CN118041055A - 一种可用于大功率设备的可控整流缓冲电路 - Google Patents

Abstract

本发明针对电力电子设备中使用的整流缓充电路，提出了一种可用于大功率设备的可控整流缓冲电路。包括主体整流电路、自举供电电路、电源波形采样比较电路、晶闸管驱动脉冲生成电路、驱动脉冲切换电路、切换判定及延时电路、晶闸管驱动电路；本发明电路简单，省去了许多功率元件，减小了产品体积，尤其适用于大功率设备。

Description

一种可用于大功率设备的可控整流缓冲电路

技术领域

本发明阐述了一种晶闸管可控整流缓充电路。应用于大功率电力电子设备的整流部分。

背景技术

整流电路在电子设备中广泛应用。最简单的形式是一个整流桥，其输入端连接交流供电，输出端直接连接母线电容，然后为后续电路提供直流电。

由于电容的存在，这种电路在通电时会有一个短时的冲击电流。中小功率应用中会使用负温度系数的热敏电阻或使用PFC电路。而在大功率应用中，通常会在整流桥的输入端或输出端串接一个充电电阻。上电时，先通过电阻让电容缓慢充电，待母线电压升高到一定值后，再用接触器或晶闸管将充电电阻短路，然后进入正常工作模式。这种缓充电路在设计中被普遍应用，它的缺点是体积大，充电时间较长，存在短时的冲击电流，受供电电压波动影响较大，用于短路的接触器或晶闸管容易损坏。

发明内容

本发明提出了一种小体积，可控的大功率整流缓冲电路。将整流桥的上半部份二极管换成晶闸管，精确控制晶闸管的开通时间点，使对应的晶闸管在波动电压进入下降阶段且稍高于母线电压时打开。这样，相当于断续给电容充电，当母线电压接近交流电峰值电压时，控制晶闸管正常开通，完成缓冲上电。

本发明采用如下技术方案：一种可用于大功率设备的可控整流缓冲电路，包括：

主体整流电路，用于对三相电进行整流；

电源波形采样比较电路，用于对三相电源波形进行采样，与设定的阈值电压比较，得到触发信号A发送至晶闸管驱动脉冲生成电路，得到母线电压监测信号B转换为工作脉冲，输出至切换判定及延时电路；

晶闸管驱动脉冲生成电路，用于根据触发信号A生成单稳态脉冲信号，转换为充电脉冲，发送至切换判定及延时电路；并将单稳态脉冲信号输出至驱动脉冲切换电路；

切换判定及延时电路，用于通过监视电源波形采样比较电路发送的工作脉冲和晶闸管驱动脉冲生成电路的充电脉冲，输出切换信号至驱动脉冲切换电路；

驱动脉冲切换电路，用于根据晶闸管驱动脉冲生成电路发送的单稳态脉冲信号和切换判定及延时电路发送的切换信号，进行信号选择，发送开关信号至晶闸管驱动电路；

晶闸管驱动电路，用于根据驱动脉冲切换电路的开关信号生成门级触发信号来驱动主体整流电路的晶闸管动作。

所述主体整流电路为三相整流电路；所述三相整流电路的三相输入端分别接入三相电，三相整流电路的输出并联有母线电容C1。

所述电源波形采样比较电路包括对于每相电顺次连接的采样电路和比较电路；

采样电路包括电阻R2、电阻R7、二极管S7、稳压二极管D6；A相、B相、C相中的任一相电依次经二极管S7、电阻R2、电阻R7后与比较电路连接，所述电阻R7并联有稳压二极管D6；

所述比较电路包括第一比较器、第二比较器、电阻R10、电阻R11；所述电阻R2与电阻R7的结点与第一比较器的反向输入端、第二比较器的反向输入端连接，母线正极作为控制电源的GND与第二比较器的正向输入端连接、还通过电阻R10与第一比较器的正向输入端连接，所述第一比较器的正向输入端经电阻R11与控制电源连接；

所述第一比较器的输出端输出触发信号A，发送至晶闸管驱动脉冲生成电路，使晶闸管驱动脉冲生成电路产生单稳态脉冲经反相器转换为充电脉冲，发送至切换判定及延时电路；

所述第二比较器的输出端输出母线电压监测信号B，经反相器转换为工作脉冲，发送至切换判定及延时电路(5)。

所述切换判定及延时电路包括触发器U4A和触发器U4B；

所述触发器U4A，时钟引脚CP1接入工作脉冲，复位引脚CD1接入充电脉冲，反向输出端～O1接至第一或门的第一输入端、第三或门的第二输入端；第一或门的第二输入端与触发器U4B正向输出端O2、第二或门的第一输入端连接；第一或门的输出端与触发器U4A的输入端D1连接；正向输出端O1与第二或门的第二输入端连接；

所述触发器U4B，时钟引脚CP2接入工作脉冲，复位引脚CD2接入充电脉冲，输入端D2与第二或门输出端连接，反向输出端～O2与第三或门的第一输入端连接；所述第三或门输出端输出切换信号至驱动脉冲切换电路(6)。

一种可用于大功率设备的可控整流缓冲电路，还包括自举供电电路，用于产生一个浮于母线的直流电压作为控制电源，以给电源波形采样比较电路、晶闸管驱动脉冲生成电路、切换判定及延时电路、驱动脉冲切换电路、晶闸管驱动电路供电，包括二极管S11、电容C8、电阻R9、电容C9、二极管S12、电容C6、稳压二极管D2；

所述二极管S11、电阻R9、电容C9、二极管S12、依次连接，所述二极管S11阳极接入A相电，阴极通过电容C8接入C相电；所述二极管S12阳极通过稳压二极管D2接地，阴极通过电容C6接地；所述电容C6的两端电压作为供电电压。

一种可用于大功率设备的可控整流缓冲电路实现方法，包括以下步骤：

主体整流电路对三相电进行整流；

电源波形采样比较电路对三相电源波形进行采样，与设定的阈值电压比较，得到触发信号A发送至晶闸管驱动脉冲生成电路，得到母线电压监测信号B转换为工作脉冲，输出至切换判定及延时电路；

晶闸管驱动脉冲生成电路根据触发信号A生成单稳态脉冲信号，转换为充电脉冲，发送至切换判定及延时电路；并将单稳态脉冲信号输出至驱动脉冲切换电路；

切换判定及延时电路通过监视电源波形采样比较电路发送的工作脉冲和晶闸管驱动脉冲生成电路的充电脉冲，输出切换信号至驱动脉冲切换电路；

驱动脉冲切换电路根据晶闸管驱动脉冲生成电路发送的单稳态脉冲信号和切换判定及延时电路发送的切换信号，进行信号选择，发送开关信号至晶闸管驱动电路；

晶闸管驱动电路根据驱动脉冲切换电路的开关信号生成门级触发信号来驱动主体整流电路的晶闸管动作。

所述电源波形采样比较电路，执行以下步骤：

对于A相、B相、C相中的任一相，当相电压高于母线电压时，二极管S7导通，经电阻R2、电阻R7限流并分压，由稳压管D6消去超出阈值的电压峰值；在两个比较器的反向输入端得到一个不高于+15V的电压信号；当相电压低于母线电压时，二极管S7截止，比较器的反向输入端电压为0；

第二比较器的正向输入端直接连接母线，即输入电压为0；当相电压大于母线电压时其输出端翻转；

第一比较器的正向输入端为高于母线电压的固定值，当相电压大于母线设定值时其输出端翻转。

所述切换判定及延时电路，执行以下步骤：

触发器U4A和触发器U4B组成2位计数器；其上电为初始复位状态，反向输出端为逻辑1，第3或门输出为1，触发器U4A的D1端为1，U4B的D2端为0；当有工作脉冲时，U4A置位，同时D1端变为0，U4B不变，同时D2端变为1；如果下一次没有充电脉冲复位，再来一次工作脉冲，U4A复位，U4B置位；第3次工作脉冲触发后，U4A、U4B都置位，第3或门输出0；此后，再有工作脉冲时，两个D触发器状态不变；

所述切换判定及延时电路，执行以下步骤：

母线电容上电缓冲过程中，充电脉冲和工作脉冲交替存在；当工作脉冲触发时，计数器计一个数，下次到来的充电脉冲又将其复位；直到充电完成，没有充电脉冲后，计数器只在工作脉冲的触发下，经过延时3个脉冲，使第三或门输出为0。

所述自举供电电路的工作原理如下：

对于A相、B相、C相中任一相，当A相电压高于C相时，电流通过二极管S11给电容C8充电；当A相电又同时高于母线时，电流通过二极管S11、电阻R9、电容C9、二极管S12给电容C6充电；当C相高于A相并逐渐升高时，二极管S11截止，电容C8存储的电荷开始通过电阻R9、电容C9、二极管S12向电容C6充电。

本发明具有以下优点：

1.减少设备成本，省去了充电的功率电阻和大电流短路开关。

2.控制、安装简单，只需一个功率晶闸管整流桥加一块控制板；减小了整流部分的占用空间。

3.母线电容充电时，电流由三相供电两两顺序切换提供，三相供电功率均衡，电容充电快，无冲击电流。

4.对供电电压波动变化不敏感，可根据母线实时电压与供电峰值电压的对比情况自动切换晶闸管的开通时间点。

5.设备母线短时突降后，再充电过程均匀、断续、可控，没有自然整流那种大电流充电的情况。

6.有利于阻止母线短路，防止整流桥过流。

附图说明

图1为本发明连接结构框图。

图2为主整流电路及采样比较电路。

图3为自举供电电路。

图4为切换判定及延时电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明由主体整流电路1、自举供电电路3、电源波形采样比较电路2、晶闸管驱动脉冲生成电路4、驱动脉冲切换电路6、切换判定及延时电路5、晶闸管驱动电路7组成。其中，晶闸管驱动脉冲生成电路4、驱动脉冲切换电路6、晶闸管驱动电路7为现有技术。

所述主体整流电路1与自举供电电路3、电源波形采样比较电路2并行连接；所述电源波形采样比较电路2与晶闸管驱动脉冲生成电路4、驱动脉冲切换电路6、晶闸管驱动电路7顺序连接；所述切换判定及延时电路5输入端与电源波形采样比较电路2和晶闸管驱动脉冲生成电路4相连，输出端连接驱动脉冲切换电路6。

主体电路采用桥式整流。自举供电部分产生一个浮在直流母线上的直流低压，用来给逻辑电路供电。采样到的交流波动信号与母线电压比较，比较结果给到晶闸管驱动脉冲生成电路。同时，切换判定及延时电路通过监视采样比较电路和脉冲生成电路的信号，决定输出给晶闸管驱动电路的信号切换。晶闸管驱动电路连接整流晶闸管的门级，控制晶闸管的开通时间点。

如图2所示，主体电路为3相整流桥，由晶闸管D3，D4，D5和整流二极管S4，S5，S6构成，C1为母线电容；在A，B，C三相电的输入端又引出S7，S8，S9三个二极管来采样正半波电压信号，此信号与母线电压比较可反映出每相电压的可充电时段。

电源波形采样比较电路的工作原理如下：

以A相为例(B,C相原理相同)。当相电压高于母线电压时，二极管S7导通，经电阻R2,R7限流并分压，由稳压管D6消去过高的电压峰值。在两个比较器的反向输入端得到一个不高于+15V的电压信号；当相电压低于母线电压时，二极管S7截止，比较器的反向输入端电压为0。

比较器U1B的正向输入端直接连接母线，即输入电压为0，所以当A相电压大于母线电压时其输出端翻转；比较器U1A的正向输入端是一个高于母线电压的固定值，所以当A电压大于母线一定值时其输出端翻转。

图3为一相自举供电电路，由电荷泵、阻容降压、整流稳压等功能电路顺序连接组成，用于给逻辑控制电路供电。此部分电路由多路并联组成。

自举供电电路的工作原理如下：

当A相电压高于C相时，电流通过S11给C8充电；当A相电又同时高于母线时，电流通过S11,R9,C9,S12给C6充电；当C相高于A相并逐渐升高时，S11截止，C8存储的电荷开始通过R9,C9,S12向C6充电。串联的R9,C9对充电回路限流、降压，稳压管D2使C6的电压不高于+15V。C6作为输出电容，一端连接GND(即母线)，另一端提供+15V直流电压。

此电路为多路并联使用，以提高输出功率。其它并联的电路输入端分别连接了C,A，A,B、B,A、B,C、C,B；所有输出端直接并联，S12可防止反向放电。

图4可看作2位计数器，D触发器的时钟和清零信号分别取自工作脉冲和充电脉冲。在初始充电过程，每周期都有充电脉冲信号将D触发器清零。当母线电压高到一定程度时，充电脉冲信号消失，工作脉冲信号做为时钟再经过3个周期的触发使D触发器稳定，最后或门输出为低。

切换判定及延时电路的工作原理如下：

两个D触发器组成的是一个2位计数器。其上电为初始复位状态，反向输出端为逻辑“1”，第3或门输出为“1”，U4A的D1端为“1”，U4B的D2端为“0”。当有工作脉冲时，U4A置位，同时D1端变为“0”，U4B不变，同时D2端变为“1”。如果下一次没有充电脉冲复位，再来一次工作脉冲，U4A复位，U4B置位。第3次工作脉冲触发后，U4A，U4B都置位，第3或门输出“0”。通过1和2或门的逻辑关系可知：再有工作脉冲来时，两个D触发器状态不变。

母线电容上电缓冲过程中，充电脉冲和工作脉冲交替存在。当工作脉冲触发时，计数器计一个数，下次到来的充电脉冲又将其复位。直到充电完成，没有充电脉冲后，D触发器只在工作脉冲的触发下，经过延时3个脉冲，使第3或门输出为“0”。

本发明工作原理为：设备上电后，由于晶闸管处于截至状态，母线电容无法自由充电，母线电压为0V。自举供电电路经过几周期的充电，稳定提供+15V的直流电压。而后控制电路通过采样比较给出每个晶闸管的开通时间，令每相整流晶闸管总是在相电压稍高于母线电压且处于下降阶段时打开，这时相电压开始给母线电容直接充电，当相电压下降到低于母线电压时，晶闸管反向截止关闭。由于相对的充电电压低，充电时间短，所以电流不会很大。同时三相电依次短时、高频的给电容充电，母线电压会很快上升且不会出现过流。当母线电压接近相电压峰值时，通过切换电路将晶闸管驱动信号全部放开(只要相电压高于母线电压即触发晶闸管)，电路进入正常工作状态。

Claims (10)

1.一种可用于大功率设备的可控整流缓冲电路，其特征在于，包括：

主体整流电路(1)，用于对三相电进行整流；

电源波形采样比较电路(2)，用于对三相电源波形进行采样，与设定的阈值电压比较，得到触发信号A发送至晶闸管驱动脉冲生成电路(4)，得到母线电压监测信号B转换为工作脉冲，输出至切换判定及延时电路(5)；

晶闸管驱动脉冲生成电路(4)，用于根据触发信号A生成单稳态脉冲信号，转换为充电脉冲，发送至切换判定及延时电路(5)；并将单稳态脉冲信号输出至驱动脉冲切换电路(6)；

切换判定及延时电路(5)，用于通过监视电源波形采样比较电路(2)发送的工作脉冲和晶闸管驱动脉冲生成电路(4)的充电脉冲，输出切换信号至驱动脉冲切换电路(6)；

驱动脉冲切换电路(6)，用于根据晶闸管驱动脉冲生成电路(4)发送的单稳态脉冲信号和切换判定及延时电路(5)发送的切换信号，进行信号选择，发送开关信号至晶闸管驱动电路(7)；

晶闸管驱动电路(7)，用于根据驱动脉冲切换电路(6)的开关信号生成门级触发信号来驱动主体整流电路(1)的晶闸管动作。

2.根据权利要求1所述的一种可用于大功率设备的可控整流缓冲电路，其特征在于，所述主体整流电路(1)为三相整流电路；所述三相整流电路的三相输入端分别接入三相电，三相整流电路的输出并联有母线电容C1。

3.根据权利要求1所述的一种可用于大功率设备的可控整流缓冲电路，其特征在于，所述电源波形采样比较电路(2)包括对于每相电顺次连接的采样电路和比较电路；

采样电路包括电阻R2、电阻R7、二极管S7、稳压二极管D6；A相、B相、C相中的任一相电依次经二极管S7、电阻R2、电阻R7后与比较电路连接，所述电阻R7并联有稳压二极管D6；

所述比较电路包括第一比较器、第二比较器、电阻R10、电阻R11；所述电阻R2与电阻R7的结点与第一比较器的反向输入端、第二比较器的反向输入端连接，母线正极作为控制电源的GND与第二比较器的正向输入端连接、还通过电阻R10与第一比较器的正向输入端连接，所述第一比较器的正向输入端经电阻R11与控制电源连接；

所述第一比较器的输出端输出触发信号A，发送至晶闸管驱动脉冲生成电路(4)，使晶闸管驱动脉冲生成电路(4)产生单稳态脉冲经反相器转换为充电脉冲，发送至切换判定及延时电路(5)；

所述第二比较器的输出端输出母线电压监测信号B，经反相器转换为工作脉冲，发送至切换判定及延时电路(5)。

4.根据权利要求1所述的一种可用于大功率设备的可控整流缓冲电路，其特征在于，所述切换判定及延时电路(5)包括触发器U4A和触发器U4B；

所述触发器U4A，时钟引脚CP1接入工作脉冲，复位引脚CD1接入充电脉冲，反向输出端～O1接至第一或门的第一输入端、第三或门的第二输入端；第一或门的第二输入端与触发器U4B正向输出端O2、第二或门的第一输入端连接；第一或门的输出端与触发器U4A的输入端D1连接；正向输出端O1与第二或门的第二输入端连接；

所述触发器U4B，时钟引脚CP2接入工作脉冲，复位引脚CD2接入充电脉冲，输入端D2与第二或门输出端连接，反向输出端～O2与第三或门的第一输入端连接；所述第三或门输出端输出切换信号至驱动脉冲切换电路(6)。

5.根据权利要求1所述的一种可用于大功率设备的可控整流缓冲电路，其特征在于，还包括自举供电电路(3)，用于产生一个浮于母线的直流电压作为控制电源，以给电源波形采样比较电路(2)、晶闸管驱动脉冲生成电路(4)、切换判定及延时电路(5)、驱动脉冲切换电路(6)、晶闸管驱动电路(7)供电，包括二极管S11、电容C8、电阻R9、电容C9、二极管S12、电容C6、稳压二极管D2；

所述二极管S11、电阻R9、电容C9、二极管S12、依次连接，所述二极管S11阳极接入A相电，阴极通过电容C8接入C相电；所述二极管S12阳极通过稳压二极管D2接地，阴极通过电容C6接地；所述电容C6的两端电压作为供电电压。

6.一种可用于大功率设备的可控整流缓冲电路实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

主体整流电路(1)对三相电进行整流；

电源波形采样比较电路(2)对三相电源波形进行采样，与设定的阈值电压比较，得到触发信号A发送至晶闸管驱动脉冲生成电路(4)，得到母线电压监测信号B转换为工作脉冲，输出至切换判定及延时电路(5)；

晶闸管驱动脉冲生成电路(4)根据触发信号A生成单稳态脉冲信号，转换为充电脉冲，发送至切换判定及延时电路(5)；并将单稳态脉冲信号输出至驱动脉冲切换电路(6)；

切换判定及延时电路(5)通过监视电源波形采样比较电路(2)发送的工作脉冲和晶闸管驱动脉冲生成电路(4)的充电脉冲，输出切换信号至驱动脉冲切换电路(6)；

驱动脉冲切换电路(6)根据晶闸管驱动脉冲生成电路(4)发送的单稳态脉冲信号和切换判定及延时电路(5)发送的切换信号，进行信号选择，发送开关信号至晶闸管驱动电路(7)；

晶闸管驱动电路(7)根据驱动脉冲切换电路(6)的开关信号生成门级触发信号来驱动主体整流电路(1)的晶闸管动作。

7.根据权利要求6所述的一种可用于大功率设备的可控整流缓冲电路实现方法，其特征在于，所述电源波形采样比较电路(2)，执行以下步骤：

对于A相、B相、C相中的任一相，当相电压高于母线电压时，二极管S7导通，经电阻R2、电阻R7限流并分压，由稳压管D6消去超出阈值的电压峰值；在两个比较器的反向输入端得到一个不高于+15V的电压信号；当相电压低于母线电压时，二极管S7截止，比较器的反向输入端电压为0；

第二比较器的正向输入端直接连接母线，即输入电压为0；当相电压大于母线电压时其输出端翻转；

第一比较器的正向输入端为高于母线电压的固定值，当相电压大于母线设定值时其输出端翻转。

8.根据权利要求6所述的一种可用于大功率设备的可控整流缓冲电路实现方法，其特征在于，所述切换判定及延时电路(5)，执行以下步骤：

触发器U4A和触发器U4B组成2位计数器；其上电为初始复位状态，反向输出端为逻辑1，第3或门输出为1，触发器U4A的D1端为1，U4B的D2端为0；当有工作脉冲时，U4A置位，同时D1端变为0，U4B不变，同时D2端变为1；如果下一次没有充电脉冲复位，再来一次工作脉冲，U4A复位，U4B置位；第3次工作脉冲触发后，U4A、U4B都置位，第3或门输出0；此后，再有工作脉冲时，两个D触发器状态不变。

9.根据权利要求8所述的一种可用于大功率设备的可控整流缓冲电路实现方法其特征在于，所述切换判定及延时电路(5)，执行以下步骤：

母线电容上电缓冲过程中，充电脉冲和工作脉冲交替存在；当工作脉冲触发时，计数器计一个数，下次到来的充电脉冲又将其复位；直到充电完成，没有充电脉冲后，计数器只在工作脉冲的触发下，经过延时3个脉冲，使第三或门输出为0。

10.根据权利要求6所述的一种可用于大功率设备的可控整流缓冲电路实现方法其特征在于，所述自举供电电路(3)的工作原理如下：

对于A相、B相、C相中的任一相，当A相电压高于C相时，电流通过二极管S11给电容C8充电；当A相电又同时高于母线时，电流通过二极管S11、电阻R9、电容C9、二极管S12给电容C6充电；当C相高于A相并逐渐升高时，二极管S11截止，电容C8存储的电荷开始通过电阻R9、电容C9、二极管S12向电容C6充电。