CN114362097A - 高压漏电保护电路及漏电分析芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压漏电保护电路及漏电分析芯片，所述高压漏电保护电路包括第一电流采样前端、第二电流采样前端、隔离耐压模块和信号分析电路；第一电流采样前端用于对高压火线进行电流采样以获得火线电流信号；第二电流采样前端用于对高压零线进行电流采样以获得零线电流信号；第一电流采样前端通过隔离耐压模块与第二电流采样前端隔开；信号分析电路用于将火线电流信号和零线电流信号进行矢量求和和能量积分处理以得到漏电能量值，并将漏电能量值与预设的漏电阈值进行比较。本发明的高压漏电保护电路，提高了漏电检测的准确性，降低了漏电保护电路的尺寸和成本，提高了漏电保护的效率，确保了安全性，降低了干扰信号的影响。

Description

高压漏电保护电路及漏电分析芯片

技术领域

本发明涉及集成电路设计领域，特别涉及一种高压漏电保护电路及漏电分析芯片。

背景技术

常规的高压电路漏电保护方法是通过零序电流互感器获取经过限压和转换后的漏电信号并发送到漏电保护电路，漏电保护电路检测到漏电信号达到或超过漏电预设阈值就会执行漏电保护动作。由于漏电电流一般很小，因此零序互感器尺寸很大，价格很贵，并且误差较大；漏电保护电路是一旦达到或超过漏电预设阈值就动作，漏电数值无法量化、无法存储，因此就更无法分析；目前漏电检测芯片利用积分电容进行漏电调节，不是很精确。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中零序电流互感器尺寸大、价格贵、误差大导致漏电保护的效率低下的缺陷，提供一种高压漏电保护电路及漏电分析芯片。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

本发明提供一种高压漏电保护电路，所述高压漏电保护电路包括第一电流采样前端、第二电流采样前端、隔离耐压模块和信号分析电路；

所述第一电流采样前端用于对高压火线进行电流采样以获得火线电流信号，并将所述火线电流信号发送至所述信号分析电路；所述第二电流采样前端用于对高压零线进行电流采样以获得零线电流信号，并将所述零线电流模号发送至所述信号分析电路；

所述第一电流采样前端通过所述隔离耐压模块与所述第二电流采样前端隔开；所述隔离耐压模块用于隔离所述火线电流信号和所述零线电流信号；

所述信号分析电路用于将所述火线电流信号和所述零线电流信号进行矢量求和和能量积分处理以得到漏电能量值，并将所述漏电能量值与预设的漏电阈值进行比较；当所述漏电能量值大于所述漏电阈值时，所述信号分析电路还用于生成漏电保护信号。

较佳地，所述隔离耐压模块包括隔离耐压电容和隔离耐压材料；

所述隔离耐压电容中间填充所述隔离耐压材料；

所述隔离耐压模块用于传导高频信号并且隔离低频信号。

较佳地，所述隔离耐压模块包括隔离耐压变压器组；

所述隔离耐压变压器组包括至少两组电感组；

所述隔离耐压模块用于传导高频信号并且隔离低频信号。

较佳地，所述第一电流采样前端通过第一采样电阻连接所述高压火线；

所述第二电流采样前端通过第二采样电阻连接所述高压零线。

较佳地，所述高压漏电保护电路还包括第一模数转换模块和第二模数转换模块；

所述第一模数转换模块分别与所述第一电流采样前端和所述信号分析电路通信连接；所述第二模数转换模块分别与所述第二电流采样前端和所述信号分析电路通信连接；

所述第一电流采样前端还用于对高压火线进行电流采样以获得火线电流模拟信号，并将所述火线电流模拟信号发送至所述第一模数转换模块；所述第一模数转换模块用于将所述火线电流模拟信号转换成矢量的火线电流数字信号，并将所述火线电流数字信号发送至所述信号分析电路；

所述第二电流采样前端用于对高压零线进行电流采样以获得零线电流模拟信号，并将所述零线电流模拟信号发送至所述第二模数转换模块；所述第二模数转换模块用于将所述零线电流模拟信号转换成矢量的零线电流数字信号，并将所述零线电流数字信号发送至所述信号分析电路；

所述第一模数转换模块通过所述隔离耐压模块与所述第二模数转换模块隔开。

较佳地，所述信号分析电路包括加法器、能量积分电路、比较器和高频时钟源；

所述加法器分别与所述第一模数转换模块、所述第二模数转换模块和所述能量积分电路通信连接；

所述能量积分电路分别与所述比较器和所述高频时钟源通信连接；

所述加法器用于将所述火线电流数字信号和所述零线电流数字信号进行矢量求和处理以得到矢量和，并将所述矢量和发送至能量积分电路；

所述高频时钟源用于生成第一预设频率的时间信号并发送至所述能量积分电路；

所述能量积分电路用于基于所述矢量和和所述时间信号生成所述漏电能量值，并将所述漏电能量值发送至所述比较器；

所述比较器用于将所述漏电能量值与所述漏电阈值进行比较；当所述漏电能量值大于所述漏电阈值时，所述比较器还用于生成漏电保护信号。

较佳地，所述高频时钟源还与所述隔离耐压模块通信连接；

所述高频时钟源还用于生成第二预设频率的频率信号并发送至所述隔离耐压模块以使具备所述第二预设频率的数字信号通过所述隔离耐压模块。

较佳地，所述信号分析电路还包括温度补偿电路；

所述温度补偿电路与所述高频时钟源通信连接；

所述温度补偿电路用于采集温度数据并将所述温度数据发送至所述高频时钟源；

所述高频时钟源还用于基于所述温度数据进行频率校准。

较佳地，所述高压漏电保护电路还包括通信接口；

所述通信接口分别与所述能量积分电路和所述比较器通信连接；

所述通信接口用于接收外部控制器的控制指令并分别发送至所述能量积分电路和所述比较器；

所述通信接口还用于接收所述漏电能量值并发送至外部控制器。

较佳地，所述高压漏电保护电路还包括存储器；

所述存储器分别与所述通信接口和所述信号分析电路通信连接；

所述存储器用于存储所述矢量和、所述漏电能量值、所述漏电阈值中的一种或多种。

较佳地，所述高压漏电保护电路还包括驱动电路；

所述驱动电路与所述信号分析电路通信连接；

所述驱动电路用于基于所述漏电保护信号生成驱动信号以驱动漏电保护开关。

较佳地，所述高压漏电保护电路还包括电源电路；

所述电源电路分别与所述第一电流采样前端、所述第二电流采样前端和所述信号分析电路电连接。

本发明还提供一种漏电分析芯片，所述漏电分析芯片包括如上所述的高压漏电保护电路。

本发明的积极进步效果在于：

本发明提供的高压漏电保护电路及漏电分析芯片，通过电流采样前端直接对火线和零线进行电流采样以得到火线电流信号和零线电流信号，对火线电流信号和零线电流信号进行矢量求和和能量积分处理以得到漏电能量值，提高了漏电检测的准确性，降低了漏电保护电路的尺寸和成本，提高了漏电保护的效率；通过隔离耐压模块将火线电流信号和零线电流信号隔离开，确保了高压漏电保护电路采样的安全性，降低了干扰信号的影响。

附图说明

图1为本发明实施例1的高压漏电保护电路的电路结构示意图。

图2为本发明实施例2的高压漏电保护电路的电路结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种高压漏电保护电路。该高压漏电保护电路包括第一电流采样前端1、第二电流采样前端2、隔离耐压模块3和信号分析电路4。

第一电流采样前端1用于对高压火线进行电流采样以获得火线电流信号，并将火线电流信号发送至信号分析电路4；第二电流采样前端2用于对高压零线进行电流采样以获得零线电流信号，并将零线电流模号发送至信号分析电路4；第一电流采样前端1通过隔离耐压模块3与第二电流采样前端2隔开；隔离耐压模块3用于隔离火线电流信号和零线电流信号。

具体地，在一种可选的实施方式中，以火线(L线)电流采样为例，第一电流采样前端1可以通过分流电阻，不经过零序电流互感器，直接完成对L线电流采样，采样后将采样得到的火线电流信号发送至信号分析电路4；零线(N线)亦同。现有技术中零序电流的采集大部分不是直接通过单只零序电流互感器直接生成的，而是通过三只电流互感器合成零序电流供相关的二次设备使用，因此三只电流互感器的特性一致性、安装接线、采集通道校准、负荷平衡性等问题都会严重影响零序电流的准确性。电流采样前端通过分流电阻直接对电路进行电流采样，提高了漏电检测的准确性。

第一电流采样前端1和第二电流采样前端2之间用隔离耐压模块3隔开。隔离耐压模块3由集成电路耐压工艺制成，隔离耐压模块3可以是由电容中间填SiO₂(二氧化硅)材料构成，或由两组电感组成的变压器组构成。隔离耐压模块3的特点是具备特征高频的数字信号可以从隔离耐压模块的一端传至另一端，但是对高压的低频的电信号是隔离的；火线电流信号和零线电流信号均是50Hz(赫兹)的高压低频的电信号，因此隔离耐压模块3将火线电流信号和零线电流信号隔离开，以防止短路情况发生。

信号分析电路4用于将火线电流信号和零线电流信号进行矢量求和和能量积分处理以得到漏电能量值，并将漏电能量值与预设的漏电阈值进行比较；当漏电能量值大于漏电阈值时，信号分析电路4还用于生成漏电保护信号。

具体地，当用电不发生漏电时，L线和N线的电流值大小应该相同，只是方向相反。因此L线和N线的电流信号的矢量和应该为零，但出现漏电时，L线和N线的电流信号的矢量和不为零。因此，信号分析电路4将L线和N线的数字矢量和叠加后，再进行特定时间频率的能量积分，积分后即得到漏电能量值；信号分析电路4再根据预设的漏电阈值与漏电能量值进行比较，以确定是否发生漏电；当确定发生漏电时，信号分析电路4还生成漏电保护信号以执行配套的漏电保护措施。

本实施例提供的高压漏电保护电路，通过电流采样前端直接对火线和零线进行电流采样以得到火线电流信号和零线电流信号，对火线电流信号和零线电流信号进行矢量求和和能量积分处理以得到漏电能量值，提高了漏电检测的准确性，降低了漏电保护电路的尺寸和成本，提高了漏电保护的效率；通过隔离耐压模块将火线电流信号和零线电流信号隔离开，确保了高压漏电保护电路采样的安全性，降低了干扰信号的影响。

实施例2

如图2所示，本实施例的高压漏电保护电路是对实施例1的进一步改进，具体地：

在一种可选的实施方式中，隔离耐压模块3包括隔离耐压电容和隔离耐压材料；隔离耐压电容中间填充隔离耐压材料；隔离耐压模块3用于传导高频信号并且隔离低频信号。

在另一种可选的实施方式中，隔离耐压模块3包括隔离耐压变压器组；隔离耐压变压器组包括至少两组电感组；隔离耐压模块3用于传导高频信号并且隔离低频信号。

具体地，隔离耐压模块3由集成电路耐压工艺制成，隔离耐压模块3可以是由隔离耐压电容中间填充隔离耐压材料构成，隔离耐压材料可以为SiO₂；隔离耐压模块3也可以由两组电感组成的隔离耐压变压器组构成。隔离耐压模块3的特点是具备特征高频的数字信号可以从隔离耐压模块的一端传至另一端，但是对高压的低频的电信号是隔离的。

在一种可选的实施方式中，第一电流采样前端1通过第一采样电阻5连接高压火线；第二电流采样前端2通过第二采样电阻6连接高压零线。具体地，可以通过对采样电阻进行调整以降低采样误差，提高漏电检测的准确性。

在一种可选的实施方式中，高压漏电保护电路还包括第一模数转换模块7和第二模数转换模块8；第一模数转换模块7分别与第一电流采样前端1和信号分析电路4通信连接；第二模数转换模块8分别与第二电流采样前端2和信号分析电路4通信连接。

第一电流采样前端1还用于对高压火线进行电流采样以获得火线电流模拟信号，并将火线电流模拟信号发送至第一模数转换模块7；第一模数转换模块7用于将火线电流模拟信号转换成矢量的火线电流数字信号，并将火线电流数字信号发送至信号分析电路4；第二电流采样前端2用于对高压零线进行电流采样以获得零线电流模拟信号，并将零线电流模拟信号发送至第二模数转换模块8；第二模数转换模块8用于将零线电流模拟信号转换成矢量的零线电流数字信号，并将零线电流数字信号发送至信号分析电路4。

第一模数转换模块7通过隔离耐压模块3与第二模数转换模块8隔开。具体地，第一电流采样前端1和第一模数转换模块7设置于隔离耐压模块3的一侧，第二电流采样前端2和第二模数转换模块8设置于隔离耐压模块3的相对的另一侧。

在一种可选的实施方式中，信号分析电路4包括加法器9、能量积分电路10、比较器11和高频时钟源12；加法器9分别与第一模数转换模块7、第二模数转换模块8和能量积分电路10通信连接；能量积分电路10分别与比较器11和高频时钟源12通信连接。

加法器9用于将火线电流数字信号和零线电流数字信号进行矢量求和处理以得到矢量和，并将矢量和发送至能量积分电路10；高频时钟源12用于生成第一预设频率的时间信号并发送至能量积分电路10；能量积分电路10用于基于矢量和和时间信号生成漏电能量值，并将漏电能量值发送至比较器11。

具体地，当出现漏电时，L线和N线的电流信号的矢量和不为零，因此，当加法器9将L线和N线的数字矢量和叠加后，再进行特定时间频率的能量积分，能量积分时需要时间信号，比如需要检测漏电1ms、3ms等不同时间的，高频时钟源12可以给出所需的频率，将频率转化为时长，可供能量积分电路10使用，积分后即得到漏电能量值。

比较器11用于将漏电能量值与漏电阈值进行比较；当漏电能量值大于漏电阈值时，比较器11还用于生成漏电保护信号。具体地，漏电能量值发送至比较器11，比较器11会根据预设的漏电阈值与漏电能量值进行比较，以确定是否发生漏电；当确定发生漏电时，比较器11还生成漏电保护信号以执行配套的漏电保护措施。

在一种可选的实施方式中，高频时钟源12还与隔离耐压模块3通信连接；高频时钟源12还用于生成第二预设频率的频率信号并发送至隔离耐压模块3以使具备第二预设频率的数字信号通过隔离耐压模块3。具体地，数字信号是从隔离耐压模块3的一侧传到另一侧，是一个特征高频，因此需要一个时钟源进行高频调制使用，高频时钟源可提供该频率信号。

在一种可选的实施方式中，信号分析电路4还包括温度补偿电路13；温度补偿电路13与高频时钟源12通信连接；温度补偿电路13用于采集温度数据并将温度数据发送至高频时钟源12；高频时钟源12还用于基于温度数据进行频率校准。具体地，温度补偿电路的作用在于，由于温度的改变，会引起时钟源频率的改变，温度补偿电路13可以进行温度采样并生成温度曲线，高频时钟源12基于温度曲线可以实现对时钟源全温度范围的自动校准。

在一种可选的实施方式中，高压漏电保护电路还包括通信接口14；通信接口14分别与能量积分电路10和比较器11通信连接；通信接口14用于接收外部控制器的控制指令并分别发送至能量积分电路10和比较器11；通信接口14还用于接收漏电能量值并发送至外部控制器。具体地，通信接口14为高压漏电保护电路与外部MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)通信使用的，MCU可以根据系统的需要，对漏电阈值设定进行设定，以实现不同阈值的漏电检测；当MCU通过通信接口14读取漏电能量值后，可以对漏电能量值进行分析或统计，以判断是何种设备漏电。

在一种可选的实施方式中，高压漏电保护电路还包括存储器15；存储器15分别与通信接口和信号分析电路4通信连接；存储器15用于存储矢量和、漏电能量值和漏电阈值。

在一种可选的实施方式中，高压漏电保护电路还包括驱动电路16；驱动电路16与信号分析电路4通信连接；驱动电路16用于基于漏电保护信号生成驱动信号以驱动漏电保护开关。

在一种可选的实施方式中，高压漏电保护电路还包括电源电路17；电源电路17分别与第一电流采样前端1、第二电流采样前端2和信号分析电路4电连接。具体地，电源电路17可以为AC-DC(Alternating Current-Direct Current，交流-直流)转化电路，可以为电阻分压的结构，或AC-DC调制电路的方式，旨在从火线和零线上取电，并转化为稳压的直流电源，给高压漏电保护电路各模组供电。

本实施例提供的高压漏电保护电路，通过电流采样前端直接对火线和零线进行电流采样以得到火线电流信号和零线电流信号，对火线电流信号和零线电流信号进行矢量求和和能量积分处理以得到漏电能量值，提高了漏电检测的准确性，降低了漏电保护电路的尺寸和成本，提高了漏电保护的效率；通过隔离耐压模块将火线电流信号和零线电流信号隔离开，确保了高压漏电保护电路采样的安全性，降低了干扰信号的影响；可以连接外部控制器，对漏电阈值设定进行设定，以实现不同阈值的漏电检测，将漏电数值量化并记录，供分析使用；通过电源电路从检测电路取电，不需要配置额外的电源。

实施例3

本实施例提高一种高压采样的漏电分析芯片，该漏电分析芯片包括实施例1或实施例2的高压漏电保护电路。

本实施例提供的高压漏电保护电路，通过利用上述的高压漏电保护电路，提高了漏电检测的准确性，降低了漏电保护电路的尺寸和成本，提高了漏电保护的效率，确保了高压漏电保护电路采样的安全性，降低了干扰信号的影响。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种高压漏电保护电路，其特征在于，所述高压漏电保护电路包括第一电流采样前端、第二电流采样前端、隔离耐压模块和信号分析电路；

所述第一电流采样前端用于对高压火线进行电流采样以获得火线电流信号，并将所述火线电流信号发送至所述信号分析电路；所述第二电流采样前端用于对高压零线进行电流采样以获得零线电流信号，并将所述零线电流模号发送至所述信号分析电路；

所述第一电流采样前端通过所述隔离耐压模块与所述第二电流采样前端隔开；所述隔离耐压模块用于隔离所述火线电流信号和所述零线电流信号；

所述信号分析电路用于将所述火线电流信号和所述零线电流信号进行矢量求和和能量积分处理以得到漏电能量值，并将所述漏电能量值与预设的漏电阈值进行比较；当所述漏电能量值大于所述漏电阈值时，所述信号分析电路还用于生成漏电保护信号。

2.如权利要求1所述的高压漏电保护电路，其特征在于，所述隔离耐压模块包括隔离耐压电容和隔离耐压材料；

所述隔离耐压电容中间填充所述隔离耐压材料；

所述隔离耐压模块用于传导高频信号并且隔离低频信号。

3.如权利要求1所述的高压漏电保护电路，其特征在于，所述隔离耐压模块包括隔离耐压变压器组；

所述隔离耐压变压器组包括至少两组电感组；

所述隔离耐压模块用于传导高频信号并且隔离低频信号。

4.如权利要求1所述的高压漏电保护电路，其特征在于，所述第一电流采样前端通过第一采样电阻连接所述高压火线；

所述第二电流采样前端通过第二采样电阻连接所述高压零线。

5.如权利要求1所述的高压漏电保护电路，其特征在于，所述高压漏电保护电路还包括第一模数转换模块和第二模数转换模块；

所述第一模数转换模块分别与所述第一电流采样前端和所述信号分析电路通信连接；所述第二模数转换模块分别与所述第二电流采样前端和所述信号分析电路通信连接；

所述第一电流采样前端还用于对高压火线进行电流采样以获得火线电流模拟信号，并将所述火线电流模拟信号发送至所述第一模数转换模块；所述第一模数转换模块用于将所述火线电流模拟信号转换成矢量的火线电流数字信号，并将所述火线电流数字信号发送至所述信号分析电路；

所述第二电流采样前端用于对高压零线进行电流采样以获得零线电流模拟信号，并将所述零线电流模拟信号发送至所述第二模数转换模块；所述第二模数转换模块用于将所述零线电流模拟信号转换成矢量的零线电流数字信号，并将所述零线电流数字信号发送至所述信号分析电路；

所述第一模数转换模块通过所述隔离耐压模块与所述第二模数转换模块隔开。

6.如权利要求5所述的高压漏电保护电路，其特征在于，所述信号分析电路包括加法器、能量积分电路、比较器和高频时钟源；

所述加法器分别与所述第一模数转换模块、所述第二模数转换模块和所述能量积分电路通信连接；

所述能量积分电路分别与所述比较器和所述高频时钟源通信连接；

所述加法器用于将所述火线电流数字信号和所述零线电流数字信号进行矢量求和处理以得到矢量和，并将所述矢量和发送至能量积分电路；

所述高频时钟源用于生成第一预设频率的时间信号并发送至所述能量积分电路；

所述能量积分电路用于基于所述矢量和和所述时间信号生成所述漏电能量值，并将所述漏电能量值发送至所述比较器；

所述比较器用于将所述漏电能量值与所述漏电阈值进行比较；当所述漏电能量值大于所述漏电阈值时，所述比较器还用于生成漏电保护信号。

7.如权利要求6所述的高压漏电保护电路，其特征在于，所述高频时钟源还与所述隔离耐压模块通信连接；

所述高频时钟源还用于生成第二预设频率的频率信号并发送至所述隔离耐压模块以使具备所述第二预设频率的数字信号通过所述隔离耐压模块。

8.如权利要求6所述的高压漏电保护电路，其特征在于，所述信号分析电路还包括温度补偿电路；

所述温度补偿电路与所述高频时钟源通信连接；

所述温度补偿电路用于采集温度数据并将所述温度数据发送至所述高频时钟源；

所述高频时钟源还用于基于所述温度数据进行频率校准。

9.如权利要求6所述的高压漏电保护电路，其特征在于，所述高压漏电保护电路还包括通信接口；

所述通信接口分别与所述能量积分电路和所述比较器通信连接；

所述通信接口用于接收外部控制器的控制指令并分别发送至所述能量积分电路和所述比较器；

所述通信接口还用于接收所述漏电能量值并发送至外部控制器。

10.如权利要求9所述的高压漏电保护电路，其特征在于，所述高压漏电保护电路还包括存储器；

所述存储器分别与所述通信接口和所述信号分析电路通信连接；

所述存储器用于存储所述矢量和、所述漏电能量值、所述漏电阈值中的一种或多种。

11.如权利要求1所述的高压漏电保护电路，其特征在于，所述高压漏电保护电路还包括驱动电路；

所述驱动电路与所述信号分析电路通信连接；

所述驱动电路用于基于所述漏电保护信号生成驱动信号以驱动漏电保护开关。

12.如权利要求1所述的高压漏电保护电路，其特征在于，所述高压漏电保护电路还包括电源电路；

所述电源电路分别与所述第一电流采样前端、所述第二电流采样前端和所述信号分析电路电连接。

13.一种漏电分析芯片，其特征在于，所述漏电分析芯片包括如权利要求1-12任一项所述的高压漏电保护电路。

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