CN117118038B - 一种预充电路和电源设备 - Google Patents

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Abstract

本发明实施方式公开了一种预充电路和电源设备，该电路包括：被配置为响应于导通控制信号而改变开关状态，进而控制待预充电容充电状态的压控型半导体开关单元；设置在压控型半导体开关单元和压控型半导体开关单元之间的预充控制电容，压控型半导体开关单元和待预充电容连接；用于引入导通控制信号，并将导通控制信号输入至压控型半导体开关单元的受控端的预充控制电阻；用于控制压控型半导体开关单元在导通控制信号置于高电平之前处于稳定关断状态的初始化单元。本发明通过设置预充电阻以及预充电容以构成预充电路，以简化预充电路的电路结构，减低电路成本，提高预充电路的可靠性。

Description

一种预充电路和电源设备
技术领域
本发明实施方式涉及电源技术领域，特别是涉及一种预充电路和电源设备。
背景技术
在电源设备中，在端口或电源内部均会配置大容量电容。在电源设备上电时，会产生较大的电流冲击，存在损坏电路器件的风险。传统的电容预充电路中会设置专用的预充电路及预充电路的旁路电路，控制器先控制导通预充电路，等待预充完成后，再控制旁路电路导通，将预充电路旁路完成预充过程。这一方式硬件电路需要的器件数量较多，且程序控制逻辑也较为复杂，综合成本较高。
发明内容
本发明实施方式主要解决的技术问题是提供一种预充电路和电源设备，能够简化预充电路的电路结构，减低电路成本，减低控制逻辑的复杂度。
为解决上述技术问题，本发明实施方式采用的一个技术方案是：提供一种预充电路，应用于包括输入电源和待预充电容的电源设备，包括：被配置为响应于导通控制信号而改变开关状态，进而控制待预充电容充电状态的压控型半导体开关单元；设置在压控型半导体开关单元的第一端和压控型半导体开关单元的受控端之间的预充控制电容，压控型半导体开关单元的第一端和待预充电容连接，所述压控型半导体开关单元的第二端接地；用于引入导通控制信号，并将导通控制信号输入至压控型半导体开关单元的受控端的预充控制电阻；用于控制压控型半导体开关单元在导通控制信号置于高电平之前处于稳定关断状态的初始化单元。
在一些实施例中，初始化单元包括初始化电容和初始化电阻，初始化电容的第一端和压控型半导体开关单元的第二端连接，初始化电容的第二端和压控型半导体开关单元的受控端连接；初始化电阻和初始化电容并联；初始化电容和预充控制电容满足如下关系：
，
其中，CPC为预充控制电容，Cgs为初始化电容，Vgs（th）为压控型半导体开关单元的门级开通阈值电压，Vin为输入电源的输入电压；
初始化电阻和预充控制电阻满足如下关系：
，
其中，RPC为预充控制电阻，Rgs为初始化电阻，Vctrl为高电平的导通控制信号的电平值，Vgs(sta)为使所述压控型半导体开关单元稳定开通的门极电压。
在一些实施例中，待预充电容的预充电流Ic通过下式计算：
，
其中，Cbulk为待预充电容。
在一些实施例中，压控型半导体开关单元的类型包括MOSFET和IGBT。
在一些实施例中，当压控型半导体开关单元为P-MOSFET时，预充电路还包括：响应于导通控制信号控制预充控制电阻和输入电源的负极之间连接的干结点。
在一些实施例中，待预充电容的预充电流Ic通过下式计算：
。
在一些实施例中，干结点的类型包括漏极开路的N-MOSFET、集电极开路输出的NPN三极管、光耦和继电器。为解决上述技术问题，本发明实施方式采用的另一个技术方案是：提供一种电源设备，包括：输入电源；待预充电容；后级电路；以及如上的预充电路。
在一些实施例中，预充电路和待预充电容串联后与后级电路并联，接入输入电源的正极和负极之间；若应用于低边驱动，则预充电路的一端连接至待预充电容的负极，预充电路的另一端连接至输入电源的负极；若应用于高边驱动，则预充电路的一端连接至待预充电容的正极，预充电路的另一端连接至输入电源的正极。
在一些实施例中，待预充电容与后级电路并联；若应用于低边驱动，则预充电路连接在待预充电容的负极和输入电源的负极之间；若应用于高边驱动，则预充电路连接在待预充电容的正极和输入电源的正极之间。
本发明实施方式的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明实施方式通过设置预充电阻以及预充电容以构成预充电路，能够简化预充电路的电路结构，减低电路成本，减低控制逻辑的复杂度，提高预充电路的可靠性。
附图说明
图1是本发明实施方式提供的一种预充电路的结构示意图；
图2是本发明实施方式提供的第一种预充电路的电路结构图；
图3是本发明实施方式提供的第一种预充电路的仿真波形图；
图4是本发明实施方式提供的第二种预充电路的电路结构图；
图5是本发明实施方式提供的第二种预充电路的仿真波形图；
图6是本发明实施方式提供的第一种电源设备的结构示意图；
图7是本发明实施方式提供的第二种电源设备的结构示意图；
图8是本发明实施方式提供的第三种电源设备的结构示意图；
图9是本发明实施方式提供的第四种电源设备的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面结合附图和具体实施例，对本申请进行更详细的说明。需要说明的是，当元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“上”、“下”、“内”、“外”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本申请。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
此外，下面所描述的本申请不同实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
在本申请的一些实施例中，为简化电容的预充电路的电路结构，减低电路成本，减低控制逻辑的复杂度，提供了一种预充电路，其结构示意图如图1所示，该预充电路10包括：初始化单元110、压控型半导体开关单元120、预充控制电容Cpc和预充控制电阻Rpc。
其中，压控型半导体开关单元120被配置为响应于导通控制信号而改变开关状态，进而控制待预充电容Cbulk充电状态。在本申请实施例中，当导通控制信号为高电平时，压控型半导体开关单元120由关断状态进入导通状态，使待预充电容Cbulk与输入电源Vin形成回路，进而使待预充电容Cbulk进入充电状态；当导通控制信号为低电平时，压控型半导体开关单元120至于断开状态，断开待预充电容Cbulk与输入电源Vin所形成的回路，进而使待预充电容Cbulk停止充电。
在本申请的一些实施例中，压控型半导体开关单元120的类型包括MOSFET和IGBT等压控半导体开关。
预充控制电容Cpc设置在压控型半导体开关单元120的第一端和压控型半导体开关单元的受控端之间，压控型半导体开关单元120的第一端和待预充电容Cbulk连接，压控型半导体开关单元120的第二端接地。
预充控制电阻Rpc用于引入导通控制信号，并将导通控制信号输入至压控型半导体开关单元120的受控端。
初始化单元110用于控制压控型半导体开关单元120在导通控制信号置于高电平之前处于稳定关断状态。
请参阅图2，图2为本申请实施方式提供的第一种预充电路的电路结构图，该预充电路包括初始化单元110、压控型半导体开关单元120、预充控制电容Cpc和预充控制电阻Rpc。
在本申请实施例中，初始化单元110包括初始化电容Cgs和初始化电阻Rgs；压控型半导体开关单元120为N沟道MOS管M1。
需要说明的是，初始化电容和预充控制电容满足如下关系：
， （1）
其中，CPC为预充控制电容，Cgs为初始化电容，Vgs（th）为压控型半导体开关单元的门级开通阈值电压，Vin为输入电源的输入电压。
在一些实施例中，为保证压控型半导体开关单元的关闭可靠，还需要留取一定裕量，因此作为示例而非限定，初始化电容和预充控制电容可满足如下关系：
。
在满足上述式（1）的前提下，电容比例配置的目的在于保证上电瞬间，压控型半导体开关单元120是被可靠关闭。
初始化电阻和预充控制电阻满足如下关系：
， （2）
其中，RPC为预充控制电阻，Rgs为初始化电阻，Vctrl为高电平的导通控制信号的电平值，Vgs(sta)为使压控型半导体开关单元稳定开通的门极电压，数值上应大于Vgs(th)，具体参数由设计者根据电路情况自行决定。即，Rgs通常取值需要保证门极电压能够使压控型半导体开关单元120可以被可靠开通且通态电阻处于一个较低水平。
需要说明的是，Vgs(sta)小于或等于Vctrl。
具体地，输入电源Vin的正极连接至待预充电容Cbulk的正极，输入电源Vin的负极连接至图2中的O点，即接地。待预充电容Cbulk的预充过程即通过某一种限流的措施，将待预充电容Cbulk的负极与O点的输入电源Vin的负极连接，令输入电源Vin对待预充电容Cbulk进行充电，使待预充电容Cbulk两端电压从0V充电至与输入电源Vin的电压相等的过程。
因此，设置一个压控型半导体开关单元120（如MOSFET、IGBT等，图中以N沟道MOS管M1为例）作为预充电路10的开关，N沟道MOS管M1的漏极，即图2中的A点，连接至待预充电容Cbulk的负极；N沟道MOS管M1的源极连接至图2中的O点即输入电源Vin的负极，可以阻挡从输入电源Vin到待预充电容Cbulk方向（图2中A点至O点）的电流Ic。
设置一个预充控制电容Cpc，连接在N沟道MOS管M1的DG（漏极-门极）两极之间，即预充控制电容Cpc与N沟道MOS管M1的DG电容并联，则计算电容容量时需要考虑N沟道MOS管M1的DG两极电容的影响，下文均直接以预充控制电容Cpc表征考虑到这一影响后的总电容。
设置一个初始化电容Cgs与初始化电阻Rgs，连接在N沟道MOS管M1的GS（门极-源极）两极之间，即初始化电容Cgs与N沟道MOS管M1的GS电容并联，则计算容量时需要考虑N沟道MOS管M1的GS两极电容的影响，下文均直接以初始化电容Cgs表征考虑到这一影响后的总电容。
设置一个预充控制电阻Rpc，连接在N沟道MOS管M1的门极与控制导通信号的输出端。
导通控制信号为一个电平信号，施加在图2中C、O两点上，低电平为0V，控制N沟道MOS管M1处于关断状态；高电平为一个正电压信号，定义为Vctrl，其幅值应大于N沟道MOS管M1的门极开通阈值电压Vgs(th)，以确保N沟道MOS管M1可以被正常地开启。
通过配置预充控制电容Cpc、预充控制电阻Rpc与待预充电容Cbulk之间的比例，即可控制当导通控制信号跳变为高电平时，待预充电容Cbulk上的预充电流Ic，具体关系为：
。 （3）
此外，初始化电容Cgs和预充控制电容CPC满足如下关系：
， （4）
其中， Vgs（th）为所述压控型半导体开关单元的门级开通阈值电压，Vin为所述输入电源的输入电压；
初始化电阻Rgs与预充控制电阻RPC满足：
， （5）
其中，Vctrl为高电平的导通控制信号的电平值，Vgs(sta)为使所述压控型半导体开关单元稳定开通的门极电压。
初始化电容Cgs、初始化电阻Rgs、预充控制电容CPC预充控制电阻RPC和在满足上述关系式时，起到保持N沟道MOS管M1在电源接入之后，导通控制信号置为高电平之前，处于可靠关断状态的作用。
具体地推导过程如下：
以O点为参考，初始状态下，导通控制信号Vctrl＝0V，B、C两点之间的电压为0V，A点电压为Vin。
当需要开通N沟道MOS管M1，将待预充电容Cbulk并入功率回路时，Vctrl置为高电平，如12V等电压，施加在C、O两端通过预充控制电阻Rpc和初始化电阻Rgs分压网络对初始化电容Cgs、预充控制电容Cpc进行充电。
VBO为B-O两端电压，也即N沟道MOS管M1的GS电压。当VBO未达到N沟道MOS管M1的开通阈值电压Vgs(th)之前， N沟道MOS管M1未导通，A点电压仍为Vin。
当VBO达到N沟道MOS管M1的开通阈值电压Vgs(th)时，N沟道MOS管M1开始导通，Vctrl可以通过预充控制电阻Rpc和预充控制电容Cpc及N沟道MOS管M1对预充控制电容Cpc放电，将A点的电压逐渐下降至与O点等电位。该过程有：
， （6）
其中，gfs为N沟道MOS管M1的跨导系数，通常在102S级，而受控的预充电流Ic量级为100A级，因此，在整个电容预充过程中，有如下近似关系：
，（7）
这个现象，一般被称为密勒效应，VBO这个电压在该过程中基本保持不变，对应的电压平台，被称为密勒平台。
在密勒平台阶段，导通控制信号给预充控制电容Cpc放电，放电电流Ipc满足如下关系：
， （8）
同时，因为密勒平台的关系，B点电位基本维持恒定，则B-A两点电压变化，与A点电位变化量绝对值一致，即与待预充电容Cbulk的电压变化一致。如下式所示：
， （9）
因此可以建立预充电流Ic与预充控制电容Cpc的放电电流Ipc之间的关系：
， （10）
而在这一阶段，预充控制电容Cpc的放电电流Ipc可以由预充控制电阻Rpc决定，具体为：
，（11）
其中，VBO≈Vgs(th)，为近似常量，则有
， （12）
联立诸式，得到预充电流Ic，有：
， （13）
一般情况下，配置Rgs>>Rpc，所以预充控制电容Cpc的放电电流Ipc可以简化表达为：
， （14）
进一步地，预充电流Ic可简化表达为：
， （15）
式中，待预充电容Cbulk、N沟道MOS管M1的开通阈值电压Vgs(th)、导通控制信号Vctrl为电路固有参数。通过设计预充控制电容Cpc、预充控制电阻Rpc的值，即可以确定待预充电容Cbulk的预充电流。
如上述以N沟道MOS管M1为压控型半导体开关单元120的预充电路为例进行说明，即图2所示电路。在本实施例中，输入电源Vin为60V，需要通过预充电路，对220uF的待预充电容Cbulk进行充电。电路采用N沟道MOS管M1进行控制，其Vgs(th)为2-4V，跨导系数最小为11S，DG电容3.4pF，GS电容660pF。设置：
预充控制电容Cpc=20nF；
预充控制电阻Rpc=10kΩ；
初始化电容Cgs=1uF；
初始化电阻Rgs=100kΩ；
导通控制信号Vctrl=15V。
按上述参数计算，
仿真验证有无本案所提的预充电路下的电容预充效果如图3所示。
图3中第一栏曲线为待预充电容的两端电压Vcb，第二栏为电容的预充电流Ic，第三栏为N沟道MOS管M1的GS电压VGS。
图3中虚线为无配置预充电路，当导通控制信号置为高电平时，预充电流Ic急速上升，不受控制电路约束，峰值超过了160A。
图3中实线为有配置预充电路，当导通控制信号置为高电平时，VGS逐渐升高并进入密勒平台，平台电压约5V左右，在这个过程中，待预充电容Cbulk两端电压线性上升，预充电流Ic也被稳定地控制在10A左右，与预设参数接近。
在本申请的另一些实施例中，还提供了第二种预充电路，其电路结构图如图4所示，该预充电路同样以P沟道MOS管作为压控型半导体开关单元，不同的是，在本申请实施例中，不再以某一固定电压作为P沟道MOS管M1的导通控制信号，而使用一种干结点信号进行控制。
该预充电路包括初始化单元110、压控型半导体开关单元120、预充控制电容Cpc、预充控制电阻Rpc和干结点D1。
干结点D1响应于所述导通控制信号控制预充控制电阻Rpc和输入电源Vin的负极之间的连接。
在本申请实施例中，初始化单元110包括初始化电容Cgs和初始化电阻Rgs；压控型半导体开关单元120为P沟道MOS管M1。
具体地，输入电源Vin的正极连接至P沟道MOS管M1的源极，输入电源Vin的负极连接至图4中的O点，即接地。P沟道MOS管M1的漏极连接至待预充电容Cbulk的正极，待预充电容Cbulk的负极连接至O点。初始化电容Cgs连接在P沟道MOS管M1的源极和门极之间，预充控制电容Cpc连接在P沟道MOS管M1的漏极和门极之间，初始化电阻Rgs和初始化电容Cgs并联。预充控制电阻Rpc的一端连接至P沟道MOS管M1的门极，预充控制电阻Rpc的另一端连接至干结点D1的一端。干结点D1的另一端连接至O点。
在本申请的一些实施例中，干结点的类型包括集电极开路的NPN三极管、漏极开路的N-MOSFET、光耦和继电器。
在本实施例中，待预充电容的预充电流Ic通过下式计算：
。 （15）
如上述以P沟道MOS管M1为压控型半导体开关单元120的预充电路为例进行说明，即图4所示电路。在本实施例中，输入电源Vin为60V，需要通过预充电路，对220uF的待预充电容Cbulk进行充电。电路采用P沟道MOS管M1进行控制，其Vgs(th)为-1~-2V，跨导系数最小为65S，DG电容150pF，GS电容9.04nF。设置：
预充控制电容Cpc=20nF；
预充控制电阻Rpc=50kΩ；
初始化电容Cgs=2.2uF；
初始化电阻Rgs=10kΩ；
控制信号由60V跳转为0V，模拟干结点信号导通拉低。
按上述参数计算，
仿真验证有无本案所提的预充电路下的电容预充效果如图5所示，其中，
图5中第一栏曲线为待预充电容的两端电压Vcb，第二栏为电容的预充电流Ic，第三栏为MOSFET的GS电压VGS。
图5中虚线为无配置预充电路，当导通控制信号置为高电平时，预充电流Ic急速上升，不受控制电路约束，峰值超过了180A。
图5中实线为有配置预充电路，当干结点控制信号置为低电平时，VGS逐渐负向升高并进入密勒平台，平台电压约-2V左右，在这个过程中，待预充电容Cbulk两端电压线性上升，预充电流Ic也被稳定地控制在10A左右，与预设参数接近。
区别于现有技术的情况，本发明实施方式通过设置预充电阻以及预充电容以构成预充电路，能够简化预充电路的电路结构，减低电路成本，减低控制逻辑的复杂度，提高预充电路的可靠性。
基于上述实施例所述的预充电路，本发明实施方式还提供了一种电源设备，其结构示意图如图6所示，该电源设备包括：输入电源20、待预充电容Cbulk、后级电路30以及如所述的预充电路10。
在本申请实施例中，该电源设备应用于低边驱动，预充电路10和待预充电容Cbulk串联后与后级电路30并联，接入输入电源10的正极和负极之间，预充电路10的一端连接至待预充电容Cbulk的负极，预充电路10的另一端连接至输入电源20的负极。
在本申请的另一些实施例中，还提供了一种应用于高边驱动的电源设备，其结构示意图如图7所示，该电源设备包括：输入电源20、待预充电容Cbulk、后级电路30以及如所述的预充电路10。
预充电路10和待预充电容Cbulk串联后与后级电路30并联，接入输入电源10的正极和负极之间，预充电路10的一端连接至待预充电容Cbulk的正极，预充电路10的另一端连接至输入电源20的正极。
需要说明的是，上述实施例提供的两种电源设备，预充电路10均设置在待预充电容Cbulk的支路上，预充电路10还可以设置在主功率回路上。基于此，本发明实施例还提供了第三种电源设备，其结构示意图如图8所示。
该电源设备包括：输入电源20、待预充电容Cbulk、后级电路30以及如所述的预充电路10。该电源设备应用于低边驱动，待预充电容Cbulk与后级电路30并联，预充电路10连接在待预充电容Cbulk的负极和输入电源20的负极之间。
将预充电路10均设置在待预充电容的支路，由于只控制大容量电容投切到主功率电路上，因此电流较小，对应的开关器件的损耗与发热也较少；将预充电路10均设置在主功率回路上，开关器件可以同时用于控制整个电源输入/输出端口连通，以起到保护电源或设备的作用。
在本申请的另一些实施例中，还提供了第四种电源设备，其结构示意图如图9所示。
该电源设备包括：输入电源20、待预充电容Cbulk、后级电路30以及如所述的预充电路10。该电源设备应用于高边驱动，待预充电容Cbulk与后级电路30并联，预充电路10连接在待预充电容Cbulk的正极和输入电源20的正极之间。
区别于现有技术的情况，本发明实施方式通过设置预充电阻以及预充电容以构成预充电路，能够简化预充电路的电路结构，减低电路成本，减低控制逻辑的复杂度，提高预充电路的可靠性。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；在本申请的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上的本申请的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种预充电路，应用于包括输入电源和待预充电容的电源设备，其特征在于，包括：
被配置为响应于导通控制信号而改变开关状态，进而控制所述待预充电容充电状态的压控型半导体开关单元；
设置在所述压控型半导体开关单元的第一端和所述压控型半导体开关单元的受控端之间的预充控制电容，所述压控型半导体开关单元的第一端和所述待预充电容连接，所述压控型半导体开关单元的第二端接地；
用于引入所述导通控制信号，并将所述导通控制信号输入至所述压控型半导体开关单元的受控端的预充控制电阻；
用于控制所述压控型半导体开关单元在所述导通控制信号置于高电平之前处于稳定关断状态的初始化单元；
所述初始化单元包括初始化电容和初始化电阻，
所述初始化电容的第一端和所述压控型半导体开关单元的第二端连接，所述初始化电容的第二端和所述压控型半导体开关单元的受控端连接；
所述初始化电阻和所述初始化电容并联；
所述初始化电容和所述预充控制电容满足如下关系：
，
其中，Cpc为所述预充控制电容，Cgs为所述初始化电容，Vgs（th）为所述压控型半导体开关单元的门极开通阈值电压，Vin为所述输入电源的输入电压；
所述初始化电阻和所述预充控制电阻满足如下关系：
，
其中，Rpc为所述预充控制电阻，Rgs为所述初始化电阻，Vctrl为高电平的导通控制信号的电平值，Vgs(sta)为使所述压控型半导体开关单元稳定开通的门极电压；
所述待预充电容的预充电流Ic通过下式计算：
，
其中，Cbulk为所述待预充电容。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述压控型半导体开关单元的类型包括MOSFET和IGBT。
3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，当所述压控型半导体开关单元为P-MOSFET时，所述预充电路还包括：
响应于所述导通控制信号控制所述预充控制电阻和所述输入电源的负极之间连接的干结点。
4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述干结点的类型包括漏极开路的N-MOSFET、集电极开路输出的NPN三极管、光耦和继电器。
5.一种电源设备，其特征在于，包括：
输入电源；
待预充电容；
后级电路；
以及如权利要求1-4任一项所述的预充电路。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述预充电路和所述待预充电容串联后与所述后级电路并联，接入所述输入电源的正极和负极之间；
若应用于低边驱动，则所述预充电路的一端连接至所述待预充电容的负极，所述预充电路的另一端连接至所述输入电源的负极；
若应用于高边驱动，则所述预充电路的一端连接至所述待预充电容的正极，所述预充电路的另一端连接至所述输入电源的正极。
7.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述待预充电容与所述后级电路并联；
若应用于低边驱动，则所述预充电路连接在所述待预充电容的负极和所述输入电源的负极之间；
若应用于高边驱动，则所述预充电路连接在所述待预充电容的正极和所述输入电源的正极之间。
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