CN216414174U - 启动保护电路、供电装置及医疗设备 - Google Patents

Abstract

本公开涉及了一种启动保护电路、供电装置及医疗设备，该启动保护电路包括：第一开关，包括至少两个相互串联的第一开关管，配置为负载上电后由第一开关接收交流电输入并连接后端的负载；第二开关，设置为与第一开关并联；以及控制器，设置为至少与第二开关连接，并配置为经负载启动期间通过使能第二开关切换至第二开关导通并旁路第一开关，其中，第一开关管为耗尽型场效应管。应用耗尽型场效应管在负载上电后对可能的浪涌进行限制，并在负载启动期间内应用可变的占空比切换至第二开关导通完成一次软启动。本公开的启动保护电路在应用软启动时具有更高的稳定性、可靠性和安全性。

Description

启动保护电路、供电装置及医疗设备

技术领域

本实用新型涉及启动保护电路技术领域，特别涉及应用于医疗设备的启动保护电路。

背景技术

在医疗设备中广泛使用如环形变压器作为前置隔离变压器，为诸如移动式C臂X射线成像系统，CT成像系统中的支架等医疗设备的控制部分提供电力。在环形变压器接入电网瞬间产生浪涌电流，即使由软启动电路的使用，其输入端的保险丝(fuse)仍然有较高的失效率，从而造成更多的维修工作和影响到客户的正常工作。通常浪涌电流产生于如环形变压器的磁芯的励磁过程，产生的磁通会时常造成瞬时的铁芯饱和，使产生的浪涌电流远高于正常的电流，故环形变压器输入端通常会配置带软启动功能的启动保护电路。

现有的软启动电路的机制通过一继电器和与之并联的热敏电阻(NTC)。热敏电阻可以抑制浪涌电流并在迟滞一定时间后导通继电器以向负载供电。若设备在短时间内被多次启动，热敏电阻将因升温而导致其阻值降低，以至于无法抑制浪涌电流，故输入端的保险丝仍会失效。另外，当输入电压在短时间内经历下降和回升，控制电路会仍然保持继电器导通，故浪涌电流会经继电器旁路而不会(被热敏电阻)抑制。

实用新型内容

有鉴于此，本公开一方面提出了一种启动保护电路，以克服现有的软启动保护方式性能不稳定、故障或冗余的结构，该启动保护电路包括：第一开关，包括至少两个相互串联的第一开关管，设置为接收交流电输入并连接后端的负载；第二开关，设置为与第一开关并联；以及控制器，设置为至少与第二开关连接，并配置为经负载启动期间通过使能第二开关切换至第二开关导通并旁路第一开关，其中，第一开关管为耗尽型场效应管。

本公开的另一个方面提供了一种供电装置，包括：变压器以及如前所述的启动保护电路，该启动保护电路设置为接收交流电并连接后端的变压器。

本公开的另一个方面提供了一种医疗设备，包括：如前所述的启动保护电路。

本公开所提供的一个或多个实施例的启动保护电路、供电装置及医疗设备的一个优势在于，在负载上电后，第一开关管在导通后为负载供电，因第一开关管为耗尽型场效应管，故输入的(交流)电流到达场效应管确定的阈值时，第一开关管关断以起到限制浪涌电流的作用，该过流保护在负载上电后即工作，并且利用耗尽型场效应管代替了如电容器件或热敏电阻等实现限制浪涌电流的功能，提高稳定性和可靠性。

本公开所提供的一个或多个实施例的启动保护电路、供电装置及医疗设备的另一个优势在于，该启动保护电路可以通过两个相互串联的第一开关管，且第一开关管为耗尽型场效应管，故可对各半波(浪涌)电流进行限制。

本公开所提供的一个或多个实施例的启动保护电路、供电装置及医疗设备的另一个优势在于，经负载启动期间变压器或电容器件完成励磁后，负载正常输出电压，第二开关在可变占空比的脉冲信号的控制下使其电阻值小于第一开关，以切换至第二开关导通完成一次软启动的过程。该启动保护电路实施的软启动保护无需检测电压幅值和相位和考虑电压切入点的相位，提高稳定性和可靠性。

本公开所提供的一个或多个实施例的启动保护电路及医疗设备的另一个优势在于，在第二开关中，在一对第二开关管之间串联第二电阻则可以用于检测峰值电流是否超过预设值，以判断停止使能第二开关管，可以为启动保护电路在软启动的启动失败时提供保护。

附图说明

下面将通过参照附图详细描述本公开的实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本实用新型的上述及其它特征和优点，附图中：

图1为示出根据一个示例性实施例的启动保护电路的电路结构示意图；

图2为示出根据另一个示例性实施例的启动保护电路的电路结构示意图。

其中，附图标记如下：

10：供电装置

12：变压器

100，200：启动保护电路

102a，102b第一开关管

104，204控制器

106继电器

108，208第一电阻

110，210保险丝

202a，202b第一开关管

206a，206b第二开关管

212驱动器

214第二电阻

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本实用新型的具体实施方式，在各图中相同的标号表示相同的部分。

在本文中，“示意性”表示“充当实例、例子或说明”，不应将在本文中被描述为“示意性”的任何图示、实施方式解释为一种更优选的或更具优点的技术方案。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本实用新型相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。

在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。在本文中，“第一”、“第二”等仅用于彼此的区分，而非表示它们的重要程度及顺序、以及互为存在的前提等。

环形变压器作为医疗设备控制部分的供配电而被广泛使用。环形变压器具有转换效率高，体积紧凑和出色的电磁兼容性，特别适用于对地漏电流要求高的场景而作为设备的前置隔离变压器。但由于环形变压器其自身结构的特点，在上电瞬间会伴随着较大的冲击电流。这是由于变压器匝间电容瞬间充电会产生较大的冲击电流；励磁磁通的建立过程会产生较大的励磁浪涌，励磁浪涌的大小与变压器的合闸相角和铁芯的剩磁大小相关。合闸瞬间如果没有剩磁，则瞬间最大磁通可达2φm(零相角合闸时)，如果考虑剩磁则磁通可达2.7φm。在该磁通下变压器磁芯可能出现短时饱和，使励磁浪涌达到空载电流的100倍左右。励磁浪涌对于设备的电路保护器件和电网可能造成影响，故有必要通过一些措施减少浪涌电流。

在现有的针对变压器减少浪涌电流的措施包括软启动电路机制。其工作机制，例如将一并联的热敏电阻(NTC)和继电器串联在变压器的输入侧，该方法考虑利用NTC在上电瞬间抑制励磁浪涌，待一段时间的延时，变压器励磁磁通建立后再使能继电器。但是当短时间内反复上电后，会导致NTC过热从而电阻值降低，励磁浪涌无法得到抑制而烧毁保险丝。另外，如果出现电压瞬变，此时若继电器处于吸合状态，而变压器再没有NTC限流的情况下励磁，则可能再上电时烧毁保险丝。另一种软启动电路的机制，通过预估变压器铁芯的剩磁来确定合闸时间。但该方法基于实时检测变压器一次侧的电压电流，根据分闸时刻的电压电流值预估铁芯剩磁，并在合适的时刻合闸。但该方法只适合控制电路一直上电的系统，并且需要对电压电流进行检测，对微处理器带来额外的计算成本。

金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)分为增强型和耗尽型。增强型MOSFET需要在门极和源极之间加一正电压，电压超过导通阈值时MOSFET导通。耗尽型MOSFET在门极和源极之间电压为零时即可形成沟道即导通，当门极和源极之间负电压幅值超过MOSFET的关断电压时，该MOSFET关断。

根据本公开实施例的一个方面，启发于利用耗尽型的MOSFET在门极(栅极)与源极端施加一负电压后空穴浓度减少从而减少导电率的现象，可以替代热敏电阻作为负载启动期间(完成励磁)限制浪涌电流，并在变压器启动该期间后完成切换至第二开关以旁路第一开关(由耗尽型的MOSFET组成)，从而完成一次软启动。下面结合附图详细描述本公开的示例性实施例。

参看图1示出了根据本公开实施例的启动保护电路的电路结构示意图。

如图1所示，该启动保护电路100包括：第一开关，包括至少两个相互串联的第一开关管102a，102b，并设置为负载上电后由第一开关接收交流电输入并连接后端的负载；第二开关，设置为与第一开关并联；以及控制器104，设置为至少与第二开关连接，并配置为经负载上电后启动期间通过使能第二开关切换至第二开关导通，并将第一开关旁路，其中，第一开关管102a，102b为耗尽型场效应管，例如耗尽型MOSFET或其他耗尽型半导体开关元器件，其漏极可设置为接收交流电的输入。在此，相互串联的两个第一开关管102a，102b可分别对一个方向的半波电流(浪涌电流)进行限制。另外，在启动保护电路接收交流电输入的一侧可以分别串接保险丝110a，110b。

在此，负载可以包括一变压器12，例如环形变压器。变压器12的交流电输入侧(初级绕组)与第一开关连接，在负载上电后，经负载启动期间，例如在该启动期间内变压器12会经历励磁，控制器104可通过使能第二开关切换至第二开关导通，从而将第一开关旁路完成一次软启动。

根据一些实施例，在启动保护电路100中，两个第一开关管102a，102b可以通过源极相互串联，实现背靠背的构造，可分别对一个方向的半波电流(浪涌电流)进行限制。可选地，两个第一开关管102a，102b之间设置为通过第一电阻108串联，第一电阻108作为分流电阻，以确定第一开关的关断电压的阈值。在此，第一开关管102a，102b的门极关断电压和第一电阻可决定阈值，从而实现峰值电流检测的功能。在负载上电后，第一开关管102a，102b导通为后端的例如负载的变压器12供电。当变压器12输入侧的(输入的)交流电流到达阈值时，第一开关关断起到对浪涌电流的限制。该软启动无需检测电压幅值和相位，无需考虑电压切入点的相位，从而提高软启动的稳定性、可靠性。

根据一些实施例，如图1所示，在启动保护电路100中，第二开关可以包括继电器106，第一开关可以与继电器106并联，继电器106配置为经负载上电后启动期间接收控制器104的使能信号，以切换至继电器106导通。

根据一些实施例，在启动保护电路100中，第一开关管102a，102b配置为N沟道的耗尽型场效应管。

图2为示出根据另一个示例性实施例的启动保护电路的电路结构示意图。

如图2所示，示出了另一个示例性实施例的启动保护电路200，为了使启动保护电路200适用于高频开、关的情形，在启动保护电路200中，第二开关包括至少两个通过源极相互串联的第二开关管206a，206b，且第二开关管206a，206b为增强型场效应管，例如增强型MOSFET或其他增强型半导体开关元器件。可选地，第二开关管206a，206b配置为N沟道的增强型场效应管。在此，第一开关可以包括至少两个相互串联的第一开关管202a，202b，并设置为负载上电后由第一开关接收交流电输入并连接后端的负载，且第一开关管202a，202b为耗尽型场效应管，例如耗尽型MOSFET或其他耗尽型半导体开关元器件，其漏极可设置为接收交流电的输入。

控制器204可以向第二开关输出驱动脉冲(例如数个kHz频率的驱动脉冲)来控制第一开关与第二开关之间的切换，例如第二开关接收该驱动脉冲的占空比从0开始按一定的步长增加占空比，并在一定时间内，负载上电后，例如变压器12启动期间(励磁期间)控制占空比增加到100％，以至于电阻值更大的第一开关被旁路切换至第二开关导通，由此完成一次软启动的过程。在此，驱动脉冲信号可以基于脉冲宽度调制(PWM)实现。另外，控制器204可以通过一驱动器212向第二开关管206a，206b输出驱动脉冲信号，驱动器212例如是做过隔离处理的场效应管驱动器或MOSFET驱动器。

根据一些实施例，在启动保护电路200中，两个第二开关管206a，206b之间设置为通过第二电阻214串联，以检测交流电输入侧的峰值电流。第二电阻214串接于两个第二开关管206a，206b之间，在第二电阻214处可以检测其电流。当第二开关接收控制器的驱动脉冲，在调节其占空比逐渐增大的过程中，通过第二电阻214检测峰值电流超过预设值，该电流的预设值例如通过判断负载是否出现过流予以确定，则在负载启动期间内停止使能第二开关。并在之后的调节控制脉冲的占空比的过程中，整个软启动时间内，若第二电阻214均检测到过流，则提示后端的负载存在短路或过载，此时控制器204可以关断第二开关管206a，206b(或第二开关管)，指示启动失败并报告该错误。在软启动结束后，控制器204可以继续监控第二电阻214测得电流的大小，若检测到过流则重新由控制器204激活一次软启动，并在可能出现负载短路或过载的情形下关断第二开关管206a，206b。

根据一些实施例，在启动保护电路200中，第一开关管202a，202b、第二开关管206a，206b的门极与源极之间可以连接门极(栅极)保护器件(未示出)，例如稳压二极管。

根据一些实施例，为启动保护电路200设定额定电流值，在启动保护电路200中，可以将多对第一开关管202a，202b相互并联或多对第二开关管206a，206b相互并联。

需要说明的是，该启动保护电路所提供软启动保护方法或机制亦可不限于在带变压器的设备提供软启动操作，还例如为整流后的直流母线上使用大容量电容元器件的设备提供软启动操作。

根据本公开的另一个方面，供电装置，包括：变压器以及如前所述的启动保护电路，该启动保护电路设置为接收交流电并连接后端的变压器。在此，变压器可以是一种环形变压器。

根据本公开的另一个方面，提供了一种医疗设备，该医疗设备包括前述的任一种启动保护电路，启动保护电路可以例如应用到X射线成像设备、血管造影机的C型臂，或CT设备中的转动机架，或扫描床中包括变压器、逆变器或其他涉及励磁的电容元器件的启动保护。在此，医疗设备例如是CT设备、MRI设备、血管造影机、X射线成像设备等。

以上所述仅是本公开的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本公开原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本公开的保护范围。

Claims (12)

1.一种启动保护电路，设置为接收交流电输入并连接后端的负载，其特征在于，包括：

第一开关，包括至少两个相互串联的第一开关管，配置为负载上电后由第一开关接收交流电输入并连接后端的负载；

第二开关，设置为与第一开关并联；以及

控制器，设置为至少与第二开关连接，并配置为经负载启动期间通过使能第二开关切换至第二开关导通并旁路第一开关，其中，第一开关管为耗尽型场效应管。

2.根据权利要求1所述的启动保护电路，其中，两个第一开关管通过源极相互串联。

3.根据权利要求1或2所述的启动保护电路，其中，两个第一开关管之间设置为通过第一电阻串联，以确定第一开关的关断电压的阈值。

4.根据权利要求1或2所述的启动保护电路，其中，第一开关管配置为N沟道的耗尽型场效应管。

5.根据权利要求1所述的启动保护电路，其中，第二开关包括继电器，设置为与第一开关并联，并配置为经负载启动期间接收控制器的使能信号，以切换至继电器导通。

6.根据权利要求1所述的启动保护电路，其中，第二开关包括至少两个相互串联的第二开关管，且第二开关管为N沟道的增强型场效应管，第二开关被配置为经负载启动期间通过控制器接收可变占空比的驱动脉冲切换至第二开关导通并旁路第一开关。

7.根据权利要求6所述的启动保护电路，其中，两个第二开关管通过源极相互串联。

8.根据权利要求6所述的启动保护电路，其中，第一开关管、第二开关管的门极与源极之间分别连接门极保护器件。

9.根据权利要求6或7所述的启动保护电路，其中，两个第二开关管之间设置为通过第二电阻串联，以检测交流电输入的峰值电流。

10.根据权利要求1-8任一项所述的启动保护电路，其中，负载启动期间设置为大于或等于负载在上电后的励磁时间。

11.一种供电装置，其特征在于，包括：变压器以及如权利要求1-10任一项所述的启动保护电路，其中，启动保护电路设置为接收交流电并连接变压器。

12.一种医疗设备，其特征在于，包括：如权利要求1-10任一项所述的启动保护电路。

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