CN213600774U - 一种母线电压隔离采样电路 - Google Patents

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胡小行
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Abstract

本实用新型提供了一种母线电压隔离采样电路，包括用于隔离微弱信号电路、防止干扰的弱电隔离控制电路，用于降压稳压驱动MOS管的驱动电路和用于对母线电压进行隔离采样的隔离降压电路；通过采用高频脉冲变压器实现直流电压的隔离采样，不仅解决了高低压隔离采样问题，同时将信号传输延迟减小到低于1us，提高了母线电压采样电路的响应速度，避免了光耦隔离的传输延迟对电压环响应能力不足的问题，使电压环能快速跟踪控制目标，相应提高了电压环控制的稳定性。本实用新型实现了高压电信号的隔离采集，满足电路安规设计要求的同时提高了隔离采样的响应能力。

Description

一种母线电压隔离采样电路
技术领域
本实用新型属于信号处理技术领域，具体涉及一种母线电压隔离采样电路。
背景技术
在有直流环节的电力电子设备中，必须要采集直流母线的电压信号用于电压环控制；实际应用中需要解决母线高电压与控制***低电压之间的隔离，同时采样信号还要满足电压环控制的响应能力，且不影响电流环控制的稳定性。
为了解决高压电信号采集，通常会采用隔离采样设计，隔离采样的响应能力将是电路设计的关键。
传统实现母线电压采样通过差分降压，再用线性光耦进行隔离采样，后级再用运放调节比例。然而线性光耦传输延迟在3～5us，对于电压环的响应能力不利；严重时甚至会导致电压环控制不稳定，出现母线电压波动，进而影响电流环控制的稳定性。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是：提供一种母线电压隔离采样电路，用于对母线电压进行隔离采样，同时满足电压环控制的响应能力、保证电压环控制的稳定性。
本实用新型为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种母线电压隔离采样电路，包括用于隔离微弱信号电路、防止干扰的弱电隔离控制电路，用于降压稳压驱动MOS管的驱动电路和用于对母线电压进行隔离采样的隔离降压电路；弱电隔离控制电路包括三极管T1；驱动电路包括用于隔离驱动的高速光耦U1；隔离降压电路包括MOS管Q1和高频脉冲变压器VT1；高速光耦U1的A端连接信号电源，高速光耦U1的C端连接三极管T1的集电极；三极管T1的基极连接信号输入端Fin，三极管T1的发射极连接信号地GND；高速光耦U1的VCC端和高频脉冲变压器VT1的P1端连接母线电源端P+，高速光耦U1的VEE端连接电位点N，高速光耦U1的VO端连接MOS管Q1的栅极；MOS管Q1的漏极连接高频脉冲变压器VT1的P2端，MOS管Q1的源极连接电位点N；高频脉冲变压器VT1的S1端连接采样电位点UPN，高频脉冲变压器VT1的S2端连接信号地GND。
按上述方案，高速光耦U1的输出上升延迟和下降延迟均＜100ns。
按上述方案，弱电隔离控制电路还包括第五电阻R5、第七电阻R7、第八电阻R8、第十电阻R10、第二电容C2、第四电容C4；第五电阻R5串联在+5V电源和高速光耦U1的A端之间；第七电阻R7与第二电容C2并联且并联在高速光耦U1的A端和C端之间；第八电阻R8串联在信号输入端Fin与三极管T1的基极之间；第四电容C4与第十电阻R10并联且并联在三极管T1的基极和发射极之间。
按上述方案，驱动电路还包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、TVS管ZD1、电解电容E1、第一电容C1、第九电阻R9；第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4依次串联在高速光耦U1的VCC端与母线电源端P+之间；第一电容C1并联在高速光耦U1的VCC端和VEE端之间；电解电容E1的正极连接高速光耦U1的VCC端，电解电容E1的负极连接高速光耦U1的VEE端；TVS管ZD1的负极连接高速光耦U1的VCC端，TVS管ZD1的的正极连接高速光耦U1的VEE端；第九电阻R9串联在高速光耦U1的VO端与MOS管Q1的栅极之间。
进一步的，还包括用于防止电源端P+被反接的二极管D1；二极管D1的正极连接电源端P+，二极管D1的负极连接第四电阻R4的一端和高频脉冲变压器VT1的P1端。
按上述方案，隔离降压电路还包括二级管D2、第三电容C3、第六电阻R6；二极管D2的正极连接高频脉冲变压器VT1的S1端，二极管D2的负极连接电位点UPN；第三电容C3与第六电阻R6并联且并联在高频脉冲变压器VT1的S1端和S2端之间。
按上述方案，还包括作为MOS管Q1的GS电阻、用于避免MOS管Q1因为寄生电容而误导通的第十一电阻R11；第十一电阻R11并联在MOS管Q1的栅极和源极之间。
本实用新型的有益效果为：
1.本实用新型的一种母线电压隔离采样电路摈弃了线性光耦做隔离，采用高频脉冲变压器实现直流电压的隔离采样，不仅解决了高低压隔离采样问题，同时将信号传输延迟减小到低于1us，提高了母线电压采样电路的响应速度，避免了光耦隔离的传输延迟对电压环响应能力不足的问题，使电压环能快速跟踪控制目标，相应提高了电压环控制的稳定性。
2.本实用新型实现了高压电信号的隔离采集，满足电路安规设计要求。
附图说明
图1是本实用新型实施例的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
参见图1，本实用新型的实施例包括用于隔离微弱信号电路、防止干扰的弱电隔离控制电路，用于降压稳压驱动MOS管的驱动电路和用于对母线电压进行隔离采样的隔离降压电路；
弱电隔离控制电路包括三极管T1、第五电阻R5、第七电阻R7、第八电阻R8、第十电阻R10、第二电容C2、第四电容C4；第五电阻R5的一端连接+5V电源，第五电阻R5的另一端连接驱动电路的高速光耦U1的A端；高速光耦U1的C端连接三极管T1的集电极；三极管T1的基极通过串联的第八电阻R8连接输入信号Fin；三极管T1的发射极连接信号地GND；第七电阻R7和第二电容C2分别并联在高速光耦U1的A端和C端之间；第四电容C4和第十电阻R10分别并联在三极管T1的基极和发射极之间。
驱动电路包括高速光耦U1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、TVS管(瞬态电压抑制二级管)ZD1、电解电容E1、第一电容C1、第九电阻R9；为了减小信号传输延迟、提供工作频率、减小后级滤波时间常数，所选用的高速光耦U1的输出上升延迟和下降延迟均＜100ns；用于隔离驱动的高速光耦U1的VCC端通过依次串联的第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、二极管D1连接电源端P+，其中二极管D1的正极连接电源端P+用于防止电源端P+被反接；高速光耦U1的VO端连接用于限流的第九电阻R9的一端；高速光耦U1的VEE端连接电位点N；第一电容C1并联在高速光耦U1的VCC端和VEE端之间；电解电容E1的正极连接高速光耦U1的VCC端，电解电容E1的负极连接高速光耦U1的VEE端；TVS管ZD1的负极连接高速光耦U1的VCC端，TVS管ZD1的的正极连接高速光耦U1的VEE端。
隔离降压电路包括MOS管Q1、高频脉冲变压器VT1、二级管D2、第三电容C3、第六电阻R6；MOS管Q1的栅极连接第九电阻R9的一端；MOS管Q1的源极连接电位点N；第十一电阻R11并联在MOS管Q1的栅极和源极之间作为MOS管Q1的GS电阻，用于避免MOS管Q1因为寄生电容而误导通；MOS管Q1的漏极连接高频脉冲变压器VT1的P2端；高频脉冲变压器VT1的P1端连接二极管D1的负极；高频脉冲变压器VT1的S1端连接二极管D2的正极，二极管D2的负极连接电位点UPN；高频脉冲变压器VT1的S2端连接信号地GND；第三电容C3和第六电阻R6分别并联在高频脉冲变压器VT1的S1端和S2端之间。
设电位点UPN的电压为采样电压Uadc，电源端P+与电位点N之间的电压为母线电压UPN；设高频脉冲变压器VT1的占空比为D，原副边匝比(1/K)；则采样电压Uadc为：
采样电压Uadc＝母线电压UPN×占空比D×原副边匝比(1/K)。
以上实施例仅用于说明本实用新型的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本实用新型的内容并据以实施，本实用新型的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本实用新型所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种母线电压隔离采样电路，其特征在于：包括用于隔离微弱信号电路、防止干扰的弱电隔离控制电路，用于降压稳压驱动MOS管的驱动电路和用于对母线电压进行隔离采样的隔离降压电路；
弱电隔离控制电路包括三极管T1；驱动电路包括用于隔离驱动的高速光耦U1；隔离降压电路包括MOS管Q1和高频脉冲变压器VT1；
高速光耦U1的A端连接信号电源，高速光耦U1的C端连接三极管T1的集电极；
三极管T1的基极连接信号输入端Fin，三极管T1的发射极连接信号地GND；
高速光耦U1的VCC端和高频脉冲变压器VT1的P1端连接母线电源端P+，高速光耦U1的VEE端连接电位点N，高速光耦U1的VO端连接MOS管Q1的栅极；
MOS管Q1的漏极连接高频脉冲变压器VT1的P2端，MOS管Q1的源极连接电位点N；
高频脉冲变压器VT1的S1端连接采样电位点UPN，高频脉冲变压器VT1的S2端连接信号地GND。
2.根据权利要求1所述的一种母线电压隔离采样电路，其特征在于：高速光耦U1的输出上升延迟和下降延迟均＜100ns。
3.根据权利要求1所述的一种母线电压隔离采样电路，其特征在于：弱电隔离控制电路还包括第五电阻R5、第七电阻R7、第八电阻R8、第十电阻R10、第二电容C2、第四电容C4；
第五电阻R5串联在+5V电源和高速光耦U1的A端之间；
第七电阻R7与第二电容C2并联且并联在高速光耦U1的A端和C端之间；
第八电阻R8串联在信号输入端Fin与三极管T1的基极之间；
第四电容C4与第十电阻R10并联且并联在三极管T1的基极和发射极之间。
4.根据权利要求1所述的一种母线电压隔离采样电路，其特征在于：驱动电路还包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、TVS管ZD1、电解电容E1、第一电容C1、第九电阻R9；
第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4依次串联在高速光耦U1的VCC端与母线电源端P+之间；
第一电容C1并联在高速光耦U1的VCC端和VEE端之间；
电解电容E1的正极连接高速光耦U1的VCC端，电解电容E1的负极连接高速光耦U1的VEE端；
TVS管ZD1的负极连接高速光耦U1的VCC端，TVS管ZD1的正极连接高速光耦U1的VEE端；
第九电阻R9串联在高速光耦U1的VO端与MOS管Q1的栅极之间。
5.根据权利要求4所述的一种母线电压隔离采样电路，其特征在于：还包括用于防止电源端P+被反接的二极管D1；
二极管D1的正极连接电源端P+，二极管D1的负极连接第四电阻R4的一端和高频脉冲变压器VT1的P1端。
6.根据权利要求1所述的一种母线电压隔离采样电路，其特征在于：隔离降压电路还包括二极管D2、第三电容C3、第六电阻R6；
二极管D2的正极连接高频脉冲变压器VT1的S1端，二极管D2的负极连接电位点UPN；
第三电容C3与第六电阻R6并联且并联在高频脉冲变压器VT1的S1端和S2端之间。
7.根据权利要求1所述的一种母线电压隔离采样电路，其特征在于：还包括作为MOS管Q1的GS电阻、用于避免MOS管Q1因为寄生电容而误导通的第十一电阻R11；
第十一电阻R11并联在MOS管Q1的栅极和源极之间。
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