检测到的电压将高于浪涌参考电压VS_ref，则将误差电压放大后输入到驱动调控电路；

电流检测电路，与所述开关管串联，用于检测浪涌抑制器中流通的电流，当检测到的电流将高于浪涌参考电流IS_ref，则将误差电流放大后输入驱动调控电路；

驱动调控电路，用于接收所述误差电压和误差电流，将调控信号由隐形调整为显性，并降低开关管的驱动电压；

开关管驱动电路，包括电阻电容阻尼分压网络，所述电阻电容阻尼分压网络用于为开关管提供偏置电压。

可选的，所述开关管为功率晶体苷或功率MOS场效应晶体管。

可选的，所述电压检测电路包括检测电阻R1、检测电阻R2和误差放大器U1，所述浪涌抑制器的电压输出端与检测电阻R1的一端相连，所述检测电阻R1的另一端通过检测电阻R2接地，所述检测电阻R1的另一端还与误差放大器U1的一个输入端相连，所述误差放大器U1的另一个输入端通过浪涌参考电压VS_ref接地，所述误差放大器U1的输出端与驱动调控电路相连。

可选的，所述电流检测电路包括电流检测器J和误差放大器U2，所述浪涌抑制器的电压输入端通过电流检测器J接地，所述电流检测器J的输出端与误差放大器U2的一输入端相连，所述误差放大器U2的另一输入端通过浪涌参考电流IS_ref接地，所述误差放大器U2的输出端与驱动调控电路相连。

可选的，所述开关管驱动电路还包括两个电压相同的用于对所有开关管悬浮驱动的供电电源。

可选的，所述驱动调控电路包括三极管QA，所述电压检测电路的输出端与三极管QA的基级相连，三极管QA的发射极接地，集电极与开关管的栅极相连。

可选的，所述驱动调控电路还包括三极管QB，所述电流检测电路的输出端与三极管QB的基级相连，三极管QB的发射极接地，集电极与开关管的栅极相连。

本发明实施例将单个开关管替换为多个串联的开关管阵列，通过驱动调控电路和开关管驱动电路，不仅实现了电压和电流浪涌抑制，而且所有开关管能够实现自动均压，一方面提升了对峰值电压的抑制能力，另一方面使得损耗也平均分摊到每一个开关管中，从而大大提升抗浪涌容量，解决了现有技术为了保证浪涌抑制开关管的安全工作，不仅要增大开关管和散热器的体积，还要降低浪涌持续的时长的技术问题。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为采用TVS实现的过压浪涌抑制电路图；

图2为采用一个开关管实现的电压电流浪涌抑制电路图；

图3为本发明一种浪涌抑制电路的较佳实施方式的结构图；

图4为本发明一种浪涌抑制电路的较佳实施方式的电路图；

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。

使用用于区分元件的诸如“第一”、“第二”等前缀仅为了有利于本发明的说明，其本身没有特定的意义。

供电系统中浪涌信号一般分为电压浪涌和电流浪涌两种类别，电压浪涌又可以分为欠压浪涌和过压浪涌，本发明涉及的浪涌抑制电路主要针对过压浪涌和电流浪涌，因此下文中所述的电压浪涌特指过压浪涌。

如图3所示，本发明实施例中的一种浪涌抑制电路，包括：

浪涌抑制器，由多个串联开关管组成，用于对输入的浪涌电压和浪涌电流进行抑制；

电压检测电路，与所述浪涌抑制器的电压输出端相连，用于检测浪涌抑制器输出端的电压，当检测到的电压将高于浪涌参考电压VS_ref，则将误差电压放大后输入到驱动调控电路；

电流检测电路，与所述开关管串联，用于检测浪涌抑制器中流通的电流，当检测到的电流将高于浪涌参考电流IS_ref，则将误差电流放大后输入驱动调控电路；

驱动调控电路，用于接收所述误差电压和误差电流，将调控信号由隐形调整为显性，并降低开关管的驱动电压；

开关管驱动电路，包括电阻电容阻尼分压网络，所述电阻电容阻尼分压网络用于为开关管提供偏置电压。

可选的，所述开关管为功率晶体苷或功率MOS场效应晶体管。

如图4所示，所述电压检测电路包括检测电阻R1、检测电阻R2和误差放大器U1，所述浪涌抑制器的电压输出端与检测电阻R1的一端相连，所述检测电阻R1的另一端通过检测电阻R2接地，所述检测电阻R1的另一端还与误差放大器U1的一个输入端相连，所述误差放大器U1的另一个输入端通过浪涌参考电压VS_ref接地，所述误差放大器U1的输出端与驱动调控电路相连。

如图4所示，所述电流检测电路包括电流检测器J和误差放大器U2，所述浪涌抑制器的电压输入端通过电流检测器J接地，所述电流检测器J的输出端与误差放大器U2的一输入端相连，所述误差放大器U2的另一输入端通过浪涌参考电流IS_ref接地，所述误差放大器U2的输出端与驱动调控电路相连。

如图4所示，所述开关管驱动电路还包括两个电压相同的用于对所有开关管悬浮驱动的供电电源。

如图4所示，所述驱动调控电路包括三极管QA，所述电压检测电路的输出端与三极管QA的基级相连，三极管QA的发射极接地，集电极与开关管的栅极相连。

如图4所示，所述驱动调控电路还包括三极管QB，所述电流检测电路的输出端与三极管QB的基级相连，三极管QB的发射极接地，集电极与开关管的栅极相连。

本发明实施例将单个开关管替换为多个串联的开关管阵列，通过驱动调控电路和开关管驱动电路，不仅实现了电压和电流浪涌抑制，而且所有开关管能够实现自动均压，一方面提升了对峰值电压的抑制能力，另一方面使得损耗也平均分摊到每一个开关管中，从而大大提升抗浪涌容量，解决了现有技术为了保证浪涌抑制开关管的安全工作，不仅要增大开关管和散热器的体积，还要降低浪涌持续的时长的技术问题。

图4展示了本发明一种浪涌抑制电路的较佳实施方式的电路图，开关管驱动电路包括电阻电容阻尼分压网络、驱动端钳位齐纳二极管和两个电压相同的用于对所有开关管悬浮驱动的供电电源。双电源电压幅度相同，电源的参考点分别为抑制器的电压输入端和电压输出端。经过电阻电容阻尼分压网络分压，为串联开关管提供的偏置电压。

如图4所示，三极管QA和QB的集电极通过调控母线与开关管Qn的栅极相连，调控信号直接调整的对象为开关管Qn的驱动电压，再通过电阻电容阻尼分压网络实现对串联开关管阵列的整体调控。

如图4所示，多个相同型号的开关管串联在功率回路中，当输入电压和回路流过的电流满足后级负载对电压和电流的要求，即所有调控信号为隐性时，则所有开关管工作在导通状态；当输入电压和回路电流任一状态不满足后级负载的要求，即任一调控信号为显性时，所有开关管工作在可变电阻区(阻值呈增大趋势直到完全关断)或者截止(关闭)状态，以抑制输入端的浪涌电压或者回路中的浪涌电流，直到所有调控信号解除。在这种状态下，由于所有开关管采用串联方式连接在一起，流过的电流必然相同，同时，所有开关管的驱动电压由偏置电压和开关管自身输出端(例如功率MOS场效应晶体管的输出端为源级，功率晶体苷的输出端为射级)的电压共同决定，偏置电压由电阻电容阻尼分压网络为串联开关管提供，每个开关管都将根据调控信号的强度调整自身的导通度，从而实现自动均压。

串联开关管阵列调控信号的反馈信息可以是：输出端的电压检测信号、回路中的浪涌电流检测信号或其它有意义的电气信号。所有浪涌或者其它调控信号通过逻辑关系“或”作用于串联开关管的驱动之上，不必为每一个功能单独设计开关管的驱动电路。

本发明实施例提供的浪涌抑制电路对传统浪涌抑制电路进行了改进，与传统电路相比，本发明的浪涌抑制电路有以下特点：

1)本发明拓展了浪涌抑制器架构。浪涌抑制器本质上是将多余的能量(电压或电流)消耗掉，传统的电压电流浪涌抑制器采用单个开关管，其抗浪涌容量受到开关管安全区工作域的限制，在一些高电压，持续时间长的浪涌条件下，单开关管的浪涌抑制能力难以满足系统要求。本发明采用多个相同电特性的开关管串联组成的浪涌抑制阵列，能够将浪涌抑制过程中产生的损耗平均分配到每一个开关管，使得单个开关管的损耗不至于过大，根据不同的功率需求可以增加或者减小串联阵列中开关管的数量，以满足供电系统的要求，多个串联的开关管阵列在浪涌抑制过程中能够实现均压，从而大大提升高峰值电压的浪涌抑制能力。本发明所采用的架构既提升了诸如峰值电压高、持续时间长的浪涌抑制器的可靠性，也分散了浪涌热损耗，从而减小散热器的尺寸、体积和重量。

2)本发明实现了双电源悬浮供电对多个串联开关管阵列的驱动。传统的悬浮驱动采用隔离电源或者自举供电。由于串联阵列中所有开关管工作在悬浮状态，利用变压器进行悬浮供电，每一个开关管都需要独立的绕组供电，增加了线圈绕制的难度。同理采用自举供电也需要为每一个开关管单独设计电荷泵。随着串联开关管阵列规模增大，整体供电电路将变得非常庞大冗杂，而且增加了开关管的驱动调控的难度。本发明中采用相等电压的双悬浮电源供电，所有开关管的驱动偏置电压由电阻电容阻尼分压网络提供，随着串联开关管个数的增加，只需要增加相应的电阻电容阻尼分压网络而不需要提供额外的供电电源，这使得浪涌抑制电路串联规模的可以根据供电的实际需求灵活变化。另外本发明中采用电阻电容阻尼分压网络能够有效抑制由输入或者输出端阶跃引起的驱动电压自激现象。

3)本发明实现了具有自动均压功能的开关管阵列驱动。开关管串联需要解决的核心问题是如何实现串联均压，传统的均压需要分别检测每个开关管的压降，然后与阵列中的平均管压降进行比较，如果高于平均管压降，控制器将会降低该开关管的驱动电压，反之则升高开关管的驱动电压，如果串联的规模很大，这将大大增大均压调控电路的复杂度。本发明中，开关管的驱动电压由恒定的驱动偏置和开关管自身的输出电压共同决定，也就是说，驱动电压是恒定偏置与输出电压的线性组合，这种设计能够让整个网络串联网络实现自动均压，而不需要检测每个开关管上的压降。

4)本发明中采用逻辑“或”实现多种不同信号对开关阵列的调控。在电压浪涌、电流浪涌或者其他异常情况发生时，开关管阵列需要增大自身的阻抗，以降低电压或者电流对后级设备或系统造成冲击，这些不同的保护功能，从控制的角度来看都是通过改变开关阵列的驱动电压来实现，因此对于上述这种需要改变开关阻抗的应用，都可以采用相同的调控方式，从而实现开关阵列、供电、驱动等单元电路的复用，任一信号从隐性变为显性都会触发开关管阵列进行调控，这就需要不同的信号以逻辑“或”方式进行组合。

本发明浪涌抑制电路的结构如图3所示，将开关管从单个扩充至多个，同时根据串联开关阵列工作的特点，采用双悬浮电源实现整个阵列的供电和自适应均压驱动。本发明浪涌抑制电路工作原理如下：

如图4所示，这是一个典型的n个开关管组成的浪涌抑制阵列，由U_in端到U_o按Q1至Qn顺序编号，双悬浮DC电源分别参考U_in和U_o，由电阻、电容和二极管组成的阻尼分压网络实现开关阵列的等梯度驱动供电偏置，图示中节点a_i处的电压为：

U_ai＝U_o+U_DC+(n-i)*(U_in-U_o)，i∈[1，n]

当浪涌抑制电路输出电压和回路中流通的电流在正常范围内时，电压调控信号和电流调控信号都表现为隐性，不影响调控母线电压。

当输出电压发生过压浪涌时，首先是电压检测电路上得到的电压信号将高于浪涌参考设定值VS_ref，该误差通过放大之后进入驱动调控电路，并将电压调控信号由隐性调整为显性，通过驱动调控电路作用于调控母线之上，降低调控母线电压，也就是直接拉低开关管的驱动电压，从而使开关管的阻抗增大，输出电压降低，直到过压浪涌解除，电压调控信号重新变为隐性。

当回路中发生电流浪涌时，首先是电流检测电路上得到的电流信号将高于浪涌参考设定值IS_ref，该误差通过放大之后进入驱动调控电路，并将电流调控信号由隐性调整为显性，通过驱动调控电路作用于调控母线之上，降低调控母线电压，也就是直接拉低开关管的驱动电压，从而使开关管的阻抗增大，回路中流过的电流降低，直到电流浪涌解除，电流调控信号重新变为隐性。

其它信号对串联开关管阵列的调控和电压浪涌、电流浪涌的抑制原理相同。

如图4所示的n开关管串联阵列，当实现均压时，第i(1≤i≤n)个开关管输出节点b_i的电压应满足如下条件：

U_bi＝U_o+(n-i)*(U_in-U_o)

对于第i个开关管，其驱动端的电压是节点ai和b_i的线性组合：

U_ci＝k1*U_ai+k2*U_bi，k1、k2∈(0，1)，k1+k2＝1

影响第i个开关管导通度的相对驱动电压U_Qdi：

U_Qdi＝U_ci-U_bi＝k1*(U_ai-U_bi)＝k1*(U_o+U_DC+(n-i)*(U_in-U_o)-U_bi)

U_Qdi越大表明第k个开关管阻抗越小，反之亦然。

从上面推导的表达式可以看到，如果第i个开关管上的电压从均压状态逐渐变低，则节点b_i电压变高，促使U_Qdi驱动电压变低，从而使得第i个开关管阻抗增大，b_i电压变低，第i个开关管上的电压增大，反之亦然。

以上的分析表明，本发明中串联开关阵列的驱动调控方式具有自适应均压能力。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种浪涌抑制电路，其特征在于，包括：

浪涌抑制器，由多个串联开关管组成，用于对输入的浪涌电压和浪涌电流进行抑制；

电压检测电路，与所述浪涌抑制器的电压输出端相连，用于检测浪涌抑制器输出端的电压，当检测到的电压将高于浪涌参考电压VS_ref，则将误差电压放大后输入到驱动调控电路；

电流检测电路，与所述开关管串联，用于检测浪涌抑制器中流通的电流，当检测到的电流将高于浪涌参考电流IS_ref，则将误差电流放大后输入驱动调控电路；

驱动调控电路，用于接收所述误差电压和误差电流，将调控信号由隐形调整为显性，并降低开关管的驱动电压；

开关管驱动电路，包括电阻电容阻尼分压网络，所述电阻电容阻尼分压网络用于为开关管提供偏置电压。

2.如权利要求1所述的浪涌抑制电路，其特征在于，所述开关管为功率晶体苷或功率MOS场效应晶体管。

3.如权利要求1所述的浪涌抑制电路，其特征在于，所述电压检测电路包括检测电阻R1、检测电阻R2和误差放大器U1，所述浪涌抑制器的电压输出端与检测电阻R1的一端相连，所述检测电阻R1的另一端通过检测电阻R2接地，所述检测电阻R1的另一端还与误差放大器U1的一个输入端相连，所述误差放大器U1的另一个输入端通过浪涌参考电压VS_ref接地，所述误差放大器U1的输出端与驱动调控电路相连。

4.如权利要求1所述的浪涌抑制电路，其特征在于，所述电流检测电路包括电流检测器J和误差放大器U2，所述浪涌抑制器的电压输入端通过电流检测器J接地，所述电流检测器J的输出端与误差放大器U2的一输入端相连，所述误差放大器U2的另一输入端通过浪涌参考电流IS_ref接地，所述误差放大器U2的输出端与驱动调控电路相连。

5.如权利要求1所述的浪涌抑制电路，其特征在于，所述开关管驱动电路还包括两个电压相同的用于对所有开关管悬浮驱动的供电电源。

6.如权利要求1所述的浪涌抑制电路，其特征在于，所述驱动调控电路包括三极管QA，所述电压检测电路的输出端与三极管QA的基级相连，三极管QA的发射极接地，集电极与开关管的栅极相连。

7.如权利要求6所述的浪涌抑制电路，其特征在于，所述驱动调控电路还包括三极管QB，所述电流检测电路的输出端与三极管QB的基级相连，三极管QB的发射极接地，集电极与开关管的栅极相连。