一種具有防反功能的模塊化供電裝置及防反控制電路的製作方法
2023-05-11 11:33:26 2
專利名稱：一種具有防反功能的模塊化供電裝置及防反控制電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及開關電源領域，尤其涉及一種具有防反功能的模塊化供電裝置及防反控制電路。
背景技術：
隨著鐵路運輸指揮系統智能化、信息化、網絡化，鐵路信號電源的應用範圍逐漸向綜合集中供電系統方向發展。目前，鐵路信號電源採用標準化的電源模塊為鐵路設備進行供電。鐵路信號模塊電源採用兩路電源-主-備輸入，經交流接觸器自動切換後，通過電磁幹擾濾波，經過並聯均流的高頻整流器升壓、整流，經過高頻(DC/DC)變換為各種直流電源輸出，模塊電源並聯均流輸出向繼電器、直流電動轉轍機等直流信號設備供電。鐵路信號 模塊電源一般都工作在多模塊並聯的N+1或者N+M冗餘系統中，模塊容量相同,均分負載，如單個模塊發生短路、輸出欠壓或無輸出等故障時，為了保證不影響系統的正常輸出，使故障模塊快速退出供電系統，現有技術中通常是在模塊電源輸出端加隔離二極體電路實現該功能。圖I為現有技術中鐵路信號模塊電源結構示意圖。如圖I所示，在鐵路信號模塊電源的輸出端配置連接一個或者多個二極體並聯進行隔離，所述隔離二極體可以安裝在鐵路信號電源模塊內部，也可安裝在模塊外部，假設模塊I發生短路、輸出欠壓或無輸出等故障時，所述隔離二極體能夠有效防止模塊2輸出的電壓信號反灌倒模塊1，使故障模塊自動退出供電系統。該技術方案具有電路結構簡單可靠，所用器件少的優點，適用於輸出小電流供電的模塊電源，但是在實際運用中存在以下缺點1)隔離二極體由於順嚮導通壓降帶來的高損耗，降低了模塊效率，同時高損耗帶來嚴重的熱問題，導致模塊散熱器增大，模塊體積增大；2)隔離二極體順嚮導通壓降與負載電流成正比關係，導致模塊負載調整率變差；3)隔離二極體自主隔離，不受控，反向恢復導致反向瞬態電流，使輸出信號產生振蕩；4)多個二極體並聯時，負溫度係數的二極體將產生嚴重不均流性，負載集中在個別二極體，導致二極體過熱損壞。上述缺點在低壓大電流信號電源模塊中更加突出。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的缺陷和不足，在現有的開關電源模塊輸出端增加隔離電路和防反控制電路，通過防反控制電路控制隔離電路的工作狀態，進而使開關電源模塊的輸出可無振蕩平滑切換，解決了隔離二極體高損耗，低效率，低負載調整率的問題，以及高損耗低效率帶來的溫升等問題。為達到上述目的，本發明是通過以下技術方案來實現的一種具有防反功能的模塊化供電裝置，所述裝置包括開關電源模塊，還包括隔離電路單元和防反控制電路單元，所述開關電源模塊與隔離電路單元和防反控制電路單元連接，所述開關電源模塊用於將輸入的交流信號轉換成直流信號輸出到隔離電路單元 和防反控制電路單元；
所述防反控制電路單元用於對隔離電路單元的輸入端電壓和輸出端電壓進行採樣並進行邏輯判斷，當輸入端採樣電壓與輸出端採樣電壓的壓差大於預設的壓差閾值時，輸出高電平信號；當輸入端採樣電壓與輸出端採樣電壓小於或等於預設的壓差閾值時，輸出低電平信號；所述隔離電路單元用於根據所述防反控制電路單元輸出的開關量信號進行導通或截止，從而控制與其連接的開關電源模塊正常輸出或者退出供電。所述隔離電路單元包括至少一個單極型電晶體；當存在兩個或兩個以上單極型電晶體時，電晶體並聯連接。所述隔離電路單元採用功率MOSFET電晶體。
所述防反控制電路單元包括信號採集電路、邏輯判斷電路和升壓電路；所述信號採集電路用於對所述隔離電路單元的輸入端電壓和輸出端電壓進行採樣；所述邏輯判斷電路用於對隔離電路單元的輸入端採樣電壓與輸出端採樣電壓進行邏輯判斷，當輸入端採樣電壓與輸出端採樣電壓的壓差大於預設的壓差閾值時，控制升壓電路輸出高電平；當輸入端採樣電壓與輸出端採樣電壓小於或等於預設的壓差閾值時，控制升壓電路輸出低電平；所述升壓電路用於根據接收到的邏輯判斷電路輸出的控制信號通過內部自舉電路升壓輸出規定幅值的電壓信號驅動隔離電路單元工作。所述防反控制電路包括濾波電容，所述電容能夠在開關電源模塊發生故障時為防反控制電路供電。所述隔離電路單元通過粘貼的方式連接到PCB板上。所述隔離電路單元和防反控制電路單元集成在開關電源模塊內部；或者，所述隔離電路單元和防反控制電路單元位於開關電源模塊外部，開關電源模塊的輸出端與隔離電路單元和防反控制電路單元連接。本發明還公開一種具有防反功能的控制電路，所述電路包括隔離電路單元和防反控制電路單元，所述防反控制電路單元用於對隔離電路單元的輸入端電壓和輸出端電壓進行採樣並進行邏輯判斷，當輸入端採樣電壓與輸出端採樣電壓的壓差大於預設的壓差閾值時，輸出高電平信號；當輸入端採樣電壓與輸出端採樣電壓小於或等於預設的壓差閾值時，輸出低電平信號；所述隔離電路單元用於根據所述防反控制電路單元輸出的開關量信號進行導通或截止，從而控制與其連接的開關電源模塊的工作狀態。所述隔離電路單元包括至少一個單極型電晶體；當存在兩個或兩個以上單極型電晶體時，電晶體並聯連接，所述單極型電晶體採用功率MOSFET電晶體。所述防反控制電路單元包括信號採集電路、邏輯判斷電路和升壓電路；所述信號採集電路用於對所述隔離電路單元的輸入端電壓和輸出端電壓進行採樣；所述邏輯判斷電路用於對隔離電路單元的輸入端採樣電壓與輸出端採樣電壓進行邏輯判斷，當輸入端採樣電壓與輸出端採樣電壓的壓差大於預設的壓差閾值時，控制升壓電路輸出高電平；當輸入端採樣電壓與輸出端採樣電壓小於或等於預設的壓差閾值時，控制升壓電路輸出低電平；所述升壓電路用於根據接收到的邏輯判斷電路輸出的控制信號通過內部自舉電路升壓輸出規定幅值的電壓信號驅動隔離電路單元工作。採用本發明的技術方案，在現有的開關電源模塊輸出端增加隔離電路和防反控制電路，通過防反控制電路控制隔離電路的工作狀態，進而控制開關電源模塊的工作。該技術方案電路結構簡單可靠，可實現開關電源模塊無振蕩的平滑切換，提高了模塊效率，提高了模塊負載調整率。
圖I為現有技術中鐵路信號模塊電源結構示意圖； 圖2為現有技術中具體實施例的隔離二極體順嚮導通壓降與負載電流的關係曲線.圖3為本發明具體實施方式
提供的具有防反功能的模塊化供電裝置的原理框圖；圖4為本發明具體實施方式
提供的具有防反功能的模塊化供電裝置的具體結構圖；圖5為本發明具體實施方式
提供的防反控制電路的電路圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。本發明以標準化的鐵路信號模塊電源為例進行說明。例如，標準化的鐵路信號模塊電源輸出規格為電壓24V，額定電流為75A，峰值電流為82. 5A。結合鐵路信號模塊電源的上述主要參數通過具體實施例進行詳細說明。圖3為本發明具體實施方式
提供的具有防反功能的模塊化供電裝置的原理框圖。如圖3所示，所述具有防反功能的模塊化供電裝置包括開關電源模塊301、隔離電路單元302和防反控制電路單元303，所述開關電源模塊301與隔離電路單元302和防反控制電路單元303連接。所述隔離電路單元302和防反控制電路單元303可以集成在開關電源模塊301內部；或者，所述隔離電路單元302和防反控制電路單元303位於開關電源模塊外部，開關電源模塊的輸出端與隔離電路單元302和防反控制電路單元303連接。其中，所述開關電源模塊301用於將輸入的三相交流信號或者單相交流信號轉換成直流信號輸出到隔離電路單元302和防反控制電路單元303 ;所述防反控制電路單元303用於對隔離電路單元302的輸入端電壓和輸出端電壓進行採樣，並進行邏輯判斷，當輸入端採樣電壓與輸出端採樣電壓的壓差大於預設的壓差閾值時，輸出高電平信號；當輸入端採樣電壓與輸出端採樣電壓小於或等於預設的壓差閾值時，輸出低電平信號；所述隔離電路單元302用於根據所述防反控制電路單元輸出的開關量信號進行導通或截止，從而控制與其連接的開關電源模塊的工作狀態。圖4為本發明具體實施方式
提供的具有防反功能的模塊化供電裝置的具體結構圖。如圖4所示，所述開關電源模塊採用兩路電源-主-備輸入(圖中未示出)，經交流接觸器自動切換後，通過電磁幹擾濾波，經過並聯均流的高頻整流器升壓、整流，經過高頻(DC/DC)變換為直流電源輸出，經電磁幹擾濾波，輸出24V直流電源給隔離電路單元和防反控制電路單元。所述隔離電路單元包括至少一個單極型電晶體；當存在兩個或兩個以上單極型電晶體時，單極型電晶體並聯連接。所述隔離電路單元採用功率MOSFET電晶體。本實施例中採用N溝道MOSFET功率型電晶體。所述防反控制電路單元包括信號採集電路、邏輯判斷電路和升壓電路；所述信號採集電路用於對所述隔離電路單元的輸入端電壓和輸出端電壓進行採樣；所述邏輯判斷電路用於對隔離電路單元的輸入端採樣電壓與輸出端採樣電壓進行邏輯判斷，當輸入端採樣電壓與輸出端採樣電壓的壓差大於預設的壓差閾值時，控制升壓電路輸出高電平；當輸入端採樣電壓與輸出端採樣電壓小於或等於預設的壓差閾值時，控制升壓電路輸出低電平；所述升壓電路用於根據接收到的邏輯判斷電路輸出的控制信號通過內部自舉電路升壓輸出規定幅值的電壓信號驅動隔離電路單元工作。 當採樣後輸入端電壓與輸出端電壓的壓差大於預設的壓差閾值時，防反控制電路單元控制輸出規定幅值的高電平，驅動隔離電路單元導通，從而控制與所述隔離電路單元連接的開關電源模塊正常輸出為負載供電；當米樣後輸入端電壓與輸出端電壓的壓差小於或等於預設的壓差閾值時，防反控制電路單元控制輸出規定幅值的低電平，使隔離電路單元截止，從而控制與所述隔離電路單元連接的開關電源模塊退出為負載供電。圖5為本發明具體實施方式
提供的防反控制電路的電路圖。所述電路包括隔離電路單元和防反控制電路單元，所述防反控制電路單元用於對隔離電路單元的輸入端電壓和輸出端電壓進行採樣並進行邏輯判斷，當輸入端採樣電壓與輸出端採樣電壓的壓差大於預設的壓差閾值時，輸出高電平信號；當輸入端採樣電壓與輸出端採樣電壓小於或等於預設的壓差閾值時，輸出低電平信號；所述隔離電路單元用於根據所述防反控制電路單元輸出的開關量信號進行導通或截止，從而控制與其連接的開關電源模塊的工作狀態。如圖5所示，所述防反控制電路單元採用具有上述採集、邏輯判斷及升壓功能的控制晶片。控制晶片適應電壓輸入範圍為9V到80V的寬工作電壓，內部有充電自舉升壓電路，可驅動高位MOSFET電晶體。開關電源模塊輸出電壓為24V，控制晶片供電端VDD接入開關電源模塊輸出的24V電壓信號，C為濾波電容，所述電容能在模塊輸出短路時短時間內為控制晶片正常供電，防止由於開關電源模塊短路造成輸出中斷。所述隔離電路單元採用型號為IRF1404PBF超低內阻的低壓MOSFET電晶體，其內阻為3. 8毫歐，漏源電壓Vdss極限值為40V，峰值電流ID為162A。該電晶體為N溝道增強型功率MOSFET電晶體，其柵源電壓(Vffi)允許的最大電壓為20V，驅動門限電壓為2 4V，其具有快速開關及全額定雪崩特性。控制晶片Vin埠以及Vout埠分別連接MOSFET電晶體的輸入端(漏極)和輸出端(源極)，分別對輸入端電壓和輸出端電壓進行採樣，根據採樣後的輸入端電壓與輸出端電壓的壓差與預設的壓差閾值進行邏輯判斷I)當開關電源模塊輸出電壓值範圍在9V 80V時，MOSFET電晶體輸入端採樣電壓與輸出端採樣電壓的壓差大於預設的壓差閾值(如725mv，所述閾值可根據實際需要設置)時，控制晶片Vgate埠輸出規定幅值的高電平(輸出的高電平要大於MOSFET電晶體的驅動門限電壓4V，如12V，)到MOSFET的柵極，驅動MOSFET導通，使得模塊正常輸出為負載供電；
2)當開關電源模塊輸出電壓值範圍在9V 80V時，MOSFET電晶體輸入端採樣電壓與輸出端採樣電壓的壓差小於或等於預設的壓差閾值(如725mv)時，控制晶片Vgate埠輸出規定幅值的低電平(如0V)，控制晶片在0. 5us內快速關斷Vgate，即MOSFET截止，使故障模塊退出系統。通過上述邏輯判斷，能夠保證模塊正常工作；同時，在當前模塊發生短路、欠壓以及無輸出等故障或者由於其他並聯模塊輸出電壓倒灌使得與當前模塊連接的隔離電路單元輸出端電壓高於輸入端電壓時，通過該邏輯判斷功能，有效快速斷開故障模塊，保證系統正常運行。同時，所述防反控制電路簡單可靠，晶片內部保護點都有回差，保證切換平滑，無震蕩。本實施例中，控制晶片接入的電壓為24V，為了保證輸出到MOSFET電晶體柵極的驅動電壓不低於12V，控制晶片內部通過自升壓的方式將輸入端電壓進行拉高，輸出驅動MOSFET所需要的電壓信號。 所述防反控制電路單元還可通過獨立運算放大器實現邏輯控制。本實施例中，隔離電路單元根據實際需要可採用其他普通型號的N溝道功率型MOSFET電晶體。此外，針對現有技術中存在的缺點，本發明可以很好的解決。例如現有技術中開關電源模塊輸出端連接型號為DSA90C200HB的肖特基二極體進行隔離，其耐壓範圍為200V，根據標準化開關電源模塊的參數，不考慮其他因素的情況下，計算隔離二極體對開關電源模塊輸出效率和負載調整率的影響。圖2為現有技術中具體實施例的隔離二極體順嚮導通壓降與負載電流的關係曲線。如圖2所示，在開關電源模塊輸出額定電流(75A)時，其對應隔離二極體順嚮導通壓降Vf為I. IV，此時，根據公式(I)計算隔離二極體的導通功率損耗為P' = VF*I0UT = I. 1V*75A = 82. 5W(I)根據公式(2)計算開關電源模塊額定輸出總功率為P = V0UT*I0UT = 24V*75A = 1800W(2)根據公式(3)計算隔離二極體對模塊效率的影響n=P' /P*100%=82. 5ff/1800ff*100%=4. 5%(3)由於隔離二極體的導通功率損耗使模塊的效率降低了 4. 5個百分點，同時高的損耗帶來巨大的熱問題，為解決熱問題需要非常大尺寸散熱器進行散熱，使模塊尺寸增大。根據圖2可知，隔離二極體順嚮導通壓降Vf在模塊輕載和重載分別對應0. 5V(Vfi)和I. IV (Vf2),開關電源模塊輸出電流在輕載和滿載時，隔離二極體產生的壓差為I. 1V-0. 5V=0. 6V,不考慮其他因素，計算由二極體壓差所影響的模塊負載調整率為負載調整率=(Vf2-Vfi)/VOUT*100%=0. 6V/24V*100% = 2. 5%已經超出規格所要求的1%，如開關電源模塊為低壓大電流供電模塊，隔離二極體方案中上述缺點更加突出。為了解決現有技術中存在的缺點，本發明實施例中採用5個型號為IRF1404PBF超低內阻的低壓功率型MOSFET電晶體，5個電晶體並聯連接作為隔離電路，單個MOSFET內阻為3. 8毫歐。該MOSFET在工作狀態為飽和導通狀態，不存在高頻開關狀態，因此損耗主要在導通損耗上，開關損耗為零。將5隻MOSFET並聯使用，根據公式(4)計算MOSFET導通功率總損耗為P = I2R = 75A*75A*0. 004 Q /5 = 4. 5ff(4)根據公式(5)計算額定總功率P = V0UT*I0UT = 24V*75A = 1800W(5)根據公式(6)計算由5個MOSFET產生的對模塊效率的影響n=P' /P*100%=4. 5ff/1800ff*100%=0. 25%(6)單個MOSFET電晶體損耗為0. 9W，該損耗相對於現有技術中隔離二極體的導通損耗82. 5W下降了約18倍；由於單個MOSFET損耗只有0. 9W,可省去散熱片。本方案將MOSFET直接貼在PCB板上進行散熱，溫升等情況完全符合要求。單個MOSFET電晶體產生的管壓 降為Vf = I' out*R = 75A/5*0. 004 = 0. 06V,相對於二極體的0. 6V下降了約6倍。計算MOSFET產生的壓差影響模塊的負載調整率為負載調整率=VF/VQUT*100%=0. 06V/24V*100% = 0. 25%,在規格所要求的1%範圍內。現有技術方案和本發明方案的參數指標比較結果如下表，
權利要求
1.一種具有防反功能的模塊化供電裝置，所述裝置包括開關電源模塊，其特徵在於，所述裝置還包括隔離電路單元和防反控制電路單元，所述開關電源模塊與隔離電路單元和防反控制電路單元連接， 所述開關電源模塊用於將輸入的交流信號轉換成直流信號輸出到隔離電路單元和防反控制電路單元； 所述防反控制電路單元用於對隔離電路單元的輸入端電壓和輸出端電壓進行採樣並進行邏輯判斷，當輸入端採樣電壓與輸出端採樣電壓的壓差大於預設的壓差閾值時，輸出高電平信號；當輸入端採樣電壓與輸出端採樣電壓小於或等於預設的壓差閾值時，輸出低電平信號； 所述隔離電路單元用於根據所述防反控制電路單元輸出的開關量信號進行導通或截止，從而控制與其連接的開關電源模塊正常輸出或者退出供電。
2.根據權利要求I所述的具有防反功能的模塊化供電裝置，其特徵在於，所述隔離電路單元包括至少一個單極型電晶體；當存在兩個或兩個以上單極型電晶體時，電晶體並聯連接。
3.根據權利要求2所述的具有防反功能的模塊化供電裝置，其特徵在於，所述隔離電路單元採用功率MOSFET電晶體。
4.根據權利要求I至3之一所述的具有防反功能的模塊化供電裝置，其特徵在於，所述防反控制電路單元包括信號採集電路、邏輯判斷電路和升壓電路； 所述信號採集電路用於對所述隔離電路單元的輸入端電壓和輸出端電壓進行採樣； 所述邏輯判斷電路用於對隔離電路單元的輸入端採樣電壓與輸出端採樣電壓進行邏輯判斷，當輸入端採樣電壓與輸出端採樣電壓的壓差大於預設的壓差閾值時，控制升壓電路輸出高電平；當輸入端採樣電壓與輸出端採樣電壓小於或等於預設的壓差閾值時，控制升壓電路輸出低電平； 所述升壓電路用於根據接收到的邏輯判斷電路輸出的控制信號通過內部自舉電路升壓輸出規定幅值的電壓信號驅動隔離電路單元工作。
5.根據權利要求4所述的具有防反功能的模塊化供電裝置，其特徵在於，所述防反控制電路包括濾波電容，所述電容能夠在開關電源模塊發生故障時為防反控制電路供電。
6.根據權利要求4所述的具有防反功能的模塊化供電裝置，其特徵在於，所述隔離電路單元通過粘貼的方式連接到PCB板上。
7.根據權利要求I所述的具有防反功能的模塊化供電裝置，其特徵在於，所述隔離電路單元和防反控制電路單元集成在開關電源模塊內部；或者，所述隔離電路單元和防反控制電路單元位於開關電源模塊外部，開關電源模塊的輸出端與隔離電路單元和防反控制電路單元連接。
8.一種具有防反功能的控制電路，其特徵在於，所述電路包括隔離電路單元和防反控制電路單元， 所述防反控制電路單元用於對隔離電路單元的輸入端電壓和輸出端電壓進行採樣並進行邏輯判斷，當輸入端採樣電壓與輸出端採樣電壓的壓差大於預設的壓差閾值時，輸出高電平信號；當輸入端採樣電壓與輸出端採樣電壓小於或等於預設的壓差閾值時，輸出低電平信號；所述隔離電路單元用於根據所述防反控制電路單元輸出的開關量信號進行導通或截止，從而控制與其連接的開關電源模塊的工作狀態。
9.根據權利要求8所述的具有防反功能的控制電路，其特徵在於，所述隔離電路單元包括至少一個單極型電晶體；當存在兩個或兩個以上單極型電晶體時，電晶體並聯連接，所述單極型電晶體採用功率MOSFET電晶體。
10.根據權利要求8或9所述的具有防反功能的控制電路，其特徵在於，所述防反控制電路單元包括信號採集電路、邏輯判斷電路和升壓電路； 所述信號採集電路用於對所述隔離電路單元的輸入端電壓和輸出端電壓進行採樣； 所述邏輯判斷電路用於對隔離電路單元的輸入端採樣電壓與輸出端採樣電壓進行邏輯判斷，當輸入端採樣電壓與輸出端採樣電壓的壓差大於預設的壓差閾值時，控制升壓電路輸出高電平；當輸入端採樣電壓與輸出端採樣電壓小於或等於預設的壓差閾值時，控制升壓電路輸出低電平； 所述升壓電路用於根據接收到的邏輯判斷電路輸出的控制信號通過內部自舉電路升壓輸出規定幅值的電壓信號驅動隔離電路單元工作。
全文摘要
本發明公開一種具有防反功能的模塊化供電裝置及防反控制電路，在現有的開關電源模塊輸出端增加隔離電路和防反控制電路，通過防反控制電路控制隔離電路的工作狀態，進而使開關電源模塊的輸出可控。該技術方案電路結構簡單可靠，可實現開關電源模塊無振蕩的平滑切換，提高了模塊效率，提高了模塊負載調整率。
文檔編號H02H7/10GK102710134SQ20121020372
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月15日 優先權日2012年6月15日
發明者湯益鋒, 馬治國, 魏學業 申請人:北京鼎漢技術股份有限公司