CN116054552A - 一种用于电子断路器的缓启动控制电路及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于电子断路器的缓启动控制电路，包括输入电源、微控制单元、运算放大电路、开关电路，所述微控制单元输出信号经过运算放大电路生成开关电路的驱动电压信号，所述开关电路包括场效应管Q1，所述运算放大电路包括运算放大器U1A。本发明还公开了一种用于电子断路器的缓启动控制方法，通过微控制单元控制场效应管Q1的驱动电压缓慢上升，使场效应管Q1在线性区限制浪涌后再饱和导通，可实现带载开机无浪涌、短路开机可识别保护的功能，进一步的，本发明除了传统硅场效应管外,亦适用于碳化硅场效应管的高压应用,不论高低压输入皆可采用。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及了一种用于电子断路器的缓启动控制电路及其控制方法。
背景技术
目前高压直流断路器一般使用额外的预充电降压式变换电路来对负载电容充电，从而消除开机浪涌问题，但是高压直流断路器使用额外的预充电降压式变换电路无法满足带载开机的要求。
而市面上低压电子断路器产品可带满载开机，开机浪涌的问题则依靠场效应管承受，在输入电压较高时，带满载开机浪涌可能超过场效应管的耐受规格，从而导致零件损坏。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的就在于提供了一种用于电子断路器的缓启动控制电路及其控制方法，满足带载开机的使用要求，当输出有较大容性负载的情况下开机会出现较高的浪涌电流导致场效应管Q1损坏，通过缓启动控制电路进行控制可大大降低开机浪涌，保护器件的同时满足带载开机应用需求。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种用于电子断路器的缓启动控制电路，包括输入电源、微控制单元、运算放大电路、开关电路，所述微控制单元输出信号经过运算放大电路生成开关电路的驱动电压信号，所述开关电路包括场效应管Q1，所述场效应管Q1的漏极D与输入电源的正极DC+相连接，所述场效应管Q1的源极S输出电压Vo，所述运算放大电路包括运算放大器U1A，所述运算放大器U1A的同相输入端与微控制单元之间串接第四电阻R4，所述运算放大器U1A的同相输入端与场效应管Q1的源极S之间串接第三电阻R3，所述运算放大器U1A的反相输入端与场效应管Q1的源极S之间串接第五电阻R5，所述运算放大器U1A的输出端与场效应管Q1的栅极G之间串接第二电阻R2，所述运算放大器U1A的正电源串接有第七电阻R7、外接电源，所述运算放大器U1A的负电源与场效应管Q1的源极S相连接，所述运算放大器U1A的正电源与运算放大器U1A的负电源之间串接第二电容C2。
作为一种优选方案，所述开关电路连接有吸收电路，所述吸收电路包括串接的第一电容C1、第一电阻R1，所述场效应管Q1的漏极D与源极S之间串接第一电容C1、第一电阻R1。
作为一种优选方案，所述输入电源与开关电路之间设置有快速关断电路。
作为一种优选方案，所述微控制单元输出DAC信号，所述微控制单元串接第四电阻R4后与运算放大器U1A的同相输入端相连接。
作为一种优选方案，所述微控制单元输出PWM信号，所述微控制单元串接第八电阻R8、第四电阻R4后与运算放大器U1A的同相输入端相连接，所述微控制单元串接第八电阻R8、第三电容C3后与场效应管Q1的源极S相连接。
作为一种优选方案，所述微控制单元与运算放大电路之间连接有隔离电路，所述隔离电路包括光敏三极管U2A、发光二极管U2B，所述光敏三极管U2A的发射极串接第十一电阻R11后与场效应管Q1的源极S相连接，所述光敏三极管U2A的集电极串接第十电阻R10后与外接电源相连接，所述发光二极管U2B的正极串接第九电阻R9后与微控制单元相连接，所述发光二极管U2B的负极与输入电源的负极DC-相连接。
作为一种优选方案，所述微控制单元输出DAC信号，所述微控制单元串接第九电阻R9后与发光二极管U2B的正极相连接。
作为一种优选方案，所述微控制单元输出PWM信号，所述微控制单元串接第八电阻R8、第九电阻R9后与发光二极管U2B的正极相连接，所述微控制单元串接第八电阻R8、第三电容C3后与输入电源的负极DC-相连接。
本发明还提供了一种用于电子断路器的缓启动控制方法，所述控制方法包括如下步骤：所述微控制单元输出DAC信号或PWM信号，经过运算放大电路的放大生成开关电路中场效应管Q1的驱动电压信号，通过改变微控制单元的DAC输出或PWM的占空比，从而控制开关电路中场效应管Q1的驱动电压逐步上升，当检测到场效应管Q1的输出电压Vo高于门槛设定值后，开关电路中场效应管Q1的驱动电压停止上升，使得场效应管Q1工作在线性区来给负载电容充电，当检测到场效应管Q1的输出电压Vo与输入电压之差小于设定阈值后，场效应管Q1的驱动电压才继续上升，使得场效应管Q1饱和导通，完成开机流程。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明通过微控制单元控制场效应管Q1的驱动电压缓慢上升，使场效应管Q1在线性区限制浪涌后再饱和导通，可实现带载开机无浪涌、短路开机可识别保护的功能，进一步的，本发明除了传统硅场效应管外,亦适用于碳化硅场效应管的高压应用,不论高低压输入皆可采用。
附图说明
图1是本发明的控制电路框图；
图2是本发明的控制电路原理图；
图3是本发明具有隔离电路的控制电路原理图；
图4是本发明的控制方法流程图；
图5是传统的无缓启动控制方法开机浪涌波形图；
图6是本发明的缓启动控制方法开机浪涌波形图；
图7是高压直流断路器应用本发明的控制方法实现缓启动开机时的波形图；
其中附图标识列表：输入电源1、微控制单元2、运算放大电路3、开关电路4、外接电源AUX、吸收电路5、快速关断电路6、隔离电路7。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例
如图1~图2所示，一种用于电子断路器的缓启动控制电路，包括输入电源1、微控制单元2、运算放大电路3、开关电路4，所述微控制单元2输出信号经过运算放大电路3生成开关电路4的驱动电压信号，所述开关电路4包括场效应管Q1，所述场效应管Q1的漏极D与输入电源1的正极DC+相连接，所述场效应管Q1的源极S输出电压Vo，所述运算放大电路3包括运算放大器U1A，所述运算放大器U1A的同相输入端与微控制单元2之间串接第四电阻R4，所述运算放大器U1A的同相输入端与场效应管Q1的源极S之间串接第三电阻R3，所述运算放大器U1A的反相输入端与场效应管Q1的源极S之间串接第五电阻R5，所述运算放大器U1A的输出端与场效应管Q1的栅极G之间串接第二电阻R2，所述运算放大器U1A的正电源串接有第七电阻R7、外接电源AUX，所述运算放大器U1A的负电源与场效应管Q1的源极S相连接，所述运算放大器U1A的正电源与运算放大器U1A的负电源之间串接第二电容C2。
具体的，在本实施例中所述场效应管Q1为硅场效应管或碳化硅场效应管，为了方便连接，所述场效应管Q1的源极S引出引脚Source1，所述场效应管Q1的栅极G串接第二电阻R2后引出引脚Gate。
更为具体的，在本实施例中所述外接电源AUX为12V直流电。
优选的，所述开关电路4连接有吸收电路5，所述吸收电路5包括串接的第一电容C1、第一电阻R1，所述场效应管Q1的漏极D与源极S之间串接第一电容C1、第一电阻R1。
具体的，在所述场效应管Q1的漏极D与源极S之间串接吸收电路5，具有减少导通或关断损耗、降低电压或电流尖峰、间接的改善电磁干扰特性等优点。
优选的，所述输入电源1与开关电路4之间设置有快速关断电路6。
具体的，在本实施例中，所述快速关断电路6包括保险丝FS1，所述保险丝FS1串接于输入电源1的正极DC+、场效应管Q1的漏极D之间。
更为具体的，当有硬件保护信号需要快速关断场效应管Q1时，能减少延迟时间，有效的保护启动后的短路。
优选的，所述微控制单元2输出DAC信号，所述微控制单元2串接第四电阻R4后与运算放大器U1A的同相输入端相连接。
具体的，所述微控制单元2输出的DAC信号，即为数模转换器信号，其中为了方便连接，所述微控制单元2引出引脚MCU。
优选的，所述微控制单元2输出PWM信号，所述微控制单元2串接第八电阻R8、第四电阻R4后与运算放大器U1A的同相输入端相连接，所述微控制单元2串接第八电阻R8、第三电容C3后与场效应管Q1的源极S相连接，其中为了方便连接，所述微控制单元2串接第八电阻R8后引出引脚MCU。
具体的，所述微控制单元2输出的PWM信号，即为脉冲宽度调制信号。
优选的，如图3所示，所述微控制单元2与运算放大电路3之间连接有隔离电路7，所述隔离电路7包括光敏三极管U2A、发光二极管U2B，所述光敏三极管U2A的发射极串接第十一电阻R11后与场效应管Q1的源极S相连接，所述光敏三极管U2A的集电极串接第十电阻R10后与外接电源AUX相连接，所述发光二极管U2B的正极串接第九电阻R9后与微控制单元2相连接，所述发光二极管U2B的负极与输入电源1的负极DC-相连接。
具体的，所述光敏三极管U2A、发光二极管U2B组成一光电耦合器，以光为媒介传输电信号，对输入、输出电信号有良好的隔离作用。
优选的，所述微控制单元2输出DAC信号，所述微控制单元2串接第九电阻R9后与发光二极管U2B的正极相连接。
优选的，所述微控制单元2输出PWM信号，所述微控制单元2串接第八电阻R8、第九电阻R9后与发光二极管U2B的正极相连接，所述微控制单元2串接第八电阻R8、第三电容C3后与输入电源1的负极DC-相连接。
如图4所示，本发明还提供了一种用于电子断路器的缓启动控制方法，所述控制方法包括如下步骤：所述微控制单元2输出DAC信号或PWM信号，经过运算放大电路3的放大生成开关电路4中场效应管Q1的驱动电压信号，通过改变微控制单元2的DAC输出或PWM的占空比，从而控制开关电路4中场效应管Q1的驱动电压逐步上升，当检测到场效应管Q1的输出电压Vo高于门槛设定值后，开关电路4中场效应管Q1的驱动电压停止上升，使得场效应管Q1工作在线性区来给负载电容充电，当检测到场效应管Q1的输出电压Vo与输入电压之差小于设定阈值后，场效应管Q1的驱动电压才继续上升，使得场效应管Q1饱和导通，完成开机流程。
具体的，若场效应管Q1的驱动电压持续上升过程中，在设定时间内未检测到场效应管Q1的输出电压Vo，则可判定为输出短路，此时关闭场效应管Q1的驱动电压输出，进入保护状态。
具体的，在运算放大电路3中整合快速关断电路6,若有硬件保护信号需快速关断场效应管Q1时能减少延迟时间，用于启动后的短路保护。
本发明的方法既可用于开机浪涌限制，又可用于短路开机的检测，且可整合需快速反应的硬件保护，若微控制单元2与场效应管Q1之间不共地，加入隔离电路7即可使用。
具体实施时，本发明使用60V的输入电源1，输出容性负载30000uF，负载5A。如图5所示，传统的无缓启动控制方法开机浪涌530A，如图6所示，本发明的缓启动控制方法开机浪涌12.15A，验证了本发明的可行性。
进一步的，当高压直流断路器应用本发明的控制方法时，使用800V的输入电源1条件下，1640uF负载开机，如图7所示，可通过发明的控制方法实现缓启动开机；其中，CH1为场效应管Q1的驱动电压，CH2为输入电压，CH3为输出电流，CH4为输出电压。
相较于传统的开机浪涌限制方案，即将本发明与传统的预充电降压式变换电路（Buck电路）和电阻限流电路进行对比，本发明在成本与空间方面具有较大优势，以高压直流断路器为例对比分析以上三种方案差异，如下表1所示：
表1
综上所述，本发明有效解决了电子断路器带载开机问题，结合电子断路器和浪涌抑制功能、线路简单、成本低廉、实用价值高，可应用于高压直流断路器、低压直流分流器与其他需要限制直流浪涌的应用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种用于电子断路器的缓启动控制电路，其特征在于：包括输入电源、微控制单元、运算放大电路、开关电路，所述微控制单元输出信号经过运算放大电路生成开关电路的驱动电压信号，所述开关电路包括场效应管Q1，所述场效应管Q1的漏极D与输入电源的正极DC+相连接，所述场效应管Q1的源极S输出电压Vo，所述运算放大电路包括运算放大器U1A，所述运算放大器U1A的同相输入端与微控制单元之间串接第四电阻R4，所述运算放大器U1A的同相输入端与场效应管Q1的源极S之间串接第三电阻R3，所述运算放大器U1A的反相输入端与场效应管Q1的源极S之间串接第五电阻R5，所述运算放大器U1A的输出端与场效应管Q1的栅极G之间串接第二电阻R2，所述运算放大器U1A的正电源串接有第七电阻R7、外接电源，所述运算放大器U1A的负电源与场效应管Q1的源极S相连接，所述运算放大器U1A的正电源与运算放大器U1A的负电源之间串接第二电容C2。
2.根据权利要求1所述的一种用于电子断路器的缓启动控制电路，其特征在于：所述开关电路连接有吸收电路，所述吸收电路包括串接的第一电容C1、第一电阻R1，所述场效应管Q1的漏极D与源极S之间串接第一电容C1、第一电阻R1。
3.根据权利要求1所述的一种用于电子断路器的缓启动控制电路，其特征在于：所述输入电源与开关电路之间设置有快速关断电路。
4.根据权利要求1所述的一种用于电子断路器的缓启动控制电路，其特征在于：所述微控制单元输出DAC信号，所述微控制单元串接第四电阻R4后与运算放大器U1A的同相输入端相连接。
5.根据权利要求1所述的一种用于电子断路器的缓启动控制电路，其特征在于：所述微控制单元输出PWM信号，所述微控制单元串接第八电阻R8、第四电阻R4后与运算放大器U1A的同相输入端相连接，所述微控制单元串接第八电阻R8、第三电容C3后与场效应管Q1的源极S相连接。
6.根据权利要求1所述的一种用于电子断路器的缓启动控制电路，其特征在于：所述微控制单元与运算放大电路之间连接有隔离电路，所述隔离电路包括光敏三极管U2A、发光二极管U2B，所述光敏三极管U2A的发射极串接第十一电阻R11后与场效应管Q1的源极S相连接，所述光敏三极管U2A的集电极串接第十电阻R10后与外接电源相连接，所述发光二极管U2B的正极串接第九电阻R9后与微控制单元相连接，所述发光二极管U2B的负极与输入电源的负极DC-相连接。
7.根据权利要求6所述的一种用于电子断路器的缓启动控制电路，其特征在于：所述微控制单元输出DAC信号，所述微控制单元串接第九电阻R9后与发光二极管U2B的正极相连接。
8.根据权利要求6所述的一种用于电子断路器的缓启动控制电路，其特征在于：所述微控制单元输出PWM信号，所述微控制单元串接第八电阻R8、第九电阻R9后与发光二极管U2B的正极相连接，所述微控制单元串接第八电阻R8、第三电容C3后与输入电源的负极DC-相连接。
9.一种用于电子断路器的缓启动控制方法，其特征在于：基于权利要求1的缓启动控制电路，所述控制方法包括如下步骤：所述微控制单元输出DAC信号或PWM信号，经过运算放大电路的放大生成开关电路中场效应管Q1的驱动电压信号，通过改变微控制单元的DAC输出或PWM的占空比，从而控制开关电路中场效应管Q1的驱动电压逐步上升，当检测到场效应管Q1的输出电压Vo高于门槛设定值后，开关电路中场效应管Q1的驱动电压停止上升，使得场效应管Q1工作在线性区来给负载电容充电，当检测到场效应管Q1的输出电压Vo与输入电压之差小于设定阈值后，场效应管Q1的驱动电压才继续上升，使得场效应管Q1饱和导通，完成开机流程。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20230502 |
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