CN1801564A - 具有过压保护的开关电源及其过压保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有过压保护的开关电源，包括软启动电路、整流电路、滤波电容、主电源、辅助电源和监控电路。当输入电压大于设定的保护电压后，关断第一电控开关，开关电源的主功率电路被切断。此时控制第二电控开关的吸合和断开，从而控制输入电源对电源模块的进行间歇式充电，使电源内部整流电路后面的输出电压控制在一定的范围之内，如低于一定值时开通，高于一定值时断开。这样一方面保证了电源内部母线电压被控制在安全的范围内，保证开关电源模块内部器件的安全；同时也保证了辅助电源的供电电压，使辅助电源和控制电路能正常工作。

Description

具有过压保护的开关电源及其过压保护方法

技术领域：

本发明涉及一种具有过压保护的开关电源及其过压保护方法。

背景技术：

在开关电源模块中，一般采取如图1的电路拓扑，包括输入软启动电路、整流电路、滤波电路(一般由滤波电容组成)、主电源(由主DC/DC变换器和其输出滤波组成)、辅助电源和监控电路等，有些开关电源还在整流电路和主电源之间设置有功率因数校正电路，即PFC电路。

如果输入电源电压过高，则必须采取一些保护措施以防止电源模块的损坏。通常的保护措施是关断电源的主电路(PFC和DC/DC变换器)，停止功率输出，切断输入软启动继电器，以保证输入电源恢复正常后减小对模块的启动冲击。继电器断开过程中，输入电源通过软启动电阻和整流电路继续供电到滤波电路，以保证辅助电源和监控电路继续正常工作。此时，由于软启动电阻起到一定的分压作用，一定程度上降低了输入电压，从而起到了一些保护作用。

上述保护只能在一定的输入电源电压范围内有效，过压后，输入电源电压不能太高，否则电源模块内的器件耐压不够，将导致损坏。但实际应用中，输入电压有可能会很高，如输入相电压不小心接到线电压时，输入电压就高达380Vac，其输入电压峰值超过500Vdc，模块内部许多器件耐压已经不够。因此，真正的过压保护应当是在输入过压时完全切断过高的电压与后级的耦合，即过压脱离，而不仅仅是分压。

但现有的开关电源中，当模块交流过高时模块自身无法实现过压脱离保护，因为交流脱离后，辅助电源也停止工作，则没有了维持脱离装置的电源。所以需要在外部增加保护装置，例如：在***上增加交流接触器等隔离装置，通过控制隔离装置的通断来达到隔离电网的目的。但该方法存在以下问题：1)需要外加装置，增加成本；2)外加装置失效后，整个***不能正常工作。

当然，如果在过压时采用跳闸等办法完全切断电源供应，是可以实现对后级的保护的，但这样一来，当输入电压转为正常后模块不能自动恢复正常工作状态，因此也是不能满足需要的。

发明内容：

本发明的目是提供一种具有过压保护的开关电源及其过压保护方法，解决现有技术中模块输入过压时各模块的保护问题，且在过压消除后可以及时恢复正常工作状态。

为实现上述目的，本发明提出一种具有过压保护的开关电源及其过压保护方法。

所述具有过压保护的开关电源包括软启动电路、整流电路、滤波电容、主电源、辅助电源和监控电路；所述软启动电路包括软启动电阻和位于软启动电阻并联支路上的第一电控开关；交流电经软启动电路输入到整流电路进行整流、滤波电容滤波后，其直流电分别输出到主电源和辅助电源；辅助电源为监控电路提供直流电压，而监控电路监测开关电源的输入电压或/和输出电压，并对软启动电路中的第一电控开关进行控制；其特征是：还包括第二电控开关，串联在软启动电阻所在的相线上，其控制端与监控电路相连，由监控电路控制其开或关。

上述方案还可以做以下变形或改进：

还可以包括第二阻抗，并联在第二电控开关上。

还可以包括第二阻抗和第三阻抗，所述第三阻抗串联于第二电控开关上，二者串联后并联于所述第二阻抗。

还可以包括第二辅助电源，其输入端与电池相连，输出端与监控电路相连。

所述第一、二电控开关是继电器。

所述开关电源的过压保护方法包括如下步骤：S1、监控电路监测开关电源的输入电压或/和输出电压；S2、如果交流输入在允许范围内，则控制常开型第一电控开关和常闭型第二电控开关的开合状态，使得交流通过软启动电阻、第二电控开关向滤波电容充电，软启动完成后，控制第一电控开关接通，模块进入正常工作状态；S3、当交流输入过压时，引起滤波电容上的电压升高，如果监控电路检测到滤波电容上的电压高于事先设定的电压阈值，则监控电路控制第一、二电控开关断开，并依靠滤波电容上储存的能量维持第二电控开关的断开状态；S4、当滤波电容上储存的能量消耗、其电压降到一定阈值时，第二电控开关恢复接通状态，使得交流又可以通过软启动电阻、第二电控开关向滤波电容充电，滤波电容的电压逐渐上升；S5、如果滤波电容上的电压再次超过了允许值，则第二电控开关会再次断开，重复上述步骤S3、S4；S6、直到交流输入的电压下降恢复到正常允许范围内，则控制第一、二电控开关的状态，使模块进入正常工作状态。

上述方案还可以做以下变形或改进：

事先在监控装置中设定第二电压阈值，当监测到电压小于该阈值时，第二电控开关由监控电路控制恢复接通状态。

设定第一、二电控开关的开通或关断时刻，输入电压低于母线电压，从而使继电器吸合或关断时的电流为零。

采用上述方案的有益效果：当输入电压大于设定的保护电压后，关断第一电控开关，开关电源的主功率电路被切断。此时，唯一可以向后级提供电能的支路是软启动电阻支路，由于第二电控开关位于这一支路上，或者位于整流后的直流母线上，只需控制第二电控开关的吸合和断开，控制输入电源对电源模块的进行间歇式充电，使电源内部整流电路后面的输出电压控制在一定的范围之内，如低于一定值时(该值可以为零)开通，高于一定值时断开。这样一方面保证了电源内部母线电压被控制在安全的范围内，保证开关电源模块内部器件的安全；同时也保证了辅助电源的供电电压，使辅助电源和控制电路能正常工作。形象地说，就是通过打嗝方式维持辅助电源和过压保护。

附图说明：

图1是现有技术常用的通信电源模块示意图。

图2是本发明通信电源模块示意图。

图3a是本发明实施例一局部电路原理示意图(省略主电源及其后级输出端)。

图3b是本发明实施例一第一种控制策略IZ1工作波形示意图。

图3c是本发明实施例一第一种控制策略Q2驱动信号工作波形示意图。

图3d是本发明实施例一另一种控制策略输入电压波形和辅助继电器的驱动线包电压波形示意图。

图4a是本发明实施例二示意图。

图4b是本发明实施例三示意图。

图5是本发明实施例四示意图。

图6是本发明实施例五示意图。

图7是本发明实施例六示意图。

图8a是本发明应用例之一示意图。

图8b是本发明应用例之一继电器零电压吸合的电压电流波形。

图8c为继电器的断开波形。

图9是本发明应用例之二示意图。

图10是本发明应用例之三示意图。

图11是本发明应用例之四示意图。

图12是本发明应用例之五示意图。

具体实施方式：

图2是本发明以下几个实施例的总体示意图。其中第二继电器因有二个可选的位置，故用虚线画出。从中可以看出，本发明的具有过压保护的开关电源包括软启动电路1、整流电路2、滤波电容C1、主电源3、辅助电源4和监控电路10；所述软启动电路1包括软启动电阻Z1和位于软启动电阻Z1并联支路上的第一电控开关K1；交流电经软启动电路1输入到整流电路2进行整流、滤波电容C1滤波后，其直流电分别输出到主电源3和辅助电源4；辅助电源4为监控电路10提供直流电压，而监控电路10监测开关电源的输入电压或/和输出电压，并对软启动电路1中的第一电控开关K1进行控制。而本发明的主要改进特征是：增设第二电控开关K2，串联在软启动电阻Z1所在的相线上，其控制端与监控电路10相连，由监控电路10控制其开或关。

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。这些实施例中，第一、二电控开关K1、K2是继电器，但它可以不限于继电器，如可用晶闸管等。

实施例一：

如图3a所示，本例中所述第一、二电控开关K1、K2是继电器。其中第二继电器K2是串联于软启动电阻Z1上，串联后二者又并接于第一继电器K1上。

根据步骤S4的不同，还可以区分成两种控制策略：

第一种控制策略是事先设定第一电控开关K1为常开状态，第二电控开关K2为常闭状态，以便在步骤S4中，当滤波电容C1上储存的能量消耗到不足以吸合第二电控开关K2时，第二电控开关K2会自动闭合，恢复接通状态。

第二种控制策略则是事先在监控装置10中设定电压阈值，当监测到电压小于该阈值时，第二电控开关K2由监控电路10控制恢复接通状态。

图3b、3c示出了本实施例第一种控制策略的工作原理：

模块交流输入整流滤波后变成直流，然后再经过变换后输出各路工作电压。此类模块为了实现控制电路的正常工作，会由整流后的直流变换成一路或者多路小功率电源维持控制电路工作，即图中的辅助电源。为了电路能够正常启动，K1使用常开状态，K2使用常闭状态。

状态0：交流输入在允许范围内，交流通过Z1、K2向高压电容(即滤波电容C1)充电，软启动完成后，K1接通，模块进入正常工作状态。

状态1：交流输入过压时，C1上的电压升高，如果C1上的电压没有超过电容的允许电压，可以不进行动作；如果检测到C1上的电压高于电容的允许电压，控制电路控制K1、K2断开，模块电容C1上储存的能量维持K2断开状态，K1常开器件不消耗能量。当储存能量消耗完或者接近消耗完，K2恢复接通状态，模块重新给高压直流电容C1补充能量，C1上的电压逐渐上升。如果电容C1上的电压再次超过了允许值，则K2会再次断开，重复上述步骤；如果电容C1上电压没有超过电容允许电压，则K2可以不断开；如果交流输入的电压下降恢复到正常允许范围内，K2吸合，K1延时吸合，模块开始正常工作。

可见，通过K2的打嗝方式，保护了模块在高压输入下不损坏。我们注意到，K2的吸合和放开的利用C1充放电的自然特性实现的。这样，监控电路10就可以不必监测最低电压的值，因为当电压低到一定值时K2自动会翻转。

上述工作原理只是本实施例的一种控制策略而已，实际上还有其他的控制策略。比如：为了不让后级(如辅助电源等)的电压太低，可以采用上述第二种控制策略：利用监控电路10监测最低电压的值，事先在监控装置10中设定电压阈值，当监测到电压小于该阈值时，第二电控开关K2由监控电路10控制恢复接通状态。如图3d所示是本控制策略的示意图，下面将会进一步解释。

总结其工作原理，可以看出其过压保护方法包括如下步骤：

S1、监控电路10监测开关电源的输入电压或/和输出电压；S2、如果交流输入在允许范围内，则控制第一、二电控开关K1、K2的开合状态，使得交流通过软启动电阻Z1、第二电控开关K2向滤波电容C1充电，软启动完成后，控制第一电控开关K1接通，模块进入正常工作状态；S3、当交流输入过压时，引起滤波电容C1上的电压升高，如果监控电路10检测到滤波电容C1上的电压高于事先设定的电压阈值，则监控电路10控制第一、二电控开关K1、K2断开，并依靠滤波电容C1上储存的能量维持第二电控开关K的断开状态；S4、当滤波电容C1上储存的能量消耗、其电压降到一定阈值时，第二电控开关K2恢复接通状态，使得交流又可以通过软启动电阻Z1、第二电控开关K2向滤波电容C1充电，滤波电容C1的电压逐渐上升；S5、如果滤波电容C1上的电压再次超过了允许值，则第二电控开关K2会再次断开，重复上述步骤S3、S4；S6、直到交流输入的电压下降恢复到正常允许范围内，则控制第一、二电控开关K1、K2的状态，使模块进入正常工作状态。

实施例二：

如图4a所示，本例的特点是在K2上并联阻抗Z2。在此例中Z2最好采用电阻。图中的逻辑判断电路和驱动电路就构成监控电路10，下同。

改进后电路工作方式不变，其特点是K2断开后，交流输入通过阻抗Z1、Z2给高压电容C1继续补充能量，延长了辅助电源维持时间，使K2保持断开的时间延长。这样，Z1上的平均功耗大大降低。

Z2的阻抗为无穷大的情况下，则等同于原始方案。

实施例三：

如图4b所示，与实施例二相比，又增加第三阻抗Z3，所述第三阻抗Z3串联于第二电控开关K2上，二者串联后并联于所述第二阻抗Z2。这是因为，当Z2为电容时，需要用Z3来防止打火。

实施例四：

如图5所示，本例使用双路辅助电源，即增设第二辅助电源，其输入端与电池相连，输出端与监控电路10相连。

在使用双路辅助电源的情况下，如果电池等储能装置正常，则交流过压时，K1、K2断开后，辅助电源可以持续提供维持K2断开的能量；

交流输入过压时，C1上的电压升高，如果C1上的电压没有超过电容的允许电压，可以不进行动作；如果检测到C1上的电压高于电容的允许电压，控制电路控制K1、K2断开，模块电容C1上储存的能量维持K2断开状态，K1常开器件不消耗能量。电池通过辅助电源变换，维持K2断开状态。如果交流输入的电压下降恢复到正常允许范围内，K2吸和，K1延时吸和，模块开始正常工作。

如果电池不存在或者耗尽，仍然通过原始方式实现过压保护功能。

实施例五：

如图6所示，本例变换K2的位置，使Z1和K1并联后再和Z2串联。本电路特点是关断K1后，交流通过Z1、Z2、K2整流器件给辅助电源提供能量。

实施例六：

如图7所示，本例也是变换K2的位置，但是K2位于整流电路之后。这样整流电路不在过压保护范围之内。

下面以图8a-图12为例说明本发明在各种场合下的应用。为简化图形，这些图中未画出图3a中的驱动电路部分(即Q1、Q2等)，和其他一些细节部分。实际上，图3a中的驱动电路部分本来也是可以省略的。

图8a是本发明应用于有PFC的单相输入开关电源的示意图。前面图3d所示是其控制策略的示意图。图3d中，Vpfc为母线电容Cpfc的电压，drv为辅助继电器K2的驱动线包电压，假定当drv电平为高时，辅助继电器K2吸合；电平为低时，K2断开。控制策略是，当输入电压Vin大于设定的保护电压后，关断开关电源模块的主功率电路，同时断开主继电器K1。控制K2的吸合和断开，控制输入电源对电源模块的充电，使电源内部母线Cpfc上电压控制在一定的范围之内，如低于Vmin时开通K2，输入电源通过Rss对Cpfc充电；当Cpfc电压高于上限Vmax时，断开继电器K2。这样一方面保证了电源内部母线电压被控制在安全的范围内，保证开关电源模块内部器件的安全；同时也保证了辅助电源的供电电压，使辅助电源和控制电路能正常工作。

在上述继电器的开、闭瞬间，继电器触点可能存在电压和电流，当触电电压或电流较大时，继电器的触点会存在一定的损伤。由于输入电压为变化的正弦波，对于单相输入电压，Vin＝Vpk×sinwt(w＝100π)，因此每个开关周期内，输入电压绝对值总存在两个低于输出母线电压Vpfc的时间段。因此只要设定辅助继电器的开通或关断时刻，输入电压低于母线电压，由于回路中整流桥D1的单向电流导通特性，继电器吸合或关断时的电流为零，即零电流开通和关断。图8b为继电器零电压吸合的电压电流波形，其中Vrelay为继电器两端电压波形，Irelay为继电器电流，drv为继电器的驱动信号。继电器在t2时刻吸合，此时由于Vin(t2)＜Vmin，整流桥D1不导通，因此继电器开通时刻电流为零。实际上继电器触点吸合有一定的延时，因此继电器的闭合驱动信号drv需要适当提前，如图8b所示，继电器可以提前在t1时刻就给出吸合线包脉冲。图8c为继电器的断开波形，只要继电器断开时刻输入电压低于母线电压Vin(t)＜Vmax，即可实现零电流切换。同样由于继电器触点断开有一定的延时，实际应用中需要适当提前断开脉冲。

图9是在图8a的基础上在辅助继电器上增加了一个旁路电容(即采用的是实施例三的情况)，该电容的作用是在辅助继电器K2断开时，输入电源可以通过Rss、C1继续向母线电容Cpfc充电，这样可以降低辅助继电器吸合断开的频率。但Rss、C1的选取应满足：电源通过其的充电能量低于辅助电源的最小输入功率，而且还需增加第三阻抗Z3，所述第三阻抗Z3串联于第二电控开关K2上，二者串联后并联于C1，防止打火。

本发明对无功率因数PFC校正的电路也有效，如图10所示。对三相电路也同样有效，如：图11为无PFC校准的三相输入过压保护电路，图12为有PFC的三相电路的保护方式。

本电路只需增加简单的硬件与控制，并且效果很好，在实际单相输入电源模块中，很容易做得高压长期不损坏模块。如采用450Vdc的电容和500V的功率器件的单相模块中，很容易达到模块可以长期承受415Vac的高压而不损坏。

Claims (9)

1、一种具有过压保护的开关电源，包括软启动电路(1)、整流电路(2)、滤波电容(C1)、主电源(3)、辅助电源(4)和监控电路(10)；

所述软启动电路(1)包括软启动电阻(Z1)和位于软启动电阻(Z1)并联支路上的第一电控开关(K1)；

交流电经软启动电路(1)输入到整流电路(2)进行整流、滤波电容(C1)滤波后，其直流电分别输出到主电源(3)和辅助电源(4)；辅助电源(4)为监控电路(10)提供直流电压，而监控电路(10)监测开关电源的输入电压或/和输出电压，并对软启动电路(1)中的第一电控开关(K1)进行控制；

其特征是：

还包括第二电控开关(K2)，串联在软启动电阻(Z1)所在的相线上，其控制端与监控电路(10)相连，由监控电路(10)控制其开或关。

2、如权利要求1所述的具有过压保护的开关电源，其特征是：所述第二电控开关(K2)与软启动电阻(Z1)串联，该串联支路与第一电控开关(K1)并联。

3、如权利要求1所述的具有过压保护的开关电源，其特征是：还包括第二阻抗(Z2)，并联在第二电控开关(K2)上。

4、如权利要求1所述的具有过压保护的开关电源，其特征是：还包括第二阻抗(Z2)和第三阻抗(Z3)，所述第三阻抗(Z3)串联于第二电控开关(K2)上，二者串联后并联于所述第二阻抗(Z2)。

5、如权利要求1所述的具有过压保护的开关电源，其特征是：还包括第二辅助电源(6)，其输入端与电池相连，输出端与监控电路(10)相连。

6、如权利要求1所述的具有过压保护的开关电源，其特征是：所述第一、二电控开关(K1、K2)是继电器。

7、一种开关电源的过压保护方法，其特征是包括如下步骤：

S1、监控电路(10)监测开关电源的输入电压或/和输出电压；

S2、如果交流输入在允许范围内，则控制常开型第一电控开关(K1)和常闭型第二电控开关(K2)的开合状态，使得交流通过软启动电阻(Z1)、第二电控开关(K2)向滤波电容(C1)充电，软启动完成后，控制第一电控开关(K1)接通，模块进入正常工作状态；

S3、当交流输入过压时，引起滤波电容(C1)上的电压升高，如果监控电路(10)检测到滤波电容(C1)上的电压高于事先设定的电压阈值，则监控电路(10)控制第一、二电控开关(K1、K2)断开，并依靠滤波电容(C1)上储存的能量维持第二电控开关(K2)的断开状态；

S4、当滤波电容(C1)上储存的能量消耗、其电压降到一定阈值时，第二电控开关(K2)恢复接通状态，使得交流又可以通过软启动电阻(Z1)、第二电控开关(K2)向滤波电容(C1)充电，滤波电容(C1)的电压逐渐上升；

S5、如果滤波电容(C1)上的电压再次超过了允许值，则第二电控开关(K2)会再次断开，重复上述步骤S3、S4；

S6、直到交流输入的电压下降恢复到正常允许范围内，则控制第一、二电控开关(K1、K2)的状态，使模块进入正常工作状态。

8、如权利要求7所述的开关电源的过压保护方法，其特征是：事先在监控装置(10)中设定第二电压阈值，以便在步骤S4中，当监测到电压小于该阈值时，第二电控开关(K2)由监控电路(10)控制恢复接通状态。

9、如权利要求7所述的开关电源的过压保护方法，其特征是：设定第一、二电控开关(K1、K2)的开通或关断时刻，使该时刻输入电压低于母线电压，从而使继电器吸合或关断时的电流为零。

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