单相整流充电电路

摘要

本发明提供了一种单相整流充电电路，可以应用于采用三相或单相AC‑DC变换器作为前级电路的应用场合。所述单相整流充电电路包括整流单元、判断单元和驱动单元，其中：整流单元用以完成软上电和整流过程，判断单元用以判断是否满足限流电阻切除条件，驱动单元用以完成驱动导通功率MOSFET，本发明所述单相整流充电电路，具有软上电和整流功能，而且电路简单、功能齐全和成本低廉等优点。

权利要求

1.一种单相整流充电电路，包括整流单元、判断单元和驱动单元，其中：整流单元用以完成软上电和整流过程，判断单元用以判断是否满足限流电阻切除条件，驱动单元用以完成驱动导通功率MOSFET；

所述整流单元，包括四只功率二极管PD1—PD4、一只功率MOSFET PS1、一只温敏电阻PTC1、一只电解电容EC1、一只分流电阻RS1，第一只电阻R1、第一只电容C1和一只稳压二极管ZD1；

所述判断单元，包括两只运算放大器A1-A2、五只电容C5-C9、一只D触发器DFF1和十只电阻R6-R15；

所述驱动单元，包括四只电阻R2-R5、一只光电耦合器OC1、二只电容C3-C4和一只晶体管TR1；

所述整流单元中：第一只功率二极管PD1的阴极与第三只功率二极管PD3的阴极相连后，形成直流回路正极，并与电解电容EC1的正极和第二只电容C2的一端相连，第一只功率二极管PD1的阳极与第二只功率二极管PD2的阴极相连后，与单相交流电源的一端相连，第三只功率二极管PD3的阳极与第四只功率二极管PD4的阴极相连后，与单相交流电源的另一端相连，第二只功率二极管PD2的阳极与第四只功率二极管PD4的阳极相连后，与分流电阻RS1的一端相连，并与判断单元中第七只电阻R7的一端相连，分流电阻RS1的另一端与功率MOSFET PS1的源极、温敏电阻PTC1的一端、第一只电容C1的一端、稳压二极管ZD1的阳极、第二只电容C2的一端相连，并与判断单元中第六只电阻R6的一端相连，形成直流回路负极，功率MOSFET PS1的门极与驱动电路中第一只电阻R1的一端、第一只电容C1的另一端、稳压二极管ZD1的阴极相连，第一只电阻R1的另一端与驱动电路中第五只电阻R5的一端、第四只电容C4的一端、光电耦合器OC1的第三引脚相连；

所述判断单元中：第六只电阻R6的另一端与第六只电容C6的一端、第九只电阻R9的一端、第一只运算放大器A1的非反相输入端相连，第六只电容C6的另一端、第九只电阻R9的另一端与功率地相连，第七只电阻R7的另一端与第五只电容C5的一端、第八只电阻R8的一端、第一只运算放大器A1的反相输入端相连，第五只电容C5的另一端、第八只电阻R8的另一端与第一只运算放大器A1的输出端、第十只电阻R10的一端相连，第十只电阻R10的另一端与第七只电容C7的一端、第十一只电阻R11的一端相连，第十一只电阻R11的另一端与第八只电容C8的一端、第十二只电阻R12的一端、第二只运算放大器A2的反相输入端相连，第十二只电阻R12的另一端与驱动电源相连，第二只运算放大器A2的非反相输入端与第十三只电阻R13的一端、第十四只电阻R14的一端相连，第十三只电阻R13的另一端与驱动电源相连，第十四只电阻R14的一端与功率地相连，第二只运算放大器A2的输出端与第十五只电阻R15的一端相连，第十五只电阻R15的另一端与第九只电阻R9的一端、第一只D触发器DFF1的时钟端相连，第一只D触发器DFF1的Q端与驱动电路中第二只电阻R2的一端相连；

所述驱动单元中：第二只电阻R2的另一端与第三只电阻R3的一端、第三只电容C3的一端、晶体管TR1的基极相连，晶体管TR1的集电极与光电耦合器OC1的第二引脚相连，光电耦合器OC1的第一引脚与驱动电源相连，光电耦合器OC1的第四引脚与驱动电源相连，光电耦合器OC1的第三引脚与第四只电容C4的一端、第五只电阻R5的一端、整流单元中第一只电阻R1的另一端相连，第三只电阻R3的另一端、第三只电容C3的另一端、晶体管TR1的发射极与功率地相连。

2.根据权利要求1所述的单相整流充电电路，其特征在于：所述功率MOSFET PS1，含有反并联的续流二极管。

3.根据权利要求1所述的单相整流充电电路，其特征在于：第十三只电阻R13的另一端与驱动电源+15V相连。

4.根据权利要求1所述的单相整流充电电路，其特征在于：光电耦合器OC1的第一引脚与+15V驱动电源相连，光电耦合器OC1的第四引脚与+15V驱动电源相连。

说明书

单相整流充电电路

技术领域

[0001] 本发明涉及一种单相交流电源供电的整流电路，具体地，涉及一种通过检测充电电流平均值的单相整流充电电路。

背景技术

[0002] 对含有二极管整流电路的交流电源供电电力电子变换设备，如变频家电或工业变频器，需要考虑软上电问题。否则由于初始电解电容压为零，在上电阶段电力电子变换装置就会出现过流故障，造成后级变换器过压击穿和空气开关动作。

[0003] 在常用的上电限流措施中，大都采用在交流或直流线路中增加限流电阻的方法，具体包括三种方式：(1)直流侧或交流火线上串联限流电阻，上电时限流，上电结束后时利用继电器自动切除；(2)串联PTC温敏电阻，利用其正温度特性，上电时限流，上电结束后利用继电器自动切除；(3)串联NTC温敏电阻，利用其负温度特性，在上电时限流，上电结束后保留。前两种方法的问题是：在电阻切除时带来了二次电流冲击问题。后一种方法的问题是：只适合负载功率200W以下的应用场合。为此，对于大功率应用场合，需要改进现有的上电限流方法，彻底解决上电冲击电流问题。

[0004] 经过对现有技术的检索发现，张相军等在2011年6月的“电机与控制学报”文章中，在总结了两种传统的软启动电路后，提出了“一种启动冲击电流抑制电路”，即三级冲击电流抑制电路，该电路可有效抑制启动时的一次冲击电流和二次冲击电流。发明专利“电力变换装置”(P2001—238459A)公开了一种改变单纯二极管整流桥为高端、低端或全桥为晶闸管的整流桥，并使得晶闸管并联合适的电阻和二极管支路，为此可以实现软上电功能，上电结束后晶闸管导通，触发角为零，起到二极管作用。

[0005] 综合以上，对软上电的整流电路现有电路结构的检索发现，目前阶段还没有通过检测上电充电电流的软上电控制方案，仍然需要推出新型集成有驱动单元和软上电功能的新型整流电路，同时具备结构简单、功能齐全和成本低廉等优势。

发明内容

[0006] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种单相整流充电电路，同时具有电路结构简单、控制容易等优点。

[0007] 为实现以上目的，本发明提供了单相整流充电电路，可以应用于采用三相或单相AC-DC变换器作为前级电路的应用场合，包括整流单元、判断单元和驱动单元，其中：整流单元用以完成软上电和整流过程，判断单元用以判断是否满足限流电阻切除条件，驱动单元用以完成驱动导通功率MOSFET。

[0008] 所述整流单元，包括四只功率二极管PD1—PD4、一只功率MOSFET(含有反并联的续流二极管)PS1、一只温敏电阻PTC1、一只电解电容EC1、一只分流电阻RS1，一只电阻R1、一只电容C1和一只稳压二极管ZD1，其中，第一只功率二极管PD1的阴极与第三只功率二极管PD3的阴极相连后，形成直流回路正极，并与电解电容EC1的正极和第二只电容C2的一端相连，第一只功率二极管PD1的阳极与第二只功率二极管PD2的阴极相连后，与单相交流电源的一端相连，第三只功率二极管PD3的阳极与第四只功率二极管PD4的阴极相连后，与单相交流电源的另一端相连，第二只功率二极管PD2的阳极与第四只功率二极管PD4的阳极相连后，与分流电阻RS1的一端相连，并与判断单元中第七只电阻R7的一端相连，分流电阻RS1的另一端与功率MOSFET PS1的源极、温敏电阻PTC1的一端、第一只电容C1的一端、稳压二极管ZD1的阳极、第二只电容C2的一端相连，并与判断单元中第六只电阻R6的一端相连，形成直流回路负极，功率MOSFET PS1的门极与驱动电路中第一只电阻R1的一端、第一只电容C1的另一端、稳压二极管ZD1的阴极相连，第一只电阻R1的另一端与驱动电路中第五只电阻R5的一端、第四只电容C4的一端、光电耦合器OC1的第三引脚相连。

[0009] 所述判断单元，包括两只运算放大器A1-A2、五只电容C5-C9、一只D触发器DFF1和十只电阻R6-R15；其中，第六只电阻R6的另一端与第六只电容C6的一端、第九只电阻R9的一端、第一只运算放大器A1的非反相输入端相连，第六只电容C6的另一端、第九只电阻R9的另一端与功率地相连，第七只电阻R7的另一端与第五只电容C5的一端、第八只电阻R8的一端、第一只运算放大器A1的反相输入端相连，第五只电容C5的另一端、第八只电阻R8的另一端与第一只运算放大器A1的输出端、第十只电阻R10的一端相连，第十只电阻R10的另一端与第七只电容C7的一端、第十一只电阻R11的一端相连，第十一只电阻R11的另一端与第八只电容C8的一端、第十二只电阻R12的一端、第二只运算放大器A2的反相输入端相连，第十二只电阻R12的另一端与驱动电源相连，第二只运算放大器A2的非反相输入端与第十三只电阻R13的一端、第十四只电阻R14的一端相连，第十三只电阻R13的另一端与驱动电源+15V相连，第十四只电阻R14的一端与功率地相连，第二只运算放大器A2的输出端与第十五只电阻R15的一端相连，第十五只电阻R15的另一端与第九只电阻R9的一端、第一只D触发器DFF1的时钟端相连，第一只D触发器DFF1的Q端与驱动电路中第二只电阻R2的一端相连；

[0010] 所述驱动单元，包括四只电阻R2-R5、一只光电耦合器OC1、二只电容C3-C4和一只晶体管TR1，其中，第二只电阻R2的另一端与第三只电阻R3的一端、第三只电容C3的一端、晶体管TR1的基极相连，晶体管TR1的集电极与光电耦合器OC1的第二引脚相连，光电耦合器OC1的第一引脚与+15V驱动电源相连，光电耦合器OC1的第四引脚与+15V驱动电源相连，光电耦合器OC1的第三引脚与第四只电容C4的一端、第五只电阻R5的一端、整流单元中第一只电阻R1的另一端相连，第三只电阻R3的另一端、第三只电容C3的另一端、晶体管TR1的发射极与功率地相连。

[0011] 本发明提供的单相整流充电电路中，判断单元用以判断是否满足限流电阻切除条件，属于关键电路。当单相电压为220V时，在上电过程中，整流单元是通过温敏电阻上电的，直流回路电压按照近似指数规律上升，不能引起突波电流。在直流回路电压处于零伏—140V范围内，整流单元的充电电流较大。在直流回路电压140—311V范围内，直流单元的充电电流仍然足够大。由于开关电源建立的直流回路电压为140V左右，因此判断单元和驱动电路中的工作电源+15V建立的时间较晚。整流电路中分流电阻RS1的压降，送入判断单元。
判断单元中第一只运算放大器A1与外围电路构成差放电路，可以提高抗扰能力，输出放大后的直流电压，经过其后两级RC滤波电路。当直流回路充电电压接近单相交流电源电压幅值时，第二只运算放大器A2与外围电路构成的比较器输出由低到高的电平，迫使后面的D型触发器翻转，输出高电平，并使得驱动电路生效，输出高电平，驱动整流单元中的功率MOSFET PS1导通，从而短接温敏电阻，完成软上电过程。此后，如果负载投入，分流电阻RS1电流增加，运算放大器A1与外围电路输出较高电压，运算放大器A2与外围电路输出较低电压，D型触发器输出高电平保持不变。功率MOSFET PS1导通状态和温敏电阻PTC1被切除状态不变。

[0012] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

[0013] (1)整流单元可以支持整周波的软上电功能，在软上电中，当直流电压接近网压峰值时，充电电流由高变低。当判断充电电流较低时，判断单元能够自动检测，驱动单元提供功率MOSFET驱动功能，自动短接上电温敏电阻，该状态不受负载起动影响；

[0014] (2)电路结构简单，控制容易，成本低廉。

附图说明

[0015] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

[0016] 图1为本发明一实施例的电路原理图。

具体实施方式

[0017] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

[0018] 如图1所示，一种单相整流充电电路，可以应用于采用三相或单相AC-DC变换器作为前级电路的应用场合，包括整流单元1、判断单元3和驱动单元2，其中：整流单元用以完成软上电和整流过程，判断单元用以判断是否满足限流电阻切除条件，驱动单元用以完成驱动导通功率MOSFET。

[0019] 本实施例中，所述整流单元，包括四只功率二极管PD1—PD4、一只功率MOSFET(含有反并联的续流二极管)PS1、一只温敏电阻PTC1、一只电解电容EC1、一只分流电阻RS1，一只电阻R1、一只电容C1和一只稳压二极管ZD1，其中，第一只功率二极管PD1的阴极与第三只功率二极管PD3的阴极相连后，形成直流回路正极，并与电解电容EC1的正极和第二只电容C2的一端相连，第一只功率二极管PD1的阳极与第二只功率二极管PD2的阴极相连后，与单相交流电源的一端相连，第三只功率二极管PD3的阳极与第四只功率二极管PD4的阴极相连后，与单相交流电源的另一端相连，第二只功率二极管PD2的阳极与第四只功率二极管PD4的阳极相连后，与分流电阻RS1的一端相连，并与判断单元中第七只电阻R7的一端相连，分流电阻RS1的另一端与功率MOSFET PS1的源极、温敏电阻PTC1的一端、第一只电容C1的一端、稳压二极管ZD1的阳极、第二只电容C2的一端相连，并与判断单元中第六只电阻R6的一端相连，形成直流回路负极，功率MOSFET PS1的门极与驱动电路中第一只电阻R1的一端、第一只电容C1的另一端、稳压二极管ZD1的阴极相连，第一只电阻R1的另一端与驱动电路中第五只电阻R5的一端、第四只电容C4的一端、光电耦合器OC1的第三引脚相连。

[0020] 所述判断单元，包括两只运算放大器A1-A2、五只电容C5-C9、一只D触发器DFF1和十只电阻R6-R15；其中，第六只电阻R6的另一端与第六只电容C6的一端、第九只电阻R9的一端、第一只运算放大器A1的非反相输入端相连，第六只电容C6的另一端、第九只电阻R9的另一端与功率地相连，第七只电阻R7的另一端与第五只电容C5的一端、第八只电阻R8的一端、第一只运算放大器A1的反相输入端相连，第五只电容C5的另一端、第八只电阻R8的另一端与第一只运算放大器A1的输出端、第十只电阻R10的一端相连，第十只电阻R10的另一端与第七只电容C7的一端、第十一只电阻R11的一端相连，第十一只电阻R11的另一端与第八只电容C8的一端、第十二只电阻R12的一端、第二只运算放大器A2的反相输入端相连，第十二只电阻R12的另一端与驱动电源相连，第二只运算放大器A2的非反相输入端与第十三只电阻R13的一端、第十四只电阻R14的一端相连，第十三只电阻R13的另一端与驱动电源+15V相连，第十四只电阻R14的一端与功率地相连，第二只运算放大器A2的输出端与第十五只电阻R15的一端相连，第十五只电阻R15的另一端与第九只电阻R9的一端、第一只D触发器DFF1的时钟端相连，第一只D触发器DFF1的Q端与驱动电路中第二只电阻R2的一端相连；

[0021] 所述驱动单元，包括四只电阻R2-R5、一只光电耦合器OC1、二只电容C3-C4和一只晶体管TR1，其中，第二只电阻R2的另一端与第三只电阻R3的一端、第三只电容C3的一端、晶体管TR1的基极相连，晶体管TR1的集电极与光电耦合器OC1的第二引脚相连，光电耦合器OC1的第一引脚与+15V驱动电源相连，光电耦合器OC1的第四引脚与+15V驱动电源相连，光电耦合器OC1的第三引脚与第四只电容C4的一端、第五只电阻R5的一端、整流单元中第一只电阻R1的另一端相连，第三只电阻R3的另一端、第三只电容C3的另一端、晶体管TR1的发射极与功率地相连。

[0022] 本实例中各个元器件的选型：

[0023] 供电电源：单相交流电源220V，适合变频家电应用场合；

[0024] 负载功率：2.5kW，

[0025] 功率二极管(PD1—PD4)：600V，25A/100℃，构成二极管整流桥；

[0026] 电解电容(EC1)：400V，3300μF，插件。储存能量；

[0027] 功率MOSFET(PS1)：600V，25A/100℃，到天后短接温敏电阻PTC1；

[0028] 温敏电阻(PTC1)：49Ω/100℃，10W；

[0029] 光电耦合器(OC1)：PC817D，驱动功率MOSFET PS1；

[0030] 晶体管(TR1)：9013，驱动光电耦合器OC1的初级发光二极管；

[0031] D触发器：CD4013，74AHC175D,74LS74，产生高电平信号，驱动晶体管TR1；

[0032] 运算放大器(A1、A2)：LM224或LM358，构成差动放大器、比较器的核心；

[0033] 稳压二极管(ZD1)：稳压值+18V，防止功率MOSFET门极出现过电压；

[0034] 电容(C2)：100nF，1200V，滤除高频纹波电压；

[0035] 电容(C1、C3、C4)：100nF，50V，滤波电容；

[0036] 电容(C5、C6、C7、C8、C9)：100nF，50V，滤波电容；

[0037] 分流电阻(RS1)：10mΩ、5WΩ，无感电阻，用作分流电阻；

[0038] 电阻(R1、R2、R3、R4、R5)：20Ω、1kΩ、10kΩ、1kΩ、10kΩ，限流或构成RC滤波电路；

[0039] 电阻(R6、R7、R8、R9)：10kΩ、10kΩ、100kΩ、100kΩ，差放的外围电阻；

[0040] 电阻(R10、R11、R12)：10kΩ、10kΩ、10kΩ，构成RC滤波电阻或上拉+15V；

[0041] 电阻(R13、R14、R15)：10kΩ、10kΩ、1kΩ，分压或构成RC滤波电路；

[0042] 整个电路具体工作过程为：

[0043] 在整流单元中，当单相交流电源(220V)接通时，通过功率二极管PD1—PD4构成的整流桥对电解电容EC1整流充电，首先电解电容EC1与温敏电阻PTC1构成阻容充电支路，电解电容EC1的电压缓慢上升，引起的网测电流较小，不至于引起电路故障。随着电解电容EC1的电压上升，大致140V时，整个电路的开关电源开始起振，提供+15V和-15V驱动电源和工作电源。当电解电容EC1的电压上升接近网压峰值时，流过分流电阻RS1的充电电流(直流电流)减少，充电电流的平均值相应减少。

[0044] 在判断单元中，滤波差动放大器由第一只运算放大器A1及其外围电路(包括电阻R6—R9、电容C5—C6)构成，当检测到流过分流电阻RS1的充电电流后，滤波差动放大器输出放大和滤波后的充电电流，送入后二阶RC滤波电路(包括电阻R10—R11、电容C7—C8)得到充电电流平均值，再送入后级的比较器。比较器由第二只运算放大器A2及其外围电路(包括电阻R12—R15、电容C9)构成。参考值取自第十四只电阻R14与第十五只电阻R15的分压，由第十五只电阻R15输出。如果充电电流平均值低于参考值，则比较器输出高电平电压，反之输出低电平电压。当比较器输出高电平时，产生一个上升沿，第一只D触发器DFF1的Q端输出高电平。其后若出现低电平、高电平或下降沿，Q端只输出高电平。第十只电阻R10与第七只电容C7构成一阶RC滤波电路，第十一只电阻R11与第八只电容C8构成一阶RC滤波电路，第十五只电阻R15与第九只电容C9构成一阶RC滤波电路。

[0045] 在驱动单元中，当第二只电阻R2输入高电平电压时，晶体管TR1导通，光电耦合器OC1的原边发光二极管导通，光电耦合器OC1的副边光敏三极管导通，光电耦合器OC1的第三引脚输出+15V驱动电压，送入整流单元。

[0046] 在整流单元中，当功率MOSFET PS1的门极接受+15V驱动电压时，功率MOSFET PS1导通，短接温敏电阻PTC1，整流单元进入正常整流状态。

[0047] 本发明能够实现可控软上电，具有电路结构简单、使用器件数量少，简化电路设计和降低成本的优点。

[0048] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。