CN205283112U - 高压直流系统的限流保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高压直流系统的限流保护电路，其包括第一MOS管等，运算放大器的正输入端与第二分压电阻、第三分压电阻连接，第二分压电阻和第三分压电阻串联，第一电阻与三端稳压电路串联，第二分压电阻、第三分压电阻都与三端稳压电路连接，运算放大器的输出端与驱动电阻连接，运算放大器的负输入端与采样电阻连接，可变电阻与电容串联并构成一个RC电路，第一MOS管的漏极与RC电路并联，第二MOS管的栅极与可变电阻、电容连接，第二MOS管的漏极与第一MOS管的栅极连接。本实用新型确保第一MOS管工作在安全区之内，不仅可以限制冲击电流，而且可以在输出过流或短路时，及时关断限流MOS管，可靠地保护电路不受损坏。

Description

高压直流系统的限流保护电路

技术领域

本实用新型涉及一种限流保护电路，特别是涉及一种高压直流系统的限流保护电路。

背景技术

直流系统，尤其是高压直流系统，由于一般都存在较大的负载电容，因此在起动过程中冲击电流较大，冲击电流延续时间较长等特点。过大的冲击电流不仅有可能造成上游保护误动作，还会因应力过大而减少系统寿命和降低可靠性。因此在直流系统中，尤其有必要限制起动冲击电流。

限值起动冲击电流的方法比较多，以下三种方案比较常见：

(1)NTC电阻方案，这种方案是在起动回路中串联一个负温度系数的电阻，这样在冷起动时，由于温度低，电阻值大，起动电流较小；起动之后电阻温度上升，阻值下降，不会影响正常运行。这种方式是最为简易的限流方案，但仅针对冷起动有效。对于电源中断后马上重启的情况，由于电阻温度来不及下降，这种方式基本无法限制冲击电流。

(2)电阻和继电器方案，为了克服NTC电阻的缺陷，就该用固定电阻串联在起动回路中，在起动完成后，通过闭合一个继电器把该电阻短路，从而确保电阻只在起动中起作用。这种方式的主要缺陷在于闭合继电器的时机不容易把握。如果闭合过早，则在闭合时会造成二次冲击，仍会产生较大的冲击电流；如果闭合过晚，则电阻上会流过正常运行电流，造成过高的损耗，甚至会影响电阻的可靠性和寿命。

(3)限流MOSFET方案，前面两种方案在交直流电路中都可以使用。还有一种仅适合于直流电路的方案，就是通过MOSFET进行限流。把一个MOS管和一个电流采样电阻一起串联在起动回路里，如图1所示。图1中的关键限流元件为第一MOS管MOS1，其驱动电源由运算放大器U1经驱动电阻Rdrv提供。运算放大器U1的正输入端通过第一电阻R1、三端稳压电路U2、第二分压电阻R2和第三分压电阻R3设定为一个固定电压；第一MOS管U1的负输入端连接到采样电阻Rs处。正常运行时，第一MOS管U1正输入端设定的电压高于采样电阻Rs上的电压，第一MOS管U1输出为高电平，第一MOS管MOS1完全导通。在起动过程中或输出过流状态下，输出电流增大，造成采样电阻Rs上的电压增大，当这个电压大于第一MOS管U1正端的设定电压时，运算放大器U1输出为低电平，第一MOS管MOS1会完全关断；实际运行过程中，由于运算放大器U1接成负反馈电路，在采样电阻Rs上电压增大到设定电压附近时，运算放大器U1的输出电压会降低，使第一MOS管MOS1工作在线性区域，从而使采样电阻Rs上的电压维持在设定电压处，这样就起到了限制输出电流的作用。假定设定电压为Vset，则限流值为

这个方案中当第一MOS管MOS1工作在线性区域时，其电压和电路应力较大，如果在这个区域工作时间较长，就可能超过参数表安全工作区中规定的时间，造成第一MOS管MOS1的损坏。在输出电路情况不明的情况下，这种电路的应用有一定的风险性，因此一般只用在小功率电路中。这个方案主要不足在于无法关断第一MOS管MOS1，这样当起动时间过长，或输出过流或短路时，图1的方案无法保证限流元件第一MOS管MOS1自身不受损坏。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种高压直流系统的限流保护电路，其确保第一MOS管工作在安全区之内，不仅可以限制冲击电流，而且可以在输出过流或短路时，及时关断限流MOS管，可靠地保护电路不受损坏，从而使这个电路成为可以应用于大功率电路的实用电路。

本实用新型是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种高压直流系统的限流保护电路，其特征在于，其包括第一MOS管、运算放大器、第一电阻、三端稳压电路、第二分压电阻、第三分压电阻、采样电阻、驱动电阻、可变电阻、电容、和第二MOS管，其中：

运算放大器的正输入端与第二分压电阻、第三分压电阻连接，第二分压电阻和第三分压电阻串联，第一电阻与三端稳压电路串联，第二分压电阻、第三分压电阻都与三端稳压电路连接，运算放大器的输出端与驱动电阻连接，运算放大器的负输入端与采样电阻连接，可变电阻与电容串联并构成一个RC电路，第一MOS管的漏极与RC电路并联，第二MOS管的栅极与可变电阻、电容连接，第二MOS管的漏极与第一MOS管的栅极连接。

优选地，所述第一MOS管的漏极与一个输出电容连接。

优选地，所述第二MOS管的栅极与一个稳压管连接。

本实用新型的积极进步效果在于：本实用新型确保第一MOS管(原有的限流MOS管)工作在安全区之内，不仅可以限制冲击电流，而且可以在输出过流或短路时，可靠地保护电路不受损坏，从而使这个电路成为可以应用于大功率电路的实用电路。

附图说明

图1为现有限流MOSFET方案的电路图。

图2为本实用新型高压直流系统的限流保护电路的电路图。

图3为本实用新型实现的安全工作区的示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本实用新型较佳实施例，以详细说明本实用新型的技术方案。

如图2所示，本实用新型的高压直流系统的限流保护电路是在图1的基础上增加了一个关断电路，具体是在第一MOS管MOS1的漏极处并联了一个RC电路，即可变电阻Rt和电容Ct，并通过电容Ct上的电压驱动另一个MOS管(第二MOS管MOS2)。本实用新型的高压直流系统的限流保护电路包括第一MOS管MOS1、运算放大器U1、第一电阻R1、三端稳压电路U2、第二分压电阻R2、第三分压电阻R3、采样电阻Rs、驱动电阻Rdrv、可变电阻Rt、电容Ct、和第二MOS管MOS2，其中，运算放大器U1的正输入端与第二分压电阻R2、第三分压电阻R3连接，第二分压电阻R2和第三分压电阻R3串联，第一电阻R1与三端稳压电路U2串联，第二分压电阻R2、第三分压电阻R3都与三端稳压电路U2连接，运算放大器U1的输出端与驱动电阻Rdrv连接，运算放大器U1的负输入端与采样电阻Rs连接，可变电阻Rt与电容Ct串联并构成一个RC电路，第一MOS管MOS1的漏极与RC电路并联，第二MOS管MOS2的栅极与可变电阻Rt、电容Ct连接，第二MOS管MOS2的漏极与第一MOS管MOS1的栅极连接。

第一MOS管MOS1的漏极与一个输出电容Cout连接。输出电容Cout是直流电源的输出端口都有的大电容，这个电容直接接在电源的输出端上，跟负载是并联关系，进行限流时，就把输出电容的负端跟电源的负端断开，在其中接入一个MOS管，通过控制MOS管的电流进行限流。

第二MOS管MOS2的栅极与一个稳压管Z1连接。当第二MOS管MOS2导通时，关断第一MOS管MOS1，这样第一MOS管MOS1上电压保持为高，从而锁定了关断动作。稳压管Z1是为了限制第二MOS管MOS2的门极电压。

起动时输出电容值越大，第一MOS管MOS1的漏极电压就下降越慢，这样RC电路给电容Ct上充的电压就越高，到达第二MOS管MOS2门槛电压的时间就越短。这样第一MOS管MOS1上的应力越大，关断时间就越短，可变电阻Rt和电容Ct的数值可以根据第一MOS管MOS1的安全工作区来进行选取，从而在各种运行条件下，都可以保护电路不受损坏。

图2中三端稳压电路U2的型号可以为TL431，其输出电压为2.5V，这样在运算放大器U1正输入端的电压设定值为如式(1)：

$V_{set}=\frac{R_3}{R_3+R_2}\×V_{U2}=\frac{1.2k}{1.2k+4.7k}\×2.5V=0.508V\mathrm{......}\left(1\right)$

电流采样电阻Rs为0.1欧姆，这样冲击电流的限流值为如式(2)：

$I_{set}=\frac{V_{set}}{R_s}=\frac{0.508V}{0.10hm}=5.08A\mathrm{......}\left(2\right)$

在输出短路时，第一MOS管MOS1上承受的最大电压为输入电压，即300V。根据可变电阻Rt和电容Ct的选值，在300V输入时，电容Ct上的电压在5ms左右充到5V，到达第二MOS管U2的门极电压门槛值，从而可以关断，第一MOS管MOS1。第一MOS管MOS1的型号为STW70N60M2，查阅参数表的安全工作区(见图3)，可见在输入电压为300V，限流值为5A时，安全工作时间为9ms。实际关断时间为5ms，小于安全工作时间9ms，这说明设计参数可以确保第一MOS管MOS1的安全运行。

本实用新型增加了一个关断电路，确保第一MOS管MOS1工作在安全区之内，不仅可以限制冲击电流，而且可以在输出过流或短路时，可靠地保护电路不受损坏，从而使这个电路成为可以应用于大功率电路的实用电路。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高压直流系统的限流保护电路，其特征在于，其包括第一MOS管、运算放大器、第一电阻、三端稳压电路、第二分压电阻、第三分压电阻、采样电阻、驱动电阻、可变电阻、电容、和第二MOS管，其中：

运算放大器的正输入端与第二分压电阻、第三分压电阻连接，第二分压电阻和第三分压电阻串联，第一电阻与三端稳压电路串联，第二分压电阻、第三分压电阻都与三端稳压电路连接，运算放大器的输出端与驱动电阻连接，运算放大器的负输入端与采样电阻连接，可变电阻与电容串联并构成一个RC电路，第一MOS管的漏极与RC电路并联，第二MOS管的栅极与可变电阻、电容连接，第二MOS管的漏极与第一MOS管的栅极连接。

2.如权利要求1所述的高压直流系统的限流保护电路，其特征在于，所述第一MOS管的漏极与一个输出电容连接。

3.如权利要求1所述的高压直流系统的限流保护电路，其特征在于，所述第二MOS管的栅极与一个稳压管连接。