一种高压电容充电输入端口开关电路及充电装置

1.本技术实施例涉及经颅磁刺激仪技术领域，特别涉及一种高压电容充电输入端口开关电路及充电装置。


背景技术：

2.在某些高压电容应用场合，为了避免高压电容在放电工作过程中，后级负载受前级充电电源电路的影响，通常需要在充电电源与高压电容之间加一个开关，以隔断充电电源电路对负载的影响。当高压电容需要充电时，将此开关接通；当高压电容充电完毕后，将此开关断开。例如，在经颅磁刺激仪器中，高压电容后级负载是磁刺激线圈，当高压电容放电工作时，高压电容与磁刺激线圈形成谐振，电容的电压极性会有短时的反转。如果在高压电容充电端口没有一个断开的开关，则电压极性反转后的高压电容会经由充电电源的整流电路而导致短路。
3.上述在充电电源与高压电容之间增加开关，需要配套的电路以保证此开关能够按一定的时序可靠地开通和关断。然而，现有的开关配套电路通常比较复杂，且具有体积大、元件多、成本高、功耗大、能效低的缺点。


技术实现要素：

4.本技术实施例的目的在于提供一种高压电容充电输入端口开关电路及充电装置，对开关电路进行简化，降低成本，提高系统的能效。
5.为解决上述技术问题，本技术的实施例提供了一种高压电容充电输入端口开关电路，包括：预充电模块、导通控制模块、断开控制模块和主开关模块，所述预充电模块的输入端与电源输出端连接，所述导通控制模块的输入端与所述预充电模块的输出端连接，所述断开控制模块的输入端与所述预充电模块的输出端连接，所述主开关模块的控制输入端与所述导通控制模块的输出端连接，所述主开关模块的功率输入端与所述电源输出端连接，所述主开关模块的输出端与待充电电容连接。
6.另外，所述预充电模块包括二极管d1、电阻r5和电容c2，二极管d1的正极与电源输出端连接，二极管的负极与电阻r5的一端连接，电阻r5的另一端与电容c2的一端连接，电容c2的另一端与所述主开关模块的功率输出端连接；电阻r5和电容c2的连接点同时与所述导通控制模块的输入端连接。
7.另外，所述主开关模块包括主开关q和用于对主开关q的门极电压起钳制作用的钳位电路。
8.另外，所述钳位电路包括电容c3、二极管d3和电阻r8，电容c3、二极管d3和电阻r8均并联设置在主开关q的两端。
9.另外，所述主开关q为n沟道电子开关。
10.另外，所述导通控制模块包括开关q3、二极管d2和电阻r6，二极管d2、电阻r6均并联设置在开关q3的两端；电阻r6还通过电阻r7与所述主开关模块的功率输出端连接。
11.另外，所述二极管d2和/或所述二极管d3为稳压二极管。
12.另外，所述断开控制模块包括电容c1、三极管q1和三极管q2，三极管q1的基极和发射极分别与电容c1的两端连接，且三极管q1的基极通过电阻r1与电容c2的一端连接；三极管q1的集电极通过电阻r2与电容c2的一端连接，且三极管q1的集电极还通过电阻r3与三极管q2的基极连接；三极管q1的发射极与电容c2的另一端连接；三极管q2的集电极通过电阻r4与电容c2的另一端连接，且三极管q2的集电极还与三极管q1的基极连接；三极管q2的发射极与电容c2的一端连接。
13.另外，所述三极管q1为npn型三极管，所述三极管q2为pnp型三极管。
14.本技术实施例还提供了一种充电装置，包括充电电源以及上述高压电容充电输入端口开关电路。
15.与现有技术相比，本技术实施例提供的技术方案具有以下优点：
16.本技术实施例通过对现有的开关电路进行简化，取消现有开关电路中的控制电路模块和隔离电路模块，只需驱动电路模块即可自主地可靠地控制开关的通断。本技术实施例的开关电路无需单独的控制电路，主开关会在电源输出电压上升的过程中自动接通，可在电源关闭后自动断开；本技术实施例的开关电路也无需单独的隔离电路，因没有从微控制器传输过来的控制信号，所以不需要信号隔离传输电路；因主开关的驱动电路所需的电源取自电源输出给预充电电容的能量，所以不需要隔离电源。
17.本技术实施例的开关电路包括预充电模块、导通控制模块、断开控制模块和主开关模块，预充电模块为预充电电路，在主开关达到开通条件之前，预充电电路中的预充电电容会被先充电，待预充电电容充满电后将被用作主开关的驱动电源。导通控制模块为主开关的开通控制电路，当预充电电容的电压达到一定阈值后，预充电电容会被接通至主开关的门极，从而实现主开关的开通。断开控制模块为主开关断开控制电路，断开延时时间可设置为待充电电容充满电的时间，延时时间结束时，会将预充电电容的电荷迅速放掉，从而断开主开关。
18.本技术实施例的开关电路简化了电路中元件的类型和数量，降低了成本；同时，该电路减少了主开关辅助电路的体积，有利于系统的小型化；该电路还减少了主开关辅助电路的功率损耗，有利于提高系统的能效。
附图说明
19.一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定。
20.图1是相关技术提供的一种高压电容充电输入端口开关电路的模块图；
21.图2是本技术一实施例提供的一种高压电容充电输入端口开关电路的模块图；
22.图3是本技术另一实施例提供的一种高压电容充电输入端口开关电路的模块图；
23.图4是本技术一实施例提供的一种高压电容充电输入端口开关电路的电路图。
具体实施方式
24.由背景技术可知，现有的开关的配套电路通常比较复杂，且具有体积大、元件多、成本高、功耗大、能效低的缺点。
25.分析发现，导致现有的开关电路具有上述缺点的原因在于，为了保证开关能够按一定的时序可靠地开通和关断，开关电路通常需要配套的附属电路以保证这一功能。
26.该开关电路主要用于在使用高压电容的应用场合，如：经颅磁刺激仪器的升压电路。为了避免高压电容在放电工作过程中，后级负载受前级充电电源电路的影响，需要在充电电源与高压电容之间加一个开关，来隔断充电电源电路对负载的影响。当高压电容需要充电时，将此开关接通；当高压电容充电完毕后，将此开关断开。例如，在经颅磁刺激仪器中，为了避免刺激电路工作时储能电容电压极性反转而发生短路，通常在升压电路中增加此开关。经颅磁刺激仪器中高压电容后级负载是磁刺激线圈，高压电容放电工作时，其与磁刺激线圈形成谐振，电容的电压极性会有短时的反转。如果在高压电容充电端口没有一个断开的开关，则电压极性反转后的高压电容会经由充电电源的整流电路而短路。
27.上述所加的开关需要配套的电路来保证它按一定的时序可靠地开通和关断。现有的技术方案，开关的配套电路复杂，体积大，元件多，成本高，功耗较大。本技术实施例旨在取消现有开关配套电路技术方案中的控制电路模块和隔离电路模块，只需驱动电路模块即可自主地可靠地控制开关的通断。
28.参见图1，相关技术提供了一种高压电容充电输入端口开关电路。图1中c为待充电电容，此处，待充电电容可为高压电容；图1中q为开关，其附属电路包括驱动电路、隔离电路、控制电路。其中，控制电路的输出端与隔离电路的输入端连接，控制电路用于生成开通或关断开关q所需的脉冲信号，它属于低压电路。隔离电路的输出端与驱动电路的输入端连接，隔离电路用于隔离低压电路(控制电路)和高压电路，并使信号在低压电路和高压电路之间无损地传输。驱动电路的输出端与开关q连接，驱动电路用于放大开关q的控制信号，这样才能使开关q完全地开通或关断。
29.本技术实施例为了对相关技术中的开关电路进行简化，取消相关技术中开关电路配套的控制电路和隔离电路，提出一种简化后的开关电路。参见图2，为本技术实施例简化后的开关电路的模块图。如图2所示，本技术实施例的开关电路，取消了控制电路以及隔离电路，只有驱动电路与开关q连接，通过驱动电路控制开关q的通断。
30.参见图3，本技术实施例提供一种高压电容充电输入端口开关电路，包括：预充电模块101、导通控制模块102、断开控制模块103和主开关模块104，所述预充电模块101的输入端与电源输出端连接，所述导通控制模块102的输入端与所述预充电模块101的输出端连接，所述断开控制模块103的输入端与所述预充电模块101的输出端连接，所述主开关模块104的控制输入端与所述导通控制模块102的输出端连接，所述主开关模块104的功率输入端与所述电源输出端连接，所述主开关模块104的输出端与待充电电容连接。
31.本技术实施例为了减少电路的元器件及电路板的面积，对现有的开关电路进行简化，取消现有开关电路中的控制电路模块和隔离电路模块，本技术实施例的开关电路只需驱动电路模块即可自主地可靠地控制开关的通断。如图2所示，本技术实施例的开关电路无需单独的控制电路，主开关q会在电源输出电压上升的过程中自动接通，可在电源关闭后自动断开；本技术实施例的开关电路也无需单独的隔离电路，因没有从微控制器传输过来的控制信号，所以不需要信号隔离传输电路；因主开关q的驱动电路所需的电源取自电源输出给预充电电容的能量，所以不需要隔离电源。
32.本技术实施例的开关电路，所述电源为输出为全波整流的充电电源。预充电模块
101为预充电电路，在主开关q达到开通条件之前，预充电电路中的预充电电容会被先充电，待预充电电容充满电后将被用作主开关q的驱动电源。导通控制模块102为主开关q的开通控制电路，当预充电电容的电压达到一定阈值后，预充电电容会被接通至主开关q的门极，从而实现主开关q的开通。断开控制模块103为主开关q的断开控制电路，断开延时时间可设置为待充电电容充满电的时间，延时时间结束时，会将预充电电容的电荷迅速放掉，从而断开主开关q。
33.在一些实施例中，所述预充电模块101包括二极管d1、电阻r5和电容c2，二极管d1的正极与电源输出端连接，二极管的负极与电阻r5的一端连接，电阻r5的另一端与电容c2的一端连接，电容c2的另一端与所述主开关模块104的功率输出端连接；电阻r5和电容c2的连接点同时与所述导通控制模块102的输入端连接。
34.参见图4，所述预充电模块101为预充电电路，预充电电路包括二极管d1、电阻r5和电容c2，电容c2为预充电电容，在主开关q达到开通条件之前，预充电电路中的预充电电容c2会被先充电，待预充电电容c2充满电后，将充电电容c2用作主开关q的驱动电源，为主开关q供电。在二极管d1和预充电电容c2之间设置电阻r5，电阻r5用于限制预充电电流，同时也延长了预充电的时间，当电源输入端dc 电压持续时间过短时，预充电电容c2不会完成预充电。当主开关q导通后，预充电电容c2的电压会被抬升到vo以上，此时二极管d1两端的电压是反偏的，电容c2不会通过二极管d1放电。
35.需要说明的是，二极管d1可以采用整流二极管。
36.在一些实施例中，所述主开关模块104包括主开关q和用于对主开关q的门极电压起钳制作用的钳位电路。钳位电路主要是用来钳制主开关q的门极电压，使其不超过耐受范围。
37.在一些实施例中，所述钳位电路包括电容c3、二极管d3和电阻r8，电容c3、二极管d3和电阻r8均并联设置在主开关q的两端。
38.参见图4，主开关模块104包括主开关q和用于对主开关q的门极电压起钳制作用的钳位电路。主开关q可以采用n沟道场效应晶体管，主开关q的漏极接电源输入端，源极通过待充电电容接地，当主开关q的栅极电压大于vg时主开关q就会导通。
39.在一些实施例中，二极管d3可以采用稳压二极管，二极管d3的正极与主开关q的源极连接，二极管d3的负极与主开关q的栅极(门极)连接，主开关q的漏极与电源输入端连接。二极管d3用来钳制主开关q的门极电压，使其不超过最大限值。二极管d3的两端并联设置有电阻r8，电阻r8主要是用于防止主开关q的栅极悬空，避免主开关q误导通。二极管d3的两端还并联设置有电容c3，电容c3主要是用于稳定主开关q的栅极电压，避免主开关q的栅极受干扰。
40.在一些实施例中，所述主开关q为n沟道电子开关。
41.在一些实施例中，所述主开关q可以采用n沟道金属-氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，简称mosfet)，也可简称金氧半场效晶体管。
42.在另一些实施例中，主开关q还可以采用绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，简称igbt)，兼有mosfet的高输入阻抗和电力晶体管(giant transistor—gtr)的低导通压降两方面的优点。
43.需要说明的是，本技术实施例提供的开关电路在应用于经颅磁刺激仪器中升压电路的场景中时，主开关q采用小功率igbt，待充电电容c为高压电容，高压电容采用储能电容为1000v以上的储能电容；磁刺激发生时，高压电容与外部刺激线圈工作在谐振状态，采用这样的方式，既能使经颅磁刺激仪器输出双向的刺激脉冲，又能回收线圈的剩余能量；而且采用本技术实施例的开关电路，电路结构简单，大大减少了电路中元器件和电路板面积，降低了成本；同时，本技术实施例的开关电路减小了主开关辅助电路的体积，有利于系统小型化，适用于紧凑型的磁刺激仪器。
44.在一些实施例中，所述导通控制模块102包括开关q3、二极管d2和电阻r6，二极管d2、电阻r6均并联设置在开关q3的两端；电阻r6还通过电阻r7与所述主开关模块104的功率输出端连接。
45.参见图4，导通控制模块102为主开关导通控制电路，当预充电模块101的预充电电容c2的电压达到一定阈值后，预充电电容c2才会被接通至主开关q的门极，从而开通主开关q。导通控制模块102主要用于控制主开关q的导通，电阻r6和电阻r7用于设置开关q3导通的阈值，当预充电模块101中的电容c2被充电至足够高的电压(比如15v)后，才使开关q3导通，这样才能保证主开关q导通时，能处于完全饱和导通的状态。
46.在一些实施例中，开关q3可以采用p沟道电子开关。如图4所示，当开关q3的门极电压vg1小于一定的值开关q3就会导通。开关q3的源极与二极管d3的负极连接，电阻r6并联在开关q3的漏极与栅极之间，电阻r6通过电阻r7与二极管d3的正极连接，电阻r6和电阻r7均用于设置开关q3导通的阈值。开关q3的漏极与栅极之间还并联有二极管d2，用于钳制开关q3的门极电压，使其不超过最大限值。
47.在一些实施例中，所述二极管d2和/或所述二极管d3为稳压二极管。
48.在一些实施例中，所述二极管d2和所述二极管d3为稳压二极管，或者，所述二极管d2为稳压二极管或所述二极管d3为稳压二极管，本技术实施例在此不做限定。
49.在一些实施例中，所述断开控制模块103包括电容c1、三极管q1和三极管q2，三极管q1的基极和发射极分别与电容c1的两端连接，且三极管q1的基极通过电阻r1与电容c2的一端连接；三极管q1的集电极通过电阻r2与电容c2的一端连接，且三极管q1的集电极还通过电阻r3与三极管q2的基极连接；三极管q1的发射极与电容c2的另一端连接；三极管q2的集电极通过电阻r4与电容c2的另一端连接，且三极管q2的集电极还与三极管q1的基极连接；三极管q2的发射极与电容c2的一端连接。
50.参见图4，断开控制模块103为主开关断开控制电路，断开延时时间可设置为待充电电容c充满电的时间，延时时间结束时，会将预充电电容c2的电荷迅速放掉，从而断开主开关q。断开控制模块103中电阻r1、电容c1和电阻r4用于对主开关q的断开动作进行延时。电容c1与预充电电容c2在同一时刻开始充电，当电容c1的电压充至三极管q1的导通阈值时，三极管q1开始导通，接着三极管q2也导通，电流经由三极管q2对电容c1快速充电，电容c1的电压快速上升，使三极管q1快速进入饱和导通状态，从而将预充电电容c2的电荷经由电阻r2、三极管q1快速释放掉，当预充电电容c2放电至足够低时，主开关q便会断开。
51.在一些实施例中，所述三极管q1为npn型三极管，所述三极管q2为pnp型三极管。
52.本技术实施例提供的高压电容充电输入端口开关电路，包括预充电模块101、导通控制模块102、断开控制模块103和主开关模块104；预充电模块101为预充电电路，预充电模
块101中的预充电电容c2充满电后将被用作主开关q的驱动电源。导通控制模块102为主开关q的开通控制电路，当预充电电容的电压达到一定阈值后，预充电电容会被接通至主开关q的门极，从而实现主开关q的开通。断开控制模块103为主开关q的断开控制电路，当延时时间结束时，会将预充电电容c2的电荷迅速放掉，从而断开主开关q。本技术实施例的开关电路简化了电路中元件的类型和数量，降低了成本；同时，该电路减少了主开关辅助电路的体积，有利于系统的小型化；该电路还减少了主开关辅助电路的功率损耗，有利于提高系统的能效。
53.本技术实施例还提供了一种充电装置，包括充电电源以及上述高压电容充电输入端口开关电路。
54.前面提到，上述高压电容充电输入端口开关电路可以应用于经颅磁刺激仪器的升压电路中。当上述高压电容充电输入端口开关电路应用于经颅磁刺激仪器中时，主开关q可以采用小功率igbt，以避免高压电容电压极性反转后高压电容会经由充电电源的整流电路而短路，此设计不仅能够简化此开关电路的驱动电路，而且能够大大减少辅助的元器件和电路板的面积，从而使装置更为紧凑，减小装置的体积和重量，有利于实现装置便携化。
55.本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施例是实现本技术的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本技术的精神和范围。