一种应用于阻容并联回路的高精度快速容值测量电路

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体地，涉及一种应用于阻容并联回路的高精度快速容值测量电路。

背景技术

MMC柔性直流输电换流阀的桥臂由很多个功率单元串联构成，而功率单元中包含直流储能电容器及与其并联的均压电阻器。电容器是电力电子设备中大量使用的元件之一，广泛应用于电路中的隔直通交，耦合，旁路，滤波，调谐回路，能量转换，控制等方面。在功率单元中其主要功能是储能和滤波，作为能量转换元件使用，所以在这里又称为直流支撑电容器。功率单元中均压电阻器主要作用是为直流支撑电容安全放电，另外在多单元串联时，再未解锁状态下，该电阻起到维持各个单元直流电压平衡的作用。

功率单元在使用当中由于高温老化、过压运行等原因，可能造成电容器的容值异常故障、电阻器的阻值异常故障。为保证功率单元工作的可靠性，在换流阀检修过程中，有必要对每个功率单元的直流储能电容器容值和均压电阻器阻值进行测试。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种应用于阻容并联回路的高精度快速容值测量电路，采用了隔离电路设计，可以实现数字电路与模拟电路完全隔离，减少数字电路与模拟电路之间的干扰。

本发明公开的一种应用于阻容并联回路的高精度快速容值测量电路，包括高精度充电电路、放电电路和高精度A/D采样电路；

高精度充电电路包含电压转换电路、低压继电器控制电路和充电电阻，电压转换电路将输入的直流电源电压转换成测量电路需要的直流电压，低压继电器控制电路控制电压转换电路输出的直流电压对被测直流电容的充电和断开；

放电电路包含MOS管驱动电路、放电MOS管和放电限流电阻，MOS管驱动电路控制被测直流电容通过放电限流电阻和MOS管的放电和关断；

高精度A/D采样电路包含两路运算放大电路、高精度A/D采样芯片和高速数字隔离芯片，运算放大电路用于稳定采样输入信号，高精度A/D采样芯片可以将采样输入的模拟信号转换成数字信号并输出，输出的数字信号可以被处理器读取并用于计算，高速数字隔离芯片用于实现处理器与高精度A/D采样芯片直接的隔离信号传输。

根据本发明的一实施方式，电压转换电路包含第一输入滤波电容C1、第二输入滤波电容C2、输入滤波电感L1、高精度电压源芯片U1、第三输入滤波电容C3、输出滤波电容C4。

根据本发明的一实施方式，第一输入滤波电容C1和第二输入滤波电容C2并联在电源输入端口的两端，输入滤波电感L1的一端与电源输入正端连接输、另一端与高精度电压源芯片U1的电源输入端连接，高精度电压源芯片U1的电源输出端与低压继电器K1触点的一端连接，低压继电器K1触点的另一端端连接到被测功率单元PU的DC+端口，被测功率单元PU的DC-端口与充电限流电阻R11的一端连接，充电限流电阻R11的另一端连接到电源输入端口的负端。

根据本发明的一实施方式，第三输入滤波电容C3并联在高精度电压源芯片U1的电源输入端，输出滤波电容C4并联在高精度电压源芯片U1的电源输出端。

根据本发明的一实施方式，低压继电器控制电路包含第一光耦限流电阻R1、第一驱动光耦U2、第一控制三极管T1、第二控制三极管T2、第一三极管限流电阻R2、三极管发射极限流电阻R3、第一续流二级管D1、第二续流二极管D2、低压继电器K1。

根据本发明的一实施方式，第一光耦限流电阻R1的一端连接到光耦输入电源的正端、另一端连接到第一驱动光耦U2输入端发光管的阳极，第一驱动光耦U2输入端发光管的阴极连接到第一控制三极管T1的集电极，第一控制三极管T1的发射极连接到光耦输入电源的负端，第一控制三极管T1的基极连接到第一三极管基极限流电阻R2的一端，第一三极管基极限流电阻R2的另一端连接到处理器的继电器控制引脚。

根据本发明的一实施方式，第一驱动光耦U2输出端集电极连接到低压继电器K1控制线圈的输入电源的正端，第一驱动光耦U2输出端发射极连接到第二控制三极管T2的基极，第二控制三极管T2的集电极连接到低压继电器K1控制线圈的输入电源的正端，第二控制三极管T2的发射极连接到三极管发射极限流电阻R3的一端，三极管发射极限流电阻R3的另一端连接到低压继电器K1控制线圈的输入电源的负端，第一续流二级管D1的阴极并联到第二控制三极管T2的集电极，第一续流二级管D1的阳极并联到第二控制三极管T2的发射极，第二续流二极管D2的阴极并联到第二控制三极管T2的发射极，第二续流二极管D2的阳极并联到低压继电器K1控制线圈的输入电源的负端。

根据本发明的一实施方式，MOS管驱动电路包含第二光耦限流电阻R4、第二三极管基极限流电阻R5、第二驱动光耦U3、第三控制三极管T3、MOS管门极驱动电阻R6、MOS管门极下拉电阻R7、放电限流电阻R8，第二光耦限流电阻R4的一端连接到光耦输入电源的正端、另一端连接到第二驱动光耦U3输入端发光管的阳极，第二驱动光耦U3输入端发光管的阴极连接到第三控制三极管T3的集电极，第三控制三极管T3的发射极连接到光耦输入电源的负端，第三控制三极管T3的基极连接到第二三极管基极限流电阻R5的一端，第二三极管基极限流电阻R5的另一端连接到处理器的放电控制引脚，第二驱动光耦U3输出端电源输入的正负端引脚分别连接到MOS管驱动输入电源的正负端，第二驱动光耦U3输出端驱动输出引脚连接到MOS管门极驱动电阻R6的一端，MOS管门极驱动电阻R6的另一端连接到放电MOS管Q1的栅极，MOS管门极下拉电阻R7的一端连接到放电MOS管Q1的栅极、另一端连接到MOS管驱动输入电源的负端，放电MOS管Q1的漏极连接到放电限流电阻R8的一端，放电MOS管Q1的源极连接到MOS管驱动输入电源的负端，放电限流电阻R8的另一端连接到PU被测功率单元的DC+端口。

根据本发明的一实施方式，两路运算放大电路包含高速数字隔离芯片U4、高精度A/D采样芯片U5、第一运算放大器芯片U6、第一同向输入端电阻R9、第二运算放大器芯片U7、第二同向输入端电阻R10，第一同向输入端电阻R9的一端连接到PU被测功率单元的DC+端口、另一端连接到第一运算放大器芯片U6的同向输入端，第一运算放大器芯片U6的反向输入端连接到第一运算放大器芯片U6的输出引脚，第一运算放大器芯片U6的输出引脚连接到高精度A/D采样芯片U5的采样输入引脚，第二同向输入端电阻R10的一端连接到PU被测功率单元的DC-端口、另一端连接到第二运算放大器芯片U7的同向输入端，第二运算放大器芯片U7的反向输入端连接到第二运算放大器芯片U7的输出引脚，第二运算放大器芯片U7的输出引脚连接到高精度A/D采样芯片U5的采样输入引脚。

根据本发明的一实施方式，高精度A/D采样芯片U5通过高速数字隔离芯片U4与处理器之间连接通讯。

本发明的有益效果是：

1)本发明提出的一种应用于阻容并联回路的高精度快速容值测量电路，采用了隔离电路设计，可以实现数字控制侧电路与模拟采样侧电路完全隔离，减少数字控制侧电路与模拟采样侧电路之间的干扰。

2)本发明提出的一种应用于阻容并联回路的高精度快速容值测量电路，为高精度充电电路采用了电压转换电路，可以实现将任意供电直流电压转换成测量电路需要的直流电压。

3)本发明提出的一种应用于阻容并联回路的高精度快速容值测量电路，为高精度充电电路采用了低压继电器控制电路，可以实现控制电压转换电路输出的直流电压对被测直流电容的充电和断开。低压继电器控制电路采用隔离电路设计，可以实现数字控制电路侧与模拟电路侧的隔离，减少数字控制侧电路与模拟采样侧电路之间的干扰。

4)本发明提出的一种应用于阻容并联回路的高精度快速容值测量电路，为放电电路采用隔离驱动电路设计，可以实现数字控制电路侧与模拟电路侧的隔离，减少数字控制侧电路与模拟采样侧电路之间的干扰。

5)本发明提出的一种应用于阻容并联回路的高精度快速容值测量电路，为高精度A/D采样电路采用隔离电路设计，可以实现数字控制电路侧与模拟电路侧的隔离，减少数字控制侧电路与模拟采样侧电路之间的干扰。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本发明的一种应用于阻容并联回路的高精度快速容值测量电路的原理框图。

具体实施方式

以下将以图式揭露本发明的多个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明的部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化图式起见，一些习知惯用的结构与组件在图式中将以简单的示意的方式绘示之。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本发明，其仅仅是为了区别以相同技术用语描述的组件或操作而已，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明一种应用于阻容并联回路的高精度快速容值测量电路，包括高精度充电电路、放电电路和高精度A/D采样电路；

高精度充电电路包含电压转换电路、低压继电器控制电路和充电电阻，电压转换电路将输入的直流电源电压转换成测量电路需要的直流电压，低压继电器控制电路控制电压转换电路输出的直流电压对被测直流电容的充电和断开；

放电电路包含MOS管驱动电路、放电MOS管和放电限流电阻，MOS管驱动电路控制被测直流电容通过放电限流电阻和MOS管的放电和关断；

高精度A/D采样电路包含两路运算放大电路、高精度A/D采样芯片和高速数字隔离芯片，运算放大电路用于稳定采样输入信号，高精度A/D采样芯片可以将采样输入的模拟信号转换成数字信号并输出，输出的数字信号可以被处理器读取并用于计算，高速数字隔离芯片用于实现处理器与高精度A/D采样芯片直接的隔离信号传输。

电压转换电路包含第一输入滤波电容C1、第二输入滤波电容C2、输入滤波电感L1、高精度电压源芯片U1、第三输入滤波电容C3、输出滤波电容C4，输入滤波电容C1和第二输入滤波电容C2并联在电源输入端口的两端，输入滤波电感L1的一端与电源输入正端连接输、另一端与高精度电压源芯片U1的电源输入端连接，高精度电压源芯片U1的电源输出端与低压继电器K1触点的一端连接，低压继电器K1触点的另一端端连接到被测功率单元PU的DC+端口，被测功率单元PU的DC-端口与充电限流电阻R11的一端连接，充电限流电阻R11的另一端连接到电源输入端口的负端，第三输入滤波电容C3并联在高精度电压源芯片U1的电源输入端，输出滤波电容C4并联在高精度电压源芯片U1的电源输出端。

低压继电器控制电路包含第一光耦限流电阻R1、第一驱动光耦U2、第一控制三极管T1、第二控制三极管T2、第一三极管限流电阻R2、三极管发射极限流电阻R3、第一续流二级管D1、第二续流二极管D2、低压继电器K1，第一光耦限流电阻R1的一端连接到光耦输入电源的正端、另一端连接到第一驱动光耦U2输入端发光管的阳极，第一驱动光耦U2输入端发光管的阴极连接到第一控制三极管T1的集电极，第一控制三极管T1的发射极连接到光耦输入电源的负端，第一控制三极管T1的基极连接到第一三极管基极限流电阻R2的一端，第一三极管基极限流电阻R2的另一端连接到处理器的继电器控制引脚，述第一驱动光耦U2输出端集电极连接到低压继电器K1控制线圈的输入电源的正端，第一驱动光耦U2输出端发射极连接到第二控制三极管T2的基极，第二控制三极管T2的集电极连接到低压继电器K1控制线圈的输入电源的正端，第二控制三极管T2的发射极连接到三极管发射极限流电阻R3的一端，三极管发射极限流电阻R3的另一端连接到低压继电器K1控制线圈的输入电源的负端，第一续流二级管D1的阴极并联到第二控制三极管T2的集电极，第一续流二级管D1的阳极并联到第二控制三极管T2的发射极，第二续流二极管D2的阴极并联到第二控制三极管T2的发射极，第二续流二极管D2的阳极并联到低压继电器K1控制线圈的输入电源的负端。

MOS管驱动电路包含第二光耦限流电阻R4、第二三极管基极限流电阻R5、第二驱动光耦U3、第三控制三极管T3、MOS管门极驱动电阻R6、MOS管门极下拉电阻R7、放电限流电阻R8，第二光耦限流电阻R4的一端连接到光耦输入电源的正端、另一端连接到第二驱动光耦U3输入端发光管的阳极，第二驱动光耦U3输入端发光管的阴极连接到第三控制三极管T3的集电极，第三控制三极管T3的发射极连接到光耦输入电源的负端，第三控制三极管T3的基极连接到第二三极管基极限流电阻R5的一端，第二三极管基极限流电阻R5的另一端连接到处理器的放电控制引脚，第二驱动光耦U3输出端电源输入的正负端引脚分别连接到MOS管驱动输入电源的正负端，第二驱动光耦U3输出端驱动输出引脚连接到MOS管门极驱动电阻R6的一端，MOS管门极驱动电阻R6的另一端连接到放电MOS管Q1的栅极，MOS管门极下拉电阻R7的一端连接到放电MOS管Q1的栅极、另一端连接到MOS管驱动输入电源的负端，放电MOS管Q1的漏极连接到放电限流电阻R8的一端，放电MOS管Q1的源极连接到MOS管驱动输入电源的负端，放电限流电阻R8的另一端连接到PU被测功率单元的DC+端口。

两路运算放大电路包含高速数字隔离芯片U4、高精度A/D采样芯片U5、第一运算放大器芯片U6、第一同向输入端电阻R9、第二运算放大器芯片U7、第二同向输入端电阻R10，第一同向输入端电阻R9的一端连接到PU被测功率单元的DC+端口、另一端连接到第一运算放大器芯片U6的同向输入端，第一运算放大器芯片U6的反向输入端连接到第一运算放大器芯片U6的输出引脚，第一运算放大器芯片U6的输出引脚连接到高精度A/D采样芯片U5的采样输入引脚，第二同向输入端电阻R10的一端连接到PU被测功率单元的DC-端口、另一端连接到第二运算放大器芯片U7的同向输入端，第二运算放大器芯片U7的反向输入端连接到第二运算放大器芯片U7的输出引脚，第二运算放大器芯片U7的输出引脚连接到高精度A/D采样芯片U5的采样输入引脚，高精度A/D采样芯片U5通过高速数字隔离芯片U4与处理器之间连接通讯。

本发明一种应用于阻容并联回路的高精度快速容值测量电路的工作过程如下：

S1：当VIN输入电源上电后，经过第一输入滤波电容C1、第二输入滤波电容C2、输入滤波电感L1、第三输入滤波电容C3为高精度电压源芯片U1供电，高精度电压源芯片U1经过输出滤波电容C4输出高精度的、稳定的输出电压VOUT；

S2：当处理器的继电器控制引脚输出高电平，经过第一三极管基极限流电阻R2控制第一控制三极管T1的集电极和发射极导通，电流从光耦输入电源正端VCC_IO经过第一光耦限流电阻R1、第一驱动光耦U2输入端发光管、第一控制三极管T1的集电极和发射极流向光耦输入电源负端GND，使第一驱动光耦U2输入端发光管发光，此时第一驱动光耦U2输出端集电极和发射极导通，从而使第二控制三极管T2的集电极和发射极导通，电流从低压继电器控制线圈的输入电源正端V_RE经过第二控制三极管T2的集电极和发射极、低压继电器K1控制线圈和三极管发射极限流电阻R3流向低压继电器控制线圈的输入电源负端AGND，从而使低压继电器K1触点吸合，此时高精度电压源芯片U1的输出电压VOUT经过低压继电器K1触点、被测功率单元PU的DC+端口、被测功率单元PU的DC-端口、充电限流电阻R11给被测被测功率单元PU内部的直流电容C充电；

S3：被测功率单元PU的DC+端口电压V_AD1经过第一同向输入端电阻R9、第一运算放大器芯片U6输入到高精度A/D采样芯片U5的采样输入引脚，被测功率单元PU的DC-端口电压V_AD2经过第二同向输入端电阻R10、第二运算放大器芯片U7输入到高精度A/D采样芯片U5的采样输入引脚；

S4：处理器经高速数字隔离芯片U4与高精度A/D采样芯片U5通讯，可读取任意时刻被测功率单元PU的DC+端口电压V_AD1、DC-端口电压V_AD2的采样电压值。

S5：处理器根据公式(1)计算得到被测功率单元PU内部的直流电容的容值；

式中：T0为采样起始时刻，T1为采样1时刻，I1为采样T1时刻的电流值，I1可以根据被测功率单元PU的DC-端口电压V_AD2在T1时刻的电压值除以R11充电限流电阻的阻值计算得到，V1为采用T1时刻被测功率单元PU的DC+端口电压V_AD1的电压值，T2为采样2时刻，I2为采样T2时刻的电流值，I2可以根据被测功率单元PU的DC-端口电压V_AD2在T2时刻的电压值除以R11充电限流电阻的阻值计算得到，V2为采用T2时刻被测功率单元PU的DC+端口电压V_AD1的电压值；

S6：当经过上述充电过程计算得出被测功率单元PU内部的直流电容容值后，处理器的继电器控制引脚输出低电平，第一控制三极管T1的集电极和发射极关断，第一驱动光耦U2输入端发光管不发光，第一驱动光耦U2输出端集电极和发射极关断，第二控制三极管T2的集电极和发射极关断，低压继电器K1的控制线圈无电流流过，从而使低压继电器K1的触点断开，此时，被测功率单元PU内部的直流电容C通过均压电阻R放电；

S7：处理器可根据公式(2)计算得到被测功率单元PU内部的均压电阻的阻值；

Vt＝Vu*exp(-t/RC) (2)

式中：Vu为放电开始时刻被测功率单元PU的DC+端口电压V_AD1的电压值，t为放电时间，C为被测功率单元PU内部的直流电容的容值，Vt为经过放电时间t之后被测功率单元PU的DC+端口电压V_AD1的电压值；

S8：当通过上述充电过程测得被测功率单元PU内部的直流电容的容值和放电过程测试被测功率单元PU内部的均压电阻的阻值后，处理器的放电控制引脚输出高电平，经过第二三极管基极限流电阻R5控制第三控制三极管T3的集电极和发射极导通，电流从光耦输入电源正端VCC_IO经过第二光耦限流电阻R4、第二驱动光耦输入端发光管U3、第三控制三极管T3的集电极和发射极流向光耦输入电源负端GND，使第二驱动光耦U3输入端发光管发光，此时第二驱动光耦U3输出端驱动输出引脚输出值为驱动输入电源的电压值V_DR，经过MOS管门极驱动电阻R6、MOS管门极下拉电阻R7使放电MOS管Q1的漏极和源极导通，被测功率单元PU内部的直流电容通过DC+端口、放电限流电阻R8、放电MOS管Q1的漏极和源极快速放电至电压接近于0，整个测试工作过程结束。

上仅为本发明的实施方式而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理的内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的权利要求范围之内。