一种电源预充回路的控制电路及方法与流程

本发明涉及电源电路技术领域，具体涉及一种电源预充回路的控制电路及方法。

背景技术

电源预充回路是一种设置在直流电源前级的充电控制回路。由于直流电路的母线前端通常会设置有一较大的电容，当电源接通瞬间，电容两端的电压不会突变，而电容两端的电流会突变，进而形成近乎于短路的电流，从而对功率器件产生过流损伤。而设置了电源预充回路后，则可在电源接通时，通过电阻进行分压，或是通过开关控制回路进行导通以使得电容进行预充电，避免了电路启动时的瞬时大电流对电路造成损伤的问题。

现有技术中往往存在下列技术问题：

1)现有预充回路大多数采用继电器做回路开关，上电和下电使用过程中易产生电火花、触点融化、触点间阻值增大等危险情况；

2)现有预充回路中采用功率管(Mosfet、IGBT、Sic等)，预充和总开关设计隔离使用中，因为驱动电压基准不同，光耦输出高压侧需要采用多路驱动电源，增加开关电源设计的复杂性和成本；

3)现有大功率回路中，若电流采样电阻放在电源正极和母线电容正极之间，电流采样光耦输入高压侧需要提高产生一路基于电容正极电压的供电电源，开关电源设计复杂程度增加，成本增高；

4)现有大功率回路中，若电流采样电阻放在电源负极和母线电容负极之间，电流越大，电流采样电阻上分压越大，给到功率管驱动电平的有效电压值越小，功率管未工作在理想的开关状态，热损耗严重，长期使用，失效率高，并且降低了控制器的整体效率；

5)逆变器，单路强电供电，强电往往先给到后端逆变单元，控制单元还未工作，逆变单元主控驱动信号电平处于不确定状态，上下电过程中，易引发桥间短路，功率管瞬间过大电流失效等情况。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述问题，现提供一种电源预充回路的控制电路及方法。

具体技术方案如下：

一种电源预充回路的控制电路，包括：

逆变器，所述逆变器连接外部电源，并通过预充电电阻连接待启动电源，所述逆变器用于为所述待启动电源供电；

所述预充电电阻与所述待启动电源之间连接有第一开关场效应管；

所述预充电电阻还并联有第二开关场效应管；

所述待启动电源的第一输入端和第二输入端之间连接有第一电容；

电压监测模块，所述电压监测模块连接所述第一电容，用于监测所述第一电容的输出电压；

控制单元，所述控制单元接收所述电压监测模块输出的电压信号，并根据所述电压信号控制所述第一开关场效应管和所述第二开关场效应管的导通。

优选地，所述控制单元通过第一逻辑光耦连接至所述第一开关场效应管的栅极，所述第一开关场效应管的漏极连接至所述待启动电源的第二输入端，所述第一开关场效应管的源极连接至所述预充电电阻；

所述控制单元通过第二逻辑光耦连接至所述第二开关场效应管的栅极，所述第二场效应管的源极连接至所述逆变器，所述第二场效应管的漏极连接至所述第一开关场效应管的源极。

优选地，所述待启动电源的第二输入端与所述第一开关场效应管之间连接有采样电阻；

所述采样电阻的两端连接至调制单元，所述调制单元输出一电流采样信号，经过第一线性光耦输入至所述控制单元。

优选地，所述电压监测模块与所述控制单元之间依次设置有第二线性光耦和调理单元。

优选地，所述待启动电源连接至第一直流电源模块，所述第一直流电源模块将第一电源信号输出至第二直流电源模块；

所述第一线性光耦还将所述电流采样信号输出至所述第二直流电源模块，并由所述第二直流电源模块根据所述第一电源信号和所述电流采样信号生成第二电压信号；

所述第二直流电源模块将所述第二电压信号发送至所述第一逻辑光耦。

优选地，所述待启动电源的第一输入端通过第一二极管连接至所述逆变器，所述第一二极管的阳极连接所述第一输入端；

所述待启动电源的第二输入端通过第二二极管连接至所述逆变器，所述第二二极管的阴极连接所述第二输入端；

所述第一输入端为正侧输入端，所述第二输入端为负侧输入端。

优选地，所述第二直流电源模块依次通过第三二极管、第二电容连接至所述第一开关场效应管与所述预充电电阻的连接处。

优选地，所述第二电容的一端连接至所述第一开关场效应管的源极，所述第二电容的另一端连接至所述第二逻辑光耦的输入端；

所述第二逻辑光耦的输入端还连接至所述所述第二场效应管的漏极。

一种电源预充回路的控制方法，其特征在于，适用于上述控制电路，包括电源预充回路的上电方法和所述电源预充回路的下电方法，所述上电方法具体包括：

步骤A1：控制单元判断逆变器电压是否位于阈值范围；

若是，转向步骤A2；

若否，停止判断并结束；

步骤A2：控制单元发出第一控制信号以使得第一开关场效应管导通；

步骤A3：控制单元接收电压监测装置输出的电压并判断所述电压是否达到预设电压值；

若是，控制第二开关场效应管导通，随后结束；

若否，返回所述步骤A3。

优选地，所述下电方法具体包括：

步骤B1：所述控制单元判断接收电压监测装置输出的电压并判断所述电压是否低于第二预设电压值；

若是，转向步骤B2；

若否，返回步骤B1；

步骤B2：所述控制单元根据电流采样信号判断电流值是否小于电流限值；

若是，转向步骤B3；

若否，返回所述步骤B1。

步骤B3：所述控制单元控制所述第二开关场效应管断开，所述逆变器的控制信号为低电平；

步骤B4：所述控制单元判断所述电流值是否为零；

若是，所述控制单元控制所述第一开关场效应管断开，随后结束；

若否，返回所述步骤B4。

上述技术方案具有如下优点或有益效果：通过设置第一、第二开关场效应管实现了在单路高压的输入场合中对强弱电模块的上下电时序，避免失效。并通过电压监测模块和控制单元实现了对电容负载的软硬件监测，使得预充电过程满足安全要求，避免了上电时的过流问题。本技术方案电路设计较为简单，可以有效降低电路整体的成本与体积。

附图说明

参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。

图1为本发明实施例的整体示意图；

图2为本发明实施例的上电过程示意图；

图3为本发明实施例的下电过程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本发明包括：

一种电源预充回路的控制电路，如图1所示，包括：

逆变器1，逆变器1连接外部电源，并通过预充电电阻R1连接待启动电源2，逆变器1用于为待启动电源2供电；

预充电电阻R1与待启动电源2之间连接有第一开关场效应管Q1；

预充电电阻R1还并联有第二开关场效应管Q2；

待启动电源2的第一输入端和第二输入端之间连接有第一电容C1；

电压监测模块6，电压监测模块6连接第一电容C1，用于监测第一电容C1的输出电压；

控制单元3，控制单元3接收电压监测模块6输出的电压信号，并根据电压信号控制第一开关场效应管Q1和第二开关场效应管Q2的导通。

具体地，电源预充回路中包括预充电电阻R1、第一电容C1、第一开关场效应管Q1和第二开关场效应管Q2；当电源启动时，控制单元3监测到逆变器1的输出电压的阈值范围14.5V-18V之间时，输出第一控制信号PWM1使得第一开关场效应管Q1导通，进入电源预充状态，使得第一电容C1开始充电，同时预充电电阻R1起到分压作用避免上电瞬间第一电容C1两端发生电流突变，形成过流冲击损坏电路。而当预充过程结束后，控制单元3输出第二控制信号PWM2使得第二开关场效应管Q2导通，待启动电源2正常工作。

在一种较优的实施例中，控制单元3通过第一逻辑光耦U1连接至第一开关场效应管Q1的栅极，第一开关场效应管Q1的漏极连接至待启动电源2的第二输入端，第一开关场效应管Q1的源极连接至预充电电阻R1；

控制单元3通过第二逻辑光耦U2连接至第二开关场效应管Q2的栅极，第二场效应管的源极连接至逆变器1，第二场效应管的漏极连接至第一开关场效应管Q1的源极。

在一种较优的实施例中，待启动电源2的第二输入端与第一开关场效应管Q1之间连接有采样电阻R2；

采样电阻R2的两端连接至调制单元5，调制单元5输出一电流采样信号，经过第一线性光耦U3输入至控制单元3。

具体地，当待启动电源2进入预充状态时，采样电阻R2用于采集流经待启动电源2负输入端的电流，并输出至调制单元5中。在一种实施例中，调制单元5为可调节放大倍数的运算放大电路，随后经过1：1输出的第一线性光耦U3输出至控制单元3用于监测母线上的电流大小，同时还输出至第二直流电源模块P2中用于根据电流大小调节第二直流电源模块的输出电压。

在一种较优的实施例中，电压监测模块6与控制单元3之间依次设置有第二线性光耦U4和调理单元4。

在一种较优的实施例中，待启动电源2连接至第一直流电源模块P1，第一直流电源模块P1将第一电源信号输出至第二直流电源模块P2；

第一线性光耦U3还将电流采样信号输出至第二直流电源模块P2，并由第二直流电源模块P2根据第一电源信号和电流采样信号生成第二电压信号；

第二直流电源模块P2将第二电压信号发送至第一逻辑光耦U1。

具体地，第一直流电源模块P1从待启动电源2中取电，将待启动电源2的强电转换成28V弱点输出至第二直流电源模块P2，第二直流电源模块P2根据第一线性光耦U3输出的电流采样信号ΔU(IBUS)进行调制，将第二直流电源模块P2的额定功率15V根据电流采样信号ΔU(IBUS)的大小进行一定幅度的调整。同时第二直流电源模块向第一逻辑光耦U1输出一基准电压P-。

在一种较优的实施例中，待启动电源2的第一输入端通过第一二极管D1连接至逆变器1，第一二极管D1的阳极连接第一输入端；

待启动电源2的第二输入端通过第二二极管D2连接至逆变器1，第二二极管D2的阴极连接第二输入端；

第一输入端为正侧输入端，第二输入端为负侧输入端。

具体地，通过设置第一二极管D1和第二二极管D2可以起到反接保护的作用，避免出现反向故障时电路损坏。

在一种较优的实施例中，第二直流电源模块P2依次通过第三二极管D3、第二电容C2连接至第一开关场效应管Q1与预充电电阻R1的连接处。

在一种较优的实施例中，第二电容C2的一端连接至第一开关场效应管Q1的源极，第二电容C2的另一端连接至第二逻辑光耦U2的输入端；

第二逻辑光耦U2的输入端还连接至第二场效应管的漏极。

具体地，当待启动电源2进入预充状态时，第二电容C2经过第三二极管D3获得经调制的15V电压进行充电，并根据基准电压PRE_P-建立15V_PRE电势，为第二逻辑光耦U1进行充电，用于在电源预充阶段结束后控制第二开关场效应管导通。

进一步地，控制单元3通过电压监测模块6采集第一电容C1的电压值，生成负端电压信号UCIN-和正端电压信号UCIN ，并输入第二线性光耦U4，通过调理单元4生成实际的电压信号UCIN，控制单元3根据电压信号UCIN判断第一电容C1的电压是否达到阈值电压，进而判断是否结束预充状态，发出第二控制信号PWM2控制第二开关场效应管Q2的导通。具体地，当电压信号UCIN与比例系数的乘积大于预充阈值电压的95％，控制单元3即判断第一电容C1充电完成。

一种电源预充回路的控制方法，其特征在于，适用于上述控制电路，包括电源预充回路的上电方法和电源预充回路的下电方法，如图2所示，上电方法具体包括：

步骤A1：控制单元3判断逆变器1电压是否位于阈值范围；

若是，转向步骤A2；

若否，停止判断并结束；

具体地，阈值范围被设置为14.5V-18V之间，通过设置阈值范围来保证待启动电源2能够正常启动，或不会因为电压过大而损坏。

步骤A2：控制单元3发出第一控制信号以使得第一开关场效应管Q1导通；

步骤A3：控制单元3接收电压监测装置输出的电压并判断电压是否达到预设电压值；

若是，控制第二开关场效应管Q2导通，随后结束；

若否，返回步骤A3。

具体地，当第一电容C1充电结束后，通过设置逆变器1进行调制工作以控制待启动电源2的输出电压。

在一种较优的实施例中，如图3所示，下电方法具体包括：

步骤B1：控制单元3判断接收电压监测装置输出的电压并判断电压是否低于第二预设电压值；

若是，转向步骤B2；

若否，返回步骤B1；

在一种较优的实施例中，第二预设电压值被设置为正常工作电压的80％。具体地，当控制单元通过电压监测模块2采集到的电压信号UCIN的值低于预设的正常工作电压的80％，即判断当前电源回路处于下电状态，此时控制单元3通过采样电阻R2开始监测母线电流。

步骤B2：控制单元3根据电流采样信号判断电流值是否小于电流限值；

若是，转向步骤B3；

若否，返回步骤B1。

在一种较优的实施例中，电流限值被设置为额定带载电流的10％。具体地，当控制单元3根据从采样电阻R2、调制单元5、第一线性光耦U3获取到的电流采样信号判断出母线电流值小于额定带载电流的10％时，判断可以进行预充回路放电。

步骤B3：控制单元3控制第二开关场效应管Q2断开，逆变器1的控制信号为低电平；

具体地，通过控制第二开关场效应管Q2断开，可以使得预充回路进入放电状态。

步骤B4：控制单元3判断电流值是否为零；

若是，控制单元3控制第一开关场效应管Q1断开，随后结束；

若否，返回步骤B4。

本发明的有益效果在于：通过设置第一、第二开关场效应管实现了在单路高压的输入场合中对强弱电模块的上下电时序，避免失效。并通过电压监测模块和控制单元实现了对电容负载的软硬件监测，使得预充电过程满足安全要求，避免了上电时的过流问题。本技术方案电路设计较为简单，可以有效降低电路整体的成本与体积。

本领域技术人员所能够理解的是，附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

本领域普通技术人员将会理解，本发明的各个方面、或各个方面的可能实现方式可以被具体实施为系统、方法或者嵌入式程序。因此，本发明的各方面、或各个方面的可能实现方式可以采用完全硬件实施例或者组合软件和硬件方面的实施例的形式，在这里都统称为“电路”、“模块”或者“单元”。

应当理解的是，本发明中所述的“模块”、“单元”可以被理解为一个或多个应用专用集成电路(ASIC)、DSP、可编程逻辑器件(PLD)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、通用处理器、控制器、微控制器(MCU)、微处理器(Microprocessor)、或者其他电子元件实现，用于执行前述的控制方法。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。