CN110676806A - 一种直流电子接触器的过流保护电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直流电子接触器的过流保护电路，NMOS开关管的漏极连接直流电源正极，源极通过负载连接直流电源负极；单片机控制信号经过驱动电路输入NMOS开关管栅极。多路所述NMOS开关管并联，NMOS开关管漏极还通过继电器保护电路和差分电阻后接差分放大器同向输入端，源极还通过继电器线圈等效电阻和差分电阻后接差分放大器反向输入端，差分放大器的输出端接单片机AD转换模块。驱动信号控制NMOS开关管开通，过流保护电路实时采样NMOS开关管漏极和源极两端的电压，当超过设定阈值时，过流关机保护。该过流保护电路设计简单，电路既能降低使用成本，又能提升电路工作时的可靠性和稳定性。

Description

一种直流电子接触器的过流保护电路
技术领域
本发明涉及电路控制领域，尤其涉及一种直流电子接触器的过流保护电路。
背景技术
直流电源广泛应用于人们生产生活的各个领域中，常见的应用有电动汽车、通信、能源、机房服务器等。在直流电源和负载所组成的直流供电回路中，通常采用机械接触器开关控制供电回路的通断。但是，机械接触器存在价格昂贵，在大电流使用的时候，噪声大，且容易出现拉弧损坏的情况，导致使用成本高。另外在机械切换的时候，会有脉冲尖峰噪声传导进入周边电网，污染电网环境。
为了解决上述问题，专利编号CN203071900U提出电子接触器，但该专利没有提到任何保护措施，我们知道这种电子接触器应用在低电压大电流时，成百上千安培的电流在NMOS开关管通断瞬间会有较高的尖脉冲，损坏NMOS开关管，如果没有保护电路根本不能应用在工程现场；专利编号CN107332543A提出一种电子接触器的保护电路及系统，这种电子接触器相对机械接触器存在价格便宜、噪声小，不会出现拉弧损坏和污染电网环境的问题。但是该专利没有提到过流保护，我们知道，工程现场应用时，负载是不确定的，如果负载突然加重，流经电子接触器NMOS开关管的电流超过NMOS开关管电流应力时，易导致MOS开关管损坏。由于电子接触器所有MOS开关管是并联的，一旦其中一个MOS开关管损坏，其他MOS开关管承受的电流更多，电流应力就更高，进入恶性循环，从而容易导致整个电子接触器损坏；使得对供电线路的通断控制失效，甚至会造成各种安全隐患。
发明内容
本发明提供了一种直流电子接触器的过流保护电路，目的在于解决电子接触器在负载突变加重时导致NMOS开关管过流损坏的问题。
为了解决上述问题，本发明提供一种直流电子接触器保护电路，电子接触器NMOS开关管的漏极(D极)与直流电源正极连接，NMOS开关管源极(S极)通过负载与直流电源负极连接；单片机发出控制信号经过驱动电路后输入到NMOS开关管栅极(G极)。所述过流保护电路包括继电器保护电路、继电器线圈等效电阻、差分电阻、差分放大器、反馈电阻；多路所述NMOS开关管并联，多路并联NMOS开关管的漏极接继电器保护电路后经差分电阻到差分放大器同向输入端，多路并联NMOS开关管的源极接继电器线圈等效电阻后经差分电阻到差分放大器反向输入端，反馈电阻接在差分放大器的反向输入端和输出端之间，差分放大器输出接单片机模数转换输入口。驱动信号控制NMOS开关管开通时，继电器在NMOS开关管开通后延迟一定周期后接通，此时过流保护电路工作，单片机模数转换采样得到NMOS开关管两端的电压，该电压除以电子接触器并联阻抗Z，得出电子接触器流过的总电流，将总电流与设定的阈值比较，如果超过阈值为过流，保护关机。
优选的，所述电子接触器并联阻抗Z由以下方法测得：用标准直流电源给接触器通过额定的大电流，用高精度分流器和万用表测量其电流值I，再经过流保护电路计算出此时并联NMOS开关管漏极和源极之间电压U，U除以I就可以得出并联NMOS开关管的阻抗Z，把Z写进单片机EEPROM(带电可擦可编程只读存储器)中，过流保护计算时直接从EEPROM中读取Z值。
优选的，继电器隔离保护电路包括继电器，所述继电器串联在NMOS开关管的漏极和同向输入端差分电阻之间。因为NMOS开关管在开通和关断瞬间，会产生足够损坏差分采样电路的尖峰电压，为了保护差分采样电路，选用继电器隔离保护，继电器在NMOS开关管开通后延迟一定周期后接通，在NMOS开关管关断前一定周期继电器先关断，这样避开了NMOS开关管开通和关断时产生的尖峰电压，达到保护差分采样电路的目的。同时也防止采样到尖脉冲信号带来的采样误差。
所述继电器线圈等效电阻用来抵消继电器接通时的线圈内阻，以提高采样精度。
优选的，所述的差分电路的同向输入端和反向输入端的差分电阻采用多个高精度电阻串联，降低温度偏移带来阻值的偏差。
本发明具有以下优点或有益效果：
(1)本发明用并联的NMOS开关管的等效阻抗Z作为电流采样电阻。电子接触器开通时，直流电流经过Z而形成电压U，过流保护电路直接以差分的形式采样该电压值，和设定的过流阈值比较，判断电子接触器是否过流。本发明大大简化了大电流采样电路，也降低了成本。
(2)因为NMOS开关管批次不同，内阻有一定的离散性，不同的电子接触器又使用了多个NMOS开关管并联。所以不同的电子接触器阻抗Z不同。本发明由以下方法巧妙的测得电子接触器并联阻抗Z：用标准直流电源给接触器通过额定的大电流，用高精度分流器和万用表测量其电流值I，再经过流保护电路计算出此时并联NMOS开关管漏极和源极之间电压U，U除以I就可以得出并联NMOS开关管的阻抗Z，把Z写进单片机EEPROM(带电可擦可编程只读存储器)中，过流保护计算时直接从EEPROM中读取Z值。
(3)数千安培电流流过电子接触器，接触器开关状态下，NMOS开关管漏极和源极信号边缘会有较高的尖脉冲，该脉冲电压足够损坏过流保护电路。本发明设计了继电器隔离保护电路，该电路的继电器串联在NMOS开关管的漏极和同向输入端差分电阻之间。继电器在NMOS开关管开通后延时一定周期后接通，在NMOS开关管关断前一定周期继电器先关断，继电器这样控制防止在NMOS开关管开通和关断时候的尖脉冲电压损坏差分放大电路，同时也防止采样到尖脉冲信号带来的采样误差。
(4)因为继电器导通时，有一定的内阻，本发明在NMOS开关管源极和差分放大电路反向输入端之间接一继电器线圈等效电阻，继电器线圈等效电阻用来抵消继电器接通时的线圈内阻，以提高采样精度。
(5)电阻值会随温度发生漂移，进而破坏差分电路的平衡，本发明同向输入端和反向输入端差分电阻采用多个高精度电阻串联，降低温度偏移带来阻值的偏差。
附图说明
图1为本发明直流电子接触器过流保护电路示意图；
图2为本发明直流电子接触器继电器隔离保护电路示意图；
图3为本发明直流电子接触器开关驱动信号和继电器驱动信号示意图；
图4为本发明直流电子接触器过流保护电路开关驱动关断时示意图；
图5为本发明直流电子接触器过流保护电路开关驱动开通时示意图。
具体实施方式
现通过具体实施方式结合附图的方式对本发明做出进一步的诠释说明。
如图1所示，整个电路包括过流保护电路4和直流电子接触器，直流电子接触器包括NMOS开关管1和驱动电路2。直流电子接触器NMOS开关管1的漏极(D极)与直流电源正极连接，NMOS开关管1源极(S极)通过负载3与直流电源负极连接；单片机发出控制信号经过驱动电路2后输入NMOS开关管1栅极(G极)。所述过流保护电路4包括继电器保护电路7、继电器线圈等效电阻5、差分电阻6、差分放大器8、反馈电阻9；多路上述方式连接的NMOS开关管1并联。多路并联NMOS开关管1漏极通过继电器保护电路7和差分电阻6后接差分放大器8同向输入端，多路并联NMOS开关管1源极通过继电器线圈等效电阻5和差分电阻6后接差分放大器8反向输入端，差分放大器8的输出端接单片机模拟/数字(AD)转换模块。在驱动信号控制下NMOS开关管1开通后，过流保护电路4实时采样NMOS开关管1漏极和源极两端的电压，当采样得到的电压值超过设定阈值时，过流关机保护。
现场应用时数千安培电流流过电子接触器，接触器在开关状态下，NMOS开关管1漏极和源极信号边缘会有较高的尖脉冲，该脉冲电压足够损坏过流保护电路。继电器隔离保护电路7如图2，该电路的继电器串联在NMOS开关管1的漏极和同向输入端差分电阻之间。继电器在NMOS开关管1开通后延时一定周期△t后接通，在NMOS开关管1关断前一定周期△t,继电器先关断，驱动波形如图3所示。继电器这样控制防止在NMOS开关管1开通和关断时候产生的尖脉冲电压损坏差分放大电路，同时也防止采样到尖脉冲信号带来的采样误差。
NMOS开关管驱动信号和继电器驱动信号可以通过各种方式产生，例如通过数字处理芯片DSP或单片机或者ARM处理器产生，也可以通过定时器芯片产生驱动信号。驱动信号也可以采用现有任意驱动电路，将驱动信号传输给NMOS开关管1。驱动信号具体可以为方波信号，且信号频率可以根据当前具体需求具体选定。
在NMOS开关管1关断后，关断周期内NMOS开关管1内没有电流流过，此时NMOS开关管1两端的电压就是直流电源输出电压，此电压值一般较高，所以过流保护电路的继电器断开如图4，整个过流保护电路不工作。
NMOS开关管1驱动信号开通后，经过△t时间后，继电器驱动打开，如图5所示。过流保护电路7为一差分放大电路，Z为并联NMOS开关管阻抗，R1,R2为差分输入电阻，R3为继电器接通时线圈阻抗，R4为继电器线圈等效电阻，R5为直流电子接触器负载，D1为差分放大器。
R1和R2都是由多个精密电阻串联等效而成，降低温度偏移带来阻值的偏差。电路满足：
R1+R3＝R2+R4(1)
此时差分输出电压：
Uout＝Rf/(R1+R3)*U(2)
Uout经过AD采样后可以读取其数值。
其中U电子接触器并联NMOS开关管漏极源极电压
U＝I*Z(3)
其中I为电子接触器电流，Z为并联NMOS开关管阻抗
阻抗Z可以由以下方法求得：
所有接触器出厂校正时，用标准直流电源给接触器通过额定的大电流，用高精度分流器和万用表测量其电流值I，再经过流保护电路计算出此时并联NMOS开关管漏极和源极之间电压U，U除以I就可以得出并联NMOS开关管的阻抗Z，把Z写进单片机EEPROM(带电可擦可编程只读存储器)中，过流保护计算时直接从EEPROM中读取Z值。
综上，Uout、Z、R1、R3、Rf为已知，由(1)(2)(3)式可以得出：
I＝[Uout*(R1+R3)/Rf]/Z(4)
得到的I值与直流电子接触器过流保护阈值比较，如果高于该阈值，则判断过流，系统关机保护。
以上仅是本发明的具体实施方式而已，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任意简单修改、等同变化、结合或修饰，均仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.直流电子接触器过流保护电路，其特征在于，电子接触器NMOS开关管的漏极与直流电源正极连接，NMOS开关管源极通过负载与直流电源负极连接；单片机发出控制信号经过驱动电路后输入NMOS开关管栅极；所述过流保护电路包括继电器保护电路、继电器线圈等效电阻、差分电阻、差分放大器、反馈电阻；多路所述NMOS开关管并联，多路并联NMOS开关管的漏极串联继电器保护电路和差分电阻后连接差分放大器同向输入端，多路并联NMOS开关管的源极串联继电器线圈等效电阻和差分电阻连接差分放大器反向输入端，反馈电阻接在差分放大器的反向输入端和输出端之间，差分放大器输出接单片机模数转换输入口，所述继电器线圈等效电阻用来抵消继电器保护电路接通时的线圈内阻；驱动信号控制NMOS开关管开通时，继电器保护电路在NMOS开关管开通后延时一定周期后接通，此时过流保护电路工作，单片机模数转换采样得到NMOS开关管两端的电压，该电压除以电子接触器并联阻抗Z，得出电子接触器流过的总电流，将总电流与设定的阈值比较，如果超过阈值为过流，保护关机。
2.如权利要求1所述的直流电子接触器的过流保护电路，其特征在于，电子接触器并联阻抗Z由以下方法测得：用标准直流电源给接触器施加额定的大电流，用高精度分流器和万用表测量其电流值I，再经过流保护电路计算出此时并联NMOS开关管漏极和源极之间电压U，U除以I就可以得出并联NMOS开关管的阻抗Z，把Z写进单片机EEPROM中，过流保护计算时直接从EEPROM中读取Z值。
3.如权利要求2所述的直流电子接触器的过流保护电路，其特征在于，所述继电器隔离保护电路包括继电器，所述继电器串联在NMOS开关管的漏极和同向输入端差分电阻之间；继电器在NMOS开关管开通后延迟一定周期后接通，在NMOS开关管关断前一定周期继电器先关断，避开NMOS开关管通断瞬间产生的电压尖峰，保护差分采样电路；同时防止所述单片机采样到所述电压尖峰而导致过流误判。
4.如权利要求3所述的直流电子接触器过流保护电路，其特征在于，差分放大电路同向输入端和反向输入端的差分电阻采用多个高精度电阻串联，降低温度带来阻值的偏差。
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