使用動態電阻的電容降壓取電電路的制作方法

本發明屬于大功率電力電子領域，涉及一種使用動態電阻的電容降壓取電電路。

背景技術：

從高壓脈動直流電源中取電，給低壓控制裝置供電，通常使用DC/DC變換器，或者用隔離變壓器供電。但在高壓和超高壓領域，隔離變壓器或DC/DC轉換器的成本、體積、重量急劇上升，甚至不能實現。

電容降壓，是非常古老并被廣泛應用的技術。它的工作原理是利用電容在一定的交流信號頻率下產生的容抗來限制最大工作電流，呈現恒流特性，對此電流進行整流濾波穩壓后，給低壓裝置供電。

圖1是半波整流式電容降壓的工作電路示意圖：V是直流高壓脈動電源，其中的交流分量通過電容C1降壓后到二極管D1，D1完成半波整流，電容C2對整流后的脈動直流濾波蓄能，穩壓二極管Z1穩壓，輸出穩定的直流電壓給負載。電阻R1是掉電后電容C1的電荷泄放電阻。二極管D2是為了在交流的負半周給電容C1提供充放電通路。

如果將C1后面的電路都看作負載的話，那么相當于C1和一個電阻串聯在交流電源通路里。電容和電阻在交流下都是有阻抗的，串聯分壓，實現電容降壓。由于是降壓應用，一般電容的容抗遠大于電阻的阻抗，電路的電流由電容C1決定，呈現恒流特性。

如果直流高壓脈動電源如果長期沒有脈動，只有直流成分，那么C1將失效，電流通過電荷泄放電阻R1給負載供電和分壓。為了維持靜態時所需的供電電流，R1的阻值需要設計得比較小，流過的電流大，導致R1上功率消耗比較大。即使動態時C1工作后，R1上也會有較大的電流，導致效率降低。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種使用動態電阻的電容降壓取電電路，以極低的成本和很高的效率從高壓脈動直流中取電，變換成低壓為控制裝置提供電力。

本發明的目的可以通過以下技術方案實現：

使用動態電阻的電容降壓取電電路，該電路包括二極管D1、D2，以及串聯堆疊的電容C、電流控制單元與二極管D；所述電流控制單元由門極分壓電阻Rg和開關Q組成，開關Q本例中使用MOSFET，也可以使用IGBT或者BJT；

其中，所述串聯堆疊的電容C、電流控制單元與二極管D并聯后接入脈沖電源V正極；所述二極管D陽極連接至二極管D3陰極，門極分壓電阻Rg連接至電容Ct，開關Q的S極連接至電阻Rs，電阻Rs連接至二極管D1陽極；門極分壓電阻Rg與開關Q門極連接，開關Q門極與雙極型晶體管T1集電極連接；

所述電容C連接至二極管D1陽極，二極管D1陰極連接負載，等效為電阻RL；電容Ct、雙極型晶體管T1發射極、電阻Rs與電容C均連接至二極管D3、D1之間；二極管D1與負載RL之間節點連接到控制器U1的輸入檢測端，控制器U1的輸出連接至開關Q1門極，開關Q1的D極連接至開關Q的門極，開關Q1的S極與二極管D2陽極、負載RL匯總后接入GND。

所述雙極型晶體管T1和電阻Rs組成恒流控制回路，當開關Q上電流增加時，串聯的電阻Rs上的電壓增加，會使雙極型晶體管T1趨向導通，導致開關Q的門極電壓降低，降低開關Q的電流，實現恒流控制。

每個所述電流控制單元所承受的電壓是相等的。

多個所述電容C串聯堆疊在一起。

多個所述電流控制單元串聯堆疊在一起；所述開關Q為MOSFET、BJT或IGBT。

多個所述二極管D串聯堆疊在一起，提供電容Ct的反向放電通路，電容Ct控制開關Q的開啟時間。

本發明的有益效果：本發明能夠動態調節電荷泄放電阻的大小，需要時能產生比較大的電流，在長期沒有脈動時能維持負載工作；動態時，能切換到大阻值模式，電流基本由降壓電容提供，降低功耗提高效率。

附圖說明

為了便于本領域技術人員理解，下面結合附圖對本發明作進一步的說明。

圖1是半波整流式電容降壓的工作電路圖；

圖2是本發明電路圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發明保護的范圍。

使用動態電阻的電容降壓取電電路，參見圖2，該電路中包括二極管D1、D2，以及串聯堆疊的降壓電容C、電流控制單元與二極管D；

圖2中，3個電容C串聯堆疊在一起，不失一般性，根據高壓脈動直流電壓，可以靈活選擇串聯堆疊電容C的數目，串聯堆疊電容C與左側電路的連接也不是必須的，都屬于本專利保護范圍。

圖2中，門極分壓電阻Rg和開關Q組成最基本的電流控制單元；圖2中只畫了3個串聯堆疊在一起的電流控制單元。不失一般性，根據高壓脈動直流電壓，可以靈活選擇串聯堆疊的電流控制單元的數目，串聯堆疊的電流控制單元與右側電容C之間的連接也不是必須的，開關Q可以是本設計圖中的MOSFET，也可以使用BJT，甚至IGBT，都屬于本專利保護范圍。

圖2中，3個串聯堆疊在一起的二極管D提供電容Ct的反向放電通路，電容Ct控制開關Q的開啟時間。不失一般性，根據高壓脈動直流電壓，可以靈活選擇反向放電二極管串聯堆疊的數目，串聯堆疊的二極管D與右側電流切換單元之間的連接也不是必須的，串聯堆疊的二極管D甚至還可以與電容C連接，都屬于本專利保護范圍。

其中，串聯堆疊的電容C、電流控制單元與二極管D并聯后接入脈沖電源V正極，脈沖電源V負極接入GND；

二極管D陽極連接至二極管D3陰極，電阻Rg連接至電容Ct，開關Q的S極連接至電阻Rs，電阻Rs連接至二極管D1陽極；門極分壓電阻Rg與開關Q的門極連接，開關Q的門極與雙極型晶體管T1集電極連接；

降壓電容C連接至二極管D1陽極，二極管D1陰極連接負載，等效電阻RL；電容Ct、雙極型晶體管T1發射極、電阻Rs與電容C均連接至二極管D3、D1之間；二極管D1與電阻RL之間節點連接控制器U1的輸入檢測端，控制器U1的輸出連接至開關Q1門極，開關Q1的D極連接至開關Q的門極，開關Q1的S極與二極管D2陽極、負載RL匯總后接入GND；

雙極型晶體管T1和電阻Rs組成電流控制回路。當開關Q上的電流增加，串聯電阻Rs上的電壓增加，會使雙極型晶體管T1趨向導通，導致開關Q的門極電壓降低，降低開關Q的電流，從而達到恒流控制的目的。

由于門極分壓電阻Rg的分壓，每個電流控制單元所承受的電壓是相等的。控制堆疊在底部的開關Q通斷，會使所有的串聯堆疊在一起的Q通斷，串聯的每個開關Q都在安全的工作電壓內。可以使用低成本的低壓開關Q串聯堆疊應用于高壓環境，降低了系統成本。

當負載RL不需要電流時，即控制器(Controller)U1檢測負載RL兩端的電壓過高時，控制器(Controller)U1控制開關Q1導通。使電流控制開關Q的門極接GND，強制使流過開關Q的電流為0，實現供電關閉。不失一般性，其它可以強制開關Q關斷的方法都屬于本專利保護范圍。

為了簡化，圖2中簡化掉了保護元件和電路。

工作過程：

靜態時，高壓脈動直流電源輸出穩定的高壓直流。此高壓直流在阻值很大的電阻Rg上形成微小的直流電流，此微小的直流電流給電容Ct充電。當電容Ct上的電壓超過開關Q開通的閾值電壓后，開關Q開通，開關Q的電流由晶體管T1和取樣電阻Rs決定，供給負載RL使用。

動態時，高壓脈動直流電源輸出零電平，此時電容Ct上的電荷通過二極管D被反向釋放掉。當高壓脈動直流電源再輸出高壓時，流過電阻Rg上的微小電流短時間內不足以在電容Ct上積累足夠的電壓使開關Q開通，等效電阻為多個串聯堆疊的大阻值電阻Rg。此時高壓脈動直流電源基本是通過電容C向負載RL供電。

只要高壓脈動直流電源的脈沖周期小于電容Ct的充電時間，就可以使流過開關Q的大電流一直被切斷，實現很高的供電效率。如果長時間高壓脈動直流電源不動作，電容Ct上積累足夠的電壓后，就可以自動切換到較大的靜態電流。

當開關Q1被控制開通時，強制使開關Q關閉，并使電容Ct放電，切斷開關Q的電流。通過電容C的脈動信號也會經過二極管D3和開關Q1到GND，停止對負載供電。開關Q1是被控制器(Controller)U1控制，當檢測到負載Rl電壓過高時，強制切換到節能模式，實現精確的電力供應。

以上公開的本發明優選實施例只是用于幫助闡述本發明。優選實施例并沒有詳盡敘述所有的細節，也不限制該發明僅為所述的具體實施方式。顯然，根據本說明書的內容，可作很多的修改和變化。本說明書選取并具體描述這些實施例，是為了更好地解釋本發明的原理和實際應用，從而使所屬技術領域技術人員能很好地理解和利用本發明。本發明僅受權利要求書及其全部范圍和等效物的限制。