一种无需额外供电电源的短路电流阻断电路及控制方法

技术领域

本发明属于电力电子领域，具体涉及主开关P型MOSFET性质，电路中包括变压器、电阻、二极管和稳压管。

背景技术

当电网发生短路故障后，为了及时减小损失，确保电网系统的安全性与稳定性，需要快速且有效的限制或阻断短路电流。

传统方法采用的断路器需要额外的供电电源，当线路故障产生短路电流时，通过额外的供电电源来控制断路器中的开关系统，达到对短路电流的限制或阻断，完成一系列动作需要一定时间，对于某些敏感负载，这样的断路器则无法满足要求。近年来，各种控制芯片、电力电子器飞速发展，各种新型短路电流阻断装置都得以发展，其中便包含新型固态断路器。

本发明属于电力电子型故障限流器，串联工作在电网中。当未发生短路故障时，本电路正常导通，不影响电网输电；当发生短路故障后，通过控制P型MOSFET可在无需额外供电电源的情况下快速阻断短路电流。与传统的电力电子故障限流器比较，本发明无需额外供电电源，响应速度快，无需人工操作，可靠性高，可达到迅速阻断短路电流的效果，亦可当做断路器使用。

发明内容

本发明针对电网故障时快速阻断短路电流的需求，提出了一种无需额外供电电源的短路电流阻断电路，其特征在于，包括主开关；与主开关连接的变压器T1、若干电阻、若干二极管、电容C1以及稳压二极管；其中，主开关为P型MOSFET，二极管包括二极管D2、二极管D3和二极管D4；电阻包括电阻R1和电阻R2；稳压二极管D1与二极管D2并联连接，且稳压二极管D1阳极与P型MOSFET源极连接，稳压二极管阴极与二极管D3阴极连接；二极管D2阳极与P型MOSFET源极连接，二极管D2阴极与二极管D3阳极连接；二极管D3阳极与P型MOSFET栅极连接，二极管D3阴极与电阻R1连接；二极管D4阳极与二极管D3阳极连接，二极管D2阴极与变压器次级线圈连接；电容C1与二极管D3并联。

在上述的一种无需额外供电电源的短路电流阻断电路，变压器T1为同名端变压器；电阻R2设置与变压器T1并联，然后与二极管D4串联。

在上述的一种无需额外供电电源的短路电流阻断电路，阻断电路具有三个端口，P1端接电源正极、P2端接负载、GND接电源负极。

一种无需额外供电电源的短路电流阻断电路的控制方法，其特征在于，电路只能串联在直流电源线中，且：

不启动阻断功能时，稳压二极管工作，使P型MOSFET栅极电压与源极电压形成足够电压差，P型MOSFET导通，此时电流沿着P1-Q1-T1-P2的路径流通；

启动阻断功能后，线路发生短路故障时，开关S1闭合，模仿短路情况，变压器T1初级线圈端电流激增，会感生出感应电动势，通过电阻R2生成感应电压，感应电压通过二极管D4向电容C1充电，充电完成后电容C1放电，使MOSFET栅极电压升高，数值达到与源极电压相等，P型MOSFET自动关断，多余的电压通过二极管D2回流电网，实现无需额外供电电源的短路电流阻断效果；

在上述的一种无需额外供电电源的短路电流阻断电路的控制方法，稳压二极管D1的作用是当电路正常工作时，让驱动信号沿着D1-R1给P型MOSFET栅极供电，使P型MOSFET栅极电压与源极电压形成电压差，P型MOSFET导通；

在上述的一种无需额外供电电源的短路电流阻断电路的控制方法，当线路发生短路故障时，驱动信号沿着T1-D2-D4-C1给P型MOSFET栅极供电，使P型MOSFET栅极电压升高，数值达到与源极电压相等，P型MOSFET自动关断，超出的电压通过二极管D2回流电网。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：(1)本发明串联在直流电源线中，当未发生短路故障时，本发明处在正常情况下工作，其中P型MOSFET导通不影响原电路性能；(2)当发生短路故障后，本发明快速阻断短路电流，响应速度快，无需人工操作，可靠性高。(3)本发明可当作断路器使用且无需额外电源供电，响应速度快，而传统断路器需要额外的电源供电，才能达到阻断短路电流效果，对于敏感负载无法达到其要求。

附图说明

图1为本发明电路拓扑结构示意图。

图2为本发明电路在未启动阻断功能时的等效电路图。

图3为本发明电路在启动阻断功能后的等效电路图。

图4a为本发明电路未启动阻断功能时输入输出电压波形(输入电压波形即P1处电压波形)；

图4b为本发明电路未启动阻断功能时输入输出电压波形(为输出电压波形即P2处电压波形)；

图5a为采用本发明电路，在电网发生短路故障，启动阻断功能后输入输出波形(输入电压波形)。

图5b为采用本发明电路，在电网发生短路故障，启动阻断功能后输入输出波形(输出电压波形)。

图5c为采用本发明电路，在电网发生短路故障，启动阻断功能后输入输出波形(输入侧电流波形)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1为本发明一种无需额外供电电源的短路电流阻断电路拓扑结构示意图，主开关采用P型MOSFET，电路中主要包括变压器、电阻、二极管和稳压管，各元件的连接关系如图所示。

图2为本发明一种无需额外供电电源的短路电流阻断电路在未启动阻断功能时的等效电路图。此时稳压二极管工作，使P型MOSFET栅极电压与源极电压形成足够电压差，P型MOSFET导通，本电路可等效为图2所示结构。

图3为本发明一种无需额外供电电源的短路电流阻断电路在启动阻断功能后的等效电路图。此时线路发生短路时，开关S1闭合，模仿短路情况，变压器T1初级线圈端电流激增，会感生出感应电动势，通过电阻R2生成感应电压，感应电压通过二极管D4向电容C1充电，充电完成后电容C1放电，使MOSFET栅极电压升高，数值达到与源极电压相等，P型MOSFET自动关断，多余的电压通过二极管D2回流电网，本电路可等效为图3所示结构。

图4a至图4b是本发明电路未启动阻断功能时的输入输出电压波形，其中，图4a为输入电压波形即P1处电压波形；图4b为输出电压波形即P2处电压波形。可以看到图4b波形与图4a的波形基本一致；即未启动阻断功能时本电路对原线路基本无影响。

图5a-图5c采用本发明电路，在电网发生短路故障，启动阻断功能后输入输出波形，其中，图5a为输入电压波形；图5b为输出电压波形，图5c为输入侧电流波形。线路在0.12s处发生故障，从图5a可以看到输入电压几乎没有波动，即基本不影响给其它线路供电，从图5图5b可以看到输出电压在短路故障发生后迅速减小到0；从图5c可以看到输入侧电流因发生短路增大后又迅速减小到0，即本电路迅速阻断了短路电流。

发明的结果：本发明中给出了一种无需额外供电的短路电流阻断电路及控制方法，并利用专业的仿真软件Proteus对该电路进行了仿真验证。从仿真结果可以看到，该方案在线路故障时在无需额外供电电源的情况下迅速的阻断短路电流，同时不影响线路正常工作时的电压，相比于传统短路电流阻断器，本发明电路无需额外供电电源，响应速度快，可靠性高，具有较好的应用前景。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。