CN110445360A - 直流电源充电电路及直流电源充电设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高稳定性的直流电源充电电路及直流电源充电设备，所述电源充电电路包括：直流电源、等效电容、充电电阻、具有开关特性的半导体器件和检测驱动电路；所述半导体器件与所述充电电阻并联；所述检测驱动电路在所述直流电源对所述等效电容充电过程中，将检测的电压与预设阈值电压进行比较；并根据比较结果，控制所述半导体器件的开关状态，以使所述直流电源通过所述充电电阻或通过所述半导体器件对所述等效电容充电。通过本发明，不但使直流电源损耗小、成本低、控制简单，适用于任何功率段的直流电源，还可以有效解决直流电源上电瞬间会产生很大的浪涌电流；而且明显提高了直流电源系统的稳定性、可靠性。

Description

直流电源充电电路及直流电源充电设备

技术领域

本发明涉及充电电路技术领域，具体而言，涉及一种高稳定性的直流电源充电电路及直流电源充电设备。

背景技术

如图1所示，在直流电源的输入端会有一个小容量的X电容CX和容量较大的支撑电容Ci，其中X电容是为了降低电源的EMI干扰，支撑电容是为了稳定直流电源正负母线电压。这个两个电容在直流电源上电之前，相对于母线是短路状态，上电瞬间会产生很大的浪涌电流。这个浪涌电流不但会增加直流电源自身元器件的电流应力，降低直流电源的可靠性；而且也会增加上一级供电电源系统电流应力，降低其可靠性；同时当直流电源接入较多时，还会导致整个上级电源系统在上电瞬间由于电流过大而启动失败。

为了解决上述问题，现有技术存在增加直流电源功耗、成本及控制难度等问题。基于此，如何在不增加直流电源功耗、成本及控制难度的前提下，减小直流电源上电瞬间产生的浪涌电流的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明实施例中提供一种高稳定性的直流电源充电电路及直流电源充电设备，以解决在不增加直流电源功耗、成本及控制难度等前提下，降低直流电源上电瞬间产生的浪涌电流。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种直流电源充电电路包括：直流电源、等效电容、充电电阻、具有开关特性的半导体器件和检测驱动电路；所述半导体器件与所述充电电阻并联；

所述检测驱动电路在所述直流电源对所述等效电容充电过程中，将检测的电压与预设阈值电压进行比较；并根据比较结果，控制所述半导体器件的开关状态，以使所述直流电源通过所述充电电阻或通过所述半导体器件对所述等效电容充电。

可选地，所述等效电容包括X电容和母线支撑电容。

可选地，所述直流电源的第一端与所述充电电阻的第一端连接，所述充电电阻的第二端与所述等效电容的第一端连接，所述等效电容的第二端与所述直流电源的第二端连接。

可选地，所述半导体器件为场效应晶体管。

可选地，所述检测驱动电路包括门极驱动电路和电压检测电路；

在所述直流电源对所述等效电容充电过程中，所述电压检测电路检测所述充电电阻的电压，将检测的电压与所述阈值电压进行比较；并根据比较结果，驱动所述门极驱动电路，以控制所述场效应晶体管的源漏极导通或关断状态；在所述场效应晶体管的源漏极处于关断状态时，所述直流电源通过所述充电电阻对所述等效电容充电；在所述场效应晶体管的源漏极处于导通状态时，旁路掉所述充电电阻，以使所述直流电源通过所述场效应晶体管的源漏极对所述等效电容充电。

可选地，所述门极驱动电路包括第一电阻、稳压二极管及第一电容；所述第一电阻的第一端与所述直流电源的第二端连接，所述场效应晶体管的门极与所述第一电阻的第二端、所述稳压二极管的第一端及所述第一电容的第一端连接，所述场效应晶体管的源极与所述稳压二极管的第二端及所述第一电容的第二端连接。

可选地，所述电压检测电路包括第二电阻、第三电阻及NPN型三极管；所述NPN型三极管的基极与第二电阻、第三电阻的第一端连接，所述第三电阻的第二端与所述场效应晶体管的漏极连接，所述NPN型三极管的发射极与所述第二电阻的第二端及所述场效应晶体管的源极连接，所述NPN型三极管的集电极与所述场效应晶体管的门极连接。

可选地，在所述直流电源上电时，所述直流电源通过所述充电电阻对所述等效电容充电；所述NPN型三极管处于导通状态，所述NPN型三极管的基极电位被钳位在第一电压，所述场效应晶体管的源漏极处于关断状态；

在检测到所述充电电阻的电压小于所述阈值电压时，所述NPN型三极管截止；所述直流电源的输入电压通过所述第一电阻对所述第一电容充电，在所述第一电容的电压达到所述场效应晶体管的导通阈值时，所述场效应晶体管的源漏极导通，旁路掉所述充电电阻；所述阈值电压由所述第一电压与所述第二电阻及所述第三电阻的阻值确定。

可选地，在所述第一电容的电压达到所述稳压二极管的稳压值时，所述第一电容的电压维持在所述稳压值。

本发明还提供的一种直流电源充电设备，包括如上任意一项所述的直流电源充电电路。

应用本发明的技术方案，不但使直流电源损耗小、成本低、控制简单，适用于任何功率段的直流电源系统，还可以有效解决直流电源上电瞬间会产生很大的浪涌电流；而且明显提高了直流电源系统的稳定性、可靠性。

附图说明

图1是现有直流电源的输入端电路图；

图2是采用热敏电阻的直流电源充电电路的电路图；

图3是采用充电电阻和常开直流接触器的直流电源充电电路的电路图；

图4是根据本发明实施例的高稳定性的直流电源充电电路的主电路图；

图5是根据本发明实施例的一可选地高稳定性的直流电源充电电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

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。

实施例一

为了降低直流电源上电瞬间产生的浪涌电流，可以采用如下两种方式：

如图2所示，在功率较小的电源系统中，在正母线或负母线上串入一个热敏电阻RT，利用热敏电阻的负温度特性，降低启动浪涌电流。但是，因为热敏电阻串接在主回路中，功耗会随着电源功率的增加而增加，所以一般应用在功率较小的电源系统中。

如图3所示，增加一个充电电阻Rs和常开直流接触器K，上电时通过充电电阻Rs限制启动浪涌电流，待母线电压建立后，通过主控芯片下发指令，闭合接触器。因为线圈自身功耗恒定，通常应用在功率较大的电源系统中，但是直流接触器K的应用会大大增加成本和控制难度。

图4是根据本发明实施例的高稳定性的直流电源充电电路的主电路图。如图4所示，本发明实施例中高稳定性的直流电源充电电路包括：直流电源Vin、等效电容Ceq、充电电阻Rs、具有开关特性的半导体器件b和检测驱动电路a；所述半导体器件b与所述充电电阻Rs并联；

所述检测驱动电路a在所述直流电源对所述等效电容Ceq充电过程中，将检测的电压与预设阈值电压进行比较；并根据比较结果，控制所述半导体器件b的开关状态，以使所述直流电源通过所述充电电阻Rs或通过所述半导体器件b对所述等效电容充电。

本发明实施例在降低启动浪涌电流的过程中，未采用热敏电阻的负温度特性，也未采用直流接触器，而采用了半导体器件、检测驱动电路、充电电阻等构成的逻辑电路，因此不但使直流电源损耗小、成本低、控制简单，适用于任何功率段的直流电源系统，可以有效解决直流电源上电瞬间会产生很大的浪涌电流；而且明显提高了直流电源系统的稳定性、可靠性。

其中等效电容包括X电容和母线支撑电容。X电容和母线支撑电容的连接可以参考图1至图3。

详细地，如图4、图5所示，其中所述直流电源的第一端与所述充电电阻的第一端连接，所述充电电阻的第二端与所述等效电容的第一端连接，所述等效电容的第二端与所述直流电源的第二端连接。

如图5所示，在一些实施方式中，所述半导体器件为场效应晶体管Q1。所述检测驱动电路包括门极驱动电路和电压检测电路。其中，电源Vin为直流电源的输入电压；电容Ceq为直流电源母线上的等效电容；电阻Rs为充电电阻；场效应晶体管Q1为旁路充电电阻的场效应晶体管；电阻R1(第一电阻)、稳压二极管D1和电容C1(第一电容)组成场效应晶体管的门极驱动电路，为了保证场效应晶体管Q1的有效导通，稳压二极管的稳压压值Vd1可设为预设稳压值，例如12V；电阻Rb(第三电阻)、电阻Re(第二电阻)和NPN型三极管Q2组成电压检测电路，通过检测充电电阻Rs上的电压值来控制场效应晶体管Q1的导通和关断，电压检测电路可以在充电状态时可靠关断场效应晶体管Q1，保证充电过程的有效完成。

也就是说，在所述直流电源对所述等效电容Ceq充电过程中，所述电压检测电路检测所述充电电阻Rs的电压，将检测的电压与所述阈值电压进行比较；并根据比较结果，驱动所述门极驱动电路，以控制所述场效应晶体管Q1的源漏极(源极漏极)导通或关断状态；在所述场效应晶体管Q1的源漏极处于关断状态时，所述直流电源通过所述充电电阻Rs对所述等效电容Ceq充电；在所述场效应晶体管Q1的源漏极处于导通状态时，旁路掉所述充电电阻，以使所述直流电源通过所述场效应晶体管的源漏极对所述等效电容充电。

可选地，所述门极驱动电路包括第一电阻R1、稳压二极管D1及第一电容C1；所述第一电阻R1的第一端与所述直流电源的第二端连接，所述场效应晶体管Q1的门极与所述第一电阻R1的第二端、所述稳压二极管D1的第一端及所述第一电容C1的第一端连接，所述场效应晶体管Q1的源极与所述稳压二极管D1的第二端及所述第一电容C1的第二端连接。

可选地，所述电压检测电路包括第二电阻Re、第三电阻Rb及NPN型三极管Q2；所述NPN型三极管Q2的基极与第二电阻Re、第三电阻Rb的第一端连接，所述第三电阻Rb的第二端与所述场效应晶体管Q1的漏极连接，所述NPN型三极管Q2的发射极与所述第二电阻Re的第二端及所述场效应晶体管Q1的源极连接，所述NPN型三极管Q2的集电极与所述场效应晶体管Q1的门极连接。

在一些实施方式中，在所述直流电源上电时，所述直流电源通过所述充电电阻Rs对所述等效电容Ceq充电；所述NPN型三极管Q2处于导通状态，所述NPN型三极管Q2的基极电位被钳位在第一电压，所述场效应晶体管Q1的源漏极处于关断状态；第一电压可以是7V。

在对所述等效电容的继续充电，在检测到所述充电电阻Rs的电压小于所述阈值电压时，所述NPN型三极管Q2截止；所述直流电源的输入电压通过所述第一电阻对所述第一电容C1充电，在所述第一电容C1的电压达到所述场效应晶体管Q1的导通阈值时，所述场效应晶体管Q1的源漏极导通，旁路掉所述充电电阻Rs；所述阈值电压由所述第一电压与所述第二电阻及所述第三电阻的阻值确定。例如，阈值电压＝第一电压(Rb+Re)/Re。

详细地，1)上电之前，母线上的等效电容Ceq处于短路状态，场效应晶体管Q1门极上的电压为零，场效应晶体管Q1处于关断状态。

2)上电瞬间，输入电压通过充电电阻Rs给Ceq充电，最大充电电流为Iin＝Vin/Rs，通过调整Rs的阻值可以调节充电电流大小。此时，Rs上的电压为Vin，NPN型三极管Q2处于导通状态，NPN型三极管Q2基极电位被钳位在0.7V，NPN型三极管Q2集电极电压为低，即场效应晶体管Q1的门极电压为低，保证在充电过程中场效应晶体管Q1可靠关断；

3)随着Ceq上的电压不断上升，充电电阻Rs上的电压会不断下降，当充电电阻的电压Vrs＜0.7(Rb+Re)/Re时，即NPN型三极管Q2基极电压小于0.7V，NPN型三极管Q2关断截止，此时输入电压Vin通过电阻R1给电容C1充电，当电容C1上的电压达到场效应晶体管Q1的导通阈值时，场效应晶体管Q1开始导通，充电电阻Rs被旁路掉；

4)在所述第一电容的电压达到所述稳压二极管的稳压值时，所述第一电容的电压维持在所述稳压值。也就是说，当电容C1上的电压达到稳压二极管D1稳压值Vd1时，电容C1上的电压维持在Vd1，用于维持场效应管的导通，充电过程完成。

实施例二

本发明实施例提供一种高稳定性的直流电源充电设备，所述高稳定性的直流电源充电包括如实施例一中任意一项所述的直流电源充电电路。

本发明实施例在具体实现过程中，可以参阅实施例一，具有相应的技术效果。

从以上的描述中可知，本发明实施例通过充电电阻、具有开关特性的半导体器件和检测驱动电路组成的电路结构，来实现一种高稳定性直流电源充电电路。

本发明的主要核心点在于：通过检测驱动电路检测的电压与阈值电压进行比较，然后根据比较结果控制半导体器件的处于关断状态，从而可以在上电瞬间使得直流电源通过充电电阻进行充电，充电电阻可以有效降低直流电源上电瞬间产生的浪涌电流，并在继续充电的过程中，根据比较结果控制半导体器件的处于导通状态，从而旁路掉充电电阻，从而完成整个充电过程。

本发明能达到的效果如下：可以有效降低直流电源上电瞬间产生的浪涌电流；适用于任何功率段的直流电源系统，同时不需要依赖直流接触器、主控芯片，也不采用热敏电阻，因而损耗小、成本低、控制简单，明显提高了直流电源系统的稳定性、可靠性。

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。

上面结合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 (10)

1.一种直流电源充电电路，其特征在于，所述充电电路包括直流电源、等效电容、充电电阻、具有开关特性的半导体器件和检测驱动电路；所述半导体器件与所述充电电阻并联；

所述检测驱动电路在所述直流电源对所述等效电容充电过程中，将检测的电压与预设阈值电压进行比较；并根据比较结果，控制所述半导体器件的开关状态，以使所述直流电源通过所述充电电阻或通过所述半导体器件对所述等效电容充电。

2.根据权利要求1所述的充电电路，其特征在于，所述等效电容包括X电容和母线支撑电容。

3.根据权利要求1所述的充电电路，其特征在于，所述直流电源的第一端与所述充电电阻的第一端连接，所述充电电阻的第二端与所述等效电容的第一端连接，所述等效电容的第二端与所述直流电源的第二端连接。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的充电电路，其特征在于，所述半导体器件为场效应晶体管。

5.根据权利要求4所述的充电电路，其特征在于，所述检测驱动电路包括门极驱动电路和电压检测电路；

在所述直流电源对所述等效电容充电过程中，所述电压检测电路检测所述充电电阻的电压，将检测的电压与所述阈值电压进行比较；并根据比较结果，驱动所述门极驱动电路，以控制所述场效应晶体管的源漏极导通或关断状态；在所述场效应晶体管的源漏极处于关断状态时，所述直流电源通过所述充电电阻对所述等效电容充电；在所述场效应晶体管的源漏极处于导通状态时，旁路掉所述充电电阻，以使所述直流电源通过所述场效应晶体管的源漏极对所述等效电容充电。

6.根据权利要求5所述的充电电路，其特征在于，所述门极驱动电路包括第一电阻、稳压二极管及第一电容；所述第一电阻的第一端与所述直流电源的第二端连接，所述场效应晶体管的门极与所述第一电阻的第二端、所述稳压二极管的第一端及所述第一电容的第一端连接，所述场效应晶体管的源极与所述稳压二极管的第二端及所述第一电容的第二端连接。

7.根据权利要求6所述的充电电路，其特征在于，所述电压检测电路包括第二电阻、第三电阻及NPN型三极管；所述NPN型三极管的基极与第二电阻、第三电阻的第一端连接，所述第三电阻的第二端与所述场效应晶体管的漏极连接，所述NPN型三极管的发射极与所述第二电阻的第二端及所述场效应晶体管的源极连接，所述NPN型三极管的集电极与所述场效应晶体管的门极连接。

8.根据权利要求7所述的充电电路，其特征在于，在所述直流电源上电时，所述直流电源通过所述充电电阻对所述等效电容充电；所述NPN型三极管处于导通状态，所述NPN型三极管的基极电位被钳位在第一电压，所述场效应晶体管的源漏极处于关断状态；

在检测到所述充电电阻的电压小于所述阈值电压时，所述NPN型三极管截止；所述直流电源的输入电压通过所述第一电阻对所述第一电容充电，在所述第一电容的电压达到所述场效应晶体管的导通阈值时，所述场效应晶体管的源漏极导通，旁路掉所述充电电阻；所述阈值电压由所述第一电压与所述第二电阻及所述第三电阻的阻值确定。

9.根据权利要求8所述的充电电路，其特征在于，在所述第一电容的电压达到所述稳压二极管的稳压值时，所述第一电容的电压维持在所述稳压值。

10.一种直流电源充电设备，其特征在于，所述设备包括如权利要求1-9中任意一项所述的直流电源充电电路。