CN107769190A - 小型高压预充电装置 - Google Patents

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李宝
王文兵
吴鹏
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杜庆洋
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Abstract

本发明公开了一种小型高压预充电装置，包括与微处理器相连接相连接的充电单元和放电单元，充电单元和放电单元均连接电容；充电单元包括与微处理器相连接的三个并联的支路电路和功率电源，三个支路电路均包括与微处理器相连接的第一PI调节电路和第一基准电路，第一基准电路连接第一PI调节电路，通过微处理器控制第一基准电路中的基准电压的不同，进而实现充电电流的不同。该装置适用范围广，可应用于高压电气***中各母线电容或容性设备的充电，与现有技术比较，本发明提出的电容充电电路可有效限制电容启动时的瞬间冲击电流，减小启动时对电源和电容的冲击，提高电气***稳定性。

Description

小型高压预充电装置
技术领域
本发明属于高压充电领域，涉及一种小型高压预充电装置。
背景技术
直流高压供电体制***中，为维持直流电压稳定，通常在母线上或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。由于电容在冷态启动时，相当于短路，会出现瞬间冲击电流，对电源、设备造成冲击。现阶段，针对该类电容，通常在回路串联电阻，限制瞬间的冲击电流，待电容充满后，切换至高压继电器进行配电。
传统充电***中采用串联电阻进行限流，无保护、体积大、可靠性低等现状，存在以下缺陷：
1.电容充电瞬间电流较大，限流电阻可限制电流冲击，则电阻功耗较大，需选择功率较大的电阻，功率大意味着体积大，导致装置体积大，浪费空间；
2.电容充电过程中，无保护功能，安全性低；
3.***断电后，电容上存在电压，无放电回路，存在安全隐患；
4.电容的充电时间受限流电阻的影响，时间固定不可调。
发明内容
本发明的目的在于提供一种小型高压预充电装置，该装置适用范围广，可应用于高压电气***中各母线电容或容性设备的充电，与现有技术比较，本发明提出的电容充电电路可有效限制电容启动时的瞬间冲击电流，减小启动时对电源和电容的冲击，提高电气***稳定性。该装置体积小，可适用于市场小型化产品需求的趋势，充、放电时间可灵活变换，适应不同容量负载的需求。
本发明的预充电装置具有充电、放电功能，适用于高压***中电容充电的小型预充电装置，同时具备负载异常判断、短路保护功能，该装置的充电、放电功能可通过CAN总线指令和外部硬件手动两种方式实现。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
小型高压预充电装置，包括与微处理器相连接相连接的充电单元和放电单元，充电单元和放电单元均连接电容；
所述充电单元包括与微处理器相连接的三个并联的支路电路和功率电源，三个支路电路均包括与微处理器相连接的第一PI调节电路和第一基准电路，第一基准电路连接第一PI调节电路，通过微处理器控制第一基准电路中的基准电压的不同，进而实现充电电流的不同；
所述第一PI调节电路连接第一MOS管的栅极，第一MOS管的源极连接功率电源，第一MOS管的漏极通过电流反馈电阻连接电容，第一MOS管的栅极和漏极之间并联有二极管，第一电流反馈电阻的两端并联有第一放大电路，第一放大电路连接第一PI调节电路，输出电流经过第一电流反馈电阻，在第一电流反馈电阻两端形成取样电压，取样电压经过第一放大电路放大后接至第一PI调节电路，通过第一PI调节电路调节第一MOS管的输出电流，直到经过第一电流反馈电阻的电流恒定，通过恒定的电流为电容充电。
进一步地，所述放电单元包括与微处理器相连接的第二PI调节电路和第二基准电路，第二PI调节电路连接第二MOS管的栅极，第二MOS管的源极连接电容，第二MOS管的漏极连接第二电流反馈电阻，第二电流反馈电阻接地，第二电流反馈电阻的两端并联有放大电路，第二放大电路连接第二PI调节电路。
进一步地，所述第一PI调节电路包括放大器N2A和并联于放大器N2A的2引脚和输出1引脚之间的电阻和电容，放大器N2A的8引脚连接放大器N2A的供电电源VCC,同时放大器N2A的8引脚通过第一控制电路连接微处理器，2引脚通过电阻连接放大电路，3引脚连接第一基准电路，放大器N2A的输出1引脚通过电阻连接MOS管的栅极。
进一步地，所述第一控制电路包括电耦E2，电耦E2的2引脚连接三极管Q4的发射极，三极管Q4的基极通过电阻R10连接CON接口，CON接口连接微处理器，电耦E2的3引脚连接电阻R6和电阻R4的一端，电耦E2的4引脚通过电容C4连接三极管Q2的基极和电阻R6的另一端，电阻R4的另一端连接+15V电源和三极管Q2的发射极，三极管Q2的集电极连接放大器N2A的8引脚。
进一步地，所述第一基准电路包括+15V电源和+15V电源依次串联的电阻R20、电阻R29、电阻R36、电阻R39，电阻39的一端接地，电阻R20和电阻R29连接处连接通过电阻连接放大器N2A的3引脚和电耦E4的4引脚，电阻R36和电阻R39的连接处连接电耦E5的3引脚，电耦E4的3引脚和电耦E5的4引脚均与R29和电阻R36的连接处相连接；电耦E4的2引脚连接微处理器的IO1接口，电耦E5的2引脚连接微处理器的IO2接口。
本发明的有益效果：
本发明采用恒流充电方式，有效限制电容瞬间冲击电流，减小启动时对电源和电容的冲击。
本发明具备充电、放电功能，保护功能齐全，安全性高。
本发明的预充电装置采用一体化结构，集成度高，体积小，相较传统的电阻限流的方式，该装置体积大大缩小，适用度高。
本发明充电电流及放电电流均可调节，使电容充电和放电的时间可控，适应不同容量电容的要求。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明高压预充电装置示意图；
图2为本发明充电单元示意图；
图3为本发明放电单元示意图；
图4为本发明充电单元电路结构示意图；
图5为本发明放电单元电路结构示意图；
图6为本发明微处理器控制电路示意图；
图7为本发明充电和放电过程示意图。
具体实施方式
小型高压预充电装置，如图1所示，包括与微处理器相连接相连接的充电单元和放电单元，充电单元和放电单元均连接电容；
如图2所示，充电单元包括与微处理器相连接的三个并联的支路电路和功率电源，三个支路电路均包括与微处理器相连接的第一PI调节电路和第一基准电路，第一基准电路连接第一PI调节电路，通过微处理器控制第一基准电路中的基准电压的不同，进而实现充电电流的不同，第一PI调节电路连接第一MOS管的栅极，第一MOS管的源极连接功率电源，第一MOS管的漏极通过电流反馈电阻连接电容，第一MOS管的栅极和漏极之间并联有二极管，第一电流反馈电阻的两端并联有第一放大电路，第一放大电路连接第一PI调节电路，输出电流经过第一电流反馈电阻，在第一电流反馈电阻两端形成取样电压，取样电压经过第一放大电路放大后接至第一PI调节电路，通过第一PI调节电路调节第一MOS管的输出电流，直到经过第一电流反馈电阻的电流恒定，通过恒定的电流为电容充电；
如图3所示，所述放电单元包括与微处理器相连接的第二PI调节电路和第二基准电路，第二PI调节电路连接第二MOS管的栅极，第二MOS管的源极连接电容，第二MOS管的漏极连接第二电流反馈电阻，第二电流反馈电阻接地，第二电流反馈电阻的两端并联有放大电路，第二放大电路连接第二PI调节电路；
如图4所示，所述第一PI调节电路包括放大器N2A和并联于放大器N2A的2引脚和输出1引脚之间的电阻和电容，放大器N2A的8引脚连接放大器N2A的供电电源VCC,同时放大器N2A的8引脚通过第一控制电路连接微处理器，2引脚通过电阻连接放大电路，3引脚连接第一基准电路，放大器N2A的输出1引脚通过电阻连接MOS管的栅极；
所述第一控制电路包括电耦E2，电耦E2的2引脚连接三极管Q4的发射极，三极管Q4的基极通过电阻R10连接CON接口，CON接口连接微处理器，电耦E2的3引脚连接电阻R6和电阻R4的一端，电耦E2的4引脚通过电容C4连接三极管Q2的基极和电阻R6的另一端，电阻R4的另一端连接+15V电源和三极管Q2的发射极，三极管Q2的集电极连接放大器N2A的8引脚；
所述第一放大电路包括放大器N2B和并联于放大器N2B的6引脚和7引脚之间的电阻R37，电阻R37的一端连接电阻R38，放大器N2B的5引脚连接电阻R28，电阻R38和电阻R28的一端分别连接于电流反馈电阻的两端，放大器N2B的7引脚通过电阻连接放大器N2A的2引脚；
所述第一基准电路包括+15V电源和+15V电源依次串联的电阻R20、电阻R29、电阻R36、电阻R39，电阻39的一端接地，电阻R20和电阻R29连接处连接通过电阻连接放大器N2A的3引脚和电耦E4的4引脚，电阻R36和电阻R39的连接处连接电耦E5的3引脚，电耦E4的3引脚和电耦E5的4引脚均与R29和电阻R36的连接处相连接；电耦E4的2引脚连接微处理器的IO1接口，电耦E5的2引脚连接微处理器的IO2接口；
具体充电过程如下：+15V2通过电阻R20、R29、R36和R39组成的回路进行分压，提供基准电压，再通过IO1和IO2接口控制光耦E4、E5的通断，可改变基准电压的值，不同基准电压对应不同的充电电流；
微处理器接收总线打开充电指令后，控制CON接口接至低，三极管Q4截止，光耦E2随之关断，+15V2经过电阻R4、R6使三极管Q2导通，+15V2通过三极管Q2输出至运算放大器N2的8脚(即供电电源端)，此时由于放大器N2A的同相输入端(3脚)有基准电压，放大器N2A的输出端(1脚)电压开始上升，此电压即为第一MOS管驱动电压，当驱动电压上升至超过第一MOS管开启电压，第一MOS管开始输出，为电容充电，输出电流经过第一电流反馈电阻R31，在R31两端形成取样电压，取样电压经过第一放大电路(由电阻R28、R37、R38以及运算放大器N2构成)放大后接至第一PI调节电路(由运算放大器N2、电阻R22、电容C13等构成)中运算放大器N2A的反相输入端(2脚)，当第一MOS管输出电流继续增大，直到运算放大器N2A的2脚电压与3脚的基准电压无限接近时，放大器N2A的1脚的输出电压开始稳定，第一MOS管开始恒流输出给电容充电。在恒流充电过程中，通过控制光耦E4、E5的通断，调节电压基准，电路将按照上述的过程自动调节，以重新达到恒流稳定状态，从而改变充电电流大小，以调整电容充电时间；
微处理器接收总线关闭充电指令后，控制CON接口接至高(5V)，三极管Q4导通，光耦E2随之导通，从而三极管Q2截止，使得放大器N2A的供电电源VCC无电压，放大器N2A不工作，第一MOS管无驱动电压，充电电路关断。
如图5所示，所述第二PI调节电路包括放大器N1A和并联于放大器N1A的2引脚和输出1引脚之间的电阻和电容；
所述第一控制电路包括电耦E1，电耦E1的2引脚连接三极管Q3的发射极，三极管Q3的基极通过电阻R9连接discharge接口，discharge接口连接微处理器，耦E1的3引脚连接电阻R5和电阻R2的一端，电耦E1的4引脚通过电容C3连接三极管Q1的基极和电阻R5的另一端，电阻R2的另一端连接+15V电源和三极管Q1的发射极，三极管Q1的集电极连接放大器N1A的8引脚；
所述第二放大电路包括放大器N1B和并联于放大器N1B的6引脚和7引脚之间的电阻R34，电阻R34与放大器N1B的6引脚连接处连接有电阻R35，放大器N2B的5引脚连接电阻R26；
所述第一基准电路包括+15V电源和+15V电源依次串联的电阻R19、电阻R27、电阻R32，电阻R32的一端接地，电阻R19和电阻R27连接处连接通过电阻连接放大器N1A的3引脚和电耦E3的4引脚，电耦E3的3引脚连接于R27和电阻R32的连接处，电耦E3的2引脚连接微处理器的IO接口；
具体放电过程如下：+15V1通过电阻R19、R27和R32组成的回路进行分压，提供放电基准电压，再通过IO接口控制光耦E3的通断，可改变基准电压的值，不同基准电压对应不同的放电电流；
微处理器接收总线打开放电指令后，将控制discharge接口接至低，三极管Q3截止，光耦E1随之关断，+15V1经过电阻R2、R5使三极管Q1导通，+15V1通过三极管Q1输出至运算放大器N1A的8脚(即供电电源端)，此时由于运算放大器N1的同相输入端(3脚)有基准电压，放大器N1A的输出端(1脚)电压开始上升，此电压即为第二MOS管驱动电压，当驱动电压上升至超过M第二OS管门限电压，第二MOS管Q5开始输出，为电容充电，输出电流经过第二电流反馈电阻R30，在R30两端形成取样电压，取样电压经过放大电路(由电阻R26、R34、R35以及放大器N1A构成)放大后接至第二P I调节电路(由运算放大器N1、电阻R21、电容C12等构成)中放大器N1A的反相输入端(2脚)，当第二MOS管Q5输出电流继续增大，直到放大器N1A的2脚电压与3脚的基准电压无限接近时，放大器N1A的1脚的输出电压开始稳定，第二MOS管Q5开始恒流输出给容性设备放电。在恒流放电过程中，通过控制光耦E3的通断，调节电压基准，电路将按照上述的过程自动调节，以重新达到恒流稳定状态，从而改变放电电流大小，以调整设备放电时间。
电容两端电压持续放电，直到输出电压为36V(安全电压)，微处理器控制discharge接口至高(5V)，三极管Q3导通，光耦E1随之导通，从而三极管Q1截止，使得运算放大器N1的供电电源VCC无电压，运算放大器N1不工作，MOS管Q5无驱动电压，放电电路关闭。
如图6所示，所述微处理器通过微处理器控制电路实现微处理器的控制，所述微处理器控制电路包括与24V电源的正负极相连接的INPUT1和COM接口，INPUT1接口连接R56的一端，R56的另一端连接R57和电耦E6的1引脚，COM接口连接R57的一端和电耦E6的2引脚，同时R57的两端并联有电容，电耦E6的3引脚接地，4引脚连接微处理器，4引脚通过电阻R55连接+5V电源，3引脚接地，同时3引脚和4引脚之间并联有电容C27；将INPUT1和COM接至24V电源的正负极，光耦E6导通，且4脚至低，4脚低电平到微处理器，微处理器识别到低电平后，即可打开充电；将INPUT1和COM连接的24V电源断开，光耦E6关断，且4脚至高，4脚高电平到微处理器，微处理器识别到高电平后，即可关闭充电；微处理器识别到光耦4脚至低时，打开放电电路，识别到光耦4脚至高，关闭放电电路。
如图7所示，该装置的电容充、放电过程如下：
a)通过总线发送控制充电指令，微处理器接收到充电命令后，打开充电单元进行电容充电，待电容两端电压与输入功率电源电压相等时，关闭充电；
b)关闭充电后，通过总线发送控制放电指令，微处理器接收放电指令后，打开放电单元，对电容进行放电。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (5)

1.小型高压预充电装置，其特征在于，包括与微处理器相连接相连接的充电单元和放电单元，充电单元和放电单元均连接电容；
所述充电单元包括与微处理器相连接的三个并联的支路电路和功率电源，三个支路电路均包括与微处理器相连接的第一PI调节电路和第一基准电路，第一基准电路连接第一PI调节电路，通过微处理器控制第一基准电路中的基准电压的不同，进而实现充电电流的不同；
所述第一PI调节电路连接第一MOS管的栅极，第一MOS管的源极连接功率电源，第一MOS管的漏极通过电流反馈电阻连接电容，第一MOS管的栅极和漏极之间并联有二极管，第一电流反馈电阻的两端并联有第一放大电路，第一放大电路连接第一PI调节电路，输出电流经过第一电流反馈电阻，在第一电流反馈电阻两端形成取样电压，取样电压经过第一放大电路放大后接至第一PI调节电路，通过第一PI调节电路调节第一MOS管的输出电流，直到经过第一电流反馈电阻的电流恒定，通过恒定的电流为电容充电。
2.根据权利要求1所述的小型高压预充电装置，其特征在于，所述放电单元包括与微处理器相连接的第二PI调节电路和第二基准电路，第二PI调节电路连接第二MOS管的栅极，第二MOS管的源极连接电容，第二MOS管的漏极连接第二电流反馈电阻，第二电流反馈电阻接地，第二电流反馈电阻的两端并联有放大电路，第二放大电路连接第二PI调节电路。
3.根据权利要求1所述的小型高压预充电装置，其特征在于，所述第一PI调节电路包括放大器N2A和并联于放大器N2A的2引脚和输出1引脚之间的电阻和电容，放大器N2A的8引脚连接放大器N2A的供电电源VCC,同时放大器N2A的8引脚通过第一控制电路连接微处理器，2引脚通过电阻连接放大电路，3引脚连接第一基准电路，放大器N2A的输出1引脚通过电阻连接MOS管的栅极。
4.根据权利要求3所述的小型高压预充电装置，其特征在于，所述第一控制电路包括电耦E2，电耦E2的2引脚连接三极管Q4的发射极，三极管Q4的基极通过电阻R10连接CON接口，CON接口连接微处理器，电耦E2的3引脚连接电阻R6和电阻R4的一端，电耦E2的4引脚通过电容C4连接三极管Q2的基极和电阻R6的另一端，电阻R4的另一端连接+15V电源和三极管Q2的发射极，三极管Q2的集电极连接放大器N2A的8引脚。
5.根据权利要求3所述的小型高压预充电装置，其特征在于，所述第一基准电路包括+15V电源和+15V电源依次串联的电阻R20、电阻R29、电阻R36、电阻R39，电阻39的一端接地，电阻R20和电阻R29连接处连接通过电阻连接放大器N2A的3引脚和电耦E4的4引脚，电阻R36和电阻R39的连接处连接电耦E5的3引脚，电耦E4的3引脚和电耦E5的4引脚均与R29和电阻R36的连接处相连接；电耦E4的2引脚连接微处理器的I O1接口，电耦E5的2引脚连接微处理器的I O2接口。
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