CN111509963A - 一种浪涌电流抑制装置及变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浪涌电流抑制装置，应用于包括电容的变换器。该方案设置了控制模块，还在直流电源和电容之间设置了电力电子开关以及与电力电子开关并联的第一电阻。在直流电源开机时，控制模块控制电力电子开关断开，直流电源通过第一电阻向电容进行预充电，第一电阻起到限流的作用，使电容两端的电压缓慢上升，从而保护电容免受浪涌电流的冲击。当电容预充电结束时，控制模块控制电力电子开关导通，第一电阻被旁路，抑制浪涌电流结束。该浪涌电流抑制装置能够通过对电容进行预充电来抑制浪涌电流，且电力电子开关还具有体积小、价格低、接线简单及易于板卡集成的优点。本发明还公开了一种变换器，具有与上述浪涌电流抑制装置相同的有益效果。

Description

一种浪涌电流抑制装置及变换器

技术领域

本发明涉及电源防护技术领域，特别是涉及一种浪涌电流抑制装置及变换器。

背景技术

为了平滑直流母线电压和吸收纹波，在DC-AC(Direct current-AlternatingCurrent converter，直流/交流变换器)、DC-DC(Direct current-Direct currentconverter，直流/直流变换器)等变换器中，通常会配置较大容量的电容。但电容的等效串联电阻很小，仅几十毫欧，在直流电源开始为变换器供电时，电容两端充电起始瞬间会产生极大的浪涌电流，浪涌电流会对电路造成很大影响，电容和电容所在回路均可能因此损坏。

在现有技术中，常规办法是通过接触器投切功率电阻来限制浪涌电流。具体地，在直流电源与电容之间连接一个接触器，接触器的两端并联一个功率电阻。在电容预充电起始至预充电完成阶段，通过功率电阻限流，使电容两端的电压缓慢上升，从而保护电容免受浪涌电流的冲击。然而，接触器的体积大、价格高、接线繁琐且不易于板卡集成。

发明内容

本发明的目的是提供一种浪涌电流抑制装置及变换器，能够起到降低浪涌电流的作用，从而保护电容免受浪涌电流的冲击。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种浪涌电流抑制装置，应用于包括电容的变换器，包括：

设置于直流电源和所述电容之间的电力电子开关；

与所述电力电子开关并联连接的第一电阻；

与所述电力电子开关的控制端连接的控制模块，用于在所述直流电源开机时，控制所述电力电子开关断开；在所述电容预充电结束时，控制所述电力电子开关导通。

优选地，所述电力电子开关为晶闸管，所述晶闸管的阳极分别与所述直流电源及所述第一电阻的第一端连接，所述晶闸管的阴极分别与所述电容和所述第一电阻的第二端连接，所述晶闸管的控制端与所述控制模块连接。

优选地，所述控制模块包括：

第一端与所述直流电源连接、第二端与所述晶闸管的控制端连接的开关模块，用于在所述直流电源开机时断开；在所述电容预充电结束时导通。

优选地，所述控制模块还包括：

与所述开关模块串联的第二电阻。

优选地，所述控制模块还包括：

与所述开关模块的控制端连接的处理器，用于判断所述直流电源是否开机，若是，控制所述开关模块断开；还用于判断所述电容预充电是否结束，若是，控制所述开关模块导通。

优选地，还包括：

分别与所述电力电子开关两端及所述处理器连接的电压检测模块，用于检测所述电力电子开关两端的电压差；

判断所述电容预充电是否结束，若是，控制所述开关模块导通，包括：

判断所述电力电子开关两端的电压差是否小于电压阈值，若是，控制所述开关模块导通。

优选地，还包括：

与所述处理器连接的定时器，用于在所述直流电源开机时开始计时；

判断所述电容预充电是否结束，若是，控制所述开关模块导通，包括：

判断所述定时器的计时时间是否达到时间阈值，若是，控制所述开关模块导通。

优选地，所述开关模块为继电器。

优选地，所述第一电阻为负温度系数NTC热敏电阻。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种变换器，包括变换器本体，所述变换器本体包括电容，还包括如上述所述的浪涌电流抑制装置。

本发明提供了一种浪涌电流抑制装置，应用于包括电容的变换器。该方案设置了控制模块，还在直流电源和电容之间设置了电力电子开关以及与电力电子开关并联的第一电阻。在直流电源开机时，控制模块控制电力电子开关断开，直流电源通过第一电阻向电容进行预充电，第一电阻起到限流的作用，使电容两端的电压缓慢上升，从而保护电容免受浪涌电流的冲击。当电容预充电结束时，控制模块控制电力电子开关导通，第一电阻被旁路，抑制浪涌电流结束。可见，该浪涌电流抑制装置能够通过对电容进行预充电来抑制浪涌电流，且电力电子开关还具有体积小、价格低、接线简单以及易于板卡集成的优点。

本发明还提供了一种变换器，具有与上述浪涌电流抑制装置相同的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种浪涌电流抑制装置的结构示意图；

图2为本发明提供的另一种浪涌电流抑制装置的结构示意图；

图3为无预充电时电容充电瞬间的电流变化趋势图；

图4为有预充电时电容充电瞬间的电流变化趋势图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种浪涌电流抑制装置及变换器，能够起到降低浪涌电流的作用，从而保护电容免受浪涌电流的冲击。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1，图1为本发明提供的一种浪涌电流抑制装置的结构示意图。

浪涌电流抑制装置应用于包括电容C的变换器，该装置包括：

设置于直流电源和电容C之间的电力电子开关1；

与电力电子开关1并联连接的第一电阻R1；

与电力电子开关1的控制端连接的控制模块2，用于在直流电源开机时，控制电力电子开关1断开；在电容C预充电结束时，控制电力电子开关1导通。

本实施例中，在直流电源和电容C之间设置了电力电子开关1，在电力电子开关1的两端并联了第一电阻R1，在电力电子开关1的控制端连接了控制模块2。该装置通过电力电子开关1投切第一电阻R1来限制浪涌电流。

具体地，在直流电源开机时，控制模块2控制电力电子开关1的控制端断开，使电力电子开关1处于断开状态。由于电力电子开关1未导通，直流电源通过第一电阻R1所在的电路向电容C进行预充电，此时，第一电阻R1与电容C串联，第一电阻R1起到限流的作用，使电容C两端的电压缓慢上升；当电容C预充电结束时，控制模块2控制电力电子开关1的控制端导通，使电力电子开关1处于导通状态，第一电阻R1被旁路，抑制浪涌电流结束。

综上，该浪涌电流抑制装置能够通过对电容C进行预充电来抑制浪涌电流，避免了电容C的两端在直流电源开机的瞬间产生极大的浪涌电流，起到了保护电容C和电容C所在回路的功能。此外，电力电子开关1还具有体积小、价格低、接线简单以及易于板卡集成的优点。

请参照图2，图2为本发明提供的另一种浪涌电流抑制装置的结构示意图。

在上述实施例的基础上：

作为一种优选的实施例，电力电子开关1为晶闸管Q，晶闸管Q的阳极分别与直流电源及第一电阻R1的第一端连接，晶闸管Q的阴极分别与电容C和第一电阻R1的第二端连接，晶闸管Q的控制端与控制模块2连接。

本实施例中，选用晶闸管Q作为电力电子开关1。晶闸管Q有阳极、阴极和控制端三个端口。当且仅当晶闸管Q的阳极和阴极之间有正向电压且控制端和阴极之间输入一个正向触发电压的情况下晶闸管Q才导通。晶闸管Q在导通情况下，只要晶闸管Q的阳极和阴极之间有一定的正向电压，不论控制端电压如何，晶闸管Q都保持导通状态。

本申请中，晶闸管Q的阳极分别与直流电源及第一电阻R1的第一端连接，晶闸管Q的阴极分别与电容C和第一电阻R1的第二端连接，晶闸管Q的控制端与控制模块2连接。在直流电源开机时，控制模块2控制晶闸管Q的控制端断开，晶闸管Q处于断开状态；当电容C预充电结束时，由于晶闸管Q的阳极和阴极之间已有正向电压，且控制模块2控制晶闸管Q的控制端导通，使晶闸管Q的控制端与阴极之间有正向触发电压，此时，晶闸管Q导通。

此外，晶闸管Q具有体积小、效率高、寿命长等优点，且晶闸管Q在所有电力电子开关1中是承受电压和电流容量最高的器件。

当然，电力电子开关1也不仅限于晶闸管Q，本申请对具体选用哪种电力电子开关1不作特别的限定。

作为一种优选的实施例，控制模块2包括：

第一端与直流电源连接、第二端与晶闸管Q的控制端连接的开关模块21，用于在直流电源开机时断开；在电容C预充电结束时导通。

本实施例中，在直流电源开机时，开关模块21处于断开状态，此时，晶闸管Q的控制端未加正向触发电压，晶闸管Q未导通；在电容C预充电结束时，开关模块21闭合导通，从而，晶闸管Q的控制端与阴极之间有正向触发电压，由于晶闸管Q的阳极与阴极之间已有正向电压，晶闸管Q导通。开关模块21的设置使控制模块2可以简单快捷地控制晶闸管Q的通断。此外，开关模块21还具有结构简单、易于操作等优点。

当然，控制模块2也不仅限为开关模块21，本申请对控制模块2的类型不作特别的限定。

作为一种优选的实施例，控制模块2还包括：

与开关模块21串联的第二电阻R2。

为了防止经过开关模块21的电流过大，对开关模块21带来安全问题，甚至造成开关模块21受损，本实施例中，设置了与开关模块21串联的第二电阻R2。由于第二电阻R2的限流作用，使经过开关模块21所在的回路的电流减小，从而起到保护开关模块21的作用，增加了电路的安全性。

作为一种优选的实施例，控制模块2还包括：

与开关模块21的控制端连接的处理器22，用于判断直流电源是否开机，若是，控制开关模块21断开；还用于判断电容C预充电是否结束，若是，控制开关模块21导通。

本实施例中，为了能够自动判断直流电源是否开机和电容C预充电是否结束，在开关模块21的控制端设置了处理器22。当处理器22检测到直流电源开机时，控制开关模块21断开，此时，晶闸管Q的控制端未加触发电压，晶闸管Q未导通；当处理器22检测到电容C预充电结束时，控制开关模块21导通，此时，晶闸管Q的阳极和阴极之间有正向电压且控制端和阴极之间输入一个正向触发电压，晶闸管Q导通。

本申请中，通过设置处理器22，实现了全自动检测直流电源是否开机或电容C预充电是否结束，自动化程度高。

此外，这里的处理器22可以为PLC控制器(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)，还可以为单片机、FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)处理器等，本申请在此不做特别的限定。

作为一种优选的实施例，还包括：

分别与电力电子开关1两端及处理器22连接的电压检测模块3，用于检测电力电子开关1两端的电压差；

判断电容C预充电是否结束，若是，控制开关模块21导通，包括：

判断电力电子开关1两端的电压差是否小于电压阈值，若是，控制开关模块21导通。

考虑到预充电的目的是为了使得电力电子开关1两端的电压较小时再导通电力电子开关1，从而达到抑制浪涌电流的目的。因此，可以通过检测电力电子开关1两端的电压差来判断电容C预充电是否结束。本实施例中，通过电压检测模块3检测电力电子开关1两端的电压差，并将电力电子开关1两端的电压差传送给处理器22，处理器22判断电力电子开关1两端的电压差是否小于电压阈值，若是，控制开关模块21闭合导通；若否，控制开关模块21保持断开状态。

通过在电力电子开关1两端设置电压检测模块3，可以准确地检测电力电子开关1两端的电压差，从而精确地判断电容C预充电是否结束。

此外，这里的电压检测模块3可以为电压放大器，还可以为其他类型的电压检测模块等，本申请在此不做特别的限定。

作为一种优选的实施例，还包括：

与处理器22连接的定时器，用于在直流电源开机时开始计时；

判断电容C预充电是否结束，若是，控制开关模块21导通，包括：

判断定时器的计时时间是否达到时间阈值，若是，控制开关模块21导通。

考虑到电容C的预充电是需要一定时间的，对于一个固定的浪涌电流抑制装置，其预充电所需时间几乎是固定的，因此，可以通过检测直流电源的预充电时长也即开机时长来判断电容C预充电是否结束。

本实施例中，通过定时器对直流电源的开机时长进行计时，并将直流电源的开机时长传送给处理器22，处理器22判断定时器的计时时间是否达到时间阈值，若是，控制开关模块21导通；若否，控制开关模块21断开。通过在电力电子开关1两端设置定时器，可以在保证精度的基础上简单快速的判断电容C预充电是否结束。

此外，这里的定时器可以为脉冲型定时器，还可以为其他类型的定时器等，本申请在此不做特别的限定。

作为一种优选的实施例，开关模块21为继电器。

本实施例中，可以选择继电器作为开关模块21。继电器的触点的第一端与直流电源连接、触点的第二端与晶闸管Q的控制端连接，在直流电源开机时，继电器处于断开状态，此时，晶闸管Q的控制端未加触发电压，晶闸管Q未导通；在电容C预充电结束时，继电器闭合导通，从而，晶闸管Q的控制端与阴极之间有正向触发电压，由于晶闸管Q的阳极与阴极之间已有正向电压，晶闸管Q导通。此外，继电器还具有耐温性能高、耐压性能强并且不易被击穿的优点。

当然，这里的开关模块21并不仅限为继电器，本申请在此不做特别的限定。

作为一种优选的实施例，第一电阻R1为NTC(Negative TemperatureCoefficient，负温度系数)热敏电阻。

考虑到现有技术中，通常选用固定阻值的功率电阻作为第一电阻R1。在后续对电容C进行预充电的过程中，由于功率电阻的阻值不能随时间变化，选用固定阻值的功率电阻会增加电路的功率功耗以及延长直流电源对电容C的预充电时间。

为了减少电路的功率功耗以及直流电源对电容C的预充电时间，可以选择NTC热敏电阻作为第一电阻R1。NTC热敏电阻是一种随着温度的升高而电阻值减小的传感器电阻。

本实施例中，在直流电源开机时，晶闸管Q未导通，直流电源通过NTC热敏电阻所在的电路向电容C进行预充电，此时，NTC热敏电阻与电容C串联，NTC热敏电阻起到限流的作用，且此时由于NTC热敏电阻刚通电流，温度较低，NTC热敏电阻的阻值较大，对电容C充电的电流较小，使电容C两端的电压缓慢上升，避免了浪涌电流的出现。随着直流电源向电容C进行预充电的时间不断增加，电容C两端的电压不断上升，NTC热敏电阻两端的电压不断下降，又NTC热敏电阻的温度不断升高，NTC热敏电阻的电阻值随着温度的升高而减小，例如从几十欧姆降低至1欧姆以下，从而使充电电流呈现平滑下降的趋势。一方面，减小了NTC热敏电阻的功率消耗，另一方面，减小了预充电时间，稳态时也减小静态电流。

可见，本发明通过设置NTC热敏电阻作为第一电阻R1，可以减少电路的功率功耗以及直流电源对电容C的预充电时间。

请参照图3和图4，图3为无预充电时电容充电瞬间的电流变化趋势图；图4为有预充电时电容充电瞬间的电流变化趋势图。

图3中，对电容C无预充电时，直流电源提供的输入电压为50Vdc，电容C两端的浪涌电流超过千安培；图4中，对电容C进行预充电后，直流电源提供的输入电压同样为50Vdc，但电容C两端的浪涌电流仅为一安培。通过对比图3和图4不难得到，本发明提供的浪涌电流抑制装置能够通过对电容C进行预充电来抑制浪涌电流。

本发明还提供了一种变换器，包括变换器本体，变换器本体包括电容，还包括上述浪涌电流抑制装置。

对于本发明提供的变换器的介绍请参照上述实施例，本发明在此不再赘述。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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、物品或者设备不仅包括那些要素，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、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种浪涌电流抑制装置，应用于包括电容的变换器，其特征在于，包括：

设置于直流电源和所述电容之间的电力电子开关；

与所述电力电子开关并联连接的第一电阻；

与所述电力电子开关的控制端连接的控制模块，用于在所述直流电源开机时，控制所述电力电子开关断开；在所述电容预充电结束时，控制所述电力电子开关导通。

2.如权利要求1所述的浪涌电流抑制装置，其特征在于，所述电力电子开关为晶闸管，所述晶闸管的阳极分别与所述直流电源及所述第一电阻的第一端连接，所述晶闸管的阴极分别与所述电容和所述第一电阻的第二端连接，所述晶闸管的控制端与所述控制模块连接。

3.如权利要求2所述的浪涌电流抑制装置，其特征在于，所述控制模块包括：

第一端与所述直流电源连接、第二端与所述晶闸管的控制端连接的开关模块，用于在所述直流电源开机时断开；在所述电容预充电结束时导通。

4.如权利要求3所述的浪涌电流抑制装置，其特征在于，所述控制模块还包括：

与所述开关模块串联的第二电阻。

5.如权利要求4所述的浪涌电流抑制装置，其特征在于，所述控制模块还包括：

与所述开关模块的控制端连接的处理器，用于判断所述直流电源是否开机，若是，控制所述开关模块断开；还用于判断所述电容预充电是否结束，若是，控制所述开关模块导通。

6.如权利要求5所述的浪涌电流抑制装置，其特征在于，还包括：

分别与所述电力电子开关两端及所述处理器连接的电压检测模块，用于检测所述电力电子开关两端的电压差；

判断所述电容预充电是否结束，若是，控制所述开关模块导通，包括：

判断所述电力电子开关两端的电压差是否小于电压阈值，若是，控制所述开关模块导通。

7.如权利要求5所述的浪涌电流抑制装置，其特征在于，还包括：

与所述处理器连接的定时器，用于在所述直流电源开机时开始计时；

判断所述电容预充电是否结束，若是，控制所述开关模块导通，包括：

判断所述定时器的计时时间是否达到时间阈值，若是，控制所述开关模块导通。

8.如权利要求3所述的浪涌电流抑制装置，其特征在于，所述开关模块为继电器。

9.如权利要求1至8任一项所述的浪涌电流抑制装置，其特征在于，所述第一电阻为负温度系数NTC热敏电阻。

10.一种变换器，包括变换器本体，所述变换器本体包括电容，其特征在于，还包括如权利要求1至9任一项所述的浪涌电流抑制装置。

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