CN113381593B - 一种大功率容性负载仪器的前端辅助电路 - Google Patents

一种大功率容性负载仪器的前端辅助电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大功率容性负载仪器的前端辅助电路，包括顺次连接的输入滤波电路、整流电路、升压电路和输出滤波电路；输入滤波电路与工频电网连接，输出滤波电路的输出端与容性负载连接；输入滤波电路包括第一子电路和第二子电路，第一子电路在火线和零线之间依次并联一个压敏电阻和四个X电容；第二子电路在火线和零线上设有四个共模电感，零线和火线在每个共模电感上并联有一个气体放电管，各个共模电感的回路与保护接地之间并联一个Y电容；输出滤波电路包括相互并联的四个大容量电解电容、两个安规电容和一个共模电感。利用本发明，可以减少大功率容性仪器高次谐波对工频电网的干扰或骚扰，并大大降低仪器在大功率运行下的各种风险。

Description

一种大功率容性负载仪器的前端辅助电路
技术领域
本发明属于电子电路技术领域，尤其是涉及一种大功率容性负载仪器的前端辅助电路。
背景技术
随着电器种类和数量的发展，要求仪器对电网和环境的影响符合标准，同时也要对电网中可能发生的扰动有一定的抗扰能力，即要求仪器做到电磁兼容(EMC)。电磁兼容中很重要的一部分是减少用电设备对工频电网的干扰或骚扰，其目的是让仪器或设备的输入电压和摄取电流趋于一致，减少高次谐波电流对电网的影响。
容性负载一般是指带电容参数的负载，即符合电流超前电压特性的负载。容性负载充放电时，电压不能突变，其对应的功率因数为负值，对应的感性负载的功率因数为正值。
针对容性负载，现有技术设计了很多相关的电路，如公开号为CN1777010A的中国专利文献公开了一种脉冲电源与容性负载间的匹配电路；公开号为CN101662233A的中国专利文献公开了一种用于驱动单路或多路容性负载的电路。
鉴于容性负载因电容的电压不可突变特性，当供电电压在小于电容电压时，仪器对电网的摄取电流为零，当供电电压超过电容电压时，仪器向电网的摄取电流呈现突变趋势，此时电流的波形为脉冲波。由脉冲波的傅里叶级数展开可知，此时会产生很多高次谐波，从而对于电网产生严重的干扰。
在电网进线端加入共模电感，可以减少仪器高频谐波对电网的影响，电感量越大则滤波效果相对更好，但是电感量增大会使共模电感上存储过高的能量，从而对电路的性能产生影响。
发明内容
本发明提供了一种大功率容性负载仪器的前端辅助电路，可用于大功率容性负载的驱动和功率因数调节，工作稳定，辐射干扰低。
一种大功率容性负载仪器的前端辅助电路，包括顺次连接的输入滤波电路、整流电路、升压电路和输出滤波电路；所述的输入滤波电路的输入端与工频电网连接，输出滤波电路的输出端与容性负载连接；
所述的输入滤波电路包括第一子电路和第二子电路，所述的第一子电路在火线和零线之间依次并联有一个压敏电阻R1和两个X电容；
所述第二子电路在火线和零线上设有至少四个共模电感，零线和火线在每个共模电感上均并联有一个气体放电管，各个共模电感的回路与保护接地之间并联有一个Y电容；
所述的整流电路用于将经过输入滤波电路后的交流电转换成直流电，所述的升压电路用于将整流电路输出的直流电进行升压；
所述的输出滤波电路包括相互并联的四个680uF大容量电解电容、两个0.47uF安规电容和一个共模电感L6。
进一步地，所述第一子电路的火线上还设有熔断器F1，参数为10A/250V。
进一步地，第二子电路中，共模电感的个数为四个，四个共模电感的电感量分别为15mH、20mH、25mH、12mH；前三个共模电感采用铍莫合金磁芯，第四个共模电感用高磁通量的锰锌磁芯。
可选择的，第二子电路中所有Y电容的总容量为6000pF，包括8个500pFY电容和2个1000pF的Y电容；其中，2个1000pF的Y电容并联在第四个共模电感的回路与保护接地之间。
进一步地，所述的整流电路包括两个整流桥模块，一个整流桥的两个输入端并联后与火线连接，另一个整流桥的两个输入端并联后与零线连接；每个整流桥的两个输出端分别并联在直流输出线上。
进一步地，所述的升压电路采用boost升压电路，包括串联在直流输出线正极母线上的电感L5和二极管D3，二极管D3的正极端和负极母线之间、二极管D3的负极端和负极母线之间并联有V型槽场效应管Q1和电容C13。
所述的输出滤波电路包括互相并联的四个680uF大容量电解电容和两个0.47uF安规电容，经过共模电感L6滤波后输出。
所述的升压电路外接主控芯片电路；所述的主控芯片电路通过芯片供电电路与工频电网连接；输出滤波电路的输出端与主控芯片电路之间连接有保护电路，所述的保护电路包括欠电压保护电路、过温度保护电路和过流(短路)保护电路。
进一步地，所述的欠电压保护电路包括电压比较器U1，所述电压比较器U1的正向输入端连接电阻R2和稳压管D4的一端，电阻R2的另一端与第一辅助电源连接，稳压管D4的另一端分别接地；所述电压比较器U1的负向输入端连接采样电压；
所述电压比较器U1的输出端连接电阻R3的一端和光电耦合器OPT1的阳极，电阻R3的另一端与第一辅助电源连接，光电耦合器OPT1的阴极接地；光电耦合器的输出端与单片机MCU连接。
进一步地，所述的过流(短路)保护电路包括电压比较器U2，所述电压比较器U2的正向输入端与电阻R7和稳压管D5的一端连接，电阻R7的另一端与第二辅助电源连接，稳压管D5的另一端接地；
所述电压比较器U2的负向输入端分别与分压电阻R6、分压电阻R5和电容C18的一端连接，分压电阻R6的另一端分别与整流电路输出端和采样电阻R4的一端连接，采样电阻R4、分压电阻R5和电容C18的另一端接地；
所述电压比较器U2的输出端分别与电阻R8的一端和二极管D6的阴极连接，电阻R8的另一端分别与第二辅助电源、电源芯片U3的Vin引脚连接，二极管D6的阳极分别与电源芯片U3的ADJ引脚、电阻R9的一端、电阻R10的一端连接，电阻R9的另一端分别与电源芯片U3的Vout引脚、主控芯片U4的VDD引脚连接，电阻R10的另一端、主控芯片U4的GND均接地。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明的输入滤波电路采用在共模电感上并联气体放电管，利用气体放电管吸收共模电感因加高电感量而在工作时储存的过高能量；保证高电感量的共模电感既能减少仪器高次谐波对工频电网的干扰，又能抑制高电感量共模电感储存的过高能量对仪器产生不良影响。同时，将多个Y电容分散并联在各个电感的回路上与保护接地之间，进一步减少仪器高次谐波对工频电网的干扰或骚扰。同时，因Y电容容量造成的机器对地漏电流的影响依然控制在IEC60601-1的允许范围内。
2、本发明的整流电路将每个整流桥的输入端并联作为一端引线，很巧妙地既让两整流桥在电气上实现并联，增加了整流桥的输出电流，同时又方便了PCB板子的布线，保证整流桥的引线可以有足够大面积的敷铜。
3、本发明对主控芯片电路外加了工作时的过流(短路)保护、功率管的过温保护及工频电网电压太低时的欠电压保护。在大功率运行时有一个可靠的保障。
附图说明
图1为本发明实施例一种大功率容性负载仪器的前端辅助电路的整体结构图；
图2为输入滤波电路中第一子电路的结构图；
图3为输入滤波电路中第二子电路的结构图；
图4为整流电路的结构图；
图5为升压电路的结构图；
图6为输出滤波电路的结构图；
图7为欠电压保护电路的结构图；
图8为过流保护电路的结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1所示，一种大功率容性负载仪器的前端辅助电路，包括顺次连接的输入滤波电路A、整流电路B、升压电路C和输出滤波电路D。网电源进线后经过滤波、整流、升压、输出滤波后输出。
输入滤波电路A的输入端与工频电网连接，输出滤波电路的输出端与容性负载连接。升压电路外接主控芯片电路H；主控芯片电路H通过芯片供电电路G与工频电网连接；输出滤波电路D的输出端与主控芯片电路H之间连接有保护电路，保护电路包括欠电压保护电路、过温度保护电路和过流(短路)保护电路等。输入滤波电路A和芯片供电电路G之间还连接有软开关电路E。
输入滤波电路包括第一子电路和第二子电路。
如图2所示，第一子电路在火线L和零线N之间依次并联有一个压敏电阻R1和四个X电容，分别用于吸收浪涌电压和电源滤波。第一子电路的火线上还设有熔断器F1，参数为10A/250V。本实施例中，四个X电容的容量均为0.47uF，图2中，X电容C1和C2均分别表示两个并联的电容。
如图3所示，第二子电路在火线L和零线N上设有四个共模电感L1、L2、L3和L4，零线和火线在每个共模电感上均并联有一个气体放电管，分别对应气体放电管GDT1～GDT8，利用气体放电管吸收共模电感因加高电感量而在工作时储存的过高能量，保证高电感量的共模电感既能减少仪器高次谐波对工频电网的干扰，又能抑制高电感量共模电感储存的过高能量对仪器产生不良影响。
四个共模电感L1、L2、L3和L4的电感量分别为15mH、20mH、25mH、12mH；其中前三个共模电感采用铍莫合金磁芯，第四个共模电感用高磁通量的锰锌磁芯。
各个共模电感的回路与保护接地之间并联有一个Y电容，分别对应Y电容C3-C12，总容量为6000pF，分别以8个500pF、2个1000pF的电容分散并联在各个电感的回路上与保护接地PE之间，进一步减少仪器高次谐波对工频电网的干扰或骚扰。
整流电路的结构图如图4所示，一个整流桥的两个输入端并联后与火线连接，另一个整流桥的两个输入端并联后与零线连接；每个整流桥的两个输出端分别并联在直流输出线上。
本发明为了让两个整流桥能背靠背平整地贴在一个铝质散热器上，有效地提高机箱的利用空间。两个工频整流桥堆模块D1和D2不是两个整流桥的常规并联方式，将两个整流桥的同名端互相并联，而是将每个整流桥的输入端并联作为一端引线，很巧妙地既让两整流桥在电气上实现并联，增加了整流桥的输出电流，同时又方便了PCB板子的布线，保证整流桥的引线可以有足够大面积的敷铜。另外，还保证了两个整流桥可以背靠背贴在一个金属散热器上。
如图5所示，升压电路包括串联在直流输出线正极母线上的电感L5和二极管D3，二极管D3的正极端和负极母线之间、二极管D3的负极端和负极母线之间并联有V型槽场效应管Q1和电容C13。
本发明采用boost升压电路拓扑电路，利用电感L5的储能特性，在V型槽场效应管(VMOSFET-N)Q1导通时将电流能量转化为磁场能量储存，在V型槽场效应管Q1截止时将存储的磁场能量转化为电能，从而将电压从整流后的300VDC升压至400VDC。二极管D3的作用是让电感L5上的能量有一个向负载释放的途径，并让机器在向工频电网摄取电流时不再直接受四个并联大电容上电压值的影响，有效抑制了机器对工频电网的干扰或骚扰。
如图6所示，输出滤波电路包括互相并联的四个680uF大容量电解电容和两个0.47uF安规电容，经过共模电感L6滤波后输出。图中，大容量电解电容C14和C15均分别表示两个并联的680uF电容。400V直流(400VDC)经过输出滤波电路后输出(400Vout)。
由于功率因数控制(PFC)主控芯片的内部控制电路里没有温度保护，也没有短路保护及欠压保护，即在大功率运行时没有一个可靠的保障。对此，本发明的电路外加了工作时的①短路(过流)保护、②功率管的过温保护及③工频电网电压太低时的欠电压保护。
芯片供电电路包括工频降压变压器(220V-12V)、4个1N4007二极管构成的整流电路、电源芯片LM317等。
如图7所示，欠电压保护电路包括电压比较器U1，电压比较器U1的正向输入端连接电阻R2和稳压管D4的一端，电阻R2的另一端与第一辅助电源连接，稳压管D4的另一端分别接地。所述电压比较器U1的负向输入端连接采样电压。电压比较器U1的输出端连接电阻R3的一端和光电耦合器OPT1的阳极，电阻R3的另一端与第一辅助电源连接，光电耦合器OPT1的阴极接地；光电耦合器的输出端与单片机MCU连接。
第一辅助电源为+18V，第一辅助电源、电阻R2和稳压管D4构成参考电压。当输出电压低于340V时，采样电压(Vol Samp)低于参考电压，电压比较器U1输出状态翻转，输出高电平，通过光电耦合器OPT1对外做出指示并暂停机器的能量输出操作，将信号传递给单片机MCU和上位机进行处理。
当软开关电路的MOS开关管温度过高，其背后的散热器温度随之升高，贴在其上的温度开关闭合，将芯片供电电路中电源芯片LM317的参考电压拉低，使主控芯片电路断电，以避免高温对电路造成损坏。
如图8所示，短路(过流)保护电路包括电压比较器U2，电压比较器U2的正向输入端与电阻R7和稳压管D5的一端连接，电阻R7的另一端与第二辅助电源连接，稳压管D5的另一端接地；
电压比较器U2的负向输入端分别与分压电阻R6、分压电阻R5和电容C18的一端连接，分压电阻R6的另一端分别与整流电路输出端和采样电阻R4的一端连接，采样电阻R4、分压电阻R5和电容C18的另一端接地；
电压比较器U2的输出端分别与电阻R8的一端和二极管D6的阴极连接，电阻R8的另一端分别与第二辅助电源、电源芯片U3的Vin引脚连接，二极管D6的阳极分别与电源芯片U3的ADJ引脚、电阻R9的一端、电阻R10的一端连接，电阻R9的另一端分别与电源芯片U3的Vout引脚、主控芯片U4的VDD引脚连接，电阻R10的另一端、主控芯片U4的GND均接地。
第二辅助电源的电压为+18V，第二辅助电源、电阻R7和稳压管D5构成参考电压(1.2V)。在电路的整流输出回路(300VDC)中串联20mΩ的采样电阻R4，这样在不影响电流输出的情况下检测输出电流，将电流采样信号经过分压R6、R5、C18后与参考电压(1.2V)进行比较，调节分压电阻R6和R5可以调整保护电流阈值，当输出电流超过设定值后，比较器U2输出状态翻转，输出低电平，将电源芯片U3(LM317)的参考引脚电压拉低，切断主控芯片U4(PFC-CHIP)的电源，使其停止工作。
过流(短路)、欠电压、过温保护除了上述硬件保护外，还留有独立的光电耦合器接口，可以与单片机进行通讯，把故障信息传递给单片机和上位PC机。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种大功率容性负载仪器的前端辅助电路，其特征在于，包括顺次连接的输入滤波电路、整流电路、升压电路和输出滤波电路；所述的输入滤波电路的输入端与工频电网连接，输出滤波电路的输出端与容性负载连接；
所述的输入滤波电路包括第一子电路和第二子电路，所述的第一子电路在火线和零线之间依次并联有一个压敏电阻R1和四个X电容；
所述第二子电路在火线和零线上设有四个共模电感，零线和火线在每个共模电感上均并联有一个气体放电管，各个共模电感的回路与保护接地之间并联有一个Y电容；四个共模电感的电感量分别为15mH、20mH、25mH、12mH；前三个共模电感采用铍莫合金磁芯，第四个共模电感用高磁通量的锰锌磁芯；第二子电路中所有Y电容的总容量为6000pF，包括8个500pFY电容和2个1000pF的Y电容；其中，2个1000pF的Y电容并联在第四个共模电感的回路与保护接地之间；
所述的整流电路用于将经过输入滤波电路后的交流电转换成直流电，所述的升压电路用于将整流电路输出的直流电进行升压；
所述的输出滤波电路包括相互并联的四个680uF大容量电解电容、两个0.47uF安规电容和一个共模电感L6，经过共模电感L6滤波后输出；
所述的升压电路外接主控芯片电路；所述的主控芯片电路通过芯片供电电路与工频电网连接；输出滤波电路的输出端与主控芯片电路之间连接有保护电路，所述的保护电路包括欠电压保护电路、过温度保护电路和过流保护电路；
所述的欠电压保护电路包括电压比较器U1，所述电压比较器U1的正向输入端连接电阻R2和稳压管D4的一端，电阻R2的另一端与第一辅助电源连接，稳压管D4的另一端接地；所述电压比较器U1的负向输入端连接采样电压；
所述电压比较器U1的输出端连接电阻R3的一端和光电耦合器OPT1的阳极，电阻R3的另一端与第一辅助电源连接，光电耦合器OPT1的阴极接地；光电耦合器的输出端与单片机MCU连接；
所述的过流保护电路包括电压比较器U2，所述电压比较器U2的正向输入端与电阻R7和稳压管D5的一端连接，电阻R7的另一端与第二辅助电源连接，稳压管D5的另一端接地；
所述电压比较器U2的负向输入端分别与分压电阻R6、分压电阻R5和电容C18的一端连接，分压电阻R6的另一端分别与整流电路输出端和采样电阻R4的一端连接，采样电阻R4、分压电阻R5和电容C18的另一端接地；
所述电压比较器U2的输出端分别与电阻R8的一端和二极管D6的阴极连接，电阻R8的另一端分别与第二辅助电源、电源芯片U3的Vin引脚连接，二极管D6的阳极分别与电源芯片U3的ADJ引脚、电阻R9的一端、电阻R10的一端连接，电阻R9的另一端分别与电源芯片U3的Vout引脚、主控芯片U4的VDD引脚连接，电阻R10的另一端、主控芯片U4的GND均接地。
2.根据权利要求1所述的大功率容性负载仪器的前端辅助电路，其特征在于，所述第一子电路的火线上还设有熔断器F1，参数为10A/250V。
3.根据权利要求1所述的大功率容性负载仪器的前端辅助电路，其特征在于，所述的整流电路包括两个整流桥模块，一个整流桥的两个输入端并联后与火线连接，另一个整流桥的两个输入端并联后与零线连接；每个整流桥的两个输出端分别并联在直流输出线上。
4.根据权利要求3所述的大功率容性负载仪器的前端辅助电路，其特征在于，所述的升压电路采用boost升压电路，包括串联在直流输出线正极母线上的电感L5和二极管D3，二极管D3的正极端和负极母线之间、二极管D3的负极端和负极母线之间并联有V型槽场效应管Q1和电容C13。
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