CN216872883U - 一种带滞环比较器的电容预充电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种带滞环比较器的电容预充电装置，包括电压采样电路、滞环比较电路、功率管驱动电路、场效应管以及预充电电阻；当系统上电时，外部电源通过预充电电阻对电容进行充电，限制上电冲击电流；电压采集电路通过并联在母线电容两端的分压电阻采集电容的电压，当电容电压达到设定阈值时，接通并联在预充电电阻上的场效应管，旁路该电阻，避免预充电电阻在电机运行时流过大电流后过热损坏；当电容电压低到设定阈值时，滞环比较电路输出再次翻转，断开场效应管，使得预充电电阻再次接入电容充电回路，实现再次充电。本装置不需要外部软件输入指令，直接由硬件识别充电电压，自动进行切换控制，使得系统控制简单，提高了装置的可靠性。

Description

一种带滞环比较器的电容预充电装置

技术领域

本实用新型属于飞机机电控制领域，涉及一种电机驱动器电容预充电装置。

背景技术

在大功率电机驱动器、变频器等功率变换器类设备中，通常在直流母线端都并有一个较大容量的维持电容(容量从数百微法至数万微法不等)，用于吸收直流电压的高幅度脉动电流，使直流电压波动保持在允许范围内。在电源接通瞬间，电容由于内阻很小，在上电瞬间会产生很大的充电电流，尤其在高压直流电源供电的设备中，上电冲击电流甚至可以达到数千安培，极易造成系统电源过流装置误动作(俗称跳闸)，且给整个系统安全带来不利影响，因此在大功率电机驱动器内部都需要设计专门的预充电装置，以减小上电冲击电流。

传统的电容预充电装置多采用接触器或继电器结合预充电电阻构成，控制指令多由软件产生，虽然应用成熟但由于其结构和控制复杂，特别是接触器或继电器类器件体积重量较大，且驱动电路较复杂，无法满足航空机载控制器体积和重量要求。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种带滞环比较器的电容预充电装置，其预充电功能的实现完全靠硬件自动完成，不需要外部指令信号，避免由于指令信号造成预充电功能失效。并且该装置具备硬件电压滞环比较电路，可保证电容电压较低时开启电阻预充电功能，当电容电压充到满足系统需求时则自动切断预充电电阻，防止充电电阻过热损坏。

本实用新型的技术解决方案：

一种带滞环比较器的电容预充电装置，该预充电装置包含：电压采样电路、滞环比较电路、功率管驱动电路、场效应管以及预充电电阻；当系统上电时，外部电源通过预充电电阻对电容进行充电，限制上电冲击电流；电压采集电路通过并联在母线电容两端的分压电阻采集电容的电压，当电容电压达到设定阈值时，接通并联在预充电电阻上的场效应管，旁路该电阻，避免预充电电阻在电机运行时流过大电流后过热损坏；当电容电压低到设定阈值时，滞环比较电路输出再次翻转，断开场效应管，使得预充电电阻再次接入电容充电回路，实现再次充电。

进一步的，电压采样电路采用电阻进行分压后输入线性隔离放大器U1，产生一组差分输出电压信号，经差分放大电路处理后供后级电压比较器使用。

进一步的，滞环比较电路选用电压滞环比较器，用于将隔离放大器U1输出的差分信号进行调理后与预充电功率管开启阈值进行比较，达到开启电压阈值则输出一个使能信号给功率管驱动电路，作为功率管开启指令。当电容电压跌落至设定阈值后，则关闭功率管，将预充电电阻再次接入电容充电回路，实现再次充电。该滞环比较电路完全由硬件实现电容的预充电，能够适应电容电压的快速变化，具有较高的实时性和灵活性，无需额外的软件控制逻辑，控制简单。

进一步的，功率管驱动电路用于驱动预充电功率管，当接收到电压滞环比较电路产生的使能信号时，该驱动电路产生功率管导通所需的驱动电平，接通预充电功率管，该电路采用磁隔离设计，具备驱动能力强，工作可靠的特点。

进一步的，场效应管以及预充电电阻搭配组合使用构成预充电场效应管驱动电路；相比于传统的电容预充电开关器件多采用接触器或继电器，接触器或继电器类器件体积重量较大，且驱动电路较复杂，无法满足航空机载控制器体积和重量以及安全可靠的要求，采用场效应管作为预充电开关，充分利用其体积小、效率高、可靠性高等优势，结构形式上将场效应管与充电电阻并联后串联在母线电容输入的正向支路上，该场效应管与电机驱动器的三相逆变器集成在一个模块上，共同安装在散热器上，既减少了功率模块之间的连接线，又兼顾了功率器件散热问题，使得系统设计更加紧凑和简洁。

本实用新型的优点：本实用新型相比传统电容预充电装置，首先其控制相对简单，由于不需要软件参与控制，使得充电过程的实时性更高，同时规避了软件逻辑错误导致的控制失效类问题，提高了整个预充电系统的可靠性；整个装置的结构设计较为紧凑，驱动控制电路和功率执行元件集成在一个模块上，使得整个装置安装简便，利于维护；该装置共同安装于散热器上，可集中解决所有大功率器件的散热问题。

附图说明

图1本预充电装置的结构图；

图2电容电压采样电路结构图；

图3电容电压滞环比较电路结构图；

图4场效应管驱动电路结构图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的具体实施进行进一步说明。

本实用新型提供一种带滞环比较器的电容预充电装置，传统的电容预充电装置多采用接触器或继电器结合预充电电阻构成，控制指令多由软件产生，虽然应用成熟但由于其结构和控制复杂，特别是接触器或继电器类器件体积重量较大，且驱动电路较复杂，无法满足航空机载控制器体积和重量要求。本预充电装置采用场效应管作为预充电开关，充分利用其体积小、效率高、可靠性高等优势，且不需要外部软件输入指令，直接由硬件识别充电电压，自动根据充电电压是否满足阈值进行切换控制，并具备滞环比较功能，适应电压实时变化，使得系统控制简单，提高了装置的可靠性。目前该装置在已定型的某型飞机上已上成功应用。本实用新型原理，对方法进行概括性描述，包含本实用新型方法核心实用新型点。

如图1所示，电容预充电装置包含了电容电压采样电路1，滞环比较电路2，场效应管驱动电路3，场效应管4以及预充电电阻5。当系统上电时，270V电源通过预充电电阻对电容进行充电，限制上电冲击电流。电压采集电路通过并联在母线电容两端的分压电阻采集电容的电压，当电容电压达到设定阈值时，接通并联在预充电电阻上的场效应管，旁路该电阻，避免预充电电阻在电机运行时流过大电流后过热损坏。当电容电压低到设定阈值时，滞环比较电路输出再次翻转，断开场效应管，使得预充电电阻再次接入电容充电回路，实现再次充电。

图2所示，为具体设计的电压采样电路，电路结构由电阻分压电路、线性电源变换电路、隔离放大器U1三部分构成；所述隔离放大器U1采用光电线性隔离放大器，其中电阻R30、R31、R32串联后对母线电容电压进行分压取样，R32 两端电压经过R22和C62进行RC滤波后接入隔离放大器U1的2脚和3脚，经过隔离放大器U1隔离放大后，由隔离放大器U1的6脚和7脚输出至J13和J14 端子，用于后级调理电路使用；其中N1为电压调整芯片，用于将+15V电压线性调整为+5V电压，接到隔离放大器U1的输入电源引脚1脚和4脚，电容C2 作为输入滤波电容并接在N1输入端1脚和2脚，C3、C118作为输出滤波电容并接在N1输出端3脚和2脚。该电路采用高耐压电阻进行分压采样，再采用隔离放大器进行线性变换，使得强弱电信号不会互相影响，隔离放大器U1输出为差分信号，其电压大小正比于输入采样电压的大小。

图3所示为电压滞环比较电路，具体由差分电压调理放大和滞环比较两部分电路构成；其中电阻R70、R71、R13、R12和运算放大器U8构成差分放大电路，放大比例为2：1，用于对图2中隔离放大器U1输出的电压信号进行差分放大处理后，送至后级滞环比较电路；所述滞环比较电路为滞环比较器，如图所示，差分输出电压通过R147接入电压比较器U9的同相输入端，R116接在U9 的同相输入端与输出端构成电压正反馈，电阻R605和R606对+15V进行分压后接入U9的反相输入端，反相输入端电压分压电路设计为1.57V(对应母线电压186V)，该电压即作为比较器的开通门限电压，滞环比较器关断门限电压根据 R116和R147阻值计算后设计为1.12V(对应门限电压为125V)。该电路的工作原理为：当比较器同相端大于母线电容电压大于186V时，比较器输出高电平给后级电路，当母线电容电压低于125V时，比较器输出低电平信号。该滞环比较器的设计是为了避免母线电容电压在预充电阈值附近震荡时，预充电电路频繁的工作，可防止预充电电阻由于频繁进行充电而过热损坏。该滞环比较电路完全由硬件实现母线电容的预充电，能够适应电容电压的快速变化，无需额外的软件控制逻辑，具有较高的实时性和灵活性。

图4所示为预充电场效应管驱动电路，具体由50％占空比发生电路、推挽驱动电路和隔离变换以及整流输出四部分电路构成；其中R59和C85分别接在自振荡半桥驱动芯片U11的RT和CT端，用于匹配该芯片的振荡输出频率，二极管D37和电容C82构成芯片输出自举电路，通过D37从芯片1脚VCC端对电容C82充电产生自举电压，该电路只使用了芯片的高边输出电压，产生一个占空比为50％的开关信号供后级推挽驱动电路使用；自振荡半桥驱动芯片U11输出的开关信号经过R57和C83构成的RC滤波电路后输入栅极驱动芯片U10，该芯片的A通道输出使能管脚1脚接图3电压比较器U9的输出端，即滞环比较器的比较结果作为栅极驱动器U10的使能控制信号，控制栅极驱动器是否输出； U10输出信号经过电容C80进行移相变换后产生±7.5V的交变电压，再连接至隔离变压器T1，变压器匝数比为1：1，其作用是对驱动信号进行电气隔离，以防止后级功率管的高压信号干扰控制信号，二极管阵列D18、D19构成单相不控整流电路，对变压器幅边侧输出信号进行整流后变换成直流电压信号，电容E1、 C81连接至整流桥输出端，对整流后的电压进行平滑滤波，R56作为栅极驱动电阻连接至预充电功率管的栅极，R58跨接在预充电场效应管的栅极和源极以提高栅极驱动信号的抗干扰性。该电路采用磁隔离设计，具备驱动能力强，工作可靠的特点。

以上所述的仅是本实用新型优选实施例；未详尽之处均视为现有技术或常规实现手段；还需要说明的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以作出若干变形和改进，也应视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种带滞环比较器的电容预充电装置，其特征在于，预充电装置包括：电压采用电路、滞环比较电路、功率管驱动电路、场效应管以及预充电电阻；当系统上电时，外部电源通过预充电电阻对电容进行充电，限制上电冲击电流；电压采集电路通过并联在母线电容两端的分压电阻采集电容的电压，当电容电压达到设定阈值时，接通并联在预充电电阻上的场效应管，旁路该电阻，避免预充电电阻在电机运行时流过大电流后过热损坏；当电容电压低到设定阈值时，滞环比较电路输出再次翻转，断开场效应管，使得预充电电阻再次接入电容充电回路，实现再次充电。

2.如权利要求1所述的一种带滞环比较器的电容预充电装置，其特征在于，所述电压采样电路采用电阻进行分压后输入线性隔离放大器，产生一组差分输出电压信号，经差分放大电路处理后供后级电压比较器使用。

3.如权利要求2所述的一种带滞环比较器的电容预充电装置，其特征在于，电压采样电路由电阻分压电路、线性电源变换电路、隔离放大器三部分构成；所述隔离放大器U1采用光电线性隔离放大器，其中电阻R30、R31、R32串联后对母线电容电压进行分压取样，R32两端电压经过R22和C62进行RC滤波后接入隔离放大器U1的2脚和3脚，经过隔离放大器U1隔离放大后，由隔离放大器U1的6脚和7脚输出至J13和J14端子，用于后级调理电路使用；其中N1为电压调整芯片，用于将+15V电压线性调整为+5V电压，接到隔离放大器U1的输入电源引脚1脚和4脚，电容C2作为输入滤波电容并接在N1输入端1脚和2脚，C3、C118作为输出滤波电容并接在N1输出端3脚和2脚。

4.如权利要求1所述的一种带滞环比较器的电容预充电装置，其特征在于，滞环比较电路选用电压滞环比较器，用于将隔离放大器输出的差分信号进行调理后与预充电功率管开启阈值进行比较，达到开启电压阈值则输出一个使能信号给功率管驱动电路，作为功率管开启指令。

5.如权利要求4所述的一种带滞环比较器的电容预充电装置，其特征在于，电压滞环比较电路由差分电压调理放大和滞环比较两部分电路构成；其中电阻R70、R71、R13、R12和运算放大器U8构成差分放大电路，放大比例为2：1，用于对电压采样电路的隔离放大器U1输出的电压信号进行差分放大处理后，送至后级滞环比较电路；所述滞环比较电路为滞环比较器，差分输出电压通过R147接入电压比较器U9的同相输入端，R116接在U9的同相输入端与输出端构成电压正反馈，电阻R605和R606对+15V进行分压后接入U9的反相输入端，反相输入端电压分压电路设计为1.57V，该电压即作为比较器的开通门限电压，滞环比较器关断门限电压根据R116和R147阻值计算后设计为1.12V。

6.如权利要求1所述的一种带滞环比较器的电容预充电装置，其特征在于，功率管驱动电路用于驱动预充电功率管，当接收到电压滞环比较电路产生的使能信号时，该驱动电路产生功率管导通所需的驱动电平，接通预充电功率管。

7.如权利要求1所述的一种带滞环比较器的电容预充电装置，其特征在于，场效应管以及预充电电阻搭配组合使用构成预充电场效应管驱动电路。

8.如权利要求7所述的一种带滞环比较器的电容预充电装置，其特征在于，预充电场效应管驱动电路由50％占空比发生电路、推挽驱动电路、隔离变换以及整流输出四部分电路构成；其中R59和C85分别接在自振荡半桥驱动芯片U11的RT和CT端，用于匹配该芯片的振荡输出频率，二极管D37和电容C82构成芯片输出自举电路，通过D37从芯片1脚VCC端对电容C82充电产生自举电压，该电路只使用了芯片的高边输出电压，产生一个占空比为50％的开关信号供后级推挽驱动电路使用；自振荡半桥驱动芯片U11输出的开关信号经过R57和C83构成的RC滤波电路后输入栅极驱动芯片U10，该芯片的A通道输出使能管脚1脚接电压滞环比较电路的电压比较器U9的输出端，即滞环比较器的比较结果作为栅极驱动器U10的使能控制信号，控制栅极驱动器是否输出；U10输出信号经过电容C80进行移相变换后产生±7.5V的交变电压，再连接至隔离变压器T1，变压器匝数比为1：1，其作用是对驱动信号进行电气隔离，以防止后级功率管的高压信号干扰控制信号，二极管阵列D18、D19构成单相不控整流电路，对变压器幅边侧输出信号进行整流后变换成直流电压信号，电容E1、C81连接至整流桥输出端，对整流后的电压进行平滑滤波，R56作为栅极驱动电阻连接至预充电功率管的栅极，R58跨接在预充电场效应管的栅极和源极以提高栅极驱动信号的抗干扰性。

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