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CN105827105B - 一种利用开关方式实现交流输入限压的电路 - Google Patents

一种利用开关方式实现交流输入限压的电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种利用开关方式实现交流输入限压的电路，其包括输入电路模块、整流电路模块、比较电路模块、场效应管驱动电路模块、开关电路模块和输出电路模块；输入电路模块输入交流输入电压，经整流电路模块整流后输出至比较电路模块，并最终经输出电路模块输出；场效应管驱动电路模块和开关电路模块连接在比较电路模块与输出端线路模块之间的供电回路上；比较电路模块通过设置稳压管具备电压比较功能，低于电压比较门槛值的电压信号，会使负载供电回路导通，而高于电压比较门槛值的电压信号将使得比较电路模块输出导通信号，进而驱动串接在原供电回路上的MOS开关管关断，断开供电回路。本发明电路体积小，效率高，发热量低，并且成本很低。

Description

一种利用开关方式实现交流输入限压的电路
技术领域
本发明涉及保护后级电气化控保设备技术领域，特别是一种用于光伏、轨道交通等交流供电波动较大场合的利用开关方式实现交流输入限压的电路。
背景技术
光伏系统应用中，当箱变低压侧开关跳开时，光伏区的电气化控保设备此刻均由光伏逆变器供电。但由于光伏逆变器突然进入孤岛模式运行，会导致输出的交流电瞬间抬升至450VAC，持续3个周波，从而击穿电气化控保设备的供电输入回路，造成设备损坏和经济损失，并且让光伏系统脱离保护运行。
轨道交通应用中，电气化控保设备由市电供电，某些应用场合箱变变压器设计不合理时，一次电压由于负载变化的造成的波动会直接影响二次电压，二次电压会抬升至320VAC左右，持续30分钟左右，长时间过电压运行会击穿电气化控保设备供电输入回路，造成设备损坏和经济损失，并且让轨道交通系统脱离保护运行。
常规保护方式是在电气化控保设备前端并硅链，通过硅链的线形稳压方式限制输入电压，其缺点是体积大，效率低，发热厉害，并且成本高。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：利用开关方式限制输入电压，传入供电回路中。电路体积小，效率高，发热量低，并且成本很低。
本发明采取的技术方案具体为：一种利用开关方式实现交流输入限压的电路，包括输入电路模块、整流电路模块、比较电路模块、场效应管驱动电路模块、开关电路模块和输出电路模块；
所述输入电路模块的输入端输入交流输入电压，经整流电路模块整流后输出至比较电路模块，并最终经输出电路模块输出，形成负载供电回路；输出电路模块包括连接在其电压信号输出端之间的储能电容；场效应管驱动电路模块和开关电路模块连接在比较电路模块与输出端线路模块之间的负载供电回路上；
比较电路模块包括串接于其电压信号输入端之间的限流电阻和1个以上稳压管；限流电阻与多个稳压管相接的节点为导通输出节点；所有稳压管的稳压值之和即电压比较门槛值；输入至比较电路模块的高于电压比较门槛值的电压信号可使得导通输出节点输出高电平，反之为低电平；
场效应管驱动电路模块中设有连接前述导通输出节点的MOS管驱动电路；开关电路单元包括连接上述MOS管驱动电路的第一MOS开关管和第二MOS开关管；第二MOS开关管的漏极和源极串接在负载供电回路上；
比较电路模块中导通输出节点输出高电平可使得MOS管驱动电路驱动第一MOS开关管导通，第二MOS开关管关断，从而断开负载供电回路，储能电容通过输出电路模块的电压信号输出端放电；比较电路模块中导通输出节点输出低电平可使得MOS管驱动电路驱动第一MOS开关管关断，第二MOS开关管导通，从而使得负载供电回路导通，同时为储能电容充电。
本发明在应用时，比较电路模块中所有稳压管的稳压值之和即为电压比较门槛值，低于电压比较门槛值的半波电压信号不会导致第一MOS开关管的导通，则第二MOS开关管处于导通状态，电压经第二MOS开关管的源漏极后从输出电路模块输出，同时储能电容充电；交流输入电压高于电压比较门槛值时，稳压管将被击穿，在驱动电路的作用下，第一MOS开关管导通，继而第二MOS开关管关断，则原负载供电回路被切断，转由储能电容放电，为后续电路提供电能。
进一步的，本发明中，输入电路模块包括输入防护单元，所述输入防护单元包括分别跨接于电源火线与接地端之间以及电源零线与接地端之间的安规电容、连接在电源火线与零线之间的压敏电阻，和串接在电源火线上的熔断器和压敏电阻。输入防护单元的设置用于抑制共模干扰和浪涌。
所述整流电路模块包括整流桥，整流桥将50HZ的交流输入电压信号整流为100HZ的半波电压信号。
比较电路模块中，五个稳压管相串接，且稳压管的阳极朝向经整流后的电压信号的正极，阴极朝向限流电阻。
进一步的，本发明中，所述MOS管驱动电路中包括并接于第一MOS管的栅极与源极上的稳压管D7和并接于第二MOS开关管的栅极与源极上的稳压管D18；
稳压管D7的阳极与第一MOS开关管的栅极连接比较电路模块的导通输出节点；稳压管D7的阴极与第一MOS开关管的源极连接负载供电回路的负极；
稳压管D18的阳极与第二MOS开关管的栅极连接负载供电回路的正极，稳压管D18的阴极连接负载供电回路的负极，第二MOS开关管的源极和漏极串接在负载供电回路的负极线路上；稳压管D7和D18用于防护场效应管Q1和Q2的栅源极不被击穿；
且第一MOS开关管的漏极与第二MOS开关管的栅极相连，使得第一MOS开关管Q1成为第二MOS开关管Q2的驱动电路的一部分。
进一步的，本发明MOS管驱动电路还包括由电阻R5和电容C4组成的滤波电路，电容C4两端并接在稳压管D18两端上，电阻R5串接在稳压管D18与第二MOS开关管的栅极之间；同时电容C4中存储的能量用于驱动场效应管Q2；
稳压管D18阳极经限流电阻连接负载供电回路的正极。
进一步的，本发明第二MOS开关管的源极和漏极上还并接有开关管防护单元，开关管防护单元由瞬态抑制二极管与电阻串接组成，可用于保护场效应管。
优选的，本发明中第一MOS开关管和第二MOS开关管皆为NMOS管。NMOS的开关管具有开关速度快，额定电流大，耐压高的特点。
本发明的有益效果为：电路设计简单，运行安全性较高，能够保证后级电气化控保设备在复杂的电压环境下长期运行的安全性和可靠性。且本发明电路体积小，限压效率高，发热量小，成本低。
附图说明
图1所示为本发明一种具体实施例的电路结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例进一步描述。
参考图1，本发明利用开关方式实现交流输入限压的电路，包括输入电路模块1、整流电路模块2、比较电路模块3、场效应管驱动电路模块4、开关电路模块5和输出电路模块6；
输入电路模块1的输入端输入交流输入电压，经整流电路模块2整流后输出至比较电路模块3，并最终经输出电路6模块输出，形成负载供电回路；输出电路模块6包括连接在其电压信号输出端之间的储能电容C15；场效应管驱动电路模块4和开关电路模块5连接在比较电路模块3与输出端线路模块6之间的负载供电回路上；
比较电路模块3包括串接于其电压信号输入端之间的限流电阻R7和1个以上稳压管；限流电阻R7与多个稳压管相接的节点为导通输出节点；所有稳压管的稳压值之和即电压比较门槛值；输入至比较电路模块的高于电压比较门槛值的电压信号可使得导通输出节点输出高电平，反之为低电平；
场效应管驱动电路模块4中设有连接前述导通输出节点的MOS管驱动电路；开关电路单元5包括连接上述MOS管驱动电路的第一MOS开关管Q1和第二MOS开关管Q2；第二MOS开关管Q2的漏极和源极串接在负载供电回路上；
比较电路模块中导通输出节点输出高电平可使得MOS管驱动电路驱动第一MOS开关管导通，第二MOS开关管关断，从而断开负载供电回路，储能电容通过输出电路模块的电压信号输出端放电；比较电路模块中导通输出节点输出低电平可使得MOS管驱动电路驱动第一MOS开关管关断，第二MOS开关管导通，从而使得负载供电回路导通，同时为储能电容充电。
进一步的，输入电路模块包括用于抑制共模干扰和浪涌的输入防护单元，输入防护单元包括分别跨接于电源火线L与接地端PE之间以及电源零线N与接地端PE之间的安规电容C1和C2、连接在电源火线L与零线N之间的压敏电阻R2，和串接在电源火线上的熔断器F1和压敏电阻R11。
整流电路模块采用现有整流桥，整流桥将50HZ的交流输入电压信号整流为100HZ的半波电压信号。
比较电路模块中，五个稳压管D1、D2、D4、D5、D6相串接，且稳压管的阳极朝向经整流后的电压信号的正极，阴极朝向限流电阻R7。
MOS管驱动电路中包括并接于第一MOS管的栅极与源极上的稳压管D7和并接于第二MOS开关管的栅极与源极上的稳压管D18；
稳压管D7的阳极与第一MOS开关管的栅极连接比较电路模块的导通输出节点；稳压管D7的阴极与第一MOS开关管的源极连接负载供电回路的负极；
稳压管D18的阳极与第二MOS开关管的栅极经并联的限流电阻R4和R9后，连接负载供电回路的正极，稳压管D18的阴极连接负载供电回路的负极，第二MOS开关管的源极和漏极串接在负载供电回路的负极线路上；稳压管D7和D18用于防护场效应管Q1和Q2的栅源极不被击穿；
且第一MOS开关管的漏极与第二MOS开关管的栅极相连，使得第一MOS开关管Q1成为第二MOS开关管Q2的驱动电路的一部分。
本发明MOS管驱动电路还包括由电阻R5和电容C4组成的滤波电路，电容C4两端并接在稳压管D18两端上，电阻R5串接在稳压管D18与第二MOS开关管的栅极之间；同时电容C4中存储的能量用于驱动场效应管Q2。
第二MOS开关管的源极和漏极上并接有开关管防护单元，开关管防护单元由瞬态抑制二极管D8和D9与电阻R12串接组成，可用于保护场效应管Q2。
本发明中第一MOS开关管和第二MOS开关管皆为现有的NMOS管，其具有开关速度快，额定电流大，耐压高的特点。
在应用时，比较电路模块中所有稳压管的稳压值之和即为电压比较门槛值，低于电压比较门槛值的半波电压信号不会导致第一MOS开关管的导通，则第二MOS开关管处于导通状态，电压经第二MOS开关管的源漏极后从输出电路模块输出，同时储能电容充电；交流输入电压高于电压比较门槛值时，稳压管将被击穿，导通输出节点为高电平，在驱动电路的作用下，第一MOS开关管导通，继而第二MOS开关管关断，则原负载供电回路被切断，转由储能电容放电，为后续电路提供电能。
实施例
如图1所示的实施例，输入交流50HZ的电压时，通过D3整流后输出为100HZ的半波电压。D1为47V稳压管，D2，D4，D5，D6为82V稳压管，所以电压比较门槛为375V。R7为3W，100K欧姆的功率电阻。当输入交流电压峰值低于375V时，比较电路截至，Q1的栅源极电压为0V，Q1关断。D18为16V的稳压管，且R4，R9阻值非常大，所以C4两端的电压为16V，即Q2的栅源极电压为16V，Q2导通。输入交流电压给C15电容充电并为后级电路提供能量。当输入交流电压峰值高于375V时，为了描述方便，假设输入交流电压峰值为400V，当100HZ半波电压爬升至375V以上时，比较电路导通动作，导通输出节点为高电平，D7为16V稳压管，所以Q1的栅源极为16V，Q1导通，瞬间将C4的电压泄放掉，Q2的栅源极电压由16V变为0V，Q2关断。此刻C15电容上的电压为375V，Q2漏源极最大电压为25V。
实际应用时，可以根据系统需求，调整D1，D2，D4，D5，D6的稳压管型号，获取不同的比较门槛。并且根据后级负载和输入交流电压的峰值调整C15的容值和耐压值，确保在Q2关断期间，C15上存储的能量足以保持后级负载正常工作，且不会被击穿。

Claims (6)

1.一种利用开关方式实现交流输入限压的电路，其特征是，包括输入电路模块、整流电路模块、比较电路模块、场效应管驱动电路模块、开关电路模块和输出电路模块；
所述输入电路模块的输入端输入交流输入电压，经整流电路模块整流后输出至比较电路模块，并最终经输出电路模块输出，形成负载供电回路；输出电路模块包括连接在其电压信号输出端之间的储能电容；场效应管驱动电路模块和开关电路模块连接在比较电路模块与输出端线路模块之间的负载供电回路上；
比较电路模块包括串接于其电压信号输入端之间的限流电阻和1个以上稳压管；限流电阻与多个稳压管相接的节点为导通输出节点；所有稳压管的稳压值之和即电压比较门槛值；输入至比较电路模块的高于电压比较门槛值的电压信号可使得导通输出节点输出高电平，反之为低电平；
场效应管驱动电路模块中设有连接前述导通输出节点的MOS管驱动电路；开关电路单元包括连接上述MOS管驱动电路的第一MOS开关管和第二MOS开关管；第二MOS开关管的漏极和源极串接在负载供电回路上；
比较电路模块中导通输出节点输出高电平可使得MOS管驱动电路驱动第一MOS开关管导通，第二MOS开关管关断，从而断开负载供电回路，储能电容通过输出电路模块的电压信号输出端放电；比较电路模块中导通输出节点输出低电平可使得MOS管驱动电路驱动第一MOS开关管关断，第二MOS开关管导通，从而使得负载供电回路导通，同时为储能电容充电；
所述MOS管驱动电路中包括并接于第一MOS管的栅极与源极上的稳压管(D7)和并接于第二MOS开关管的栅极与源极上的稳压管(D18)；
稳压管(D7)的阴极与第一MOS开关管的栅极连接比较电路模块的导通输出节点；稳压管(D7)的阳极与第一MOS开关管的源极连接负载供电回路的负极；
稳压管(D18)的阳极与第二MOS开关管的栅极连接负载供电回路的正极，稳压管(D18)的阴极连接负载供电回路的负极，第二MOS开关管的源极和漏极串接在负载供电回路的负极线路上；
且第一MOS开关管的漏极与第二MOS开关管的栅极相连；
MOS管驱动电路还包括由电阻(R5)和电容(C4)组成的滤波电路，电容(C4)两端并接在稳压管(D18)两端上，电阻(R5)串接在稳压管(D18)与第二MOS 开关管的栅极之间；同时电容C4中存储的能量用于驱动场效应管Q2；稳压管(D18)阳极经限流电阻连接负载供电回路的正极；
导通输入节点与第二MOS开关管的漏极之间还并接有电阻R1和电阻R3。
2.根据权利要求1所述的利用开关方式实现交流输入限压的电路，其特征是，输入电路模块包括输入防护单元，所述输入防护单元包括分别跨接于电源火线与接地端之间以及电源零线与接地端之间的安规电容、连接在电源火线与零线之间的压敏电阻，和串接在电源火线上的熔断器和压敏电阻。
3.根据权利要求1所述的利用开关方式实现交流输入限压的电路，其特征是，所述整流电路模块包括整流桥，整流桥将50HZ的交流输入电压信号整流为100HZ的半波电压信号。
4.根据权利要求1所述的利用开关方式实现交流输入限压的电路，其特征是，比较电路模块中，五个稳压管相串接，且稳压管的阳极朝向经整流后的电压信号的正极，阴极朝向限流电阻。
5.根据权利要求1所述的利用开关方式实现交流输入限压的电路，其特征是，第二MOS开关管的源极和漏极上还并接有开关管防护单元，开关管防护单元由瞬态抑制二极管与电阻串接组成。
6.根据权利要求1至5任一项所述的利用开关方式实现交流输入限压的电路，其特征是，第一MOS开关管和第二MOS开关管皆为NMOS管。
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Granted publication date: 20180911

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