CN218771297U - 一种防过冲保护电路和电气设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种防过冲保护电路和电气设备，有利于防止电气元件承受过冲电压而损坏。该防过冲保护电路包括第一防过冲模块、电压检测模块和控制模块；其中，所述第一防过冲模块与被保护电气元件并联；所述第一防过冲模块包括第一电阻R1和可控开关G1，所述第一电阻R1与所述可控开关G1串联；所述第一电阻R1为功率电阻或正温度系数电阻；所述电压检测模块的输入端与所述被保护电气元件电连接，输出端与所述控制模块的输入端电连接；所述控制模块的输出端与所述可控开关G1的开关控制端电连接。

Description

一种防过冲保护电路和电气设备

技术领域

本实用新型涉及电力电子技术领域，更具体地说，涉及一种防过冲保护电路和电气设备。

背景技术

电气设备中的任何电气元件都有其可承受的最高电压/最大电流，当施加在某电气元件两端的电压/电流过大时，极易造成该电气元件损坏。

以变频器中的滤波电容为例，如图1所示，变频器包括整流电路100、逆变电路200和母线电容C1；变频器的工作原理是先通过整流电路100将输入的交流电转换成直流电，再通过逆变电路200将直流电转换成频率或电压可调的交流电从而驱动电机M运转；母线电容C1并联在整流电路100的输出端，其作用是滤波和储能。但是，当滤波电容C1容量较小(例如滤波电容C1为小容量薄膜电容)时，其承受过冲的能力(即承受大电压/大电流的能力)较弱，损坏风险较大。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供一种防过冲保护电路和电气设备，以防止电气元件承受过冲而损坏。

一种防过冲保护电路，包括：第一防过冲模块、电压检测模块和控制模块；

其中，所述第一防过冲模块与被保护电气元件并联；

所述第一防过冲模块包括第一电阻R1和可控开关G1，所述第一电阻R1与所述可控开关G1串联；所述第一电阻R1为功率电阻或正温度系数电阻；

所述电压检测模块的输入端与所述被保护电气元件电连接，输出端与所述控制模块的输入端电连接；

所述控制模块的输出端与所述可控开关G1的开关控制端电连接。

在一个实施例中，所述控制模块为硬件控制模块；

或者，所述控制模块为软件控制模块；

或者，所述控制模块包括互为冗余设置的硬件控制模块和软件控制模块；

硬件控制模块包括通过硬件电路实现逻辑控制的模块，软件控制模块包括通过软件实现逻辑控制的模块；

所述被保护电气元件为薄膜电容。

在一个实施例中，所述电压检测模块包括电阻分压单元；所述电阻分压单元用于检测所述被保护电气元件两端电压，将其转换成低压信号后再传输给所述控制模块。

在一个实施例中，所述硬件控制模块包括比较器；所述电阻分压单元包括第二电阻R11和第三电阻R12，所述第二电阻R11的一端与被保护电气元件的高电位端电连接，另一端同时与所述第三电阻R12的一端和所述比较器的反向输入端电连接，所述第三电阻R12的另一端与被保护电气元件的低电位端电连接；所述比较器的同相输入端接收基准电压，所述比较器的输出端与所述可控开关G1的开关控制端电连接。

在一个实施例中，所述可控开关G1为功率开关管或机械开关；所述功率开关管为MOSFET、IGBT或三极管。

在一个实施例中，所述防过冲保护电路还包括钳位电路；所述钳位电路与被保护电气元件并联，用于将被保护电气元件两端电压钳位在预设值；

所述控制模块在被保护电气元件两端电压大于阈值时控制所述可控开关G1闭合，所述预设值大于所述阈值。

在一个实施例中，所述钳位电路为压敏电阻、放电管或瞬态二极管TVS管。

一种电气设备，包括：被保护电气元件，以及如上述任一种防过冲保护电路。

在一个实施例中，所述电气设备为变频器；所述变频器包括整流电路、逆变电路、母线电容和所述防过冲保护电路；

所述整流电路的输出端与所述逆变电路的输入端电连接；

所述母线电容并联在所述整流电路的输出端；

所述被保护电气元件包括所述母线电容。

在一个实施例中，所述母线电容为薄膜电容；

所述防过冲保护电路中的第一电阻R1包括第一PTC电阻PTC1、第二PTC电阻PTC2、第三PTC电阻PTC3和第四PTC电阻PTC4；

所述第一PTC电阻PTC1与第二PTC电阻PTC2并联；所述第三PTC电阻PTC3与第四PTC电阻PTC4并联；并联的所述第一PTC电阻PTC1与第二PTC电阻PTC2和并联的第三PTC电阻PTC3与第四PTC电阻PTC4之间串联连接。

从上述的技术方案可以看出，本实用新型提供的防过冲保护电路和电气设备利用电压检测模块实时检测被保护电气元件两端电压，并传输给控制模块，供控制模块判断被保护件是否存在电压过冲损坏风险，若是，控制可控开关G1闭合，使被保护件两端电压通过第一电阻R1放电，从而达到降低被保护件两端电压、避免被保护件损坏的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术公开的一种变频器电路拓扑结构示意图；

图2为本实用新型实施例公开的一种防过冲保护电路拓扑结构示意图；

图3示出了应用于图2中的硬件控制模块和电压检测模块的电路拓扑结构示意图；

图4示出了应用于图2中的第一电阻R1的电路拓扑结构示意图；

图5为本实用新型实施例公开的又一种防过冲保护电路拓扑结构示意图；

图6示出了应用于图5中的钳位电路和可控开关的电路拓扑结构示意图；

图7为本实用新型实施例公开的一种变频器电路拓扑结构示意图。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，下文中使用的技术名词、简写或缩写总结如下：

MOSFET：Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管；

IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管；

TVS：Transient Voltage Suppressor，瞬态二极管；

PTC：Positive Temperature Coefficient，正温度系数。

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参见图2，本实用新型实施例公开了一种防过冲保护电路，包括：第一防过冲模块300、电压检测模块400和控制模块500；

其中，第一防过冲模块300与被保护电气元件(以下简称为被保护件)并联；

第一防过冲模块300包括第一电阻R1和可控开关G1，第一电阻R1与可控开关G1串联；第一电阻R1为功率电阻或PTC电阻；

电压检测模块400的输入端与所述被保护件电连接(当所述被保护件的低电位端接地GND时，所述被保护件的高电位端DC+对地电压即为所述被保护件两端电压，此时电压检测模块400的输入端与所述被保护件的高电位端DC+电连接；当所述被保护件的低电位端不接地时，电压检测模块400的输入正极与所述被保护件的高电位端DC+电连接，电压检测模块400的输入负极与所述被保护件的低电位端电连接；图1仅以所述被保护件的低电位端接地GND作为示例)，输出端与控制模块500的输入端电连接，用于检测所述被保护件两端电压，并传输给控制模块500；

控制模块500的输出端与可控开关G1的开关控制端电连接。

图1所示方案的工作原理如下：电压检测模块400实时检测被保护件两端电压V_dc，并传输给控制模块500与预设电压进行比较，控制模块500根据比较结果输出控制信号，从而控制可控开关G1的开和关。例如，控制模块500在判断得到电压V_dc≤预设电压V1时，认为被保护件无电压过冲损坏风险，控制可控开关G1保持断开状态；在判断得到电压V_dc>预设电压V1时，认为被保护件存在电压过冲损坏风险，控制可控开关G1闭合，使被保护件两端电压通过第一电阻R1放电，从而达到降低被保护件两端电压，避免被保护件损坏的目的。

其中，第一电阻R1不建议采用普通电阻，而是推荐采用功率电阻或PTC电阻。普通电阻无法在短时间内吸收大量能量，所以在防电压过冲保护场合应用时容易超过电阻耐量，造成电阻损坏；而功率电阻和PTC电阻均能够在短时间内吸收大量能量，而且PTC电阻相比功率电阻更是能够在超过电阻耐量时直接起到“断路”效果，不会造成电阻损坏。

在上一实施例中，控制模块500可以是硬件控制模块，也可以是软件控制模块，也可以是互为冗余设置的硬件控制模块和软件控制模块，并不局限。硬件控制模块包括通过硬件电路实现逻辑控制的模块，软件控制模块包括通过软件实现逻辑控制的模块。硬件控制模块相比软件控制模块具有响应速度更快、保护更及时的优势，但成本也相对较高。

硬件控制模块和软件控制模块的逻辑控制均可以是：将检测到的被保护件两端电压V_dc与预设电压V1进行比较，当电压V_dc>V1时，控制可控开关G1闭合；当V_dc≤V1时，控制可控开关G1保持断开状态。或者，硬件控制模块和软件控制模块的逻辑控制也可以均替换为：将检测到的被保护件两端电压V_dc与预设电压V2和预设电压V3进行比较，V3＜V2；若V_dc＞V2，控制可控开关G1闭合；若V_dc＜V3，控制可控开关G1保持断开状态；本逻辑控制相比上一逻辑控制，实现了滞回控制，避免了在临界状态下可控开关G1频繁动作。

在上述公开的任一实施例中，电压检测模块400的特征也可以替换为：将检测到的被保护件两端电压转换成低压信号后再传输给控制模块500，从而降低控制模块500可处理的信号的电压等级。具体实现方式可以是，电压检测模块400包含电阻分压单元，电压检测模块400利用电阻分压单元将检测的被保护件两端电压转换成低压信号，然后再传输给控制模块500。

在一个实施例中，参见图3，所述硬件控制模块包括比较器M；所述电阻分压单元包括第二电阻R11和第三电阻R12，第二电阻R11的一端与被保护件的高电位端DC-电连接，另一端同时与第三电阻R12的一端和比较器M的反向输入端电连接，第三电阻R12的另一端与被保护件的低电位端电连接(图3仍仅以被保护件的低电位端接地GND作为示例)；比较器M的同相输入端接收基准电压Vref也即所述预设电压V1，比较器M的输出端与可控开关G1的开关控制端电连接。

在上述公开的任一实施例中，可控开关G1可以为功率开关管也可以为机械开关。所述功率开关管例如为MOSFET、IGBT或三极管。当为MOSFET时，可控开关G1的开关控制端即为MOSFET的栅极；当为IGBT时，可控开关G1的开关控制端即为IGBT的基极；当为三极管时，可控开关G1的开关控制端即为三极管的基极。所述机械开关例如为继电器。

在上述公开的任一实施例中，第一电阻R1可以是一个独立的电阻元件，也可以是多个电阻元件的串联组合、并联组合或串并联组合。例如，可以设置第一电阻R1为PTC电阻两两并联后再串联使用，也即是说，如图4所示，第一电阻R1包括四个PTC电阻PTC1～PTC4，PTC1与PTC2并联形成一个电路单元，PTC3与PTC4并联形成另一电路单元，两电路单元串联形成第一电阻R1。同样的，第二电阻R11可以是一个独立的电阻元件，也可以是多个电阻元件的串联组合、并联组合或串并联组合；第三电阻R12可以是一个独立的电阻元件，也可以是多个电阻元件的串联组合、并联组合或串并联组合。

此外，在上述公开的任一实施例中，考虑到当被保护件两端电压过冲时，一般电压都会上升得比较快，控制模块500从判断到电压过冲到开始动作，会有一个延迟时间，此延迟时间内电压会继续上升；且第一防过冲模块300利用第一电阻R1消耗能量也需要一定时间，当过冲能量较大时，被保护件两端电压还是会有继续冲高、造成被保护件损坏的风险。对此，基于上述公开的任一实施例，还可增设钳位电路600，如图5所示，钳位电路600与被保护件并联，用于将被保护件两端电压钳位在预设值V4。钳位电路600电路简单且响应快，可作为防电压过冲的最后一道防线，防止电压继续升高，V4为V1、V2、V3、V4中的最高电压。

在一个实施例中，钳位电路600例如可以为压敏电阻、放电管或TVS管，并不局限，图6仅以钳位电路600为压敏电阻RV1、并且可控开关为IGBT作为示例。

此外，本申请还公开了一种电气设备，包括被保护件以及上述公开的任一种防过冲保护电路。

在一个实施例中，上述防过冲保护电路可以运用到变频器中，也即，上述的电气设备为变频器。如图7所示，所述变频器包括整流电路100、逆变电路200、母线电容C1和防过冲保护电路。

具体的，整流电路100的输出端与逆变电路200的输入端电连接，整流电路100用于把输入的交流电转换为直流电，逆变电路200用于把直流电转换成频率及电压可调的交流电，以驱动电机M运转；

母线电容C1并联在整流电路100的输出端，其作用是滤波和储能；

所述被保护件包括母线电容C1；母线电容C1的低电位端接地GND，母线电容C1的高电位端DC+对地电压即为母线电容C1两端电压。在母线电压出现过冲时，通过控制可控开关G1的导通，使母线电压通过R1放电，从而达到降低母线电压，实现对母线电容C1的保护。

所述变频器可广泛应用到空调、冰箱、洗衣机等设备中。

在一个实施例中，所述母线电容C1为薄膜电容C1，对应的，所述变频器为薄膜电容变频器；该薄膜电容变频器用于驱动空调/冰箱/洗衣机的压缩机(即所述驱动电机M可以为空调/冰箱/洗衣机的压缩机)，因为薄膜电容C1容值较小，所以母线电压异常情况下容易发生过冲，而防过冲保护电路的加入解决了该过冲问题。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的电气设备而言，由于其与实施例公开的防过冲保护电路相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见防过冲保护电路部分相关说明即可。

本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的不同对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种防过冲保护电路，其特征在于，包括：第一防过冲模块、电压检测模块和控制模块；

其中，所述第一防过冲模块与被保护电气元件并联；

所述第一防过冲模块包括第一电阻(R1)和可控开关(G1)，所述第一电阻(R1)与所述可控开关(G1)串联；所述第一电阻(R1)为功率电阻或正温度系数电阻；

所述电压检测模块的输入端与所述被保护电气元件电连接，输出端与所述控制模块的输入端电连接；

所述控制模块的输出端与所述可控开关(G1)的开关控制端电连接。

2.根据权利要求1所述的防过冲保护电路，其特征在于，所述控制模块为硬件控制模块；

或者，所述控制模块为软件控制模块；

或者，所述控制模块包括互为冗余设置的硬件控制模块和软件控制模块；

硬件控制模块包括通过硬件电路实现逻辑控制的模块，软件控制模块包括通过软件实现逻辑控制的模块；

所述被保护电气元件为薄膜电容。

3.根据权利要求2所述的防过冲保护电路，其特征在于，所述电压检测模块包括电阻分压单元；所述电阻分压单元用于检测所述被保护电气元件两端电压，将其转换成低压信号后再传输给所述控制模块。

4.根据权利要求3所述的防过冲保护电路，其特征在于，所述硬件控制模块包括比较器；所述电阻分压单元包括第二电阻(R11)和第三电阻(R12)，所述第二电阻(R11)的一端与被保护电气元件的高电位端电连接，另一端同时与所述第三电阻(R12)的一端和所述比较器的反向输入端电连接，所述第三电阻(R12)的另一端与被保护电气元件的低电位端电连接；所述比较器的同相输入端接收基准电压，所述比较器的输出端与所述可控开关(G1)的开关控制端电连接。

5.根据权利要求1或2所述的防过冲保护电路，其特征在于，所述可控开关(G1)为功率开关管或机械开关；所述功率开关管为MOSFET、IGBT或三极管。

6.根据权利要求1或2所述的防过冲保护电路，其特征在于，所述防过冲保护电路还包括钳位电路；所述钳位电路与被保护电气元件并联，用于将被保护电气元件两端电压钳位在预设值；

所述控制模块在被保护电气元件两端电压大于阈值时控制所述可控开关(G1)闭合，所述预设值大于所述阈值。

7.根据权利要求6所述的防过冲保护电路，其特征在于，所述钳位电路为压敏电阻、放电管或瞬态二极管TVS管。

8.一种电气设备，其特征在于，包括：被保护电气元件，以及如权利要求1～7中任一项所述的防过冲保护电路。

9.根据权利要求8所述的电气设备，其特征在于，所述电气设备为变频器；所述变频器包括整流电路、逆变电路、母线电容和所述防过冲保护电路；

所述整流电路的输出端与所述逆变电路的输入端电连接；

所述母线电容并联在所述整流电路的输出端；

所述被保护电气元件包括所述母线电容。

10.根据权利要求9所述的电气设备，其特征在于，所述母线电容为薄膜电容；

所述防过冲保护电路中的第一电阻(R1)包括第一PTC电阻(PTC1)、第二PTC电阻(PTC2)、第三PTC电阻(PTC3)和第四PTC电阻(PTC4)；

所述第一PTC电阻(PTC1)与第二PTC电阻(PTC2)并联；所述第三PTC电阻(PTC3)与第四PTC电阻(PTC4)并联；并联的所述第一PTC电阻(PTC1)与第二PTC电阻(PTC2)和并联的第三PTC电阻(PTC3)与第四PTC电阻(PTC4)之间串联连接。

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