一種高壓輸電線路地線取電的過壓保護電路的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種高壓輸電線路地線取電的過壓保護電路，它包括交流電流源輸入模塊、防雷模塊、EMI濾波器、過壓保護模塊、整流模塊和濾波模塊，所述的過壓保護模塊包括兩個結(jié)構(gòu)對稱的過壓保護組件A和過壓保護組件B，過壓保護組件A和過壓保護組件B之間通過各自的光電耦合電路互連，所述的過壓保護組件A包括整流電路、比較電路、放大電路、基準電壓電路、反饋控制電路、光電耦合電路和過壓保護開關(guān)。本實用新型大大降低交流電流源過壓保護時的功率損耗，過壓保護點受溫度影響很小，可以縮小供電設(shè)備體積，提高供電設(shè)備可靠性。還可以使交流電流源過壓保護時正向和負向保護電壓值接近。
【專利說明】一種高壓輸電線路地線取電的過壓保護電路

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及過壓保護領(lǐng)域，特別是涉及一種高壓輸電線路地線取電的過壓保護電路。

【背景技術(shù)】
[0002]智能電網(wǎng)是電網(wǎng)的發(fā)展方向，而在線監(jiān)測是智能電網(wǎng)的一部分。而在線監(jiān)測系統(tǒng)的供電部分，是在線監(jiān)測系統(tǒng)能正常運行的基礎(chǔ)。在輸電網(wǎng)的地線上通過電磁感應(yīng)取電，可以有效解決在線監(jiān)測系統(tǒng)的供電問題。因為地線上只要有交流電流，通過鐵芯由電磁感應(yīng)原理就可以取得交流電流源，類似電流互感器，取得的交流電源的功率和負載電阻阻值成正比，根據(jù)公式P=I2*R，假設(shè)電流I恒定，則功率P正比于電阻R。所以，當電阻R增大時，輸出功率增大，輸出電電壓也增大，當負載沒有消耗功率或者開路這種極端情況時，取得的交流電輸出電壓會大大升高，會超過電路中元件器耐壓極限而損壞元器件。所以，取得的交流電必須加上過壓保護電路。
[0003]如圖1所示，一種傳統(tǒng)的典型交流電流源過壓保護方案，該傳統(tǒng)方案中采用雙向可控硅實現(xiàn)交流電流源過壓保護。
[0004]該傳統(tǒng)方案的工作原理是:直流用電設(shè)備用電電流降低，等效為直流用電設(shè)備內(nèi)阻增大，直流用電設(shè)備兩端電壓升高，交流電流源輸出電壓升高。此時，過壓保護電路工作原理分交流電流源正半周和負半周兩種情況分析。
[0005]該傳統(tǒng)方案過壓保護電路在交流源正半周工作原理:
[0006]假設(shè)圖1中A點電壓相對B點電壓為正，即Vab為正電壓。C點相對B點為正電壓，即Vra為正電壓。當Vra逐步升高，達到雙向二極管DBl的導(dǎo)通電壓時，雙向二極管DBl導(dǎo)通，電流從左到右流過雙向二極管DBl、電阻R5后，給電容C2充電，然后G點電壓相對B點電壓為正，即VeB為正電壓，當VeB達到雙向可控硅VTl的正導(dǎo)通閥值電壓時，雙向可控硅VTl導(dǎo)通，電流從MT2流至MT1，相當于將交流電流源短路，交流電流源不再給直流用電設(shè)備供電，而由電容C3中存儲的電能給直流用電設(shè)備供電。直到交流源負半周到來，此時Vab將由正轉(zhuǎn)負，流過雙向可控硅VTl的電流先減小，然后到零，再反向，雙向可控硅VTl由于自身特性，會在電流過零時自動關(guān)斷。
[0007]該傳統(tǒng)方案過壓保護電路在交流源負半周工作原理:
[0008]假設(shè)圖1中A點電壓相對B點電壓為負，即Vab為負電壓。C點相對B點為負電壓，即Vcb為負電壓。當Vcb逐步降低，達到雙向二極管DBl的導(dǎo)通電壓時，雙向二極管DBl導(dǎo)通，電流從右到左流過電阻R5，雙向二極管DB I給C2放電(也可以認為反向充電)，然后G點電壓相對B點電壓為負，即VeB為負電壓，當VeB達到雙向可控硅VTl的負導(dǎo)通閥值電壓時，雙向可控硅VTl導(dǎo)通，電流從MTl流至MT2，相當于將交流電流源短路，交流電流源不再給直流用電設(shè)備供電，而由電容C3中存儲的電能給直流用電設(shè)備供電。直到交流源正半周到來，此時Vab將由負轉(zhuǎn)正，流過雙向可控硅VTl的電流先減小，然后到零，再反向，雙向可控硅VTl由于自身特性，會在電流過零時自動關(guān)斷。
[0009]現(xiàn)有技術(shù)的最大缺點是:雙向可控硅的VTM值一般都較大，VTM值為雙向可控硅導(dǎo)通流過電流后，MT2引腳和MTl引腳間的電位差值，當雙向可控硅導(dǎo)通流過較大電流時，損耗相當大。由于雙向可控硅1、3象限的觸發(fā)電壓閥值不同，從而導(dǎo)致交流電流源過壓保護時正向和負向保護電壓值不一致。
實用新型內(nèi)容
[0010]本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高壓輸電線路地線取電的過壓保護電路，克服過壓保護時損耗功率太大的問題。
[0011]本實用新型的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:一種高壓輸電線路地線取電的過壓保護電路，它包括交流電流源輸入模塊、防雷模塊、EMI濾波器、過壓保護模塊、整流模塊和濾波模塊，交流電流源輸入模塊與防雷模塊連接，防雷模塊與EMI濾波器連接，EMI濾波器與過壓保護模塊連接，過壓保護模塊與整流模塊連接，整流模塊與濾波模塊連接，防雷模塊的輸入與交流電流源輸出連接，濾波模塊輸出與直流用電設(shè)備連接。
[0012]所述的過壓保護模塊包括兩個結(jié)構(gòu)對稱的過壓保護組件A和過壓保護組件B，過壓保護組件A和過壓保護組件B之間通過各自的光電耦合電路互連。
[0013]所述的過壓保護組件A包括整流電路、比較電路、放大電路、基準電壓電路、反饋控制電路、光電耦合電路和過壓保護開關(guān)。
[0014]所述的整流電路將輸入的交流電流轉(zhuǎn)換為直流電流，整流電路的一路直流輸出經(jīng)穩(wěn)壓電路分別與比較電路電源端、放大電路的電源端，以及基準電壓電路連接，整流電路的另一路直流輸出經(jīng)分壓后與比較電路的同相輸入端連接，基準電壓電路的輸出與比較電路的反相輸入端連接，比較電路的輸出分別與放大電路、光電耦合電路連接，放大電路的輸出與過壓保護開關(guān)連接，反饋控制電路的一端與比較電路的輸出端連接，反饋控制電路的另一端與比較電路的同相輸入端連接，光電耦合電路與過壓保護組件B的比較電路的同相輸入端連接，反過來，過壓保護組件B的光電耦合電路亦與過壓保護組件A的比較電路的同相輸入端連接。
[0015]所述的整流電路為半波整流電路，所述的半波整流電路包括整流二極管Dl和整流電容C5，所述的整流二極管Dl的陽極與交流輸入端B連接，整流二極管Dl的陰極與整流電容C5的陽極連接，整流電容C5的陰極與交流輸入端A連接，整流二極管Dl和整流電容C5的中點輸出直流電。
[0016]所述的穩(wěn)壓電路包括電阻R7、穩(wěn)壓三極管Ql和穩(wěn)壓二極管Z1，所述的穩(wěn)壓三極管Ql的集電極與整流電路的直流輸出連接，穩(wěn)壓三極管Ql的發(fā)射極與比較電路的電源端連接，穩(wěn)壓三極管Ql的基極與穩(wěn)壓二極管Zl的陰極連接，穩(wěn)壓二極管Zl的陽極與交流輸入端A連接，穩(wěn)壓三極管Ql的發(fā)射極還通過電容C7與交流輸入端A連接，電阻R7并聯(lián)在穩(wěn)壓三極管Ql的集電極和基極之間。
[0017]所述的分壓電路包括分壓電阻Rl和分壓電阻R3，所述的分壓電阻Rl和分壓電阻R3串聯(lián)連接，串聯(lián)的一端與整流電路的直流輸出連接，另一端與交流輸入端A連接，串聯(lián)的中點與比較電路的同相輸入端連接，串聯(lián)的中點還通過電容Cl與交流輸入端A連接。
[0018]所述的比較電路包括運算放大器Ul，運算放大器Ul接地端與交流輸入端A連接。
[0019]所述的放大電路為推挽放大電路，所述的推挽放大電路包括放大三極管Q3和放大三極管Q5，所述的放大三極管Q3的基極與放大三極管Q5的基極和運算放大器Ul的輸出端連接，放大三極管Q3的集電極與穩(wěn)壓三極管Ql的發(fā)射極連接，放大三極管Q3的發(fā)射極與放大三極管Q5的發(fā)射極和過壓保護開關(guān)連接，放大三極管Q5的集電極與交流輸入端A連接。
[0020]所述的基準電壓電路包括穩(wěn)壓管U3、電阻R9和電容C2，所述的穩(wěn)壓管U3為可控精密穩(wěn)壓源TL431，所述的穩(wěn)壓管U3的陽極與交流輸入端A連接，穩(wěn)壓管U3的陰極通過電阻R9與穩(wěn)壓三極管Ql的發(fā)射極連接，穩(wěn)壓管U3的陰極還通過電容C2與交流輸入端A連接，穩(wěn)壓管U3的陰極還與穩(wěn)壓管U3的參考極和運算放大器Ul的反向輸入端連接。
[0021]所述的反饋控制電路包括二極管D3和電阻R13，二極管D3的陽極與運算放大器Ul的輸出端連接，二極管D3的陰極通過電阻R13與運算放大器Ul的同向輸入端連接。
[0022]所述的光電耦合電路包括光電耦合器U5、電阻RlO和電阻R15，所述的光電耦合器U5輸入端陰極與運算放大器Ul的輸出端連接，光電耦合器U5輸入端陽極通過電阻RlO與交流輸入端A連接，光電耦合器U5輸出端發(fā)射極通過電阻R15與和運算放大器Ul所對稱的運算放大器U2的同向輸入端連接，光電耦合器U5輸出端集電極與和穩(wěn)壓三極管Ql所對稱的穩(wěn)壓三極管Q2的發(fā)射極連接。
[0023]所述的過壓保護開關(guān)包括開關(guān)MOS管Q7、二極管D5、分壓電阻R17、分壓電阻R4和穩(wěn)壓二極管Z3，所述的開關(guān)MOS管Q7的源極與交流輸入端A連接，開關(guān)MOS管Q7的漏極與和開關(guān)MOS管Q7的所對稱的開關(guān)MOS管Q8的漏極連接，開關(guān)MOS管Q7的柵極通過分壓電阻R17與放大三極管Q3的發(fā)射極和放大三極管Q5的發(fā)射極連接，開關(guān)MOS管Q7的柵極還通過并聯(lián)的分壓電阻R4和穩(wěn)壓二極管Z3與交流輸入端A連接，穩(wěn)壓二極管Z3的陰極與開關(guān)MOS管Q7的柵極連接，二極管D5的陽極與開關(guān)MOS管Q7的源極連接，二極管D5的陰極與開關(guān)MOS管Q7的漏極連接。
[0024]本實用新型的有益效果是:本實用新型采用兩只N溝道MOSFET實現(xiàn)交流電流源過壓保護，可以大大降低交流電流源過壓保護時的功率損耗，過壓保護點受溫度影響很小，可以縮小供電設(shè)備體積，提高供電設(shè)備可靠性。還可以使交流電流源過壓保護時正向和負向保護電壓值接近。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為傳統(tǒng)典型交流電流源過壓保護方案電路原理圖。
[0026]圖2為本實用新型系統(tǒng)框圖；
[0027]圖3為本實用新型過壓保護方案電路原理圖；
[0028]圖4為雙向可控硅工作時電流與電壓的關(guān)系圖；
[0029]圖5為本實用新型過壓保護系統(tǒng)的仿真實現(xiàn)結(jié)果圖。

【具體實施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖進一步詳細描述本實用新型的技術(shù)方案，但本實用新型的保護范圍不局限于以下所述。
[0031]智能電網(wǎng)是電網(wǎng)的發(fā)展方向，而在線監(jiān)測是智能電網(wǎng)的一部分。而在線監(jiān)測系統(tǒng)的供電部分，是在線監(jiān)測系統(tǒng)能正常運行的基礎(chǔ)。在輸電網(wǎng)的地線上通過電磁感應(yīng)取電，可以有效解決在線監(jiān)測系統(tǒng)的供電問題。因為地線上只要有交流電流，通過鐵芯由電磁感應(yīng)原理就可以取得交流電流源。類似電流互感器，取得的交流電源的功率和負載電阻阻值成正比，根據(jù)公式P=I2*R，假設(shè)電流I恒定，則功率P正比于電阻R。所以，當電阻R增大時，輸出功率增大，輸出電電壓也增大，當負載沒有消耗功率或者開路這種極端情況時，取得的交流電輸出電壓會大大升高，會超過電路中元件器耐壓極限而損壞元器件。所以，取得的交流電必須加上過壓保護電路。
[0032]本實用新型采用兩只N溝道MOSFET替代雙向可控硅實現(xiàn)交流電流源過壓保護，可以大大降低交流電流源過壓保護時的功率損耗，可以縮小供電設(shè)備體積，提高供電設(shè)備可靠性。還可以使交流電流源過壓保護時正向和負向保護電壓值接近。
[0033]如圖2所示，一種高壓輸電線路地線取電的過壓保護電路，它包括交流電流源輸入模塊、防雷模塊、EMI濾波器、過壓保護模塊、整流模塊和濾波模塊，交流電流源輸入模塊與防雷模塊連接，防雷模塊與EMI濾波器連接，EMI濾波器與過壓保護模塊連接，過壓保護模塊與整流模塊連接，整流模塊與濾波模塊連接，防雷模塊的輸入與交流電流源輸出連接，濾波模塊輸出與直流用電設(shè)備連接。
[0034]1、交流電流源:在輸電網(wǎng)絡(luò)地線上流過交流電源，利用磁環(huán)電池感應(yīng)的原理從地線上取電，類似電流互感器工作原理，短時間內(nèi)取得的電可以等效為交流電流源。
[0035]2、防雷模塊:用壓敏電阻，氣體放電管以及電感等元器件設(shè)計出的防雷電路，在一定程度上泄放感應(yīng)雷擊的能量，防止感應(yīng)雷擊的能量損壞后面電路中的元器件。
[0036]3、EMI濾波器:EMI濾波器為電磁干擾濾波器，是通過X電容、Y電容、共模電感和差模電感設(shè)計出的濾波器，防止外界的共模干擾和差模干擾影響后面用電設(shè)備的正常工作，也同時防止用電設(shè)備產(chǎn)生的差模和共模干擾通過導(dǎo)線傳遞出去，對通過導(dǎo)線相連的其他電子設(shè)備造成干擾。
[0037]4、過壓保護模塊:由上下兩部分完全一樣的電路構(gòu)成，上下兩部分電路的工作原理完全一樣。
[0038]5、整流模塊:通過整流橋或者四只二極管，把交流電源整流為直流電源。
[0039]6、濾波模塊:通過大容量鋁電解電容，或者CLC濾波電路實現(xiàn)濾波，以獲得更加理想的直流電。
[0040]7、直流用電設(shè)備:可以是實現(xiàn)一定功能的單元板，也可以是攝像機，傳感器等用電設(shè)備。
[0041]如圖3所示，所述的過壓保護模塊包括兩個結(jié)構(gòu)對稱的過壓保護組件A和過壓保護組件B，過壓保護組件A和過壓保護組件B之間通過各自的光電耦合電路互連。
[0042]所述的過壓保護組件A包括整流電路、比較電路、放大電路、基準電壓電路、反饋控制電路、光電耦合電路和過壓保護開關(guān)。
[0043]所述的整流電路將輸入的交流電流轉(zhuǎn)換為直流電流，整流電路的一路直流輸出經(jīng)穩(wěn)壓電路分別與比較電路電源端、放大電路的電源端，以及基準電壓電路連接，整流電路的另一路直流輸出經(jīng)分壓后與比較電路的同相輸入端連接，基準電壓電路的輸出與比較電路的反相輸入端連接，比較電路的輸出分別與放大電路、光電耦合電路連接，放大電路的輸出與過壓保護開關(guān)連接，反饋控制電路的一端與比較電路的輸出端連接，反饋控制電路的另一端與比較電路的同相輸入端連接，光電耦合電路與過壓保護組件B的比較電路的同相輸入端連接，反過來，過壓保護組件B的光電耦合電路亦與過壓保護組件A的比較電路的同相輸入端連接。
[0044]所述的整流電路為半波整流電路，所述的半波整流電路包括整流二極管Dl和整流電容C5，所述的整流二極管Dl的陽極與交流輸入端B連接，整流二極管Dl的陰極與整流電容C5的陽極連接，整流電容C5的陰極與交流輸入端A連接，整流二極管Dl和整流電容C5的中點輸出直流電。
[0045]所述的穩(wěn)壓電路包括電阻R7、穩(wěn)壓三極管Ql和穩(wěn)壓二極管Z1，所述的穩(wěn)壓三極管Ql的集電極與整流電路的直流輸出連接，穩(wěn)壓三極管Ql的發(fā)射極與比較電路的電源端連接，穩(wěn)壓三極管Ql的基極與穩(wěn)壓二極管Zl的陰極連接，穩(wěn)壓二極管Zl的陽極與交流輸入端A連接，穩(wěn)壓三極管Ql的發(fā)射極還通過電容C7與交流輸入端A連接，電阻R7并聯(lián)在穩(wěn)壓三極管Ql的集電極和基極之間。
[0046]所述的分壓電路包括分壓電阻Rl和分壓電阻R3，所述的分壓電阻Rl和分壓電阻R3串聯(lián)連接，串聯(lián)的一端與整流電路的直流輸出連接，另一端與交流輸入端A連接，串聯(lián)的中點與比較電路的同相輸入端連接，串聯(lián)的中點還通過電容Cl與交流輸入端A連接。
[0047]所述的比較電路包括運算放大器Ul，運算放大器Ul接地端與交流輸入端A連接。
[0048]所述的放大電路為推挽放大電路，所述的推挽放大電路包括放大三極管Q3和放大三極管Q5，所述的放大三極管Q3的基極與放大三極管Q5的基極和運算放大器Ul的輸出端連接，放大三極管Q3的集電極與穩(wěn)壓三極管Ql的發(fā)射極連接，放大三極管Q3的發(fā)射極與放大三極管Q5的發(fā)射極和過壓保護開關(guān)連接，放大三極管Q5的集電極與交流輸入端A連接。
[0049]所述的基準電壓電路包括穩(wěn)壓管U3、電阻R9和電容C2，所述的穩(wěn)壓管U3為可控精密穩(wěn)壓源TL431，所述的穩(wěn)壓管U3的陽極與交流輸入端A連接，穩(wěn)壓管U3的陰極通過電阻R9與穩(wěn)壓三極管Ql的發(fā)射極連接，穩(wěn)壓管U3的陰極還通過電容C2與交流輸入端A連接，穩(wěn)壓管U3的陰極還與穩(wěn)壓管U3的參考極和運算放大器Ul的反向輸入端連接。
[0050]所述的反饋控制電路包括二極管D3和電阻R13，二極管D3的陽極與運算放大器Ul的輸出端連接，二極管D3的陰極通過電阻R13與運算放大器Ul的同向輸入端連接。
[0051]所述的光電稱合電路包括光電稱合器U5、電阻RlO和電阻R15,所述的光電稱合器U5輸入端陰極與運算放大器Ul的輸出端連接，光電耦合器U5輸入端陽極通過電阻RlO與交流輸入端A連接，光電耦合器U5輸出端發(fā)射極通過電阻R15與和運算放大器Ul所對稱的運算放大器U2的同向輸入端連接，光電耦合器U5輸出端集電極與和穩(wěn)壓三極管Ql所對稱的穩(wěn)壓三極管Q2的發(fā)射極連接。
[0052]所述的過壓保護開關(guān)包括開關(guān)MOS管Q7、二極管D5、分壓電阻R17、分壓電阻R4和穩(wěn)壓二極管Z3，所述的開關(guān)MOS管Q7的源極與交流輸入端A連接，開關(guān)MOS管Q7的漏極與和開關(guān)MOS管Q7的所對稱的開關(guān)MOS管Q8的漏極連接，開關(guān)MOS管Q7的柵極通過分壓電阻R17與放大三極管Q3的發(fā)射極和放大三極管Q5的發(fā)射極連接，開關(guān)MOS管Q7的柵極還通過并聯(lián)的分壓電阻R4和穩(wěn)壓二極管Z3與交流輸入端A連接，穩(wěn)壓二極管Z3的陰極與開關(guān)MOS管Q7的柵極連接，二極管D5的陽極與開關(guān)MOS管Q7的源極連接，二極管D5的陰極與開關(guān)MOS管Q7的漏極連接。
[0053]其中，穩(wěn)壓三極管Q1、Q2和放大三極管Q3、Q4為NPN三極管，放大三極管Q5、Q6為PNP三極管，開關(guān)MOS管Q7、Q8為NMOS管。
[0054]本實用新型中的過壓保護模塊包括兩個結(jié)構(gòu)對稱的過壓保護組件A和過壓保護組件B，其元器件組成和電路結(jié)構(gòu)相同，即本實用新型過壓保護模塊由上下兩部分完全一樣的電路構(gòu)成，上下兩部分電路的工作原理也完全一樣。
[0055]下面就過壓保護模塊下部分電路的工作原理進行說明，即對過壓保護組件B的工作原理進行說明，根據(jù)過壓保護組件B的工作原理可知過壓保護組件A的工作原理。
[0056]當交流輸入端A相對與交流輸入端B為正時。
[0057]整流二極管Dl不導(dǎo)通，整流二極管D2導(dǎo)通，電流給整流電容C6充電，整流電容C6兩端的電壓，通過分壓電阻R2和分壓電阻R5分壓，分壓電阻R2和分壓電阻R5的中點為運算放大器U2同向輸入端的輸入電壓，該輸入電壓記為分壓電壓Vins。
[0058]整流電容C6的正極，再經(jīng)電阻R8、穩(wěn)壓二極管Z2和NPN穩(wěn)壓三極管Q2組成的穩(wěn)壓電路給運算放大器U2供電，連接至運算放大器U2的第8腳工作電壓輸入端VCC，VCC電壓由穩(wěn)壓二極管Z2的電壓值決定。
[0059]VCC電壓經(jīng)過電阻Rll流過電流至穩(wěn)壓管U4，穩(wěn)壓管U4為TL431，穩(wěn)壓管U4的參考極R和陰極K極短路，這樣穩(wěn)壓管U4的作用就是一只具有溫度補償功能的高精度2.5V穩(wěn)壓管，提供2.5V參考電壓給運算放大器U2的第2腳反相輸入A-端。
[0060]運算放大器U2的第I腳輸出端Aout通過二極管D4和電阻R16連接至運算放大器U2的第3腳同向輸入A+端，實現(xiàn)正反饋控制。
[0061]同時運算放大器U2的第I腳輸出端Aout通過三極管Q4和三極管Q6的推挽放大，來驅(qū)動開關(guān)MOS關(guān)Q8，開關(guān)MOS關(guān)Q8為N溝道MOSFET。
[0062]另外，運算放大器U2第I腳輸出端Aout串聯(lián)光電耦合器U6的輸入端，經(jīng)過電阻R12到交流輸入端B低電位，這樣，一旦運算放大器U2的第I腳輸出端Aout輸出高電平，那么光電稱合器U6的輸入端流過電流,光電稱合器U6的輸出端導(dǎo)通，電流從運算放大器Ul第8腳工作電壓輸入端VCC，流過光電耦合器U6的輸出端，并通過電阻R14流至運算放大器Ul的第3腳同相輸入A+端，從而提高運算放大器Ul第3腳同相輸入A+端電壓。
[0063]過壓保護模塊電路的工作狀態(tài)有兩種:
[0064](I)正常工作狀態(tài)
[0065]當分壓電壓Vins小于2.5V參考電壓時，運算放大器U2的同向輸入端電壓小于反向輸入端電壓，運算放大器U2的第I腳輸出端Aout輸出為低電平，二極管D4、放大三極管Q4、光電稱合器U6都處于關(guān)斷狀態(tài),放大三極管Q6導(dǎo)通,開關(guān)MOS管Q8的柵極電壓被拉低至接近源極電壓，所以開關(guān)MOS管Q8關(guān)斷，此時整個過壓保護電路相對于交流輸入端A和交流輸入端B是開路狀態(tài)，這是沒有產(chǎn)生保護時的狀態(tài)。
[0066]此時，過壓保護電路中分壓電阻R2和分壓電阻R5的分壓電壓Vins做為運算放大器U2的同相輸入，由于分壓電阻R2、電阻R15和電阻R16并聯(lián)，所以R2//R15//R16的電阻必定小于R2，所以分壓電阻R2的電壓會上升，這個就是正反饋的作用，保證運算放大器U2的第I腳輸出高電平會持續(xù)一段時間，防止開關(guān)MOS管Q7和開關(guān)MOS管Q8剛開通又立即關(guān)斷，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
[0067](2)過壓保護狀態(tài)
[0068]當分壓電壓Vins大于2.5V參考電壓時，運算放大器U2的同向輸入端電壓大于反向輸入端電壓，那么運算放大器U2的第I腳輸出端Aout輸出為高電平，二極管D4、放大三極管Q4、光電耦合器U6都處于導(dǎo)通狀態(tài)，放大三極管Q6關(guān)閉，開關(guān)MOS管Q8的柵極電壓瞬間升高至接近運算放大器U2的VCC電壓，所以開關(guān)MOS管Q8瞬間導(dǎo)通。
[0069]同時，由于光電I禹合器U6輸入端導(dǎo)通,光電f禹合器U6輸出端將運算放大器Ul的VCC電壓正反饋傳遞至運算放大器Ul的第3腳同相輸入端。
[0070]同理，開關(guān)MOS管Q7瞬間導(dǎo)通。開關(guān)MOS管Q7和開關(guān)MOS管Q8同時導(dǎo)通后，交流輸入端A和交流輸入端B被導(dǎo)通的開關(guān)MOS管Q7和開關(guān)MOS管Q8短路，實現(xiàn)過壓保護功能。
[0071]開關(guān)MOS管Q7和開關(guān)MOS管Q8導(dǎo)通后，整流電容C6兩端的電壓被整流二極管D2鉗位，保持一定的電壓，由于過壓保護電路工作需要的電能由整流電容C6提供，所以整流電容C6正負兩端的電壓會線性下降，一直降到運算放大器U2第3腳同向輸入端的電壓小于2.5V參考電壓，此時，運算放大器U2的第I腳輸出低電平，由于正反饋，運算放大器U2第3腳同向輸入端的電壓會被瞬間拉低一定電壓，防止開關(guān)MOS管Q7和開關(guān)MOS管Q8剛關(guān)斷又立即開通。
[0072]需要指出的是:從運算放大器U2第I腳輸出高電平由正反饋使運算放大器U2第3腳同向輸入端電壓上升超過2.5V參考電平的時刻，到運算放大器U2第3腳同向輸入端電壓線性下降到小于2.5V參考電平時刻，在這段時間，運算放大器U2的第I腳一直輸出高電平，使開關(guān)MOS管Q7和開關(guān)MOS管Q8在這段時間一直處于導(dǎo)通狀態(tài)。
[0073]若開關(guān)MOS管Q7和開關(guān)MOS管Q8剛開通又立即關(guān)斷，或者，開關(guān)MOS管Q7和開關(guān)MOS管Q8剛關(guān)斷又立即開通，致使系統(tǒng)進入不穩(wěn)定的工作狀態(tài)，可能導(dǎo)致開關(guān)MOS管Q7和開關(guān)MOS管Q8因不穩(wěn)定的原因損耗過大，結(jié)溫過高而損壞。
[0074]由于過壓保護組件A和過壓保護組件B結(jié)構(gòu)上相互對稱，其元器件組成和電路結(jié)構(gòu)相同，當交流輸入端A相對于交流輸入B為負時的工作原理和上述分析同理。
[0075]下面根據(jù)實際例子來說明，本實用新型方案有效克服過壓保護時損耗功率太大的問題。
[0076]如圖1所示，用雙向可控硅做過壓保護時，假設(shè)雙向可控硅采用HQ6025RH5這個型號，從其數(shù)據(jù)手冊中，得到雙向可控硅工作時電流與電壓的關(guān)系圖，如下圖4所示。
[0077]如下圖4所示，當該雙向可控硅流過1A電流時，MTl和MT2腳的電壓降典型值約
1.025V，此時雙向可控硅的損耗功率根據(jù)公式P=I*V，可以算出雙向可控硅的損耗功率為10.25ffo
[0078]本實用新型方案中，假設(shè)開關(guān)MOS管Q7和開關(guān)MOS管Q8采用IPP045N10N3G這顆M0SFET,根據(jù)其數(shù)據(jù)手冊可知，其導(dǎo)通電阻典型值為4.2m Ω。那么，開關(guān)MOS管Q7串聯(lián)開關(guān)MOS管Q8導(dǎo)通后，開關(guān)MOS管Q7源極和開關(guān)MOS管Q8源極之間的電阻為8.4m Ω。
[0079]如果短路后流過的電流同樣為采用雙向可控硅時的10A，那么開關(guān)MOS管Q7和開關(guān)MOS管Q8上的總損耗為:P=10*10*8.4=840 (mff),即總損耗功率為0.84W。
[0080]而采用雙向可控硅的損耗是10.25W，可見，雙向可控硅方案的損耗約是本實用新型方案的12倍。
[0081]如圖5所示，對本實用新型過壓保護系統(tǒng)進行仿真實驗，實驗中，輸入一路峰值為96V的交流電，設(shè)置過壓保護值為45V，來判斷該系統(tǒng)是否能有效的進行保護隔離。由仿真結(jié)果圖可知，峰值為96V的交流電輸入本實用新型過壓保護系統(tǒng)后，僅輸出-46.8V?46.0V低壓段，而高壓段全部得到有效地隔離，從而達到了過壓保護的目的。
[0082]從圖5還可知，當過壓保護系統(tǒng)從過壓保護狀態(tài)到正常工作狀態(tài)時，過壓保護系統(tǒng)并沒有馬上進入正常工作狀態(tài)，而是持續(xù)過壓保護狀態(tài)，一段時間后，再進入正常工作狀態(tài)，這完全符合本實用新型的設(shè)計方案，不允許開關(guān)MOS管剛關(guān)斷又重新導(dǎo)通，防止開關(guān)MOS管因不穩(wěn)定的原因損耗過大，導(dǎo)致結(jié)溫過高而損壞。
[0083]通過實驗仿真可知，本實用新型過壓保護系統(tǒng)具有可行性和有效性。
[0084]本實用新型采用兩只N溝道MOSFET替代雙向可控硅實現(xiàn)交流電流源過壓保護，采用運算放大器和光電耦合器實現(xiàn)兩只N溝道MOSFET的同時導(dǎo)通或同時關(guān)斷，采用運放正反饋及供電電容放電來控制兩只N溝道MOSFET的導(dǎo)通時間。
[0085]本實用新型采用兩只N溝道M0SFET，可以大大降低交流電流源過壓保護時的功率損耗，可以縮小供電設(shè)備體積，提高供電設(shè)備可靠性。還可以使交流電流源過壓保護時正向和負向保護電壓值接近。
[0086]本實用新型的過壓保護點受溫度影響很小，由于產(chǎn)生2.5V參考基準電壓的穩(wěn)壓管U3和穩(wěn)壓管U4是TL431，具有溫度補償功能，在高低溫相差很大的情況下，都可以提供穩(wěn)定的參考電壓。
[0087]本實用新型在過壓保護時，可以使功率器件快速導(dǎo)通和關(guān)斷，降低開關(guān)損耗，提高功率器件的可靠性。
【權(quán)利要求】
1.一種高壓輸電線路地線取電的過壓保護電路，它包括交流電流源輸入模塊、防雷模塊、EMI濾波器、過壓保護模塊、整流模塊和濾波模塊，交流電流源輸入模塊與防雷模塊連接，防雷模塊與EMI濾波器連接，EMI濾波器與過壓保護模塊連接，過壓保護模塊與整流模塊連接，整流模塊與濾波模塊連接，防雷模塊的輸入與交流電流源輸出連接，濾波模塊輸出與直流用電設(shè)備連接，其特征在于: 所述的過壓保護模塊包括兩個結(jié)構(gòu)對稱的過壓保護組件A和過壓保護組件B，過壓保護組件A和過壓保護組件B之間通過各自的光電耦合電路互連； 所述的過壓保護組件A包括整流電路、比較電路、放大電路、基準電壓電路、反饋控制電路、光電耦合電路和過壓保護開關(guān)； 所述的整流電路將輸入的交流電流轉(zhuǎn)換為直流電流，整流電路的一路直流輸出經(jīng)穩(wěn)壓電路分別與比較電路電源端、放大電路的電源端，以及基準電壓電路連接，整流電路的另一路直流輸出經(jīng)分壓后與比較電路的同相輸入端連接，基準電壓電路的輸出與比較電路的反相輸入端連接，比較電路的輸出分別與放大電路、光電耦合電路連接，放大電路的輸出與過壓保護開關(guān)連接，反饋控制電路的一端與比較電路的輸出端連接，反饋控制電路的另一端與比較電路的同相輸入端連接，光電耦合電路與過壓保護組件B的比較電路的同相輸入端連接，反過來，過壓保護組件B的光電耦合電路亦與過壓保護組件A的比較電路的同相輸入端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壓輸電線路地線取電的過壓保護電路，其特征在于:所述的整流電路為半波整流電路，所述的半波整流電路包括整流二極管Dl和整流電容C5，所述的整流二極管Dl的陽極與交流輸入端B連接，整流二極管Dl的陰極與整流電容C5的陽極連接，整流電容C5的陰極與交流輸入端A連接，整流二極管Dl和整流電容C5的中點輸出直流電。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壓輸電線路地線取電的過壓保護電路，其特征在于:所述的穩(wěn)壓電路包括電阻R7、穩(wěn)壓三極管Ql和穩(wěn)壓二極管Z1，所述的穩(wěn)壓三極管Ql的集電極與整流電路的直流輸出連接，穩(wěn)壓三極管Ql的發(fā)射極與比較電路的電源端連接，穩(wěn)壓三極管Ql的基極與穩(wěn)壓二極管Zl的陰極連接，穩(wěn)壓二極管Zl的陽極與交流輸入端A連接，穩(wěn)壓三極管Ql的發(fā)射極還通過電容C7與交流輸入端A連接，電阻R7并聯(lián)在穩(wěn)壓三極管Ql的集電極和基極之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壓輸電線路地線取電的過壓保護電路，其特征在于:所述的分壓電路包括分壓電阻Rl和分壓電阻R3，所述的分壓電阻Rl和分壓電阻R3串聯(lián)連接，串聯(lián)的一端與整流電路的直流輸出連接，另一端與交流輸入端A連接，串聯(lián)的中點與比較電路的同相輸入端連接，串聯(lián)的中點還通過電容Cl與交流輸入端A連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壓輸電線路地線取電的過壓保護電路，其特征在于:所述的比較電路包括運算放大器Ul，運算放大器Ul接地端與交流輸入端A連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壓輸電線路地線取電的過壓保護電路，其特征在于:所述的放大電路為推挽放大電路，所述的推挽放大電路包括放大三極管Q3和放大三極管Q5，所述的放大三極管Q3的基極與放大三極管Q5的基極和運算放大器Ul的輸出端連接，放大三極管Q3的集電極與穩(wěn)壓三極管Ql的發(fā)射極連接，放大三極管Q3的發(fā)射極與放大三極管Q5的發(fā)射極和過壓保護開關(guān)連接，放大三極管Q5的集電極與交流輸入端A連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壓輸電線路地線取電的過壓保護電路，其特征在于:所述的基準電壓電路包括穩(wěn)壓管U3、電阻R9和電容C2，所述的穩(wěn)壓管U3為可控精密穩(wěn)壓源TL431，所述的穩(wěn)壓管U3的陽極與交流輸入端A連接，穩(wěn)壓管U3的陰極通過電阻R9與穩(wěn)壓三極管Ql的發(fā)射極連接，穩(wěn)壓管U3的陰極還通過電容C2與交流輸入端A連接，穩(wěn)壓管U3的陰極還與穩(wěn)壓管U3的參考極和運算放大器Ul的反向輸入端連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壓輸電線路地線取電的過壓保護電路，其特征在于:所述的反饋控制電路包括二極管D3和電阻R13，二極管D3的陽極與運算放大器Ul的輸出端連接，二極管D3的陰極通過電阻R13與運算放大器Ul的同向輸入端連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壓輸電線路地線取電的過壓保護電路，其特征在于:所述的光電稱合電路包括光電稱合器U5、電阻RlO和電阻R15,所述的光電稱合器U5輸入端陰極與運算放大器Ul的輸出端連接，光電耦合器U5輸入端陽極通過電阻RlO與交流輸入端A連接，光電耦合器U5輸出端發(fā)射極通過電阻R15與和運算放大器Ul所對稱的運算放大器U2的同向輸入端連接,光電I禹合器U5輸出端集電極與和穩(wěn)壓三極管Ql所對稱的穩(wěn)壓三極管Q2的發(fā)射極連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壓輸電線路地線取電的過壓保護電路，其特征在于:所述的過壓保護開關(guān)包括開關(guān)MOS管Q7、二極管D5、分壓電阻R17、分壓電阻R4和穩(wěn)壓二極管Z3，所述的開關(guān)MOS管Q7的源極與交流輸入端A連接，開關(guān)MOS管Q7的漏極與和開關(guān)MOS管Q7的所對稱的開關(guān)MOS管Q8的漏極連接，開關(guān)MOS管Q7的柵極通過分壓電阻R17與放大三極管Q3的發(fā)射極和放大三極管Q5的發(fā)射極連接，開關(guān)MOS管Q7的柵極還通過并聯(lián)的分壓電阻R4和穩(wěn)壓二極管Z3與交流輸入端A連接，穩(wěn)壓二極管Z3的陰極與開關(guān)MOS管Q7的柵極連接，二極管D5的陽極與開關(guān)MOS管Q7的源極連接，二極管D5的陰極與開關(guān)MOS管Q7的漏極連接。
【文檔編號】H02H3/20GK204089154SQ201420501867
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月2日
【發(fā)明者】李紹飛, 宋昌林, 陳方春 申請人:四川匯源光通信有限公司