CN109039092B - 一种电压检测电路及应用该电路的双向变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电压检测电路及应用该电路的双向变换器，通过双向变换器中变压器的辅助绕组给电压采样电路提供工作电压，双向变换器的输出电压仅对电压采样电路的分压回路进行钳位，使得电压采样电路在双向变换器工作时获取输出电压的信息，经光耦合器反馈到原边进行过电压控制。当双向变换器不工作时，因辅助绕组无能量，电压采样电路不工作，输出电压仅经二极管以漏电流形式进行能量释放，从而极大地降低电压采样电路对输出侧能量的损耗。本发明的电压检测电路既可以实现变换器工作时输出侧过电压保护，又能极大地降低变换器在不工作时输出侧的能量损耗，提高了输出侧能量的利用率，提升了电路的性能，具有较高的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种电压检测电路，特别涉及一种漏电流极低的电压检测电路。
背景技术
随着锂电池和超级电容器技术发展得越来越成熟，锂电池和超级电容器被广泛地应用到储能***中。由于锂电池和超级电容器的单体电压较低，为了获取较高的电压和较大的能量，需要采用多个锂电池/超级电容器进行串并联组合，以满足实际应用需求。在实际应用***中会以锂电池组或超级电容器组的形式进行管理，基本上是控制充/放电的电流。那么，为了提高存储能量的利用率以及延长储能***的寿命，组与组之间需要进行能量均衡，并且在均衡过程需对电压进行检测，防止锂电池组或超级电容器组出现过电压危险。目前，为了提高能量利用率，储能***中的均衡技术一般采用双向变换器，属于一种有源均衡电路。在部分储能***的应用场合中，尤其是备用型储能***，需要严格地要求双向变换器输出侧的漏电流极小且空载时输出电压不出现过电压，这样既能保证输出侧能量不会因较大的漏电流以热能的形式释放掉，又能保证双向变换器在输出为空载或热插拔时不会出现过电压损坏问题。然而，采用现有的输出电压采样技术不能同时满足这两个要求。
目前市场上已有一些双向变换器产品，其输出侧电压采样方式如图1所示，包括采样电阻网络和光耦反馈网络，当双向变换器不工作时(***需要)，由于采样电阻网络和光耦反馈网络并联在输出端，故会一直消耗输出侧的能量，以热的形式释放掉。从而导致存储在输出侧的能量不能被很好地利用，降低了***的整体性能。上述方案可解决双向变换器在工作时空载或均衡过程输出侧的过电压问题，但不能解决双向变换器在不工作时要求输出侧漏电流极小的问题。
综上所述，在对双向变换器的输出电压进行采样时，现有的方法难以满足***性能的要求，从而使得其应用范围受限。
发明内容
有鉴于此，本发明解决的技术问题是克服现有方法的不足，提出一种电压检测电路及应用该电路的双向变换器，既能保证双向变换器在正常工作时具有过电压检测功能，又能保证双向变换器在不工作时输出侧的漏电流极小，可满足实际应用需求，尤其是一些要求苛刻的备用电源场合。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种电压检测电路，用于实现变换器的输出电压采样，包括电压采样电路和光耦反馈电路；
电压采样电路，包括第二电阻和第三电阻，第二电阻一端作为电压采样电路的电压采样端，第二电阻另一端与第三电阻一端串联，第三电阻另一端作为电压检测电路电压输入端负极；
光耦反馈电路用于将采样得到的电压信号进行处理后反馈输出，由光耦合器、第四电阻、三端稳压器及第一电容构成，第四电阻其中一端连接光耦合器发光二极管阳极，光耦合器发光二极管阴极连接三端稳压器阴极、第一电容一端；三端稳压器阳极连接电压检测电路电压输入端负极，三端稳压器参考端和第一电容另一端连接第二电阻与第三电阻的串联点；光耦合器三极管集电极和发射极分别作为电压检测电路的两路反馈输出端；
优选地，还包括有辅助电源、第一电阻及第一二极管，其中，辅助电源由变换器中变压器的辅助绕组、第二二极管及第二电容构成，用于为电压采样电路提供供电电源；变压器的辅助绕组同名端连接第二二极管阳极，第二二极管阴极连接第二电容一端，此连接点作为辅助电源的正极，并同时连接第四电阻其中另一端、第一电阻一端；第二电容另一端连接变压器的辅助绕组异名端，此连接点作为辅助电源的负极，并连接电压检测电路电压输入端负极；第一电阻另一端连接第一二极管阳极、第二电阻一端，此连接点即为电压采样电路的电压采样端；第一二极管阴极作为电压检测电路电压输入端正极。
本发明还提供一种应用上述电压检测电路的双向变换器，包括主功率电路和控制及驱动电路；其中，主功率电路包括有变压器，变压器包含三个绕组，分别为原边绕组、副边绕组和辅助绕组，主功率电路的控制端连接控制及驱动电路的控制端，驱动及控制电路的电流采样端连接主功率电路，用于检测主功率回路的电流信息；
优选地，双向变换器还包括上述的电压检测电路，电压检测电路的两路反馈输出端分别连接控制及驱动电路的两路输入端；电压检测电路电压输入端正极连接双向变换器电压输出端正极，电压检测电路电压输入端负极连接双向变换器电压输出端负极；
当双向变换器工作，辅助电源为电压采样电路提供供电电压，电压采样电路采样双向变换器电压输出端电压，采样电压信号经光耦反馈电路处理反馈到控制及驱动电路，当采样输出电压超过设定电压，则启动过压保护；当双向变换器不工作，电压检测电路不工作，双向变换器电压输出端由电压检测电路中第一二极管的漏电流释放能量。
优选地，所述控制及驱动电路由控制芯片构成。
本发明所提的方案，其工作原理在具体实施例中进行详细说明，综合本发明的工作原理，本发明克服了现有技术中电压采样的不足，其有益效果为：
(1)本发明电压检测电路能过准确地判断输出侧的过电压信号，并反馈到原边，实现了输出过电压保护功能；
(2)本发明电压检测电路应用于双向变换器中，当双向变换器不工作时，其输出侧仅以极小的二极管漏电流消耗输出侧能量，极大地提高了输出侧能量的利用率。
附图说明
图1为现有技术的电压采样电路原理图；
图2为本发明的电压检测电路原理图；
图3为本发明双向变换器的电路图，亦是本发明电压检测电路在双向变换器电路拓扑的应用。
具体实施方式
本发明的发明构思为：利用双向变换器中的变压器的辅助绕组为电压采样电路提供供电电源，通过二极管D1将电压采样电路的采样端电压钳位在Vo+VF(其中Vo为双向变换器的输出电压，VF为二极管D1的正向导通压降)，从而实现对变换器输出电压的采样，并经光耦反馈电路将采样输出电压信号反馈到双向变换器原边进行控制；当由于***需要，变换器不进行工作时，电压检测电路不工作，由于二极管D1的存在，变换器输出侧仅以二极管D1漏电流进行放电，一般二极管的漏电流极小(如：开关二极管BAS16的漏电流为1uA@25℃)，相对于现有的电阻采样网络直接并联在输出侧的进行电压采样方案，本发明可以大幅降低电压采样网络对输出侧的能量消耗，极大地提高了输出侧能量的利用率。
以下结合附图及实施例，对本发明进行说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图2为本发明的电压检测电路的原理结构图，包括变压器辅助绕组N3、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、二极管D1、二极管D2、电容C1、电容C2、光耦合器U1、三端稳压器U2，其连接关系为：变压器辅助绕组N3同名端连接二极管D2阳极，二极管D2阴极连接电容C2一端，电容C2另一端连接变压器辅助绕组N3异名端，此连接点还连接电压检测电路电压输入端负极，二极管D2阴极还连接电阻R4一端、电阻R1一端，电阻R1另一端通过二极管D1阳极、二极管D1阴极连接至电压检测电路电压输入端正极，电阻R4另一端连接光耦合器U1发光二极管阳极，光耦合器U1发光二极管阴极连接电容C1一端、三端稳压器U2阴极，三端稳压器U2阳极连接电阻R3一端和电压电压检测电路电压输入端负极，电阻R3另一端串联电阻R2后连接在电阻R1和二极管D1之间，电容C1另一端和三端稳压器U1参考端连接电阻R2和电阻R3的串联点，光耦合器U1三极管集电极和发射极分别为电压检测电路的反馈输出端。
上述电路中，二极管D2为整流二极管，电容C2为滤波电容，通过二极管D2和电容C2整流滤波，变压器辅助绕组N3为电压采样电路提供稳定的供电电源，电阻R2和电阻R3为采样电阻，电阻R1、二极管D1连接点为电压采样电路的一个采样端口，电阻R2一端连接该采样端口，实现对输出电压的采样，再将采样得到的输出电压信号经过光耦合器U1反馈到反馈输出端。
此外，本发明还提供一种应用本发明电压检测电路的双向变换器，如图3所示，双向变换器包括主功率电路、控制及驱动电路、电压检测电路。各电路连接关系为：
主功率电路，包括变压器T1、电阻R5、电容C3～C5，功率管Q1～Q4，变压器T1包含原边绕组N1、副边绕组N2及辅助绕组N3，辅助绕组N3即为电压检测电路中的辅助绕组，电容C3一端连接于原边绕组N1异名端，并作为双向变换器的电压输入端正极Vin+，用于接收输入电压；电容C3另一端与功率管Q1漏极相连；功率管Q1源极连接原边绕组N1同名端，并同时与功率管Q2漏极相连；功率管Q2源极与电阻R5一端相连，并作为控制及驱动电路的电流采样端口Vi，用于双向变换器的电流采样；电阻R5另一端作为双向变换器的电压输入端负极Vin-；功率管Q3漏极连接电容C5一端，并作为双向变换器的电压输出端负极Vo-；功率管Q3源极连接功率管Q4源极，并同时与副边绕组N2异名端相连；副边绕组N2同名端连接电容C4一端，并同时与电容C5另一端相连，作为双向变换器的电压输出端正极Vo+；电容C4另一端与功率管Q4漏极相连。功率管Q1栅极与控制及驱动电路的控制端Vg1相连；功率管Q2栅极与控制及驱动电路控制端Vg2相连；功率管Q3栅极与控制及驱动电路控制端Vg3相连；功率管Q4栅极与控制及驱动电路控制端Vg4相连；电压检测电路中光耦合器U1三极管集电极和发射极分别连接至控制及驱动电路的输入端，电压检测电路电压输入端正极连接双向变换器电压输出端正极Vo+，电压检测电路电压输入端负极连接双向变换器电压输出端负极Vo-。
其中，控制及驱动电路由单片机及驱动芯片(如SI8235)构成，完成整个***的控制及驱动功能。
结合图2和图3，对本实施例的电压检测电路应用在双向变换器中实现电压采样的工作原理描述如下：
(1)当双向变换器工作时，通过对电阻R5端电压进行检测获取得到双向变换器主功率电路的电流信息，经控制及驱动电路实现双向变换器的控制；变压器辅助绕组N3经二极管D2和电容C2进行整流滤波，获得稳定的辅助电源，给电压采样电路提供供电电源；双向变换器电压输出端正极Vo+经二极管D1将电压采样电路的采样端电压钳位到Vo+VF(即二极管D1的阳极电压可反映出输出电压)，通过电阻R2和电阻R3的分压，经三端稳压器U2和电容C1构成的积分器实现对光耦合器U1原边电流的控制，进而将采样输出电压信号反馈到原边；当输出采样电压超过设定的过电压保护阈值时，流过光耦合器内部二极管的电流较大，从而拉低了光耦合器U1三极管集电极的电压。控制及驱动电路通过采集光耦合器三极管集电极的电压对双向变换器执行过电压保护机制，实现对输出侧过电压保护的功能，即启动过压保护；同时辅助电源同时给光耦合器内的发光二极管和三端稳压器U2提供工作电压，使得双向变换器输出电压仅对电压采样电路钳位，基本不消耗能量。
(2)当***需要双向变换器不工作时，则变压器T1不传递能量，即辅助绕组N3无能量，从而使得电压采样电路不工作；此阶段，双向变换器的电压输出端经二极管D2以漏电流的形式进行能量释放，因二极管的漏电流(uA级)极小，从而使得电压采样电路对输出电压能量损耗影响极小。
综上，本发明的电压检测电路，既能保证双向变换器在正常工作时具有过电压检测功能，又能保证双向变换器在不工作时输出侧的漏电流极小，可满足实际应用需求，尤其是一些要求苛刻的备用电源场合。
以上仅是本发明优选的实施方式，本发明所属领域的技术人员还可以对上述具体实施方式进行变更和修改。因此，本发明的电压检测电路并不局限于上面揭示和描述的双向变换器，也可应用于其他类型变换器实现过压保护及电压采样功能，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
Claims (3)
1.一种电压检测电路，用于实现变换器的输出电压采样，包括电压采样电路和光耦反馈电路；
电压采样电路，包括第二电阻和第三电阻，第二电阻一端作为电压采样电路的电压采样端，第二电阻另一端与第三电阻一端串联，第三电阻另一端作为电压检测电路电压输入端负极；
光耦反馈电路用于将采样得到的电压信号进行处理后反馈输出，由光耦合器、第四电阻、三端稳压器及第一电容构成，第四电阻其中一端连接光耦合器发光二极管阳极，光耦合器发光二极管阴极连接三端稳压器阴极、第一电容一端；三端稳压器阳极连接电压检测电路电压输入端负极，三端稳压器参考端和第一电容另一端连接第二电阻与第三电阻的串联点；光耦合器三极管集电极和发射极分别作为电压检测电路的两路反馈输出端；
其特征在于：还包括有辅助电源、第一电阻及第一二极管，其中，辅助电源由变换器中变压器的辅助绕组、第二二极管及第二电容构成，用于为电压采样电路提供供电电源；变压器的辅助绕组同名端连接第二二极管阳极，第二二极管阴极连接第二电容一端，此连接点作为辅助电源的正极，并同时连接第四电阻其中另一端、第一电阻一端；第二电容另一端连接变压器的辅助绕组异名端，此连接点作为辅助电源的负极，并连接电压检测电路电压输入端负极；第一电阻另一端连接第一二极管阳极、第二电阻一端，此连接点即为电压采样电路的电压采样端；第一二极管阴极作为电压检测电路电压输入端正极。
2.一种应用权利要求1所述的电压检测电路的双向变换器，包括主功率电路和控制及驱动电路；其中，主功率电路包括有变压器，变压器包含三个绕组，分别为原边绕组、副边绕组和辅助绕组，主功率电路的控制端连接控制及驱动电路的控制端，驱动及控制电路的电流采样端连接主功率电路，用于检测主功率回路的电流信息；
其特征在于：双向变换器还包括权利要求1所述的电压检测电路，电压检测电路的两路反馈输出端分别连接控制及驱动电路的两路输入端；电压检测电路电压输入端正极连接双向变换器电压输出端正极，电压检测电路电压输入端负极连接双向变换器电压输出端负极；
当双向变换器工作，辅助电源为电压采样电路提供供电电压，电压采样电路采样双向变换器电压输出端电压，采样电压信号经光耦反馈电路处理反馈到控制及驱动电路，当采样输出电压超过设定电压，则启动过压保护；当双向变换器不工作，电压检测电路不工作，双向变换器电压输出端由电压检测电路中第一二极管的漏电流释放能量。
3.根据权利要求2所述的双向变换器，其特征在于：所述控制及驱动电路由控制芯片构成。
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