一种AC220V设备接到AC380V的保护电路

摘要

本发明提出一种AC220V设备接到AC380V的保护电路，采用两级保护电路，第一级由双向瞬态电压抑制二极管V1、稳压二极管V2、场效应管V3、电阻R1、泄放电阻R2、延时电容C1组成的过压检测电路，第二级由稳压管V4、主开关管V5、偏置电阻R3、抗干扰电容C2组成的主开关电路。本发明电路在供电电压异常升高时，能够快速切断后接电源设备的供电，而在供电正常的时候能够无失真地接通后续电源电路的供电。

说明书

技术领域

本发明涉及电压保护电路，具体的说是一种AC220V设备接到AC380V的保护电路。

背景技术

随着物联网技术的普及，各种各样的智能控制器得到普遍应用，但是，在一些小规模的配电控制系统改造和楼宇控制系统的调试阶段，由于施工缺陷，特别是在3相4线的空开接线或者使用过程中时，出现地线忘接或接触不好，从而导致物联网控制器的单相AC220意外升高，引起控制器内部的供电电源发生过压损坏，无法完成对配电系统的检测和保护。

正常情况下，用电器A、B、物联网控制器C的供电电压都是额定单相220V，如果供电回路的导线接触不好或断开，实际电路中，物联网控制器的功率远小于用电器A、B的功率，也就是电源内部的等效阻抗远大于用电器A、B的阻抗，3相供电线与线之间的电压是AC380V，此时，控制器两端的电压会高于正常的AC220V，甚至于会达到接近AC380V，如果，控制器内部的开关电源不能承受高压输入，就会导致控制器损坏。

发明内容

为了解决上述技术问题本发明提出一种AC220V设备接到AC380V的保护电路，以解决供电电压异常升高时，能够快速切断后接电源设备的供电，而在供电正常的时候能够无失真地接通后续电源电路的供电。

本发明一种AC220V设备接到AC380V的保护电路，包括电路输入单元、后续电路，电路输入单元包括整流输入电压的阳极和整流输入电压的阴极，后续电路接入电路输入单元。还包括过压保护单元，所述过压保护单元与后续电路并联接入电路输入单元。

较佳地，所述电路输入单元为半波整流电路或桥式整流电路。

较佳地，所述过压保护单元包括过压检测电路和主开关电路。

所述过压检测电路由双向瞬态电压抑制二极管V1、稳压二极管V2、场效应管V3、电阻R1、泄放电阻R2、延时电容C1组成。

双向瞬态电压抑制二极管V1一端与整流输入电压的阳极相连，双向瞬态电压抑制二极管V1的另一端与电阻R1的上端相连，电阻R1的另一端与低压小电流的场效应管V3的栅极g相连；在场效应管V3的栅极g与源极s之间并联有稳压二极管V2、泄放电阻R2、延时电容C1；泄放电阻R2、延时电容C1的上端和稳压二极管V2的阴极均与场效应管V3的栅极相连，泄放电阻R2、延时电容C1的另一端和稳压二极管V2的阳极均与场效应管V3的源极相连，且与整流输入电压的阴极连接。

主开关电路由稳压管V4、主开关管V5、偏置电阻R3、抗干扰电容C2组成。

偏置电阻R3的一端连接整流输入电压的阳极，偏置电阻R3的另一端连接到场效应管V3的漏极d，同时也连接到稳压管V4的阴极、抗干扰电容C2的一端、主开关管V5的栅极g；稳压管V4的阳极连接到抗干扰电容器C2的另一端，同时也连接到主开关管V5的源极s，主开关管V5的源极与整流输入电压的阴极连接；主开关管V5的漏极d则连接到过压保护电路的后续电路的低电位。

较佳地，所述稳压二极管V2的稳压值为15V，用来保证其上的电压不超过场效应管V3的栅极安全电压。

所述泄放电阻R2是一个高阻值电阻，在供电正常时保证稳压二极管V2的栅极电压为低电平，而在输入过电压时不影响场效应管V3的栅压；延时电容C1是抗干扰电容，电容的数值也决定了过电压保护动作的时间延迟，为了保证过压响应速度，延时电容C1的取值应比较小。

所述稳压管V4的作用也是对主开关管的栅极电压进行钳位，稳压值为15V；抗干扰电容器C2和偏置电阻R3决定了第二级场效应管的导通延时，电容器C2的容量一般要大于延时电容C1的容量。

较佳地，额定交流输入电压是AC220V（市电可以允许的最高电压为AC260V），这样整流后的电压峰值约为367V，因此，可以使用额定击穿电压400V（1mA）的商用TVS为V1，保证正常情况下V1不会击穿导通，过压电路不会动作；如果，电源输入交流电压意外升高，甚至达到AC380V或更高，V1就会击穿导通，过压保护电路会起作用；电阻R1选1MΩ，泄放电阻R2选择2MΩ，偏置电阻R3选择2MΩ；延时电容C1选0.01uF，抗干扰电容C2选0.1uF；场效应管V3选40V1A的小功率管，V5是主开关管，V5的耐电压、电流要能够承受电路的最高输入电压和流过的最大电流（与负载功率有关），选耐压600V以上电流5A以上的开关管，该耐压值可以保证交流过压达AC420V。稳压二极管V2、稳压管V4选15V的稳压管。

较佳地，在过电压保护单元起作用后，如果过电压消失，延时电容C1上电荷经过几十ms的延时释放，场效应管V3截止，主开关管V5恢复导通，过压保护单元后续电路得电正常工作。

作为本发明的替代方案，采用二极管与稳压管串联或者单相TVS来代替双向瞬态电压抑制二极管V1。可以采用IGBT(绝缘栅双极性晶体管)来充当主开关V5的电路，IGBT的耐压和耐电流更好，成本也低。

有益效果：本发明采用了两级保护电路，第一级由双向瞬态电压抑制二极管V1、稳压二极管V2、场效应管V3、电阻R1、泄放电阻R2、延时电容C1组成的过压检测电路，第二级由稳压管V4、主开关管V5、偏置电阻R3、抗干扰电容C2组成的主开关电路。本发明电路在供电电压异常升高时，能够快速切断后接电源设备的供电，而在供电正常的时候能够无失真地接通后续电源电路的供电。

附图说明

图1为本发明AC220V设备接到AC380V的保护电路示意图；

图2为使用可控硅作为主开关V5的过压保护电路示意图（波形会失真）；

图3场效应管V5主开关的正常工作波形（左：半波，右：桥式）；

图4可控硅V5做主开关的正常工作波形（左：半波，右：桥式）；

图5 场效应管V5做主开关的过压突加保护波形（左：半波，右：桥式）；

图6 场效应管V5做主开关的中途过压保护波形（左：半波，右：桥式）；

图7 场效应管V5做主开关的过压保护后恢复波形（左：半波，右：桥式）。

具体实施方式

实施例1：如图1所示，一种AC220V设备接到AC380V的保护电路，包括电路输入单元、后续电路，电路输入单元包括整流输入电压的阳极和整流输入电压的阴极，后续电路接入电路输入单元。还包括过压保护单元，所述过压保护单元与后续电路并联接入电路输入单元。

较佳地，所述电路输入单元为半波整流电路或桥式整流电路。

较佳地，所述过压保护单元包括过压检测电路和主开关电路。

所述过压检测电路由双向瞬态电压抑制二极管V1、稳压二极管V2、场效应管V3、电阻R1、泄放电阻R2、延时电容C1组成。

双向瞬态电压抑制二极管V1一端与整流输入电压的阳极相连，双向瞬态电压抑制二极管V1的另一端与电阻R1的上端相连，电阻R1的另一端与低压小电流的场效应管V3的栅极g相连；在场效应管V3的栅极g与源极s之间并联有稳压二极管V2、泄放电阻R2、延时电容C1；泄放电阻R2、延时电容C1的上端和稳压二极管V2的阴极均与场效应管V3的栅极相连，泄放电阻R2、延时电容C1的另一端和稳压二极管V2的阳极均与场效应管V3的源极相连，且与整流输入电压的阴极连接。

主开关电路由稳压管V4、主开关管V5、偏置电阻R3、电容C2组成。

偏置电阻R3的一端连接整流输入电压的阳极，偏置电阻R3的另一端连接到场效应管V3的漏极d，同时也连接到稳压管V4的阴极、电容C2的一端、主开关管V5的栅极g；稳压管V4的阳极连接到电容器C2的另一端，同时也连接到主开关管V5的源极s，主开关管V5的源极与整流输入电压的阴极连接；主开关管V5的漏极d则连接到过压保护电路的后续电路的低电位。

较佳地，所述稳压二极管V2的稳压值为15V，用来保证其上的电压不超过场效应管V3的栅极安全电压。

所述泄放电阻R2是一个高阻值电阻，在供电正常时保证稳压二极管V2的栅极电压为低电平，而在输入过电压时不影响场效应管V3的栅压；延时电容C1是抗干扰电容，电容的数值也决定了过电压保护动作的时间延迟，为了保证过压响应速度，延时电容C1的取值应比较小。

所述稳压管V4的作用也是对主开关管的栅极电压进行钳位，稳压值为15V；电容器C2和偏置电阻R3决定了第二级场效应管的导通延时，抗干扰电容器C2大于延时电容C1的值。

较佳地，额定交流输入电压是AC220V（市电可以允许的最高电压为AC260V），这样整流后的电压峰值约为367V，因此，可以使用额定击穿电压400V（1mA）的商用TVS为V1，保证正常情况下V1不会击穿导通，过压电路不会动作；如果，电源输入交流电压意外升高，甚至达到AC380V或更高，V1就会击穿导通，过压保护电路会起作用；电阻R1选1MΩ，泄放电阻R2选择2MΩ，偏置电阻R3选择2MΩ；延时电容C1选0.01uF，抗干扰电容C2选0.1uF；场效应管V3选40V1A的小功率管，V5是主开关管，V5的耐电压、电流要能够承受电路的最高输入电压和流过的最大电流（与负载功率有关），选耐压600V以上电流5A以上的开关管，该耐压值可以保证交流过压达AC420V。稳压二极管V2、稳压管V4选15V的稳压管。

较佳地，在过电压保护单元起作用后，如果过电压消失，延时电容C1上电荷经过几十ms的延时释放，场效应管V3截止，主开关管V5恢复导通，过压保护单元后续电路得电正常工作。

作为本发明的替代方案，采用二极管串联稳压管或者单相TVS来代替双向瞬态电压抑制二极管V1。采用可控硅SCR来充当主开关V5的电路。

本发明采用了两级保护电路，第一级由双向瞬态电压抑制二极管V1、稳压二极管V2、场效应管V3、电阻R1、泄放电阻R2、延时电容C1组成的过压检测电路，第二级由稳压管V4、主开关管V5、偏置电阻R3、电容C2组成的主开关电路。在输入电压处于正常范围内，直流电压的峰值小于双向瞬态电压抑制二极管V1的击穿电压，第一级电路不工作，只考虑第二级电路的工作状态。

当整流器输出电压的峰值超过双向瞬态电压抑制二极管TVS的动作电压时，V1导通，流过R1的电流给C1充电，V3快速导通；而此时电容C2上的电压才刚刚变化了一点点，随着V3的导通，C2的两端被V3的d、s短路，C2上的电荷被瞬时释放，主开关V5维持截止状态或立即进入截止状态，实现了过压保护，此时过压保护电路前面和后面完全脱离，后接的电路电压保持为零，或者电容C3上的电压慢慢泄放到零。从而完成过压保护。

在过电压保护电路起作用后，如果过电压消失，电容器C1上电荷经过几十ms的延时释放，V3截止，V5恢复导通，过压保护电路后续电路又得电正常工作。

由过压检测电路和主开关电路完成过电压保护和正常无失真的功能。

实施例2：如图1所示，

本发明整个过电压保护电路如图1中的虚线框内，电路的输入可以是简单的半波整流，也可以是标准的桥式整流电路。虚线框内可以分为两级，第一级是由V1、V2、V3、R1、R2、C1组成的过压检测电路，第二级是由V4、V5、R3、C2组成的主开关电路。

双向瞬态电压抑制二极管V1（TVS）一端与整流输入的“+”相连，V1的另一端与电阻R1的上端相连，R1的另一端与低压小电流的场效应管V3的栅极（g）相连；在V3的栅极（g）与源极（s）之间并联有稳压二极管V2、泄放电阻R2、延时电容C1；V2的稳压值推荐为15V，用来保证其上的电压不超过场效应管V3的栅极安全电压；电阻R2是一个高阻值电阻，在供电正常时保证V2的栅极电压为低电平，而在输入过电压时几乎不影响V3的栅压；电容器C1是抗干扰电容，电容的数值也决定了过电压保护动作的时间延迟，为了保证过压响应速度，C1的取值应比较小。R2、C1的上端和V2的阴极均与V3的栅极相连，R2、C1的另一端和V2的阳极均与V3的源极相连，且与输入电压的“-”端连接。

接下来第二级偏置电阻R3的一端连接输入电压的“+”，R3的另一端连接到V3的漏极（d），同时也连接到稳压管V4的阴极、电容C2的一端、主开关管V5的栅极（g）；稳压管V4的阳极连接到电容器C2的另一端，同时也连接到开关管V5的源极（s），V5的源极还要与输入电源的“-”；而V5的漏极（d）则供连接到过压保护电路的后续电路的低电位，在图1中以电容C3、电阻R5代替后续电路。

稳压管V4的作用也是对主开关管的栅极电压进行钳位，推荐稳压值也为15V；电容器C2和偏置电阻R3决定了第二级场效应管的导通延时，一般我们要求第二级的延时要明显大于第一级的延时，也就是C2要明显大于C1的值。

本发明电路的工作原理如下：

保护电路的过电压值由双向瞬态电压抑制二极管V1的击穿电压确定，假设正常工作时的额定交流输入电压是AC220V，考虑最高电压允许AC260V，则整流后的电压峰值约为367V，因此，可以选择额定击穿电压400V（1mA）的商用TVS为V1。为了降低整个保护电路的功耗，电阻R1可以选1MΩ，电阻R2可以选择2MΩ，电阻R3可以选择2MΩ；电容C1选0.01uF，电容C2选0.1uF；场效应管V3选40V1A的小功率管，V5是主开关管，后续电路的电流全部流过它，因此，V5的电压、电流要能够承受电路的最高输入电压和流过的最大电流，推荐选600V以上电流5A以上的管子。稳压管V2、V4选15V的稳压管即可。

正常工作：

在输入电压处于正常范围内，直流电压的峰值小于TVS的击穿电压，第一级电路不工作，只考虑第二级电路的工作状态。在额定输入电压AC220V时，输入整流电压（半波或桥式整流）的峰值为310V，V5的导通门限约为5V左右，此时流过限流电阻R3的最大充电电流约：300V/2M=0.15mA，那么C2的充电到5V的最短时间t2=0.1u×5V/0.15m=3.3ms。实际上，整流电压是一个半正弦波，充电电流会小于0.15mA，充电时间会超过3.3ms，最长约10ms（参见附图 2、3）。此时，场效应管V5完成导通，后接的大容量的滤波电容C3和开关电源进入工作模式。

在V5导通后，半波或桥式整流器后面电压有大容量的电容器维持，会逐步达到一个有一定纹波电压的直流电压，这样，电容器C2的充电过程会继续进行，直到达到V4的稳压值（15V），过压保护电路处于持续导通状态，实现了整流器与滤波电容的无损连接，保证了整流电压的无失真传输。场效应管做主开关的正常工作波形参见附图3，左边是半波整流，右边是桥式整流电路，试验中TVS的击穿电压为200V。

如图2也有采用可控硅（SCR）来充当主开关V5的电路，该电路的工作状况不如人意。主要是由于SCR是电流型控制器件，控制极（g）和阴极（k）之间的输入阻抗低，电流越大的器件阻抗越低，甚至会小到几十欧，这样为了保证可靠触发SCR就要相应降低电阻R3的阻值来增加触发电流，导致R3的功耗会显著加大；另外，如果SCR中的电流没有超过其本身的维持电流，如果触发消失就会导致刚刚导通的SCR又恢复到截止状态。从波形（图4）上看到过压保护开关电路的前、后电压波形不一致，也就是说这个开关不能保证电压的无失真传输。由于R3阻值减小，电容器C2的容量就要加大大增加，才能满足第二级的延时合适；以1A的SCR为例，R3可以取200K，C2要取到22uF才可以，再大电流的SCR阻值和容量要做更大的调整。图4表示SCR开关在半波（左边）、桥式整流（右边）情况下的工作波形。

过压保护工作过程如下：

当整流器输出电压的峰值超过TVS的动作电压时，V1导通，流过R1（1MΩ）的电流给C1（0.01uF）充电，假设输入电压峰值达到510V（AC380V的峰值），最大充电电流为（510-400）/1M=0.11mA，场效应管V3的导通门槛电压约为2V，则C1充电到2V的时间为：t1=（0.01u×2）/0.11m=0.18ms。可以看到t1比t2短多了，也就是在过电压出现约0.18ms时，V3就快速导通；而此时电容C2上的电压才刚刚变化了一点点，随着V3的导通，C2的两端被V3的d、s短路，C2上的电荷被瞬时释放，主开关V5维持截止状态或立即进入截止状态，实现了过压保护，此时过压保护电路前面和后面完全脱离，后接的电路电压保持为零，或者电容C3上的电压慢慢泄放到零。随后，C1上电压会继续上升，最后的电压由R1、R2、V2确定，试验中的电压约为7V。

在开关前后脱离的情况下，整流器输出电压是间隔的半个正弦波（半波整流）或连续的半正弦波（桥式整流），要持续保持V3处于导通、主开关处于截止状态是电路可靠工作的关键。这就要限制在输入整流电压下降或者为零（半波）的半个周期（10ms）内，C1的电压能够维持V3导通就行。我们使用双向TVS作为V1，就是保证V1中只有定向的充电电流而没有放电电流，当然我们也可以使用二极管串联稳压管或者单相TVS来代替双向TVS来达到这个目的，也就是在整流电压下降到TVS击穿电压后，R1、V1不参与C1的充电、放电过程，此时只有并联在C1上的R2会短暂消耗C1中的电荷。

C1电压由7V降低到2V需要的时间可以简单得出：R2、C1的时间常数为t3=2M×0.01u=20ms，该时间已经超过了输入交流电压的半个周期（10ms），因此，即使是半波整流，过压保护电路仍然能够可靠地维持在保护隔离状态，不会出现一会儿通、一会儿断的现象。

图5是场效应管做主开关的过电压突加实验时的波形，左边是半波整流、右边是桥式整流过电压压保护波形，试验中TVS的击穿电压为200V。

图6是场效应管做主开关的中途突加过电压实验时的波形，左边是半波整流、右边是桥式整流过电压压保护波形，试验中TVS的击穿电压为200V。

在过电压保护电路起作用后，如果过电压消失，电容器C1上电荷经过几十ms的延时释放，V3截止，V5恢复导通，过压保护电路后续电路又得电正常工作。这个就是本发明完整的无失真的过电压保护电路的工作原理。

图7是场效应管做主开关的过电压消失恢复正常供电时的波形，左边是半波整流、右边是桥式整流恢复工作波形，恢复响应的时间约200ms，试验中TVS的击穿电压为200V。

实验波形：

试验电路参照图1来进行，整流电路分别采用常用的半波整流和桥式整流电路，图3、5、6、7采用场效应管做主开关来进行；图4对比采用了可控硅作为主开关，并调整了R3、C2数值来进行，可以发现正常工作的时候，开关前后的波形不一致。

实验波形采用相互隔离4通道的示波器进行观察记录并用U盘拷贝波形数据，试验电路中TVS的击穿电压为200V，输入交流电压由调压器模拟产生正常、过电压交流输入。

通道A（红色）是输入整流电压，100V/div；

通道B（蓝色）是保护电路的输出电压，100V/div；

通道C（黑色）是过压检测管V3的栅极电压，5V/div；

通道D（绿色）是主开关V5栅极电压，10V/div。