一种具备预接通欠压保护功能的放电装置的制作方法

1.本发明涉及放电电路技术领域，特别涉及一种具备预接通欠压保护功能的放电装置。


背景技术：

2.现代卫星或航天器逐渐向载荷多、功率大的趋势发展。为适应大功率需求，保证航天电源分系统的高可靠性，往往在设计时将母线电压和蓄电池组电压提高，来保证单位电流内输出的功率最大，因此高电压母线和高电压蓄电池组逐渐应用在航天电源系统中。
3.航天电源系统中，电源控制器将光照期太阳电池阵采集的能量存储到蓄电池组中，以在阴影期进行蓄电池放电。航天电源放电电路作为电源控制器中的重要组成部分，将一次电压母线变换成二次电压母线为低压配电的载荷供电，或将蓄电池组高电压变换为低电压为载荷供电。但一次母线高电压或蓄电池组直接接入放电电路会出现以下两个缺点：一是输入电压接入瞬间对后端电容进行充电，导致启动浪涌电流过大，对器件造成应力冲击，严重时击穿器件；二是在输入电压缓慢上升的过程中，输出电压也逐渐上升，若输出载荷的工作电压值范围较小，则输出的低电压可能会对载荷设备造成损伤或破坏。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种具备预接通欠压保护功能的放电装置，装置中预接通欠压保护电路的第一至第三电路具备分级启动功能，可使预接通欠压保护电路的输出电压逐步接入放电主功率电路。通过本发明有效解决了预接通欠压保护电路瞬间接入放电主功率电路时，由于启动浪涌电流过大对放电主功率电路的器件造成应力冲击的问题。同时在预接通欠压保护电路的输出电压值低于设定的电压值v
一级
，预接通欠压保护电路与放电主功率电路不会建立连接；有效避免预接通欠压保护电路的输出电压从0v上升的过程中，放电主功率电路的输入电压低于其安全工作的最低电压值，造成载荷设备的损伤。
5.为了达到上述目的，本发明提供一种具备预接通欠压保护功能的放电装置，包含：
6.放电电路，用于为外部设备供电；
7.预接通欠压保护电路，基于外部电源提供的电能为所述放电电路供电，包含：第一电路、第二电路、第三电路；所述外部电源为稳压源；
8.所述第一电路的输入端连接外部电源，第一电路的输出端连接放电电路输入端的正极、所述第二电路的输入端；所述第三电路连接外部电源、放电电路输入端的正极、第二电路的输出端；
9.所述预接通欠压保护电路包含四个工作状态：
10.第一工作状态，vin 《v
一级
，预接通欠压保护电路不向放电电路供电；vin 为所述放电装置的输入电压值，v
一级
为设定的电压值；
11.第二工作状态，v
一级
≤vin 《v
二级
，外部电源通过第一电路接入放电电路输入端的正极、第二电路的输入端，且放电电路的输入电压大于其最低工作电压；v
二级
为设定的电压值；
12.第三工作状态，v
二级
≤vin 《v
三级
，通过第二电路向第三电路提供分压；
13.第四工作状态，v
三级
≤vin 《ve，第三电路基于第二电路提供的分压实现外部电源直接接入放电电路输入端的正极；v
三级
为设定的电压值，ve为输入稳压源电压。
14.可选的，第一电路包含：功率开关管q1，限流电阻r5，电容c1，分压电阻r1、r2、r3、r4；
15.功率开关管的源极、分压电阻r1的第一端、电容c1的第一端连接外部电源；分压电阻r1的第二端连接分压电阻r2的第一端；分压电阻r2的第二端、分压电阻r3的第一端、分压电阻r4的第一端、电容c1的第二端、功率开关管q1的栅极互相连接；分压电阻r3的第二端、分压电阻r4的第二端接地；功率开关管q1的漏极连接限流电阻r5的第一端，限流电阻r5的第二端连接放电电路输入端的正极；
16.当vin ≥v
一级
，功率开关管q1导通。
17.可选的，第二电路包含：稳压管d1，分压电阻r6、r7，限流电阻r8，三极管q3；
18.限流电阻r5的第二端连接分压电阻r6的第一端；分压电阻r6的第二端连接稳压管d1的阴极；稳压管d1的阳极、分压电阻r7的第一端、限流电阻r8的第一端互相连接；分压电阻r7的第二端、三极管q3的发射极接地；限流电阻r8的第二端连接三极管q3的基极；三极管q3的集电极连接第三电路；
19.当vin ≥v
二级
，三极管q3导通。
20.可选的，第三电路包含：功率开关管q2，电容c2，分压电阻r
10
、r
11
、r
12
、r
13
；
21.分压电阻r
10
的第一端、电容c2的第一端、功率开关管q2的源极连接外部电源；分压电阻r
10
的第二端连接分压电阻r
11
的第一端；电容c2的第二端、分压电阻r
11
的第二端、分压电阻r
12
的第一端、分压电阻r
13
的第一端、功率开关管q2的栅极互相连接；分压电阻r
12
的第二端、分压电阻r
13
的第二端连接三极管q3的集电极；功率开关管q2的漏极连接限流电阻r5的第二端；
22.当vin ≥v
三级
，功率开关管q2导通。
23.可选的，放电电路包含：放电主功率电路和放电控制电路；
24.所述放电主功率电路包含：功率开关管q3、q4，电容c3、c4、c5，变压器t1，二极管d2、d3、d4，辅助绕组l1，负载电阻r
14
；所述变压器t1包含：原边绕组l2、第一副边绕组l3、第二副边绕组l4；
25.功率开关管q3的源极、电容c3的第一端、限流电阻r5的第二端、功率开关管q2的漏极互相连接；功率开关管q3的漏极连接原边绕组l2的第一端；功率开关管q4的源极、电容c3的第二端、电容c4的第一端连接原边绕组l2的第二端；功率开关管q4的漏极、电容c4的第二端接地；
26.第一副边绕组l3的第一端连接二极管d2的阳极，二极管d2的阴极连接辅助绕组l1的第一端，辅助绕组l1的第二端、二极管d4的阳极、电容c5的第一端互相连接；二极管d4的阴极连接负载电阻r
14
的第一端；第一副边绕组l3的第二端、第二副边绕组l4的第一端、电容c5的第二端、负载电阻r
14
的第二端接地；第二副边绕组l4的第二端连接二极管d3的阳极；二极管d3的阴极连接辅助绕组l1的第一端；
27.所述放电控制电路的输入端连接负载电阻r
14
的两端，放电控制电路的输出端连接功率开关管q3的栅极、功率开关管q4的栅极；放电控制电路基于负载电阻r
14
两端的电压，向功率开关管q3、q4发出pwm信号，控制功率开关管q3、q4导通、关断。
28.可选的，预接通欠压保护电路还包含第五工作状态，所述第五工作状态下，vin ＝ve。
29.可选的，所述外部电源为蓄电池。
30.可选的，第一副边绕组l3的匝数等于第二副边绕组l4的匝数。
31.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
32.1)本发明的具备预接通欠压保护功能的放电装置随着外部电源电压(装置的输入电压)的上升，自主将第一至第三电路中的功率开关管依次导通，自动实现第一至第三电路分级启动功能；第一电路启动时，预接通欠压保护电路预接通放电主功率电路，此时放电主功率电路的输入电压较小，并通过设置限流电阻r5可有效减小输入放电主功率电路的浪涌电流，保护元器件不被损伤。
33.2)本发明预接通欠压保护电路的输入电压值低于设定的电压值v
一级
(欠压保护值)时，预接通欠压保护电路与放电主功率电路不会建立连接；保证了预接通欠压保护电路的输出电压大于后端载荷设备(放电主功率电路)的最低工作电压，避免损伤后端载荷设备的元器件。
34.3)本发明的放电电路适用于高压宽范围输入电压的工况，电路简单，可靠性高。
附图说明
35.为了更清楚地说明本发明技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
36.图1为本发明的具备预接通欠压保护功能的放电装置示意图；
37.图2为本发明预接通欠压保护电路的第一电路示意图；
38.图3为本发明预接通欠压保护电路的第二电路示意图；
39.图4为本发明预接通欠压保护电路的第三电路示意图。
具体实施方式
40.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做出创造性劳动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。
41.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
42.还应当理解，在此本技术说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本技术。如在本技术说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
43.还应当进一步理解，在本技术说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
44.如在本说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被
的第一端，辅助绕组l1的第二端、二极管d4的阳极、电容c5的第一端互相连接；二极管d4的阴极连接负载电阻r
14
的第一端；第一副边绕组l3的第二端、第二副边绕组l4的第一端、电容c5的第二端、负载电阻r
14
的第二端接地；第二副边绕组l4的第二端连接二极管d3的阳极；二极管d3的阴极连接辅助绕组l1的第一端。
59.原边绕组l2、第一副边绕组l3、第二副边绕组l4的匝数比为n1:n2:n3，本发明的实施例中，n2等于n3。
60.所述放电控制电路202的输入端连接负载电阻r
14
的两端，放电控制电路202的输出端连接功率开关管q3的栅极、功率开关管q4的栅极；放电控制电路202基于负载电阻r
14
两端的电压，向功率开关管q3、q4发出pwm信号，控制功率开关管q3、q4导通、关断。
61.本发明的放电装置的工作原理如下所述：
62.预接通欠压保护电路100包含四个工作状态。
63.预接通欠压保护电路100接入外部电源瞬间，预接通欠压保护电路100的输入电压vin 从0v开始上升，预接通欠压保护电路100进入第一工作状态。第一工作状态下，vin 《v
一级
，v
一级
为设定的电压值(欠压保护值)。分压电阻r1、r2、r3、r4用于分压，功率开关管q1的栅极可得分压值v2，功率开关管q1的源极电压v1＝vin 。
[0064][0065]
功率开关管q1的栅极和源极之间的开启电压为v
gs1
(其为负值)。vin 上升至欠压保护值v
一级
之前，|v
2-v1|《|v
gs1
|，功率开关管q1关断，预接通欠压保护电路100不向放电主功率电路201供电。其中，|
·
|表示取绝对值。
[0066]
所述输入电压vin 达到欠压保护值v
一级
之后继续上升，预接通欠压保护电路100进入第二工作状态。第二工作状态下，v
一级
≤vin 《v
二级
，v
二级
为设定的电压值。当vin ≥v
一级
，即可满足|v
2-v1|≥|v
gs1
|，第一电路101的功率开关管q1导通(也称预接通欠压保护电路100完成一级启动)，预接通欠压保护电路100的输入电压接入放电主功率电路201，实现预接通功能。
[0067]
其中限流电阻r5起到限流作用，将放电主功率电路201的输入电流iin

限制到:
[0068][0069]
电阻r5两端的压降为iin

·
r5，放电主功率电路201的输入电压为v
1-iin

·
r5，大于放电主功率电路201正常工作时的最低工作电压。第二工作状态下，pwm信号的占空比为d
zkb1
，可得到此时放电主功率电路201的输出电压v0(负载电阻r
14
两端的电压)。
[0070][0071]
因此可通过设置欠压保护值，使放电主功率电路201的输入电压满足其正常工作需求。有效解决了随着预接通欠压保护电路输入电压上升，预接通欠压保护电路100的输出电压从0v至完全建立过程中，预接通欠压保护电路100的输出电压过低对后端载荷设备造成损伤的问题。
[0072]
预接通欠压保护电路100的输入电压vin 达到v
二级
并继续上升，预接通欠压保护电
路100进入第三工作状态。第三工作状态下，v
二级
≤vin ＜v
三级
，v
三级
为设定的电压值。完成一级启动后，电压v
1-iin

·
r5接入放电主功率电路201，可通过设置电阻r6、r7的阻值、稳压管d1的稳压值v
d1
来控制三极管q3的开通和关断。三极管q3的开通电压为v
on
，r7两端的电压为v
r7
，则
[0073][0074]
当vin ≥v
二级
时，满足v
r7
》v
on
，三极管q3开通。此时也称预接通欠压保护电路100完成二级启动，第二电路102向第三电路103提供分压。
[0075]
预接通欠压保护电路100的输入电压vin 达到v
三级
并继续上升，预接通欠压保护电路100进入第四工作状态。第四工作状态下，v
三级
≤vin 《ve。ve为输入稳压源电压。vin 上升时，放电主功率电路201的输入电压v
1-iin

·
r5在不断上升，功率开关管q2的源极电压也在不断上升。当vin ≥v
三级
时，功率开关管q2的源极电压v3有如下关系：
[0076]vin
≥v3》v
1-iin

·
r5[0077]
通过电阻r
10
、r
11
、r
12
、r
13
分压，此时功率开关管q2的栅极可得分压值v4。
[0078][0079]
功率开关管q2的栅极和源极之间的开启电压为v
gs2
(其为负值)，当vin ≥v
三级
，|v
4-v3|》|v
gs2
|，功率开关管q2导通(也称预接通欠压保护电路100完成三级启动)。v3接入放电主功率电路201，实现预接通欠压保护电路100的输入电压第二次接入放电主功率电路201。
[0080]
第四工作状态下，功率开关管q2导通，此时v3接入放电主功率电路201，pwm信号的占空比为d
zkb2
，所以可得到此时放电主功率电路201的输出电压v0。
[0081][0082]
当功率开关管q2导通，预接通欠压保护电路100的分级启动功能完成，预接通欠压保护电路100的进入第五工作状态，第五工作状态下输入电压vin 继续上升至ve。此时，pwm信号的占空比为d
zkb3
，所以可得到此时放电主功率电路201的输出电压v0。
[0083][0084]
放电主功率电路201的桥臂电容c3、c4通过放电控制电路202产生的pwm信号周期性交替进行充放电。设置变压器t1的匝数比，通过二极管d2和d3整流，可得到目标的输出电压v0，完成输入输出电压变换的功能。放电控制电路202中将采集到的放电主功率电路201的输出电压v0、输出电流i0与基准进行比较后，经过pi补偿电路，生成pwm信号，控制功率开关管q3和q4的开通关断，从而使输出电压v0保持稳定(此为现有技术)。
[0085]
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本技术实施例的实施过程构成任何限定。
[0086]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利
要求的保护范围为准。