CN110676828A - 一种直流浪涌抑制电路 - Google Patents

Abstract

本发明适用于直流电压浪涌抑制电路领域，提供了一种直流浪涌抑制电路，包括电子开关模块、限幅电路模块、输入端采样电路模块、电子开关模块的控制电路模块、输出端采样电路模块、限幅电路模块的控制电路模块，所述电子开关模块与限幅电路模块相并联，形成双通道电路，串联于直流电压输入端与输出端之间，所述电子开关模块通过输入端采样电路模块与控制电路模块进行采样与控制，限幅电路模块通过输出端采样电路模块与控制电路模块进行采样与控制，可有效解决经现有直流浪涌电压抑制电路的抑制电压高于正常电压、开关及限幅器件的导通电阻大小与调制电压范围相矛盾的问题。本发明广泛应用于各种需要抑制直流浪涌的场合。

Description

一种直流浪涌抑制电路

技术领域

本发明涉及直流浪涌抑制技术领域，具体来说，涉及直流浪涌抑制电路。

背景技术

在电路系统中，由于存在诸如感性负载切换、重负载接入或断开、雷击、静电释放等各种各样的原因，电路系统在工作过程中，往往产生各种干扰电压，造成直流电源电压过高或过低,偏离工作电压的正常范围,影响电路系统的正常运行，甚至损坏电路系统。干扰电压的其中之一是尖峰电压，它的持续时间短，一般在微秒级，具有的能量较小，可采用瞬态电压抑制二极管(TVS二极管)、压敏电阻、气体放电管等元器件进行抑制；干扰电压的另一种为浪涌电压，通常是由于电源系统自身调节校正所引起的，它的持续时间较长，一般在几十毫秒至几百毫秒的范围，具有的能量较大，足以损坏压敏电阻等用来做保护的元器件，不能像抑制尖峰电压一样，简单地选用压敏电阻等元器件来解决。

现有技术的直流浪涌抑制电路原理框图如图1所示。

其工作原理是：当输入端电压处于正常范围时，“开关、限幅器件”完全导通，输出端电压略低于输入端电压(由“开关、限幅器件”的导通电阻和流过“开关、限幅器件”的电流决定)；当输入端出现过高的浪涌电压时，输出端采样电路将检测到电压过高，并输出信号给控制电路，再由控制电路处理后送给“开关、限幅器件”，使输出电压下降到设定值，进而保护后级电路不受输入端过高异常电压损坏。但存在如下问题：

1、如图1所示，输入与输出之间的通道仅有一个通道，即通过“开关、限幅器件”控制输出电压。该电路须具备如下两种功能：(1)在正常工作电压范围时，“开关、限幅器件”完全导通，输出电压接近于输入电压，电路的电压抑制功能不能启动，那么其设置的抑制电压值一定大于正常的工作电压范围值；如果将电路的抑制电压值设定为正常工作电压，那么输入为正常电压时，图1电路的电压抑制功能将有可能会启动，一旦启动，则“开关、限幅器件”不可能处于完全导通态，那么，输出端电压会下降，同时，“开关、限幅器件”自身功耗急剧增加，若无足够散热条件，“开关、限幅器件”将损坏，因此，在此种设计中，电路的抑制电压值必然高于正常工作电压值。(2)当输入端出现过高的浪涌电压时，“开关、限幅器件”输入、输出间电压升高，使输出端电压低于输入端电压，此时输出的电压值由电路设置的抑制电压值决定，可通过调节采样电路来调节该抑制电压，但不能将抑制电压调整到正常工作电压范围内，经直流浪涌电压抑制电路的抑制电压高于正常电压，如图2所示。

2、图1中使用的“开关、限幅器件”存在选型困难的问题。因其需完成两个功能：其一，在输入端为正常电压时，处于完全导通态，导通压降越小越好；其二，在输入端出现高的浪涌电压时，该“开关、限幅器件”输入、输出间电压上升，使输出端电压维持到设定的电压值。这里在“开关、限幅器件”的选型上将产生矛盾，其矛盾点在于：要求正常电压下，“开关、限幅器件”的导通压降越小越好，即导通电阻要尽量小，但同电流条件下，导通电阻越小的器件其能够调制的电压范围越窄，也就是说，它能够承受的漏极到源极的电压就越小(该电压主要由器件实际的安全工作区决定，与其额定电压关系不大)，往往需要通过并联多只“开关、限幅器件”的方式来分担电流，才能提高调制的电压范围；或者选用导通电阻大一些的“开关、限幅器件”，但这带来的问题就是其导通电阻变大，正常工作时的导通电压变大，致使输出端电压变小(输出端电压等于输入端电压减去“开关、限幅器件”的电压)，且正常工作电压下“开关、限幅器件”的自身功耗也会增大，因此，图1电路中，在追求电路有更小的导通压降且要兼顾调制电压性能时，会出现“开关、限幅器件”选型困难的问题。

所以，电路系统在存在浪涌电压的环境中工作时，现有技术的浪涌抑制电路对浪涌电压进行抑制后的电压均大于正常工作电压。且存在电路系统中“开关、限幅器件”的导通电阻大小与调制电压范围大小相矛盾的问题。

本发明旨在解决经直流浪涌电压抑制电路的抑制电压高于正常电压、“开关、限幅器件”的导通电阻大小与调制电压范围大小相矛盾的问题，实现本发明的直流浪涌抑制电路。

在中国专利数据库中涉及直流浪涌抑制电路的专利有《一种直流过压浪涌抑制器》公开(公告)号为CN205178499U，《一种浪涌抑制电路》公开(公告)号为CN110137928A，《一种浪涌电流抑制电路》公开(公告)号为CN205141646U，《一种航空变换器的浪涌抑制电路》公开(公告)号为CN109510448A，《一种带反接保护的直流浪涌电压箝位电路》公开(公告)号为CN104319739A，《开关管电路、逆变器、驱动电路和空调》公开(公告)号为CN110247544A。然而迄今为止，尚无采用本发明所述的技术方案解决经直流浪涌电压抑制电路的抑制电压高于正常电压、“开关、限幅器件”的导通电阻大小与调制电压范围大小相矛盾的问题的申请件。

发明内容

本发明旨在解决经直流浪涌电压抑制电路的抑制电压高于正常电压、“开关、限幅器件”的导通电阻大小与调制电压范围大小相矛盾的问题，采用电子开关通道、限幅电路通道组合而成的双通道电路技术，以及输入/输出双采样、双控制技术及超温保护技术，根据电压通道流向及采样信号控制流向，组成本发明直流浪通抑制电路原理框图，达到解决问题的目的。技术方案电路原理框图如图3所示。

图3所示电路原理框图的工作原理是：(1)正常工作电压时，“电子开关”完全导通，将输入端电压输送到输出端，此时“限幅电路”被“电子开关”短路，其是否工作均不影响输出端电压。(2)当输入端出现过压浪涌信号时，“采样电路1”采集到此过压信号，送给“控制电路1”处理，然后“控制电路1”输出控制信号使“电子开关”关断，“电子开关”关断后接近于零功耗；同时，“采样电路2”采集输出端电压并送给“控制电路2”，然后由“控制电路2”控制“限幅电路”，使其输出电压被控制在正常工作电压的范围内(“采样电路2”的检测电压点设置为正常工作电压值)。

图3中的“电子开关”可视实际情况选用低导通电阻的MOS器件、低导通压降的晶体管器件、可控硅等可实现电子开关功能的各类半导体器件或模块；“限幅电路”可视实际情况选用MOS器件、MOS器件同双极型晶体管的组合、IGBT等器件或模块。

对图1所示电路存在问题的解决：

如图3所示，输入～输出有两个通道，分别是电子开关和限幅电路两个通道，该两通道设计方案可很好解决上述图1中单通道设计所存在的问题。

针对图1电路中“输出端过压浪涌抑制电压高于正常工作电压”的问题：本发明将图3中“采样电路2”的采样电压设定为输入端的正常工作电压，当输入端为正常工作电压时，“采样电路2”采集到输出端为正常电压，尽管此时“控制电路2”、“限幅电路”会工作，但是由于此时“电子开关”处于完全导通态，使“限幅电路”被短路，因而可以正常输出电压到输出端；关键点是本发明的双通道设计可以将“限幅电路”的输出电压设计为正常工作电压值，而且不影响正常工作电压时的输出电压，使浪涌抑制电压在正常工作电压范围，如图4所示。

针对图1电路中“开关、限幅器件”导通电阻大小与调制电压范围大小相矛盾的问题：因本专利采用双通道设计，“电子开关”与“限幅电路”各司其职，“电子开关”只需要考虑导通压降小的器件即可，不需要考虑其调制电压的能力；同样的，“限幅电路”只需要选用调制电压能力强的(同电流条件下)，而不用去考虑导通压降小的问题，因此，能够很好的解决图1中“开关、限幅器件”导通电阻大小与调制电压范围大小相矛盾的问题。

图3为本发明所设计电路的电原理框图，利用本电路原理框图的原理，可以设计出应用于不同输入电压的直流浪涌抑制电路，如12V、24V、28V等；即电路原理不变，只需调节元器件参数即可。

上述介绍了一种可实现图3电路框图的方式，但可实现图3电路框图的方式并不仅仅局限于这里所介绍的方式，图3电路框图的关键在于其“电子开关”、“限幅电路”的双通道设计思路得以解决现有浪涌抑制电路存在的问题。

附图说明

图1为现有技术直流浪涌抑制电路框图。

图2为现有直流浪涌抑制电路抑制效果示意图。

图3为本申请直流浪通抑制电路原理框图。

图4为本申请直流浪涌抑制电路抑制效果示意图。

图5为优选实施例提供的直流浪涌抑制电路的电路图。

图6为采样电路1、控制电路1、电子开关电路图。

图7为采样电路2、控制电路3、限幅电路电路图。

图8为超温保护电路图。

图9为优选实施例进一步改进后的直流浪涌抑制电路的电路图。

附图中的符号说明：

图5中：Q1为NMOS器件,Q2为PMOS器件，Q3为PNP管，Q4、Q5、Q6、Q7为NPN管，D1、D2为电压调整二极端管或瞬态电压抑制二极管、D7、D8为电压调整二极端管或电基准二极管,D5、D6为瞬态电压抑制二极管，R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18、R19为固定电阻，R20为可调电阻，C1为固定电容。

图6中：Q4、Q7为NPN管，D7为电压调整二极端管或电基准二极管，R2、R10、R14、R17为固定电阻，R20为可调电阻或固定电阻。

图7中：Q2为PMOS器件，Q3为PNP管，Q5为NPN管，D2为电压调整二极端管或瞬态电压抑制二极管、D8为电压调整二极端管或电基准二极管,R4、R5、R6、R11、R12、R13、R15、R18为固定电阻。

图8中：Q1为NMOS器件，Q6为NPN管，D1为电压调整二极端管或瞬态电压抑制二极管、D8为电压调整二极端管或电基准二极管,R1、R3、R6、R7、R9、R16、R19为固定电阻，C1为固定电容。

图9中：Q1为NMOS器件,Q2为PMOS器件，Q3为PNP管，Q4、Q5、Q6、Q7为NPN管，D1、D2为电压调整二极端管或瞬态电压抑制二极管，D7、D8为电压调整二极端管或电基准二极管,D3、D4为二极管，D5、D6为瞬态电压抑制二极管，R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18、R19为固定电阻，R20为可调电阻或固定电阻，C1为固定电容。

具体实施方式

1、优选实施例一

这里介绍一种可实现图3电路框图的优选方式，但可实现图3电路框图的方式并不仅仅局限于这里所介绍的方式，图3电路框图的关键在于其“电子开关”、“限幅电路”的双通道设计思路得以解决现有浪涌抑制电路存在的问题。

本发明优选实施例提供的直流浪涌抑制电路的电路图如图5所示，其中D5采用瞬态电压抑制二极管，其箝位电压值选取高于可能出现的浪涌电压的最高值，用于抑制微秒级持续时间的高尖峰电压；D6同样采用瞬态电压抑制二极管，箝位电压选取稍高于正常工作电压，作用是：在浪涌电压来临瞬间，限制输出电压，使其不出现过高的电压，D6的工作时间仅在微秒级。其余部分电路在下文中详细介绍。

(1)采样电路1、控制电路1和电子开关

图6电路中，R5与R18组成“采样电路1”，D2、R4、R6、Q3、R12、R13、R11、Q5、R15和D8组成“控制电路1”，这里选用PMOS器件Q2作为“电子开关”。其工作原理是：(1)输入端为正常工作电压时，设置R5、R18分压的B点电压不足以让Q5导通，故Q3、Q5的C、E极均处于高阻态，即Q3、Q5关断，调节R4、R11的阻值比可以调节Q2的VGS电压，以此来调节Q2完全导通所需要的最小输入电压；D2用于保证Q2的栅、源极间不会出现过高的电压，保护Q2的安全；(2)当输入端出现过高的浪涌电压时，R5、R18分压后的B点电压将升高，产生基极电流流过Q5，使Q5导通，Q5导通后使Q3也导通，Q3导通后使Q2的VGS电压接近于零，进而使Q2迅速关断；该通道处于高阻状态，不在对输出端提供电压。(3)R15、R12用于防止Q5、Q3因漏电流而误导通，几乎不影响电路的正常功能。(4)R6、D8提供一个基准电压，用于同R5、R18分压的B点电压进行比较，以此来决定Q5的工作状态。

(2)采样电路2、控制电路2和限幅电路

图7中，R9与R19组成“采样电路2”，C1、D1、R1、Q6、R6、R7、R3、R16和D8组成“控制电路2”，这里选用NMOS器件Q1作为限幅电路。其工作原理是：(1)输入为正常工作电压时，无论Q1工作与否，均不影响输出端电压，因其被另一通道短路，此时输出电压的功能由另一通道完成；(2)当输入端出现过压浪涌电压时，另一通道将关断，由此通道完成抑制浪涌电压的功能，R9和R19对输出端电压进行检测，一旦输出端电压高于设定的正常工作电压值，C点电压上升，使Q6进入放大区，它的集电极电压下降，使Q1的栅极电位下降，进而使Q1的源极输出电压下降，以此将输出电压维持在设定的电压值。(3)R16用于防止Q6受漏电流影响而误导通；D1用于限制NMOS器件的VGS电压，保护其安全，R3可选用大阻值电阻，确保断电情况下，NMOS器件G、S间不积累电荷；C1用来稳定NMOS器件的工作状态。(4)R6、D8提供一个基准电压，用于同R9、R19分压的C点电压进行比较，以此来决定Q6的工作状态。

(3)超温保护电路

在图8中，R2与D7(电压调整二极管或电压基准二极管)组成稳压电路，D7输出一个稳定电压，再经过R10、R20分压，通过调节R20的阻值可改变A点的分压值(A点的分压值设定后，R20也可以直接采用固定电阻)，调节该点的分压值在常温25℃下不足以使Q4、Q7产生基极电流，因而Q4、Q7常温下处于关断状态，图6中R14、R17的阻值设置为远大于R20，因此，几乎不会对A点的分压值产生影响。因硅材质PN极拥有负的温度系数，约为-2mV/℃，当温度升高时，晶体管Q4的VBE开启电压下降，如果温度升高100℃，则VBE开启电压下降约200mV，根据此原理，我们可以设定出需要保护的温度值，当温度升高到设置值时，将有基极电流流过Q4，则Q4的C、E极导通，输出信号到控制电路1，同理，Q7也将输出信号到控制电路2，从而实现了超温保护功能。

2、优选实施例二

在图5所示电路的基础上，为进一步提高电路的可靠性，对图5所示电路进行局部改进，如图9所示。

在图9中，增加了D4、D3和R8三个元件，有两个作用：(1)图5电路中，无D4，则在浪涌来临瞬间，因浪涌抑制电路的响应时间有微秒级的延时，输出+电压快速上升，可能会产生从输出+、经D1正向、Q6、D8到输入-的电流回路，此回路中没有限流电阻，则有可能会出现相对较大的电流，使该回路中的元件受损，因此，加入D4做反向隔离，保护上述回路中的元器件；(2)图5电路中，无R8、D3，若输出+、输出-、之间出现短路，C1可能对Q1的栅、源极放电、同时也会对D1放电，这两路均有可能出现较大的电流(视当时C1存储的电荷多少而定)，可能会对D1或NMOS器件造成损伤，因此，图9增加了R8和D3，R8用来限制C1的放电电流；因R8的增加会使C1的充电电流变小，降低了C1的瞬态响应速度，故进一步增加D3来提高C1的充电电流，利用二极管的单向导电性，使C1充电特性几乎不受影响，但放电电流又能够得到有效限制，有效的解决了图5中的问题。

Claims (12)

1.一种直流浪涌抑制电路，连接在直流电压输入端和后级负载之间，其特征在于，包括电子开关模块、限幅电路模块、输入端采样电路模块1、电子开关模块的控制电路模块1、输出端采样电路模块2、限幅电路模块的控制电路模块2；

所述电子开关模块的输入端与直流电压输入端相连、输出端与所述直流浪涌电路的直流电压输出正极端相连，所述限幅电路模块与所述电子开关模块相并联；

所述输入端采样电路模块1与直流输入电压端并联，采样输出端与控制电路模块1相连，所述控制电路模块1的工作电源端与直流输入电压对应的正负电源端相连接、信号输出端与所述电子开关模块的控制端相连接；

所述输出端采样电路模块2与所述直流浪涌电路的直流输出电压端并联，所述采样输出端与所述控制电路模块2相连，所述控制电路模块2的工作电源端与直流输入电压对应的正负电源端相连接、信号输出端与所述限幅电路模块的控制端相连接。

2.如权利要求1所述的直流浪涌抑制电路，其特征在于，所述电子开关模块包括PMOS器件Q2,所述PMOS器件Q2的源极接直流输入电压正极、漏极接直流输出电压正极。

3.如权利要求1所述的直流浪涌抑制电路，其特征在于，所述采样电路模块1由采样电阻R5、R18组成，所述采样电阻R5与R18串联，所述采样电阻R5的另一端与直流输入电压正极端连接，所述采样电阻R18的另一端与直流输入电压负极端连接。

4.如权利要求1所述的直流浪涌抑制电路，其特征在于，所述控制电路模块1包括：PNP管Q3，NPN管Q5，电压调整二极管或瞬态电压抑制二极管D2，电压基准或电压调整二极管D8,固定电阻R4、R6、R11、R12、R13、R15；

所述固定电阻R6与所述电压调整二极管或电压基准二极管D8串联，所述固定电阻R6的另一端与直流输入电压正极端连接，所述电压调整二极管或电压基准二极管D8正极端与直流输入电压负极端连接；

所述NPN管Q5的基极与所述采样电路模块1的采样输出端B相连、发射极与所述电压调整二极管或电基准二极管D8负极端相连、集电极通过所述固定电阻R13与所述PNP管Q3的基极相连、在基极与发射极间并联所述固定电阻R15；

所述PNP管Q3发射极与直流输入电压正极端连接、集电极与所述PMOS器件Q2的栅极连接、集电极通过所述固定电阻R11与直流输入电压负极端连接、在基极与发射极间并联所述固定电阻R12、在集电极与发射极间并联所述固定电阻R4和所述电压调整二极管或瞬态电压抑制二极管D2、集电极与所述电压调整二极管或瞬态电压抑制二极管D2的负极相连接。

5.如权利要求1所述的直流浪涌抑制电路，其特征在于，所述限幅电路模块包括NMOS器件Q1,所述NMOS器件Q1的漏极接直流输入电压正极、源极接直流输出电压正极。

6.如权利要求1所述的直流浪涌抑制电路，其特征在于，所述采样电路模块2由采样电阻R9、R19组成，所述采样电阻R9与R19串联，所述采样电阻R9的另一端与直流输出电压正极端连接，所述采样电阻R19的另一端与直流输出电压负极端连接。

7.如权利要求1所述的直流浪涌抑制电路，其特征在于，所述控制电路模块2包括：NPN管Q6，电压调整二极管或瞬态电压抑制二极管D1、电压调整二极管或电压基准二极管D8,固定电阻R1、R3、R6、R7、R16，电容C1；

所述固定电阻R6与所述电压调整二极管或电基准二极管D8串联，所述固定电阻R6的另一端与直流输入电压正极端连接，所述电压调整二极管或电基准二极管D8正极端与直流输入电压负极端连接；

所述NPN管Q6的基极与所述采样电路模块2的采样输出端C相连、发射极与所述电压调整二极管或电基准二极管D8负极端相连、集电极通过所述固定电阻R1与所述NMOS器件的栅极相连、集电极通过所述固定电阻R7与直流输入电压正极端连接、在基极与发射极间并联所述固定电阻R16；

所述电压调整二极管或瞬态电压抑制二极管D1与所述固定电阻R3并联、与所述电容C1串联，所述电压调整二极管或瞬态电压抑制二极管D1的负极与所述NMOS器件的栅极连接、正极与直流输出电压正极端连接。

8.如权利要求1至7之一所述的直流浪涌抑制电路，其特征在于，还包括：超温保护电路模块，所述超温保护电路模块的工作电源端与直流输入电压对应的正负电源端相连接、两控温信号输入端分别与所述控制电路模块1、所述控制电路模块2连接。

9.如权利要求8所述的直流浪涌抑制电路，其特征在于，所述超温保护电路模块包括：NPN管Q4、Q7，电压调整二极管或电基准二极管D7,固定电阻R2、R10、R14、R17，可调电阻或固定电阻R20；

所述固定电阻R2与所述电压调整二极管或电压基准二极管D7串联，所述固定电阻R2的另一端与直流输入电压正极端连接，所述电压调整二极管或电压基准二极管D7的正极与直流输入电压负极端连接；

所述固定电阻R10通过连接点A与所述可调电阻R20串联电路，所述固定电阻R10的另一端与所述电压调整二极管或电压基准二极管D7的负极相连，所述可调电阻R20串联电阻的另一端与直流输入电压负极端连接；

所述NPN管Q4的基极与所述连接点A连接、集电极与所述控制电路1的NPN管Q5的集电极连接、发射极与所述NPN管Q7的基极连接并通过所述固定电阻R7与直流输入电压负极端连接；

所述NPN管Q7的基极通过所述固定电阻R14与所述连接点A连接、集电极与所述控制电路2的NPN管Q6的集电极连接、发射极与直流输入电压负极端连接。

10.如权利要求1至7、9之一所述的直流浪涌抑制电路，其特征在于，还包括：瞬态电压抑制二极管D5、D6；所述瞬态电压抑制二极管D5并接在直流输入电压的正负两端、负极接直流输入电压正极端；所述瞬态电压抑制二极管D6并接在直流输出电压的正负两端、负极接直流输出电压正极端。

11.如权利要求10所述的直流浪涌抑制电路，其特征在于，还包括：二极管D3、D4，固定电阻R8，所述二极管D4的正极与所述控制电路2的NPN管Q6的集电极连接、负极与所述固定电阻R3连接再通过所述固定电阻R1与所述NMOS器件Q1的栅极连接；所述电容C1先通过所述二极管D3及所述固定电阻R8的并联电路再与所述NMOS器件Q1的栅极连接，所述二极管D3的正极与所述NMOS器件Q1的栅极连接。

12.如权利要求1至7、9、11之一所述的直流浪涌抑制电路，其特征在于，所述电子开关模块还可选用低导通压降的晶体管器件、可控硅等可实现电子开关功能的各类半导体器件或模块；所述限幅电路模块还可选用MOS器件同双极型晶体管的组合、IGBT等器件或模块。

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