CN115241841A - 一种输入可恢复欠压保护电路 - Google Patents

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邹元威
沐杨
杨国文
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Abstract

本发明公开了一种输入可恢复欠压保护电路，包括：电阻R3、电阻R4、稳压管D1、电阻R1、电容C1、功率PMOSFET管Q1、电阻R2、电阻R5、电容C2和三极管Q2；其中，电阻R3的一端接母线正端BUS+，另一端接稳压管D1的阴极；电阻R4的一端接输入母线负，另一端接稳压管D1的阳极；电阻R1和电容C1均并联接在PMOSFET管Q1的源极与栅极之间；三极管Q2的集电极C接电阻R2的一端，三极管Q2的基极B接电阻R5的一端，三极管Q2的发射极E接母线负端BUS‑；电容C2并联接在三极管Q2的基极B与发射极E之间，电阻R5的另一端与稳压管D1的阳极相连接，电阻R2的另一端与PMOSFET管Q1的栅极G相连接。本发明解决了电力电子变换器输入欠压无法自恢复的难题。

Description

一种输入可恢复欠压保护电路
技术领域
本发明属于直流电源控制技术领域，尤其涉及一种输入可恢复欠压保护电路。
背景技术
面对电子用电设备的日益增加，电力电子变换器的大量使用，直流电源系统日益复杂。由于多数电力电子变换器为恒功率设备，且一般具有恒压输出调节功能，易出现输出电流突然增大，输出电压下降的“负阻抗”效应，易导致前后级变换器间的不稳定。
电力电子变换器都有相应的输入电压限制，当输入电压降低时，在恒功率控制下会导致输入电流增大，极易导致过流损害自身器件使用寿命，同时超出输入电压范围也会引起电路控制环路不稳，导致输出振荡，从而导致其它设备受损。目前复杂的直流电源系统中电子设备多通过母线或蓄电池取电工作，而当并联设备发生短路导致母线欠压或是蓄电池过放导致欠压以及有前级变换器振荡拉低输入时，都是对后级变换器安全工作的重大风险点。
面对输入欠压的这种故障工况，常在输入端口串连继电器，并通过加断电指令实现连通与切除电路，但存在反应速度过慢，切除后不能自主恢复，以及在高压母线难以选用合适继电器的诸多问题。如何能及时切断电源保护自身，并在切除故障设备后能自主重新并网工作是一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种输入可恢复欠压保护电路，解决了电力电子变换器输入欠压无法自恢复的难题。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种输入可恢复欠压保护电路，包括：电阻R3、电阻R4、稳压管D1、电阻R1、电容C1、功率PMOSFET管Q1、电阻R2、电阻R5、电容C2和三极管Q2；其中，所述电阻R3的一端接母线正端BUS+，所述电阻R3的另一端接所述稳压管D1的阴极；所述电阻R4的一端接输入母线负，所述电阻R4的另一端接所述稳压管D1的阳极；所述功率PMOSFET管Q1的源极接母线正端BUS+，所述功率PMOSFET管Q1的漏极接变换器输入正端；电阻R1和电容C1均并联接在所述PMOSFET管Q1的源极与所述PMOSFET管Q1的栅极之间；所述三极管Q2的集电极C接所述电阻R2的一端，所述三极管Q2的基极B接所述电阻R5的一端，所述三极管Q2的发射极E接母线负端BUS-；所述电容C2并联接在所述三极管Q2的基极B与所述三极管Q2的发射极E之间，所述电阻R5的另一端与所述稳压管D1的阳极相连接，所述电阻R2的另一端与所述PMOSFET管Q1的栅极G相连接。
上述输入可恢复欠压保护电路中，所述电阻R4的分压值为采样电压Us。
上述输入可恢复欠压保护电路中，采样电压Us为：
Figure BDA0003756258920000021
其中，R3为电阻R3的电阻值，R4为电阻R4的电阻值，Uin为母线电压，UZ为稳压管D1的稳压值。
上述输入可恢复欠压保护电路中，PMOSFET管Q1的驱动电压USG为：
Figure BDA0003756258920000022
其中，R1为电阻R1的电阻值，R2为电阻R2的电阻值，Uin为母线电压，UCE为三极管Q2的集电极与发射极间的电压差。
上述输入可恢复欠压保护电路中，当采样电压US大于三极管Q2的导通门限电压Uth1时，三极管Q2饱和导通。
上述输入可恢复欠压保护电路中，三极管Q2饱和导通时，则PMOSFET管Q1的驱动电压USG大于PMOSFET管Q1的导通门限电压Uth2，PMOSFET管Q1开通。
上述输入可恢复欠压保护电路中，当采样电压US小于三极管Q2的导通门限电压Uth1时，三极管Q2关断截止，三极管Q2的集电极与发射极间的电压差UCE不断增大，当驱动电压USG小于PMOSFET管Q1的导通门限电压Uth2，PMOSFET管Q1关断。
上述输入可恢复欠压保护电路中，电阻R3的电阻值的阻值范围为一百千欧姆至九百千欧姆。
上述输入可恢复欠压保护电路中，电阻R4的电阻值的阻值范围为一百千欧姆至九百千欧姆。
上述输入可恢复欠压保护电路中，电阻R1的电阻值的阻值范围为一百千欧姆至九百千欧姆；电阻R2的电阻值的阻值范围为一百千欧姆至九百千欧姆。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明的功率PMOSFET管Q1替代继电器作为开关，可以避免继电器机械触点出现震颤的缺点，同时具有体积小，具有适应高电压与大电流场合的优点；
(2)本发明的电阻R3、电阻R4和稳压管D1三者串联组成的采样电路，具有调节精度高的优点，通过稳压管D1间接减小输入电压波动范围，在合理地配置电阻R3和R4参数，使得采样电路在输入电压波动范围大的不调节母线都有良好的适应性；
(3)本发明的电阻R1、电容C1并联组成的RC阻尼电路，通过RC阻尼电路降低PMOSFET管的开通与关断速度，有效降低此电路开通与关断时的浪涌电流，大大提高电路使用安全性；
(4)本发明的电阻R4的正端作为软件开通或关断信号注入点，可以充当开关电路使用，即可作为配电开关，体现此电路的多重功能；
(5)本发明的电阻R5、电容C2和NPN三极管Q2作为保护电路的执行电路，通过NPN三极管Q2的导通与截止的状态来决定输入开关的保护与否。NPN三极管Q2的基极驱动电压的变化可直观反映输入母线的状态，因而具有自主恢复功能，无需继电器开关需要人为注入指令的操作。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的输入可恢复欠压保护电路的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1是本发明实施例提供的输入可恢复欠压保护电路的示意图。如图1所示，该输入可恢复欠压保护电路包括：输入采样电路、开关电路、驱动电路。
所述输入采样电路包括:电阻R3、电阻R4和稳压管D1，三者串联在输入的正负回线之间。电阻R3的一端接输入母线正，电阻R3的另一端接稳压管D1阴极；电阻R4的一端接输入母线负，电阻R4的另一端接稳压管D1阳极。
所述开关电路包括:电阻R1、电容C1和功率PMOSFET管Q1。功率PMOSFET管Q1源极S接母线正端BUS+，PMOSFET管Q1漏极D接变换器输入正端。电阻R1和电容C1均并联接在PMOSFET管Q1的源极S与PMOSFET管Q1的栅极G之间。
所述驱动电路包括:电阻R2、电阻R5、电容C2和NPN型三极管Q2。所述NPN型三极管Q2的集电极C接所述电阻R2的一端，所述NPN型三极管Q2的基极B接所述电阻R5的一端，所述NPN型三极管Q2的发射极E接母线负端BUS-；所述电容C2并联接在所述NPN型三极管Q2的基极B与所述NPN型三极管Q2的发射极E之间，所述电阻R5的另一端与所述稳压管D1的阳极相连接，所述电阻R2的另一端与所述PMOSFET管Q1的栅极G相连接。
欠压保护电路的具体工作原理如下：
前端母线电压正常时：母线电压Uin经过输入采样电路，在电阻R4处分得的电压大于NPN三极管Q2开通门限时，NPN三极管Q2对地接通，然后母线电压Uin通过电阻R1、R2分压，使得电阻R1分压满足PMOSFET管Q1的开通门限，则供电回路开通。
前端母线电压低于正常范围时：母线电压Uin经过输入采样电路，在电阻R4处分得的电压小于NPN三极管Q2开通门限时，NPN三极管Q2关断，PMOSFET管Q1的栅极电压升高，当电阻R1的压差小于PMOSFET管Q1的开通门限，则供电回路关断。
具体地，电阻R4的分压值为采样电压Us稳压管D1的稳压值为Uz，NPN型三极管Q2的导通门限电压为Uth1，PMOSFET管Q1的驱动电压为USG，PMOSFET管Q1的导通门限电压为Uth2；
在忽略NPN型三极管Q2基极电流的负载效应下，则采样电压Us为
Figure BDA0003756258920000051
其中，R3为电阻R3的电阻值，R4为电阻R4的电阻值，Uin为母线电压，UZ为稳压管D1的稳压值。为减小采样电阻热耗与参数漂移影响，R3与R4电阻值范围设为几百千欧姆，具体的为一百千欧姆至九百千欧姆。
采样电压Us公式通过引入稳压管D1的稳压值Uz，实质减小采样电压Us的变化范围，因而通过增大R3与R4阻值参数，在参数偏移情况下具有更高的稳定性，采样电压Us输出波动更小，不会轻易受温漂影响。
PMOSFET管Q1的驱动电压USG为：
Figure BDA0003756258920000052
其中，R1为电阻R1的电阻值，R2为电阻R2的电阻值，Uin为母线电压，UCE为三极管Q2的集电极与发射极间的压差。R1与R2电阻值范围设为几百千欧姆，具体的为一百千欧姆至九百千欧姆。
PMOSFET管Q1的驱动电压公式决定本发明电路的工作状态，驱动电压USG大于导通门限电压Uth2，则电路处于正常开通状态，反之，电路进入保护状态。
当采样电压US大于三极管Q2的导通门限电压Uth1时，三极管Q2饱和导通；电阻R5可取较大值作为提供饱和基极电流通路，防止采样电压Us钳位于三极管Q2的导通门限电压Uth1；稳压管D1的增添相当于减小输入电压值可降低采样比例，使得采样电压Us调整值范围更宽；
三极管Q2饱和导通时，三极管Q2的集电极与发射极间的饱和压降UCE(sat)很小可忽略，相当于对地导通，则驱动电压USG大于PMOSFET管Q1的导通门限电压为Uth2，PMOSFET管Q1开通，电容C1起到缓冲作用，降低开关速度，防止电压尖峰过大与电流浪涌；
当采样电压US小于三极管Q2的导通门限电压为Uth1时，三极管Q2关断截止，UCE不断增大，当驱动电压USG小于PMOSFET管Q1的导通门限电压为Uth2，PMOSFET管Q1关断；
即三极管拉低时，处于正常工作状态；三极管拉高时，处于欠压保护状态；由于通过硬件电路的对输入电压进行实时采样，当母线电压恢复正常后，即可自主上电；
本发明电路简单可靠，同时可在采样电压点作为软件指令信号注入点，低为保护态，实现软硬件结合控制的优点。
本发明的功率PMOSFET管Q1替代继电器作为开关，可以避免继电器机械触点出现震颤的缺点，同时具有体积小，具有适应高电压与大电流场合的优点；本发明的电阻R3、电阻R4和稳压管D1三者串联组成的采样电路，具有调节精度高的优点，通过稳压管D1间接减小输入电压波动范围，在合理地配置电阻R3和R4参数，使得采样电路在输入电压波动范围大的不调节母线都有良好的适应性；本发明的电阻R1、电容C1并联组成的RC阻尼电路，通过RC阻尼电路降低PMOSFET管的开通与关断速度，有效降低此电路开通与关断时的浪涌电流，大大提高电路使用安全性；本发明的电阻R4的正端作为软件开通或关断信号注入点，可以充当开关电路使用，即可作为配电开关，体现此电路的多重功能；本发明的电阻R5、电容C2和NPN三极管Q2作为保护电路的执行电路，通过NPN三极管Q2的导通与截止的状态来决定输入开关的保护与否。NPN三极管Q2的基极驱动电压的变化可直观反映输入母线的状态，因而具有自主恢复功能，无需继电器开关需要人为注入指令的操作。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种输入可恢复欠压保护电路，其特征在于包括：电阻R3、电阻R4、稳压管D1、电阻R1、电容C1、功率PMOSFET管Q1、电阻R2、电阻R5、电容C2和三极管Q2；其中，
所述电阻R3的一端接母线正端BUS+，所述电阻R3的另一端接所述稳压管D1的阴极；所述电阻R4的一端接输入母线负，所述电阻R4的另一端接所述稳压管D1的阳极；
所述功率PMOSFET管Q1的源极接母线正端BUS+，所述功率PMOSFET管Q1的漏极接变换器输入正端；电阻R1和电容C1均并联接在所述PMOSFET管Q1的源极与所述PMOSFET管Q1的栅极之间；
所述三极管Q2的集电极C接所述电阻R2的一端，所述三极管Q2的基极B接所述电阻R5的一端，所述三极管Q2的发射极E接母线负端BUS-；所述电容C2并联接在所述三极管Q2的基极B与所述三极管Q2的发射极E之间，所述电阻R5的另一端与所述稳压管D1的阳极相连接，所述电阻R2的另一端与所述PMOSFET管Q1的栅极G相连接。
2.根据权利要求1所述的输入可恢复欠压保护电路，其特征在于：所述电阻R4的分压值为采样电压Us。
3.根据权利要求2所述的输入可恢复欠压保护电路，其特征在于：采样电压Us为：
Figure FDA0003756258910000011
其中，R3为电阻R3的电阻值，R4为电阻R4的电阻值，Uin为母线电压，UZ为稳压管D1的稳压值。
4.根据权利要求1所述的输入可恢复欠压保护电路，其特征在于：PMOSFET管Q1的驱动电压USG为：
Figure FDA0003756258910000012
其中，R1为电阻R1的电阻值，R2为电阻R2的电阻值，Uin为母线电压，UCE为三极管Q2的集电极与发射极间的电压差。
5.根据权利要求1所述的输入可恢复欠压保护电路，其特征在于：当采样电压US大于三极管Q2的导通门限电压Uth1时，三极管Q2饱和导通。
6.根据权利要求1所述的输入可恢复欠压保护电路，其特征在于：三极管Q2饱和导通时，则PMOSFET管Q1的驱动电压USG大于PMOSFET管Q1的导通门限电压Uth2，PMOSFET管Q1开通。
7.根据权利要求1所述的输入可恢复欠压保护电路，其特征在于：当采样电压US小于三极管Q2的导通门限电压Uth1时，三极管Q2关断截止，三极管Q2的集电极与发射极间的电压差UCE不断增大，当驱动电压USG小于PMOSFET管Q1的导通门限电压Uth2，PMOSFET管Q1关断。
8.根据权利要求3所述的输入可恢复欠压保护电路，其特征在于：电阻R3的电阻值的阻值范围为一百千欧姆至九百千欧姆。
9.根据权利要求3所述的输入可恢复欠压保护电路，其特征在于：电阻R4的电阻值的阻值范围为一百千欧姆至九百千欧姆。
10.根据权利要求4所述的输入可恢复欠压保护电路，其特征在于：电阻R1的电阻值的阻值范围为一百千欧姆至九百千欧姆；电阻R2的电阻值的阻值范围为一百千欧姆至九百千欧姆。
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