CN112491257A - 集成式直流电源调理装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种集成式直流电源调理装置，包括线线间尖峰电压吸收电路、前级直流滤波电路、上电软起动电路、后级直流滤波电路和线地间尖峰电压吸收电路，所述线线间尖峰电压吸收电路和所述前级直流滤波电路位于第一腔体，所述上电软起动电路位于第二腔体，所述后级直流滤波电路和线地间尖峰电压吸收电路位于第三腔体，所述第一腔体输出端与第二腔体输入端通过引出线电连接，所述第二腔体输出端与所述第三腔体输入端通过引出线电连接，具有上电软启动、尖峰电压吸收、高性能滤波三种功能，采用全金属不锈钢外壳设计有效提高各个电路之间的抗干扰能力，满足了伺服系统集成化、小型化的需求。

Description

集成式直流电源调理装置

技术领域

本发明涉及电源滤波技术领域，尤其涉及一种集成式直流电源调理装置。

背景技术

在大功率伺服系统中，浪涌电压是配电网络中最常见的干扰形式，主要表现为电压波动。这类暂态过电压对用电设备最具危害，破环半导体元器件、干扰数据传输或接收、使零部件提前老化、电气寿命大大缩短等一系列危害。为了减小电源电压的瞬间波动，提高设备的尖峰电压耐受能力，电气设备中常设计尖峰电压吸收电路。

中高压电气设备在供电线路中的浪涌、脉冲群及用电设备上电瞬间会产生大电流，无论对用电设备还是供电设备都会产生巨大的冲击，导致设备的正常工作出现不稳地的情况，特别时用电设备上电瞬间的冲击电流可能会导致供电设备进入“自保护的状态”而无法正常工作。为此在设备电控系统中常配备软启动电路，在电源上电瞬间限制启动电流，减小对设备的冲击。

在大功率伺服系统中，电机运行过程中存在逆变过程，将会产生空间辐射、传导干扰等严重的电磁干扰，直接影响伺服设备可靠性。为此伺服系统中常配备电源滤波器来改善系统的电磁兼容性能。

传统大功率伺服系统中上述电路均为单一功能模块形式存在，近年来，伺服系统逐步朝着全电化、小型化、集成化的方向发展。单功能模块不再满足现有需求。

发明内容

本发明实施例提供一种集成式直流电源调理装置，具有上电软启动、尖峰电压吸收、高性能滤波三种功能，满足了伺服系统集成化、小型化的需求。

本发明第一方面提供了一种集成式直流电源调理装置，包括：线线间尖峰电压吸收电路、前级直流滤波电路、上电软起动电路、后级直流滤波电路和线地间尖峰电压吸收电路，所述线线间尖峰电压吸收电路和所述前级直流滤波电路位于第一腔体，所述上电软起动电路位于第二腔体，所述后级直流滤波电路和线地间尖峰电压吸收电路位于第三腔体，所述第一腔体输出端与第二腔体输入端通过引出线电连接，所述第二腔体输出端与所述第三腔体输入端通过引出线电连接，所述引出线采用金属屏蔽网缠绕处理；所述线线间尖峰电压吸收电路用于吸收输入正端和输入负端之间的尖峰电压；所述前级直流滤波电路用于抑制后级上电软起动电路所产生的噪声干扰；所述上电软起动电路用于限制所述集成式直流电源调理装置的启动电流；所述后级直流滤波电路用于抑制所述集成式直流电源调理装置不同频段的噪声；所述线地间尖峰电压吸收电路用于吸收负线与地间的尖峰电压、正线与地间的尖峰电压。

根据第一方面，在所述集成式直流电源调理装置第一种可能的实现方式中，所述线线间尖峰电压吸收电路包括压敏电阻和气体放电管，所述气体放电管用于当尖峰电压超过气体放电管的击穿电压时导通；所述压敏电阻用于钳位所述输入正端和输入负端之间的尖峰电压。

线线间的尖峰电收压吸电路采用压敏电阻和气体放电管组合的形式，气体放电管作为开关，当尖峰电压超过气体放电管的击穿电压时，气体放电管先导通，尖峰电压加在压敏电阻两端，利用压敏电阻的特性，将尖峰电压箝位在一个定值。当无尖峰电压时，压敏电阻通过气体放电管与电路隔开，不会产品漏电流。2500V/50us的尖峰电压经过该电路可降至1000V以内。可以根据系统实际的尖峰电压量级来选择压敏电阻和气体放电管的参数。

根据第一方面，在所述集成式直流电源调理装置第二种可能的实现方式中，前级直流滤波电路包括一级差模电路和四级共模电路，所述一级差模电路和四级共模电路串联连接。

前级直流滤波电路作为电源调理装置的第一级EMI抑制器，其主要作用是抑制后级上电软起动电路所产生的噪声干扰。由于上电软起动电路电路中的具有DC/DC电源模块等与频率相关的元器件，故前级直流滤波电路主要消除不同频段的噪声及其二次、三次、四次谐波。前级直流滤波电路采用一级差模加四级共模串联的滤波方式，该方式可以有效的滤除电磁干扰。

根据第一方面，在所述集成式直流电源调理装置第三种可能的实现方式中，所述上电软起动电路包括电源变换电路、电压检测电路、延时电路、驱动电路、功率开关管和功率电阻，所述电源变换电路用于将前级直流滤波电路的输出电压转化为不同的电压值，所述电压值用于为所述电源检测电路、所述延时电路、所述驱动电路供电；所述电压检测电路用于检测所述电源变换电路的输出电压是否大于第一电压阈值，根据检测结果输出低电平信号或者高电平信号；所述延时电路用于根据所述高电平信号启动且延时第二时间阈值，驱动驱动电路动作，所述延时电路还用于根据所述低电平不驱动驱动电路动作；所述驱动电路用于为所述功率开关管提供驱动电压控制所述功率开关管的导通或关闭；所述功率开关管并联于所述功率电阻两端，所述功率电阻的一端与后级直流滤波电路的一输出端电连接，所述功率电阻的另一端与所述前级直流滤波电路一端电连接，所述电源变换电路输入端分别与所述前级直流滤波电路一输出端和所述后级直流滤波电路一输入端电连接，所述电源变换电路输出端分别与所述电源检测电路一输入端、所述延时电路一输入端和所述驱动电路一输入端电连接；所述电压检测电路输出端与所述延时电路一输入端电连接，所述延时电路一输出端与所述驱动电路一输入端电连接，所述驱动电路一输出端与所述功率开关管一输入端电连接。

其中电源变换电路将输入高压转换为不同电压值，不同的电压值为电压检测电路、延时电路、驱动电路提供所需的电压。电压检测电路的作用是当检测到输入电压大于第一电压阈值时，输出高电平信号，当低于第一电压阈值时，输出低电平信号，该信号作为延时电路的输入，当该信号为高电平时延时电路开始计时，固定延时第二时间阈值后，功率开关管打开将功率电阻短路；当该信号为低电平时，功率开关管处于开路状态，通过功率电阻为后级容性负载充电，限制后级容性负载的充电电流；驱动电路的作用是打开或关闭功率开关管。功率电阻采用氮化硅基片印刷功率电阻和陶瓷覆铜基板散热工艺。

根据第一方面，在所述所述集成式直流电源调理装置第四种可能的实现方式中，所述线地间尖峰电压吸收电路包括第一线地间尖峰电压吸收电路和第二线地间尖峰电压吸收电路，所述第一线地间尖峰电压吸收电路用于吸收正线与地间的尖峰电压，所述第一线地间尖峰电压吸收电路一端与输出正线端电连接，所述第二线地间尖峰电压吸收电路用于吸收负线与地间的尖峰电压吸收电路，所述第二线地间尖峰电压吸收电路一端与输出负线端电连接，所述第一线地间尖峰电压吸收电路另一端与所述第二线地间尖峰电压吸收电路另一端共地连接。

本发明提供的集成式直流电源调理装置的有益效果：首先，该装置内部设计成三个隔离腔体，有效提高各个电路之间的抗干扰能力采用全金属不锈钢外壳设计；其次，输入和输出引出线采用金属屏蔽网缠绕处理，同时金属屏蔽网与外壳相连，从而保证包含引出线在内的整个装置均全金属屏蔽，提高了装置的电磁兼容性能；再有，该装置内部滤波电路中具有几十微法的电容，该装置在系统中使用时后级负载中一般也存在电容等容性元器件；在上电瞬间能将容性元器件的充电电流限制在很小范围内。同时，装置可以对输入正负线之间、正线对地或负线对地的尖峰电压进行有效吸收，将尖峰电压消减至安全范围内；保护应用系统中后级电路不受损坏，增加应用系统的可靠性。

本发明的附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1为本发明实施例公开的直流电源调理装置功能方框图；

图2为本发明实施例公开的直流电源调理装置的原理方框图；

图3为本发明实施例公开的直流电源调理装置外形尺寸图；

图4为本发明实施例公开的尖峰电压吸收电路原理图；

图5为本发明实施例公开的前级直流滤波电路原理图；

图6为本发明实施例公开的上电软起动电路原理图；

图7为本发明实施例公开的后级直流滤波电路原理图。

通过上述附图，已示出本公开明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本公开构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本公开的概念。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

本发明的目的在于提供一种具有多种保护功能的集成式直流电源调理装置，可满足大功率伺服系统上电软启动、耐尖峰电压、高性能滤波的要求。

直流电源调理装置可满足直流350V～640V的宽电压输入，可实现启动电流小于15A，持续时间小于10ms；输入正线对输入负线、输入正线对外壳、输入负线对外壳均可承受2500V/50us的尖峰电压，将尖峰电压消减至1000V以内；还可实现对伺服控制系统的高性能滤波。直流电源调理装置由线线间尖峰电压吸收电路、前级直流滤波电路、上电软起动电路、后级直流滤波电路、线地间尖峰电压吸收电路组成，功能框图如图1所示。

三腔体结构；该装置内部设计成三个隔离腔体，有效提高各个电路之间的抗干扰能力。第一个腔体包含线线间尖峰电压吸收电路1、前级直流滤波电路2；第二个腔体包含上电软起动电路3；第三个腔体包含后级直流滤波电路4和线线间尖峰电压吸收电路5。

三合一主要功能设计；该装置包含上电软启动、尖峰电压吸收、高性能滤波的三合一电路功能。

高可靠、多重保护功能设计；该装置具有防反接功能、输入欠压、过温保护和过流保护功能。防止使用过程中接线错误，过温烧毁，保护电源调理装置；可防止应用系统电压降低、电流超过使用范围，保护整个系统，提高系统的可靠性。

高耐压、高绝缘设计；该装置可承受2500V，1min的工频耐压介电强度测试，绝缘性能优异。

良好的电磁屏蔽设计；该装置采用全金属不锈钢外壳设计，输入和输出引出线采用金属屏蔽网缠绕处理，同时金属屏蔽网与外壳相连，从而保证包含引出线在内的整个装置均全金属屏蔽，提高了装置的电磁兼容性能。

高性能上电限流功能设计；该装置内部滤波电路中具有几十微法的电容，该装置在系统中使用时后级负载中一般也存在电容等容性元器件；在上电瞬间能将容性元器件(容值高达4000uf)的充电电流限制在15A以内。限流电路中使用的限流功率电阻为氮化硅基片印刷功率电阻，瞬时功率可达9kw且具有体积小的优点，同阻值的绕线功率电阻，瞬时功率仅有几百瓦，体积庞大，性能远远不及氮化硅基片印刷功率电阻。

多级直流滤波设计；直流滤波电路采用多级共模抑制电路加一级差模抑制电路，并在每一级共模或差模抑制电路间插入X电容和Y电容，抑制共模和差模信号，有效的减小传导干扰。

尖峰电压吸收设计；装置可以对输入正负线之间、正线对地或负线对地的尖峰电压进行有效吸收，将尖峰电压消减至1000V以内；保护应用系统中后级电路不受损坏，增加应用系统的可靠性。

此技术方案与现有国内外方案相比，功能集成度更高，可实现供电品质的有效改善，在性能与可靠性两方面指标上均有跨越性的提高。

本发明的一个实施例，电源调理装置的外形尺寸为200×110×40mm，见图3。图3中的仅仅作为实施例中的一个实例，可根据工程需要做详细的尺寸调整，。

装置内部分为三个腔体，如图2所示。第一个腔体包含线线间的尖峰电收压吸电路1、前级直流滤波电路2；尖峰电压吸收电路1作用是吸收输入正和输入负之间的瞬时2500V/50us以内的尖峰电压；该电路采用压敏电阻R和气体放电管G组合的形式，见图4；气体放电管作为开关，当尖峰电压超过气体放电管G的击穿电压时，气体放电管G将先导通，尖峰电压加在压敏电阻R两端，利用压敏电阻的特性，将尖峰电压箝位在一个定值。当无尖峰电压时，压敏电阻R通过气体放电管G与电路隔开，不会产品漏电流。2500V/50us的尖峰电压经过该电路可降至1000V以内。可以根据系统实际的尖峰电压量级来选择压敏电阻R和气体放电管G的参数。

前级直流滤波电路2作为电源调理装置的第一级EMI抑制器，其主要作用是抑制后级上电软起动电路3所产生的噪声干扰。由于上电软起动电路3电路中的具有DC/DC电源模块等与频率相关的元器件，其主频率为7Khz～9Khz，故前级直流滤波电路2主要消除7Khz～9Khz频段的噪声及其二次、三次、四次谐波，其原理图见图5。前级直流滤波电路2采用一级差模加四级共模串联的滤波方式，该方式可以有效的滤除电磁干扰。其中La为差模电感，L1～L4为共模电感，CY1～CY8为Y电容。La差模电感主要作用是抑制差模干扰信号模，L1～L4共电感和CY1～CY4电容主要作用是抑制共模噪声干扰。La差模电感的参数为50～200uH，L1～L4共模电感的参数为500uH～2mH，CY1～CY8电容的参数为1nF～10nF。

第二个腔体包含上电软起动电路3；电路原理图见图6；该电路包含电源变换电路、电压检测电路、延时电路、驱动电路、功率开关管和功率电阻。其中电源变换电路将输入高压转换为+15V，+18V，+5V，+10V电压，为电压检测电路、延时电路、驱动电路提供所需的电压。电压检测电路的作用是当检测到输入电压大于300V时(可根据实际工程需要自行设置第一电压阈值)，输出一个5V的高电平信号，当低于300V时，输出小于0.8V的低电平信号，该信号作为延时电路的输入，当该信号为高电平时延时电路开始计时，固定延时1s(根据工程需要自行设置第二时间阈值)时间后，功率开关管打开将功率电阻短路；当该信号为低电平时，功率开关管处于开路状态，通过功率电阻为后级容性负载充电，限制后级容性负载的充电电流；驱动电路的作用是打开或关闭功率开关管。功率电阻采用氮化硅基片印刷功率电阻和陶瓷覆铜基板散热工艺，功率电阻的阻值选用100Ω，体积仅为35mm×38mm，可承受9KW的瞬时功率。功率开关管采用四级碳化硅MOSFET功率管并联的形式，最大工作电流可达到200A。该电路可以将系统的启动电流限制在15A以下。

第三个腔体包含负线与地间的尖峰电压吸收电路、正线与地间的尖峰电压吸收电路5和后级直流滤波电路4；负线与地间的尖峰电压吸收电路、正线与地间的尖峰电压吸收电路与线线间的尖峰电压吸收电路相同。后级直流滤波电路4的作用是抑制应用系统中的干扰，原理图见图7；该电路采用多级滤波的方式，L6、L7、L9为共模电感，L8、L10为差模电感，CY5、CY6为Y电容，CX1、CX2、CX3为X电容。L6、L7、L9共模电感参数为4～6mH，L8、L10差模电感参数为2.5～3.5mH，CY5、CY6电容参数为1nF～10nF；CX1、CX2、CX3参数为40～80uF。该电路通过多级组合滤波的方式，对系统中产生的10Khz～20Khz频段上的噪声有良好的抑制作用。对于电磁兼容试验中CE101、CE102以及RE102均有良好的效果。

本发明提供的集成式直流电源调理装置的有益效果：首先，该装置内部设计成三个隔离腔体，采用全金属不锈钢外壳设计有效提高各个电路之间的抗干扰能力。

其次，输入和输出引出线采用金属屏蔽网缠绕处理，同时金属屏蔽网与外壳相连，从而保证包含引出线在内的整个装置均全金属屏蔽，提高了装置的电磁兼容性能。

再有，该装置内部滤波电路中具有几十微法的电容，该装置在系统中使用时后级负载中一般也存在电容等容性元器件；在上电瞬间能将容性元器件的充电电流限制在很小范围内。

同时，装置可以对输入正负线之间、正线对地或负线对地的尖峰电压进行有效吸收，将尖峰电压消减至安全范围内；保护应用系统中后级电路不受损坏，增加应用系统的可靠性。

再有，直流滤波电路采用多级共模抑制电路加一级差模抑制电路，并在每一级共模或差模抑制电路间插入X电容和Y电容，抑制共模和差模信号，有效的减小传导干扰。

最后，功能集成度更高，可实现供电品质的有效改善，在性能与可靠性两方面指标上均有跨越性的提高。

显然，上述具体实施案例仅仅是为了说明本方法应用所作的举例，而非对实施方式的限定，对于该领域的一般技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动，用以研究其他相关问题。因此，本发明的保护范围都应以权利要求的保护范围。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所描述的电子设备等实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

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各实施方式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。基于这样的理解，上述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，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明的实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的实施例各实施例技术方案的范围。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本发明旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求书指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求书来限制。

Claims (5)

1.一种集成式直流电源调理装置，其特征在于，所述集成式直流电源调理装置包括：线线间尖峰电压吸收电路(1)、前级直流滤波电路(2)、上电软起动电路(3)、后级直流滤波电路(4)和线地间尖峰电压吸收电路(5)，所述线线间尖峰电压吸收电路(1)和所述前级直流滤波电路(2)位于第一腔体，所述上电软起动电路(3)位于第二腔体，所述后级直流滤波电路(4)和线地间尖峰电压吸收电路5)位于第三腔体，所述第一腔体输出端与第二腔体输入端通过引出线电连接，所述第二腔体输出端与所述第三腔体输入端通过引出线电连接，所述引出线采用金属屏蔽网缠绕处理；所述线线间尖峰电压吸收电路(1)用于吸收输入正端和输入负端之间的尖峰电压；所述前级直流滤波电路(2)用于抑制后级上电软起动电路(3)所产生的噪声干扰；所述上电软起动电路(3)用于限制所述集成式直流电源调理装置的启动电流；所述后级直流滤波电路(4)用于抑制所述集成式直流电源调理装置不同频段的噪声；所述线地间尖峰电压吸收电路(5)用于吸收负线与地间的尖峰电压、正线与地间的尖峰电压。

2.根据权利要求1所述的集成式直流电源调理装置，其特征在于，所述线线间尖峰电压吸收电路(1)包括压敏电阻和气体放电管，所述气体放电管用于当尖峰电压超过气体放电管的击穿电压时导通；所述压敏电阻用于钳位所述输入正端和输入负端之间的尖峰电压。

3.根据权利要求1所述的集成式直流电源调理装置，其特征在于，前级直流滤波电路(2)包括一级差模电路和四级共模电路，所述一级差模电路和四级共模电路串联连接。

4.根据权利要求1所述的集成式直流电源调理装置，其特征在于，所述上电软起动电路(3)包括电源变换电路、电压检测电路、延时电路、驱动电路、功率开关管和功率电阻，所述电源变换电路用于将前级直流滤波电路的输出电压转化为不同的电压值，所述电压值用于为所述电源检测电路、所述延时电路、所述驱动电路供电；所述电压检测电路用于检测所述电源变换电路的输出电压是否大于第一电压阈值，根据检测结果输出低电平信号或者高电平信号；所述延时电路用于根据所述高电平信号启动且延时第二时间阈值，驱动驱动电路动作，所述延时电路还用于根据所述低电平不驱动驱动电路动作；所述驱动电路用于为所述功率开关管提供驱动电压控制所述功率开关管的导通或关闭；所述功率开关管并联于所述功率电阻两端，所述功率电阻的一端与后级直流滤波电路(4)的一输出端电连接，所述功率电阻的另一端与所述前级直流滤波电路(2)一端电连接，所述电源变换电路输入端分别与所述前级直流滤波电路(2)一输出端和所述后级直流滤波电路(4)一输入端电连接，所述电源变换电路输出端分别与所述电源检测电路一输入端、所述延时电路一输入端和所述驱动电路一输入端电连接；所述电压检测电路输出端与所述延时电路一输入端电连接，所述延时电路一输出端与所述驱动电路一输入端电连接，所述驱动电路一输出端与所述功率开关管一输入端电连接。

5.根据权利要求1所述的集成式直流电源调理装置，其特征在于，所述线地间尖峰电压吸收电路(5)包括第一线地间尖峰电压吸收电路和第二线地间尖峰电压吸收电路，所述第一线地间尖峰电压吸收电路用于吸收正线与地间的尖峰电压，所述第一线地间尖峰电压吸收电路一端与输出正线端电连接，所述第二线地间尖峰电压吸收电路用于吸收负线与地间的尖峰电压吸收电路，所述第二线地间尖峰电压吸收电路一端与输出负线端电连接，所述第一线地间尖峰电压吸收电路另一端与所述第二线地间尖峰电压吸收电路另一端共地连接。

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