CN207504561U - 一种基于buck电路的高压预充电及短路保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于BUCK电路的高压预充电及短路保护电路，包括MCU微处理器，MCU微处理器连接驱动电路，驱动电路连接和IGBT管的栅极，IGBT管的栅极连接稳压二极管的负极，IGBT管的漏极连接稳压二极管的正极，IGBT管的漏级连接电感L1和电流传感器T1，IGBT管的源极连接吸收电路和功率电源，电感L1连接容性设备；电流传感器T1连接电压比较器，电压比较器连接封锁输出，封锁输出连接IGBT管的栅极和MCU微处理器。本实用新型提供了一种高效、安全、充电时间和充电电流可调的预充电技术，有效限制主电路冲击电流，稳定母线电压，实现负载设备的安全切换和接入，并实现自身有效保护的方法。

Description

一种基于BUCK电路的高压预充电及短路保护电路

技术领域

本实用新型属于预充电保护电路领域，涉及一种基于BUCK电路的高压预充电及短路保护电路。

背景技术

电力电子系统中，为维持直流母线电压在一个合理范围内，给负载设备提供一个优良的电源环境，或为负载启动瞬间提供强大电流支撑，通常情况下，在母线上、负载两端并联一个或一组大容量电容，起到滤波和蓄能的作用。现阶段，为实现电容预充电，低压小电容时采用直接引入输入电压硬充电，中高电压大容量电容的场合，通常使用主回路串联电阻和转换开关的方式进行充电。

采用输入电源直接加载到电容两端的方式进行硬充电，电容在上电瞬间相当短路，电容两端的电压不能突变，而电流发生突变，主电路产生较大充电电流，超出了电容安全充电电流值，长期使用会在很大程度上缩短电容使用寿命，对主电路电流承载和设备安全造成负担，影响使用安全，甚至引起电路安全保护动作。主回路串联电阻和转换开关的方式进行充电，限流电阻在充电过程中消耗很大一部分能量，充电效率低下，理论上通过RC时间常数调整充电时间，但针对具体应用，RC都是固定值，要想调节充电电流和充电时间智能通过更换电阻的方式来实现，操作起来十分不便。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于BUCK电路的高压预充电及短路保护电路，该电路是一种高效、安全、充电时间和充电电流可调的预充电技术，有效限制主电路冲击电流，稳定母线电压，实现负载设备的安全切换和接入，并实现自身有效保护的方法。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案实现：

一种基于BUCK电路的高压预充电及短路保护电路，包括MCU微处理器、驱动电路、稳压二极管、IGBT管、吸收电路、功率电源、电感L1、容性设备、电流传感器T1、电压比较器、封锁输出；

所述MCU微处理器连接驱动电路，驱动电路连接和IGBT管的栅极，IGBT管的栅极连接稳压二极管的负极，IGBT管的漏极连接稳压二极管的正极，IGBT管的漏级连接电感L1和电流传感器T1，IGBT管的源极连接吸收电路和功率电源，电感L1连接容性设备；

所述电流传感器T1连接电压比较器，电压比较器连接封锁输出，封锁输出连接IGBT管的栅极和MCU微处理器。

进一步地，所述驱动电路包括IGBT管的驱动芯片E1和驱动电阻R2，E1的 3引脚连接到MCU脉宽调制信号，2引脚通过电阻R1连接+5.0V电源，E1的8 引脚连接+15V电源，5引脚接地，驱动电阻R2一端连接E1的6引脚，另一端连接到IGBT的栅极。

进一步地，所述IGBT管的栅极和漏极之间并联有R4。

进一步地，所述保护电路包括电阻R3与电容C7组成的RC突波吸收电路和电阻R5与电容C8组成的RC吸收电路，所述电阻R3的一端连接电容C7，另一端连接IGBT管的源极，电容C7的一端连接IGBT管的漏极；所述电阻R5的一端连接IGBT管的漏极，另一端连接电容C8，电容C8的一端接地。

进一步地，所述电流传感器T1的1引脚通过+5V供电，2引脚接地，4引脚连接电感L1，同时3引脚输出I-OUT，输出I-OUT通过电阻R8连接到放大器N1 反相端，放大器N1的同相端连接电阻R9和R10，放大器N1的输出1引脚连接电压比较器。

进一步地，所述电感L1的一端连接电流传感器T1的4引脚，另一端连接电阻R6，电阻R6的一端连接快恢复二极管V3的正极，快恢复二极管V3的负极连接IGBT管的漏极。

进一步地，所述电压比较器包括电压监测芯片N2，电压监测芯片N2的4引脚与放大器N1的输出1引脚相连，电压监测芯片N2的4引脚通过R11连接+5V 电源，电压监测芯片N2的7引脚连接光电耦合器E2的阴极，8引脚通过电阻 R12连接封锁输出。

进一步地，所述光电耦合器E2的阳极通过电阻R13连接到+5V上，光电耦合器E2的3引脚接地，4脚通过电阻R14连接到+5.0V，4脚同时作为输出ZD 连接到MCU的I/O口，进行采集处理。

进一步地，所述封锁输出采用三极管Q2，三极管Q2的基极连接电阻R12的一端，Q2的发射极连接到IGBT管的栅极，Q2的集电极连接IGBT管的漏极。

本实用新型的有益效果：

本实用新型可适用于DC100V-DC1100V母线滤波、直流高压供电容性设备的场合，实现高压、大容量电容快速安全的充电，以达到电容两端电压与输入电压平衡的目的。

本实用新型的MCU发出PWM预充电指令时，通过驱动芯片来驱动IGBT管导通和关断，实现电容充电，配合输出电压的采集电路实现驱动信号的适时关断，起到短路保护的作用。

本实用新型项目短路动作时间能达到几个微秒级，可以安全有效及实地关断IGBT，保护充电电路的安全运作。

本实用新型的电路适应性强，满足不同电压不同容值负载的预充电，充电电流均衡平滑，充电时间和充电电流可以调节，保护特性好，电路具有过流、短路保护，当负载容值极大或负载对地短路时，能及时关断输出，防止主电路瞬间冲击电流过大而损坏。

本实用新型提出的电路可广泛适应目前不同电压等级，不同大小容性设备的预充电需求，实现智能识别，智能调节功能，主回路充电电流平滑连续。具有灵敏的过流、短路保护功能，保证电路安全可靠运行。BUCK电路的成功运行，结构简单，控制可靠，灵活简便的操作，高效的充电方式，突破高压大容性设备的充电应用。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

图1是本实用新型高压预充电及短路保护电路结构示意图；

图2是本实用新型高压预充电及短路保护电路示意图。

具体实施方式

一种基于BUCK电路的高压预充电及短路保护电路，如图1所示，包括MCU 微处理器、驱动电路、稳压二极管、IGBT管、吸收电路、功率电源、电感L1、容性设备、电流传感器T1、电压比较器、封锁输出；

所述MCU微处理器连接驱动电路，驱动电路连接和IGBT管的栅极，IGBT管的栅极连接稳压二极管的负极，IGBT管的漏极连接稳压二极管的正极，IGBT管的漏级连接电感L1和电流传感器T1，IGBT管的源极连接吸收电路和功率电源，电感L1连接容性设备，MCU微处理器通过驱动电路控制IGBT管打开，功率电源开始充电，功率电源输出的电流通过电感L1平滑后对容性设备进行充电；

所述电流传感器T1连接电压比较器，电压比较器连接封锁输出，封锁输出连接IGBT管的栅极和MCU微处理器，充电过程中电流传感器T1实时采集主回路电流，通过电压比较器与预设电压值进行比较，当实时电流传感器T1输出电压大于预设值时，通过封锁输出送入MCU微处理器进行采集，MCU采集判断后，通过驱动电路使IGBT管断开，在IGBT管断开前，封锁输出持续封锁IGBT管的栅极，防止复通，同时在IGBT管关断时，吸收电路通过IGBT管的漏级吸收IGBT 管关断产生的突波电压；

如图2所示，该高压预充电及短路保护电路还包括+5.0V、+5V2、+15V三组控制电源，该三组控制电源分别通过电容C1、C2和C3进行滤波；

所述驱动电路包括IGBT管的驱动芯片E1和驱动电阻R2，E1为轨对轨推挽式驱动芯片，E1的3引脚连接到MCU脉宽调制信号，2引脚通过电阻R1连接+5.0V 电源，E1的8引脚连接+15V电源，5引脚接地，驱动电阻R2一端连接E1的6 引脚，另一端连接到IGBT的栅极；

所述IGBT管的栅极和漏极之间并联有R4，R4可以保护IGBT，降低导通功耗；

所述保护电路包括电阻R3与电容C7组成的RC突波吸收电路和电阻R5与电容C8组成的RC吸收电路，所述电阻R3的一端连接电容C7，另一端连接IGBT 管的源极，电容C7的一端连接IGBT管的漏极；所述电阻R5的一端连接IGBT 管的漏极，另一端连接电容C8，电容C8的一端接地；

所述电流传感器T1的1引脚通过+5V供电，2引脚接地，4引脚连接电感 L1，同时3引脚输出I-OUT，输出I-OUT通过电阻R8连接到放大器N1反相端，放大器N1的同相端连接电阻R9和R10，放大器N1的输出1引脚连接电压比较器；

所述电感L1可以平滑电路充电电流，电感L1的一端连接电流传感器T1的4引脚，另一端连接电阻R6，电阻R6的一端连接快恢复二极管V3的正极，快恢复二极管V3的负极连接IGBT管的漏极，快恢复二极管V3与电阻R6一起组成电感L1的续流回路；

所述电压比较器包括电压监测芯片N2，电压监测芯片N2的4引脚与放大器 N1的输出1引脚相连，电压监测芯片N2的4引脚通过R11连接+5V电源，电压监测芯片N2的7引脚连接光电耦合器E2的阴极，8引脚通过电阻R12连接封锁输出；

所述光电耦合器E2的阳极通过电阻R13连接到+5V上，光电耦合器E2的3 引脚接地，4脚通过电阻R14连接到+5.0V，4脚同时作为输出ZD连接到MCU的 I/O口，进行采集处理；

所述封锁输出采用三极管Q2，三极管Q2的基极连接电阻R12的一端，Q2 的发射极连接到IGBT管的栅极，Q2的集电极连接IGBT管的漏极。

MCU微处理器发出PWM预充电指令时，通过驱动芯片E1来驱动IGBT管导通和关断，实现电容充电，充电过程中电流传感器T1实时采集主回路电流，送入 N1进行与预设的电压值进行比较，预设的电压值为负载短路保护电流点换算成的电压值，当实时电流传感器输出电压大于预设值时，N1输出低电平，N2的7 脚输出低电平，光电耦合器E2导通，ZD输出低电平，送入MCU采集，MCU采集判断后，立即关断PWM控制信号，N2的8脚输出高电平，驱动Q2导通，Q2导通后将IGBT管的栅极极拉低到零电平，从而关断IGBT，N2能持续一段时间的状态输出，确保在MCU关断控制信号前，能通过封锁输出三极管Q2持续封锁IGBT 管的栅极，防止复通，从而实现的负载短路的保护，本发明项目短路动作时间能达到几个微秒级，可以安全有效及实地关断IGBT，保护充电电路的安全运作。

以上内容仅仅是对本实用新型结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离实用新型的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于BUCK电路的高压预充电及短路保护电路，其特征在于，包括MCU微处理器、驱动电路、稳压二极管、I GBT管、吸收电路、功率电源、电感L1、容性设备、电流传感器T1、电压比较器、封锁输出；

所述MCU微处理器连接驱动电路，驱动电路连接和I GBT管的栅极，I GBT管的栅极连接稳压二极管的负极，I GBT管的漏极连接稳压二极管的正极，I GBT管的漏级连接电感L1和电流传感器T1，I GBT管的源极连接吸收电路和功率电源，电感L1连接容性设备；

所述电流传感器T1连接电压比较器，电压比较器连接封锁输出，封锁输出连接I GBT管的栅极和MCU微处理器。

2.根据权利要求1所述的一种基于BUCK电路的高压预充电及短路保护电路,其特征在于，所述驱动电路包括I GBT管的驱动芯片E1和驱动电阻R2，E1的3引脚连接到MCU脉宽调制信号，2引脚通过电阻R1连接+5.0V电源，E1的8引脚连接+15V电源，5引脚接地，驱动电阻R2一端连接E1的6引脚，另一端连接到I GBT的栅极。

3.根据权利要求1所述的一种基于BUCK电路的高压预充电及短路保护电路,其特征在于，所述I GBT管的栅极和漏极之间并联有R4。

4.根据权利要求1所述的一种基于BUCK电路的高压预充电及短路保护电路,其特征在于，所述保护电路包括电阻R3与电容C7组成的RC突波吸收电路和电阻R5与电容C8组成的RC吸收电路，所述电阻R3的一端连接电容C7，另一端连接I GBT管的源极，电容C7的一端连接IGBT管的漏极；所述电阻R5的一端连接I GBT管的漏极，另一端连接电容C8，电容C8的一端接地。

5.根据权利要求1所述的一种基于BUCK电路的高压预充电及短路保护电路,其特征在于，所述电流传感器T1的1引脚通过+5V供电，2引脚接地，4引脚连接电感L1，同时3引脚输出I-OUT，输出I-OUT通过电阻R8连接到放大器N1反相端，放大器N1的同相端连接电阻R9和R10，放大器N1的输出1引脚连接电压比较器。

6.根据权利要求5所述的一种基于BUCK电路的高压预充电及短路保护电路,其特征在于，所述电感L1的一端连接电流传感器T1的4引脚，另一端连接电阻R6，电阻R6的一端连接快恢复二极管V3的正极，快恢复二极管V3的负极连接I GBT管的漏极。

7.根据权利要求5所述的一种基于BUCK电路的高压预充电及短路保护电路,其特征在于，所述电压比较器包括电压监测芯片N2，电压监测芯片N2的4引脚与放大器N1的输出1引脚相连，电压监测芯片N2的4引脚通过R11连接+5V电源，电压监测芯片N2的7引脚连接光电耦合器E2的阴极，8引脚通过电阻R12连接封锁输出。

8.根据权利要求7所述的一种基于BUCK电路的高压预充电及短路保护电路,其特征在于，所述光电耦合器E2的阳极通过电阻R13连接到+5V上，光电耦合器E2的3引脚接地，4脚通过电阻R14连接到+5.0V，4脚同时作为输出ZD连接到MCU的I/O口，进行采集处理。

9.根据权利要求7所述的一种基于BUCK电路的高压预充电及短路保护电路,其特征在于，所述封锁输出采用三极管Q2，三极管Q2的基极连接电阻R12的一端，Q2的发射极连接到IGBT管的栅极，Q2的集电极连接I GBT管的漏极。