CN100561868C

CN100561868C - 电源开关器

Info

Publication number: CN100561868C
Application number: CNB2005800244734A
Authority: CN
Inventors: 李国杰
Original assignee: Clipsal Asia Holdings Ltd
Current assignee: Clipsal Asia Holdings Ltd
Priority date: 2004-05-19
Filing date: 2005-05-19
Publication date: 2009-11-18
Anticipated expiration: 2025-05-19
Also published as: DE602005016241D1; CN101019321A; WO2005114839A1; EP1751863B1; EP1751863A1; ATE441247T1

Abstract

本发明提供了一种电源开关器，包括：具有耦合的一次绕组(131，132)和二次绕组(133)的一电流互感器(current transformer)(130)，一次绕组(131，132)串联在交流电源与负载间，一次绕组包括第一子一次绕组(131)和第二子一次绕组(132)，第一子一次绕组(131)与第二子一次绕组(132)的匝数不同并分别采用一较大的铁芯直径(core diameter)和较小的铁芯直径；第一子一次绕组(131)与第二子一次绕组(132)的中间点(134)至电源开关装置(110)间有一电流导通路径(current conduction path)；当检测到一电流超过第二子一次绕组(132)额定电流值时，则电流将沿着电源开关装置(110)和第一子一次绕组(131)组成的电流回路，从交流电源流动到负载。

Description

电源开关器

技术领域

本发明关于电源开关器，并且特别关于线路供电(line-powered)的电子控制电源开关器。更具体的说，是应用于双线系统的线路供电电子控制的电源开关器。

背景技术

电子控制电源开关器为传统的机械开关提供了另一种选择，电源开关，如电子装置(electrical appliances)和照明装置的开关，可以采用遥控或无线控制开关、无触点开关、触摸开关、或其它的智能或更精密的开关方法。

电子控制电源开关器通常由微处理器等电子控制装置进行控制和操作。电子控制装置根据接收的控制命令或根据执行的某个预定状态，操作电源开关器中电子可控电源开关装置的闭合和断开。为了提供一种经济的、相对免维修保养电子控制电源开关器，最为理想的开关设备的控制电路和其它外围电路(peripheral circuitry)操作采用自供电(self-powered)。因此，有利的是，如果电源开关设备从连接的交流(AC)电源获得工作电源，使得电池或外部电源不是电源开关设备所必备的。在许多不能直接使用外部电源线的配电网和电力网(wiring network)中将特别有益。

具有电源耦合装置的电子控制电源开关器的从电网获得电源的操作是现有技术。这种电源耦合装置通常包括：一电流互感器、及一电压变压器(例如，具有电压钳位电路的电压变压器)，电流互感器和电压变压器分别在“开启”和“关闭”状态下，将工作电源(operation power)从AC电源耦合至电源开关设备的整流线路(rectifying circuitry)。例如，美国专利NO.6,819,014中揭示的自供电(self-powered)开关器，将该自供电开关器合并于此用于说明。电流互感器的一次绕组通常串联于AC电源与负载中间。因为串联，高额定电流负载需要一高额定电流的电流互感器，典型的高额定电流的电流互感器具有较大铁芯直径的铜线，这是因为铜线的横截面减少了不利的(adverse)热量产生。另一方面，对于具有低额定负载电流电子的控制电源开关来说，电流互感器的一次绕组中的多匝数对于维持控制电路和外围设备的足够的工作电源是必须的。因此，具有电子控制电源开关的额定电流范围大，就表示一次绕组的电流互感器的一次绕组的必须采用匝数多的大铁芯铜线。

这种双重要求已成为了将电子控制电源开关器进行实际应用的主要障碍，特别是在需要紧密设计的应用中。由于对大体积电流互感器的需求，安装在壁上插座中的电子控制电源开关器的额定电流范围很少能超过0-10A(安培)也就不奇怪了。因而，最为理想的就是，提供一种电子控制电源开关器，该电子控制电源开关器在具有相对较大的额定电流范围的同时维持一个合理的紧密体积，以加强电子控制电源开关器的实际应用。

对于具有较大额定电流的电源开关器，通常使用具有机械装置的电子控制继电器进行闭合和断开继电器的电流导通端。但是，继电器的机电触点断开时，特别是在高电感电路(highly inductive circuit)中，电弧可能导致继电器的过早磨损或甚至导致继电器故障，例如，触点的炭化。此外，在闭合和断开变化过程中，继电器触点可能发生颤动并可能产生火花。考虑到电弧的负作用，工作电源较高的继电器(体积较大)常用于提供额外的安全边界。由于继电器触点断开器件的反向电压，即使正常操作状态下电流导通端的最大开关电压也会变小，但电源因子0.4的250V、5A的应用需要一额定4kVA、250VAC电压的继电器。

同样的，在电容电路中，继电器触点闭合器件中的涌流会非常高，继电器的额定电流可能会远远超过继电器的载流(carry current)，即在正常操作状态下，继电器为在其电流导通端闭合期间提供额外的安全边界时通过继电器导通端的稳态电流。例如，在高电容电路中，涌流可以高达1000A，然而稳态操作电流可能低至10A。

因此，提供一种具有继电器的电子控制电源开关的设备和一装置，该装置能够降低为提供适当安全边界而使用大额定电压的继电器的需要，使用大额定电压造成其体积过大是不可避免的。

发明内容

相应的，本发明的目的之一在于，提供具有线路供电控制开关电路的电子控制电源开关器，线路供电(line-powered)控制电路在保持合理的紧密体积的同时具有较宽电流值范围。本发明的另一目的在于，提供一种紧密设计的线路供电控制开关器，其使用电子控制继电器作为于稳态开启状态操作状态情况的额定电源开关元件紧密设计。本发明的目的在于为公众提供一种电子控制电源开关器的有益选择。特别是，在两线系统中，为电源开关线路的控制电路的运行进行电源耦合是非常困难的，本发明的目的(并非仅限于此目的)是提供一种适用于两线系统的具有相对大额定电源范围的线路供电电子控制电源开关器。具体的说，双线通常是指配线系统中电源开关器的开关元件连接于AC电源输入与负载信号输出的中间，在此不再详细描述。

总体来说，本发明描述的了一种电源开关器，连接于交流电源与负载间的，所述的电源开关器包括：

电源开关装置，所述的电源开关装置用于闭合和断开所述的交流电源与所述的负载间的电连接；

电子控制电路，所述的电子控制电路用于控制和操作所述的电源开关装置；

电源耦合装置，所述的电源耦合装置用于从所述的交流电源耦合工作电源，以控制所述的电子控制电路的操作，所述的电源耦合装置包括一开启状态电源电路，所述的开启状态电源电路包括一电流互感器，所述的电流互感器具有耦合的一次绕组和二次绕组；

所述的一次绕组串联于所述的交流电源与所述的负载间；

所述的二次绕组与所述的一次绕组连接，用于将电源从所述的一次绕组电源耦合至所述的电子控制电路，

所述的一次绕组包括第一子一次绕组和第二子一次绕组，所述的第一子一次绕组和第二子一次绕组具有不同的匝数及铁芯直径；所述的第一子一次绕组的额定电流大于所述的第二子一次绕组的额定电流；所述的第一子一次绕组与第二子一次绕组的中间至所述的电源开关装置间提供一电流导通路径，当所述的电源开关装置检测到超过第二子一次绕组额定电流的电流时，该超过第二子一次绕组额定电流的电流通过电源控制装置和第一子一次绕组组成的电流回路由所述的交流电源流向所述的负载；

所述的第二子一次绕组的绕组匝数大于所述的第一子一次绕组的绕组匝数，当通过一次绕组的电流低于一预设门限值时，所述的第二子一次绕组为电子控制装置提供所述的电子控制电路的工作电源。

在一较佳实施例中，所述的第二子一次绕组的绕组的匝数大于所述的第一子一次绕组的绕组的匝数数目，当所述的一次绕组中通过的电流低于一预定门限值时，所述的第二子一次绕组将工作电源由所述的交流电源耦合至所述的电子控制电路的。

在一较佳实施例中，所述的电源开关装置包括：一电子控制继电器，所述的电子控制继电器的电流导通端与所述的第一子一次绕组串联；当所述的第二子一次绕组位于所述的电流回路外时，所述的交流电源、所述的第一子一次绕组、所述的电子控制继电器形成一闭合回路。

本发明的一较佳实施例提供了一种用于连接交流电源与负载的所述的电源开关器，所述的电源开关器包括：

电源开关装置，所述的电源开关装置用于闭合或断开可所述的交流电源与所述的负载间的电连接；

电源耦合装置，所述的电源耦合装置用于从交流电源耦合工作电源以操作所述的电子控制电路；所述的电源耦合装置包括一开启状态电源电路；所述的开启状态电源电路包括一电流互感器；

所述的电流互感器具有耦合的一次绕组与二次绕组；所述的一次绕组串联于所述的交流电源与所述的负载间；

连接所述的二次绕组，用于将电源从所述的一次绕组耦合至所述的电子控制电路；

所述的一次绕组包括第一子一次绕组和第二子一次绕组，所述的第一子一次绕组的绕组的匝数和铁芯直径与所述的第二子一次绕组的绕组的匝数和铁芯直径不同；所述的第一子一次绕组额定电流远大于所述的第二子一次绕组的额定电流；当通过所述的第一子一次绕组的电流低于一预定门限值以及所述的第一开关装置闭合和/或断开时，所述的第一开关装置与所述的电子控制电路用于为所述的交流电源至所述的负载间的电流提供路径。

较佳的是，所述的电子控制继电器的额定电流相当于所述的第一子一次绕组的额定电流。

较佳的是，一电子控制分流支路与所述的继电器并联并穿过所述的电子控制继电器的电流导通端。

较佳的是，所述的电子控制分流支路包括：与所述的第二子一次绕组串联连接的一电子控制分流装置；所述的电子控制分流支路与所述的电子控制继电器的电流导通端并联；其中，

所述的电子控制的继电器、所述的第二子一次绕组及所述的电子控制分流装置包含在一电路回路中。

较佳的是，所述的电源开关器包括电压过零检测装置，所述的电压过零检测装置用于检测所述的交流电源的电压过零及用于对控制所述的电源开关装置和所述的分流装置，当所述的控制装置检测出要闭合所述继电器的电流导通端的命令时，并在所述的控制装置检测到所述的交流电源的电压过零后，所述的控制装置激活分流支路的导通，使一低阻抗分流穿过所述的继电器的电流导通端；

所述的分流装置被激活后，所述的继电器的电流导通端导通。

较佳的是，所述的分流装置包括一三端双向可控硅开关元件和所述的控制装置，所述的分流装置根据检测的一命令将所述的继电器电流导通端的电流导通连接断开；

所述的控制装置为了后续导通而发送一激活信号至所述的分流装置；其中，

在所述的三端双向可控硅开关元件导通前，打开所述的继电器。

在另一实施例中，所述的分流装置的电子开关为隔离栅场效应晶体管，并且所述的控制装置根据检测的一命令，将所述的继电器的电流导通端的电流导通连接断开，所述的分流装置开启以形成一低阻抗分流支路，所述的低阻抗分流支路穿过所述的继电器的电流导通端；

当所述的分流装置导通后，所述的继电器的电流导通端断开，所述的分流装置随后被开启；

当所述的继电器的所述的电流导通端断开连接所述的分流装置随后被关闭。

较佳的是，所述的控制装置控制所述的三端双向可控硅开关元件的栅极；其中，在所述的负载零电流流过后，关闭所述的三端双向可控硅开关元件。

较佳的是，所述的继电器的最大额定电压远小于所述的交流电源的最大额定稳态电压。

较佳的是，所述的继电器的最大额定电压相当于所述的交流电源的最大额定稳态电压。

较佳的是，当所述的交流电源到所述的负载间的电流小于一预定门限值时，所述的继电器不导通，所述的交流电源到所述的负载间的电源通过所述的分流装置。

较佳的是，所述的分流装置包括的一电子控制的电源开关如为三端双向可控硅开关元件、金属氧化物半导体场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。

较佳的是，所述的电源开关起还包括：监视装置，所述的监视装置用于判断所述的交流电源到所述的负载间的电流状况；

所述的控制装置根据所述的交流电源到所述的负载间的电流状况，选择性的启动所述的继电器或所述的分流装置进行电源转换。

较佳的是，当电源转换高于一门限值时，所述的继电器被激活以进行电源转换。

较佳的是，当电源转换低于一门限值时，所述的分流装置被激活以进行电源转换。

较佳的是，所述的子一次绕组相互串联；所述的子一次绕组与所述的电源的距离越远，所述的子一次绕组的额定电流越小。

较佳的是，当所述的子一次绕组的额定电流减小时，所述的子一次绕组的匝数增加。

较佳的是，所述的第一子一次绕组与所述的第二子一次绕组串联，并且所述的第一子一次绕组与所述的第二子一次绕组的中间连接交流电源间。

附图说明

以下通过参考附图，举例详细说明本发明的较佳实施例。

图1所示为第一较佳实施例的多通道电子控制电源开关器的混合电路结构示意图；

图2所示为第二较佳实施例的多通道电子控制电源开关器的混合电路结构示意图；

图3所示为图1中电源开关器的继电器由断开变为闭合时，通过继电器电流导通端的电压的时序图；

图4A和图4B所示分别为图1中电源开关器的继电器由断开变为闭合时，通过继电器电流导通端的电流波形和电压波形的时序图；

图5A所示为图1中的典型开关通道的控制电路实例的典型电路结构示意图；

图5B所示为图2中的典型开关通道的控制电路实例的典型电路结构示意图；

图6所示用于增加负载电流范围的复数个累加或串联电流分流支路的另一实施例的拓扑电路结构示意图，以说明图1中实施例基本原理；

图7所示用于增加负载电流范围的复数个并联电流分流支路的另一实施例的拓扑电路结构示意图，以说明图2中实施例基本原理。

具体实施方式

请参考图1中所示的本发明的第一实施例的线路供电电子控制电源开关器1，为便于说明，请参考线路供电电子控制电源开关器1的第一孔(gang)或第一通道。电源开关器包括：一输入终端100，输入终端100连接至一交流(AC)电源，并连接复数个输出终端200a-200n以与多个相应的负载相连。负载可以是电阻、电容(capacitive)或电感(inductive)。电源开关器(apparatus)包括：电源开关装置，电源开关装置用于闭合(making)或断开(breaking)AC电源与负载间的电连接；电子控制电路，电子控制电路用于控制和操作电源开关装置；电源耦合装置，电源耦合装置用于从AC电源耦合操作电源至电子控制电路。电源耦合装置包括：开启状态电源耦合电路130和关闭状态电源耦合电路140。关闭状态电源耦合电路140包括一高阻抗电路，高阻抗电路在开关元件断开的关闭状态期间耦合工作电源至控制电路。本发明将美国专利申请号NO.2003-0160517申请揭示的一种适合的关闭状态耦合电路合并于此。开启状态电源耦合电路130包括一电流互感器，电流互感器具有耦合的一次绕组和二次绕组，二次绕组的输出与整流装置连接，以提供电源开关器必要的直流(DC)工作电源。

一次绕组串联在AC电源与负载间，并且一次绕组为AC电源到负载间的电流提供了一电流通路(passage)。在本较佳实施里中，一次绕组包括第一子一次绕组131和第二子一次绕组132，第一子一次绕组131与第二子一次绕组132串联。第一子一次绕组131的额定电流值远大于第二子一次绕组132的额定电流值，使大于第二子一次绕组132额定电流的电流通过第一子一次绕组131由AC电源流入负载。由于第二子一次绕组适用于处理量级较小的电流，第二子一次绕组采用优良导体，在不实质上增大变压器体积的情况下，第二子一次绕组中绕组的数目可远大于第一子一次绕组中的绕组的数目。当相对小的电流通过一次绕组，电源开关装置处于低电流状态，具有优良导体和较高绕组数目的第二子一次绕组132将一足够高的工作电源耦合至电流互感器的二次绕组133。因而，除了其它目的外，电源开关器用于低电流开关应用时，譬如额定电源10W的低额定白炽灯，当一小电流从AC电流源流向负载时，第二子一次绕组132保证电流互感器的二次侧(secondary side)得到足够的工作电源。

电源开关装置包括一电子控制机械开关装置，如继电器110。继电器110的电流导通端的闭合和断开由一第三端控制，该第三端通过继电器控制电路310a连接到控制装置300。继电器110的电流输入端111与第一子一次绕组131和第二子一次绕组134中间的节点134连接，当需要一高电流路径时，AC电源、第一子一次绕组、继电器的电流导通端及负载将形成一个完整的电流回路。在这种结构下，使得一超过第二子一次绕组132额定电流的大电流通过第一子一次绕组131，从AC电流入负载实质是同时对第二子一次绕组进行分流。虽然，第一子一次绕组131的绕组(winding)数目远小于第二子绕组132的绕组数目，但通过第一子一次绕组131的高电流使一足够的电源被耦合至二次绕组用于操作大电流工作状态下的电子控制电路。第二子一次绕组的输出端，即第二子一次绕组未连接第一子一次绕组的一端，与电子控制分流装置连接，使第二子一次绕组132与分流装置120串联，在必要时形成了经过继电器电流导通端的可控制的分流支路或旁路支路。

当继电器的开关元件110处于开启状态时，由AC电源流入负载的电流低于一标准，即不足以为电子电路提供足够的工作电源时(低门限电流)，电源开关器中的电流感应(sensing)装置将通知控制装置。控制装置检测到该工作状态通知时，控制装置打开可控制的分流装置并关闭继电器。于是，电流由第一子一次绕组、第二子一次绕组和分流装置流过。虽然第一子绕组中的电流本身不能为控制电路提供足够的工作电源，但一适当工作电源将从一次绕组的操作电源的总额中被耦合至电压变压器的二次侧。当电源开关器处于关闭状态，即继电器和分流装置不导通，一相对较大电压，如相当于AC电源的线性电压的电压，将出现在关闭状态电源耦合电源电路140中，从而获得一合理的电源电平用于操作电子控制电路，此处不再详细描述。

电子控制电路具有通过稳压器150和整流装置151连接电流互感器的二次侧的一控制器、或微控制器单元类的控制装置、或者微处理器。整流装置151可以是一全波桥式整流器，直流电源稳压器为微控制器单元(microcontrollerunit，MCU)和其它外围电路的运行而提供复数个直流电压的调节的直流电源(DC supply)。外围电路310可以包括用于接收外部控制命令的遥控传感电路或接触开关电路。当然，可以对MCU进行编程，以使MCU根据预先的设定进行对负载的开关。为了控制电流路径，由一第一监视装置判断一实质部分电流是否应当流经继电器或分流装置，第一监视装置可以是电源监视装置或电压监视的装置。

典型的第一监视装置可包括一电压检测器(voltage detector)，所述电压监测器通过监视稳压器输出的电压以提供通过一次绕组的电流信息。当第一子一次绕组中的电流超过一门限值时，桥式整流器的输出电压将超过一预定值。另一方面，当通过第一子一次绕组的电流低于一门限值时，整流器的输出电压也将低于一个预定值。当检测到第一子一次绕组中的电流值低于门限值时，控制装置控制分流装置运行，使负载电流的实质部分(如果不是全部)，也将流过第二子一次绕组，因此为控制电路提供足够的工作电源(负载电源)。另一方面，如果流过第二子一次绕组132的电流超过第二子一次绕组132的额定电流(或其它预定门限值，例如，一低于额定电流的安全边界(safety margin)时，与第二子一次绕组连接以检测通过第二子一次绕组的电流的电流检测装置，如图1中高电流检测器(high current detector)，将指示通过第二子一次绕组的电流超过了预定门限值。在此时，控制器单元300打开继电器110，使电流的实质部分通过继电器，以避免损害第二子一次绕组。如下表A所示为一典型的MCU开关控制的操作逻辑。(operating logic)

T＝三端双向可控硅开关元件导通

R＝继电器导通

行	电流导通路径	LVD	HCD	下一导通路径
行	电流导通路径	LVD	HCD	下一导通路径	1	T	0	0	T
2	T	0	1	R	1	T	0	0	T
2	T	0	1	R	3	T	1	0	lllegal
4	T	1	1	lllegal	3	T	1	0	lllegal
4	T	1	1	lllegal	5	R	0	0	R
6	R	0	1	lllegal	5	R	0	0	R
6	R	0	1	lllegal	7	R	1	0	T
8	R	1	1	lllegal	7	R	1	0	T

参考附图，在上表中符号具有如下意义。如说明书所描述的，电流互感器的一次绕组包括两组绕组，P1 130和P2 131。P1中的铜线绕组横截面积较大、匝数小；P2中的铜线绕组横截面积较小、匝数多。对于高额定电流负载，电流通过P1和继电器；对于低额定电流负载，电流通过P1、P2和三端双向可控硅开关元件。由输入控制器的两个控制信号LVD和HCD决定逻辑判断(decisionlogic)。

在本电路设置中，当电流互感器的二次绕组的输出电压低于门限值，LVD(低电压检测)为高(逻辑1)。因此，LVD＝“1”或LVD为高是指通过绕组P1的电流的量级(magnitude)其本身不足以维持控制电路的操作。当控制器检测到LVD为高时，控制器激活分流装置，使电流通过P1和P2。当通过第二子一次绕组P2的电流超过一上门限值时，HCD(高电流检测)为高。因此，当HCD＝“1”或HCD为高时，通过P2的电流被认为过高，控制装置将激活继电器并将三端双向可控硅开关元件关闭，以指引电流流动。

例如，表A的第1行所示，当负载电流的实质部分通过分流装置T并且电压监视装置输出的LVD和HCD均为低，这表示低电流操作及小电流通过组合的一次绕组(即，第一子一次绕组与第二子一次绕组串联)，分流装置维持的导通路径穿过组合的一次绕组。

另一方面，如表A的第2行所示，负载电流的实质部分通过分流装置T并且HCD输出为高时，表示通过第二子一次绕组的电流超过一预定门限值，MCU将打开继电器使负载电流从第一子一次绕组和继电器中通过，避免损坏第二子一次绕组。本较佳实施例中的分流装置包括一电子控制分流装置。当检测到激活信号时，电子控制分流装置的两端点间提供一低阻抗分流路径。三端双向可控硅开关元件、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)都可用做分流装置，但三端双向可控硅开关元件是电路结构图的较佳的实施方式。因为使用其它分流元件或装置时，还需使用额外的零电流流过检测电路(zero current crossing detection circuitry)。零电流流过检测电路对于本领域技术人员来说是已知的。

请参考表A中第7行的操作条件，瞬时电源转换通过继电器并且当HCD输出为低时LVD输出为高、，该工作状态表示电源开关装置的低电流运行。根据检测到该操作状态后，MCU激活可控分流装置，使电流开始通过第一子一次绕组和第二子一次绕组，使一适当的该工作电源被耦合至电压变压器的第二子一次绕组以操作控制电路。

由于元件特性或参数变化的不同，如铁芯材料特性、电流互感器漏通量、控制电路电源的需求量等，为了在不同导通路径间避免逻辑含糊(logicalambiguity)或导通路径摆动，最理想的是It＞Ir，其中：

Ir＝在继电器导通期间通过P1激活LVD的电流(I)的较低门限值。

It＝三端双向可控硅开关元件在导通状态期间用以激活HCD的通过P1和P2的电流I的较高门限值。

I＝全部负载电流的和＝I1+I2+I3+...+In

如果在可以预见的电路元件变化处于一种极端的情况下，It min＞Ir max，则更加合适。

以下将参照图3、图4A、图4B的时序图，详细说明继电器电流导通端闭合和断开期间产生涌流和/或电弧时，对继电器的保护。

当继电器与一电容负载连接时，如继电器与一荧光灯连接，该荧光灯具有用于功率因子校正的并联电容，继电器导通端闭合时产生涌流会非常高。实验证明，涌流可以高达2-4kA并能够持续几十微妙，这将足以融化继电器的金属触点，导致继电器永久损坏。为避免电容负载涌流的带来潜在危害，通过电压过零检测(voltage zero-crossing detection)电路，以使AC电源的即时电压过零能够被检测、监视、使用。

请参考图3所示的时序图，根据检测的AC电源的电压过零，电压过零检测线路将发送一信号至MCU。当MCU检测到请求闭合AC电源与负载间导通路径的控制命令时，MCU先等待零电压横接信号。一旦MCU检测到电压过零信号，MCU在下一期望电压过零点触发分流装置，使得由分流装置和第二子一次绕组组成的低阻抗分流支路穿过继电器的电流导通端。

上述的分流支路形成后，MCU通过继电器控制电路连接继电器的电流导通端，以闭合继电器电流导通端间的连接。在穿过继电器接触端的导通条件稳定后，再次打开分流装置，使电流的实质部分通过继电器，而不是通过分流装置。在AC电源的电压过零期间打开分流装置，涌流没有破坏性，并且通过分流装置的电流逐渐变化，从而降低了涌流损害继电器接触端的风险。

参见图4A、图4B，当继电器与电感负载连接，由于继电器电流导通端从闭合到断开的过程中会发生变化，要保护继电器不受电弧的损害。

打开继电器之前，控制器控制通过先发送激活信号至三端双向可控硅开关元件栅极以准备断开继电器。在这时，由于继电器可开关的传导元件固有的低阻抗要求，通过继电器110的两个电流导通端间的电压很低。随着三端双向可控硅开关元件的电流导通端与继电器110并联，继电器的两个电流导通端间的低电压不能驱动三端双向可控硅开关元件进入导通模式，但一旦三端双向可控硅开关元件端电压超过预定门限值时，三端双向可控硅开关元件将导通。三端双向可控硅开关元件准备导通后，继电器断开。经过继电器的电压升高至足以使三端双向可控硅开关元件导通并维持导通的值(根据三端双向可控硅开关元件的栅电流，该电压在几伏至几十伏范围之间)，三端双向可控硅开关元件处于导通模式并为继电器提供了一低阻抗及低电压的电压分流支路，以减轻电弧的损害。

如图4A、4B所示的电压和电流时序图，MCU根据检测到的负载与AC电源间连接断开的命令时，MCU发送一激活信号驱动三端双向可控硅开关元件，使三端双向可控硅开关元件准备导通。本例中的分流装置是三端双向可控硅开关元件，只有在当继电器被打开，激活电压经过继电器端点时，三端双向可控硅开关元件导通。此后，继电器打开并且穿过继电器触点的电压升高使三端双向可控硅开关元件导通。一旦三端双向可控硅开关元件导通，分流装置和第二子一次绕组组成的低阻抗低电压的分流装置穿过继电器触点，使得穿过继电器触点抑制了经过继电器端的电压。结果，由于低阻抗分流路径实质性抑制或减少了经过继电器触点(contact terminal)的反向电动势，同样还实质性减少了电弧。继电器触点稳定在断开位置后，MCU切断三端双向可控硅开关元件的激活信号，在随后的零电流流过(zero-current crossing)时关闭(turn off)分流路径，以充分隔绝负载与AC电源。

MOSFET或IGBT等其它电子控制装置也可用作分流装置。当使用此类分流装置时，可以在零电压或零电压附近打开分流装置，当低阻抗低电压支路形成时，打开继电器导通元件。继电器触点稳定在断开状态后，一额外的零电流流过检测电路，MCU在零电流流过处关闭分流路径，将负载与AC电源充分隔绝。本实例中，分流装置采用三端双向可控硅开关元件。虽然，三端双向可控硅开关元件收到激活信号与三端双向可控硅开关元件导通间存在延迟，但当一激活信号被发送至三端双向可控硅开关元件时，一旦三端双向可控硅开关元件导通端点的电压增大，三端双向可控硅开关元件准备导通。当继电器触点稳定在断开状态后，当负载电流减少为零时，MCU在零电流流过时将三端双向可控硅开关元件关闭。通过维持电流持续流过分流路径，实质性地减少了继电器触点在闭合到打开的变化中的电弧危害，上述分流路径包含三端双向可控硅开关元件准备和三端双向可控硅开关元件的关闭特性。

再次参照图1可以看出，设置在由复数个单独可控的开关(gangs)或通道中的复数个电源开关装置并联，使得每个电源开关装置由MCU选择性地控制和激活。当然，为适用于相关应用，开关器可以包含一单独开关通道或复数个开关通道，此处不再详细描述。此外，将多个选择性电流导通路径集合在一单一开关组，则开关装置(或通道)与各自的监视控制线路、控制电路及继电器控制线路可适用于一相对较小的间隔或单元中。

在上述说明中，只描述了开关器的第一组或第一通道，但可根据相同原则应用于其它开关，此处不再详细描述。

图2所示为线性电压电子控制电源开关器2的第二较佳实施例的电路设置。除了第一子一次绕组与第二子一次绕组的电路间的电路拓扑，及继电器(机电开关装置)与三端双向可控硅开关元件(分流装置)间的电路拓扑外，第二较佳实施的电路设置与第一实施例实质相同。

请参考图2的电路图，“开启”状态电源耦合电路130a包括一电流互感器，电流互感器具有耦合的一次绕组和二次绕组，二次绕组的输出与整流装置连接，为开关器2提供必要的直流工作电源。一次绕组包括并联的第一子一次绕组131a和第二子一次绕组132a，第一子一次绕组131a和第二子一次绕组132a的共同触点连接输入端100。与第一实施例的第一子一次绕组相似，第二实施例中的第一子一次绕组131a与第二子一次绕组相比，第一子一次绕组131a铜线绕组的横截面积较大但绕组数目较小，以适用于高额定电流应用。第一子一次绕组131a的输出在共同节点111a与复数个继电器110-110n的输入同时连接。与第一实施例中的第二子一次绕组132相似，第二子一次绕组132a的铜线横截面积较小但绕组数目较大，用于小额定电流应用。以三端双向可控硅开关元件作为电子可控分流装置为例，第二子一次绕组132a的输出同时连接复数个电子可控分流装置的输入。第一子一次绕组和第二子一次绕组及其各自电路提供了交流路径，使控制装置300根据检测到的一次绕组或子一次绕组中的电流只选择合适的电流电路。例如，当第二子一次绕组中的电流超过预定门限值时表示第二子一次绕组中的电流可能将超过第二子一次绕组的额定电流，控制器300开启继电器110并关闭三端双向可控硅开关元件120，使大电流被限制在较大额定电流的第一子一次绕组中。同样的，当第一子一次绕组131a中的电流低于一预定门限值时，即表示从第一子一次绕组获得的工作电源不足时，控制器300打开三端双向可控硅开关元件120(或110n)并关闭继电器110(或120n)，使电流流入具有较多匝数的绕组，提供给开关器2的操作电路足够的工作电源。根据上述第一实施例所描述的内容，继电器保护线路与第一实例中描述的继电器保护线路实质相同，在此不再重复描述。为便于说明，图5A和图5B简单显示了用于说明第一较佳实例和第二较佳实例中的电路，图5A和图5B中的电路使用了一个开关。

图6中的电路拓扑为图1的第一较佳实施里的串联架构的优化和概括的实施例。电源耦合装置一次侧的电流互感器的一次绕组包括复数个串联的子一次绕组，以进一步增加开关器操作电流范围。

请参考图6的电路设置，一次绕组包括复数个子一次绕组，即，P1，P2，...Pn。每个子一次绕组的匝数(N)pi不同，其中，

(N)P1＜(N)P2＜(N)P3＜.....＜(N)Pn-1＜(N)Pn。这里的(N)Pi表示明确的子一次绕组i匝数的数目以及由(D)Pi制定的各个子一次绕组铜导体的铁芯直径。复数个开关装置并联在各个子一次绕组输出触点与负载之间。为便于说明，串联的子一次绕组及开关具有如下关系：

R1＞R2＞R3＞...＞Rn-1＞Rn

(N)P1＜(N)P2＜(N)P3＜...(N)Pi＜...＜(N)Pn-1＜(N)Pn

(D)P1＜(D)P2＜(D)P3＜...(D)Pi＜...＜(D)Pn-1＜(D)Pn

Ri表示开关装置额额定电压-安培，

(N)Pi＝各个子一次绕组匝数的数目，并且

D表示具体的子一次绕组的导线的铁芯直径。

在本例中，随着子绕组远离带电端(the live terminal)或输入节点100，则子一次绕组的导通绕组(conductive winding)的铁芯直径随子一次绕组匝数的增加而减少。另外，开关装置的输入端离带电端子越远，开关装置的额定电源越小，使得大电流在到达较低额定电流绕组前已被分流。

图7所示为图2实施例中分流装置(arrangement)的总体电路拓扑。在本拓扑中，复数个不同额定电流的子一次绕组并联连接，这样，该子一次绕组的共同节点与带电端连接，而复数个子一次绕组的输出端分别连接各个开关装置的输入，开关装置可以是继电器或其它开关，或者是继电器与其它开关的组合。为便于说明，并联的子一次绕组间的关系如下：

R1＞R2＞R3＞...＞Rn-1＞Rn

(N)P1＜(N)P2＜(N)P3＜...(N)Pi...＜(N)Pn-1＜(N)Pn

(D)P1＞(D)P2＞(D)P3＞...(D)Pi...＞(D)Pn-1＞(D)Pn

通过将大额定电流的开关装置与一较大额定电流的子一次绕组等等连接，参照前文示例，根据本发明的原理则可以得到一电子控制线路供电(line-powered)开关装置。

具体示例

在图5A和图5B的拓扑图的开关器具体例子中，开关器适用于英式标准BS4662的35mm(毫米)的壁上插座，壁上插座为额定负载范围VA在15至1600VA的4位或4通道的壁上插座，典型元件及典型元件的描述如下：

机电开关装置是额定负载电流为2A的欧姆龙G6S继电器，G6S继电器的额定载流(rated carry current)，即推荐的最大开关电流不应超过2A。在开关电压等于250的应用中，为使正常的开关电流最大值不超过最大开关电流，正常的开关电流最大值(无保护下)应当低于0.26A。电子可控分流装置是电流在0.06A至0.075A间的意法(ST)T4系列的三端双向可控硅开关元件。譬如，当三端双向可控硅开关元件中的电流为0.75A或超过0.75A时，继电器被开启并将电流路径从三端双向可控硅开关元件转换到继电器。二次绕组一次绕组具有1000匝直径为0.1mm的铜导线。一次绕组由两组绕组P1和P2组成。绕组P1具有30匝直径为1.0mm的铜导线。绕组P2具有150匝直径为0.3mm的铜导线。在继电器导通期间，电流通过P1。在没有过多热量产生的情况下，P1的铁芯直径为1mm的导线可以满足8A的最大电流。在三端双向可控硅开关元件导通期间，电流通过P1和P2。P2中的绕组可在二次绕组为控制电路产生20mW左右的直流电源。同时，在变压器没有过多热量产生的情况下，P2中的绕组允许高达0.75A的电流通过。

导通路径振荡的预防

考虑到元件的变化，继电器低限制电流的最大值，Ir max＝0.5+d1安培，其中d1为LVD由低变高时允许的最大电流误差，并且0.5安培是标准值。另一方面，三端双向可控硅开关元件的上限电流的最小值(将所有元件的变化都考虑在内)It min＝0.75-d2安培，其中d2为HCD有高变低时的最大电流误差(偏离)，0.75安培是It的标准值。为防止导通路径振荡，It min＞Ir max，即本例中0.25＞d1+d2.

换句话说，继电器导通电流状态变化时的误差与三端双向可控硅开关元件导通电流状态变化的误差的总和必须小于0.25安培。如果继电器导通电流状态变化时的误差与三端双向可控硅开关元件导通电流状态变化时的误差的和大于0.25A，则Ir的标准值与It的标准值都必须要选择以致一个较高的不同值。另一方面来说，Ir的标准值与It标准值越高，继电器与三端双向可控硅开关元件的额定负载范围越窄。因此，最佳操作需要选择一个平衡值。

虽然以上通过示例或较佳实施例对本发明进行了解释，但可以看出的是，上述示例并非用于限制而是用于帮助理解本发明。本发明的范围应当从较佳实施例和附图中的内容进行判断和/或推断。特别是，对于本领域技术人员来说，基于本发明进行的显而易见的或微不足道的修改变化，或者基于本发明进行的改进，都应被认为落入本发明的范围。

此外，本发明以具有电源开关装置的电源开关器对本发明进行了说明，其中电源开关装置由并联设置的继电器和三端双向可控硅开关元件组成。但可以看出的是，不管是否进行修改，本发明都可以应用其它开关方法或装置的组合，此处不再详细描述。

Claims

1.一种电源开关器，连接于交流电源与负载间的，其特征在于，所述的电源开关器包括：

电源耦合装置，所述的电源耦合装置用于从所述的交流电源耦合工作电源，以进行所述的电子控制电路的操作，所述的电源耦合装置包括一开启状态电源电路，所述的开启状态电源电路包括一具有耦合的一次绕组和二次绕组的电流互感器；

所述的一次绕组串联于所述的交流电源与所述的负载间，连接所述的二次绕组，用于将电源从所述的一次绕组电源耦合至所述的电子控制电路，

所述的一次绕组包括第一子一次绕组和第二子一次绕组，所述的第一子一次绕组和第二子一次绕组具有不同的匝数及铁芯直径；所述的第一子一次绕组的额定电流远大于所述第二子一次绕组的额定电流；所述第一子一次绕组与第二子一次绕组的中间至所述的电源开关装置间提供一电流导通路径，当所述的电源开关装置检测到超过第二子一次绕组额定电流的电流时，该超过第二子一次绕组额定电流的电流通过所述的电源开关装置和第一子一次绕组组成的电流回路由所述的交流电源流向所述的负载；

所述的第二子一次绕组的绕组匝数大于所述的第一子一次绕组的绕组匝数，并且当通过所述一次绕组的电流低于一预设门限值时，为电子控制装置提供所述的电子控制电路的工作电源。

2.根据权利要求1所述的电源开关器，其特征在于，所述的第二子一次绕组的绕组的匝数大于所述的第一子一次绕组的绕组的匝数数目，当所述的一次绕组中通过的电流低于一预定门限值时，所述的第二子一次绕组将工作电源由所述的交流电源耦合至所述的电子控制电路。

3.根据权利要求1所述的电源开关器，其特征在于，所述的电源开关装置包括：一电子控制继电器，所述的电子控制继电器的电流导通端与所述的第一子一次绕组串联；当所述的第二子一次绕组位于所述的电流回路外时，所述的交流电源、所述的第一子一次绕组、所述的电子控制继电器和所述负载形成一闭合回路。

4.根据权利要求3所述的电源开关器，其特征在于，所述的电子控制继电器的额定电流相当于所述的第一子一次绕组的额定电流。

5.根据权利要求3所述的电源开关器，其特征在于，一电子控制分流支路与所述的继电器并联并穿过所述的电子控制继电器的电流导通端。

6.根据权利要求5所述的电源开关器，其特征在于，所述的电子控制分流支路包括：

串联联接，其包括：电子控制分流装置和所述第二子一次绕组；所述的电子控制分流支路与所述的继电器的电子控制电流导通端并联；其中，所述的继电器、所述的第二子一次绕组及所述的电子控制分流装置包含在一电路回路中。

7.根据权利要求6所述的电源开关器，其特征在于，还包括：

电压过零检测装置，所述的电压过零检测装置用于检测所述的交流电源的电压过零；以及，

控制装置，所述控制装置用于控制所述的电源开关装置和所述的分流装置；当所述的控制装置检测出要闭合所述继电器的电流导通端的命令时，并在所述的控制装置检测到所述的交流电源的电压过零后，所述的控制装置激活分流支路的导通，使一低阻抗分流穿过所述的继电器的电流导通端；

8.根据权利要求7所述的电源开关器，其特征在于，所述的控制装置根据检测的一命令断开所述的继电器的电流导通端的电流导通连接，所述的分流装置开启以形成一低阻抗分流支路，所述的低阻抗分流支路穿过所述的继电器的电流导通端；当所述的分流装置导通后，所述的继电器的电流导通端断开；

当所述的继电器的电流导通端断开连接，所述的分流装置随后被关闭。

9.根据权利要求8所述的电源开关器，其特征在于，其中，所述的分流装置包括电子开关。

10.根据权利要求9所述的电源开关器，其特征在于，其中，所述的电子开关为隔离栅场效应晶体管。

11.根据权利要求7所述的电源开关器，其特征在于，所述的分流装置包括：

三端双向可控硅开关元件；

所述的控制装置，所述的分流装置根据检测的一命令将所述的继电器电流导通端的电流导通连接断开；所述的控制装置为了后续导通而发送一激活信号至所述的分流装置；其中，

在所述的三端双向可控硅开关元件导通前，打开所述的继电器，所述的继电器打开，使所述的三端双向可控硅开关元件导通以形成一穿过继电器的低阻抗分流路径。

12.根据权利要求11所述的电源开关器，其特征在于，所述的控制装置控制所述的三端双向可控硅开关元件的栅极；其中，在所述的负载零电流流过后，关闭所述的三端双向可控硅开关元件。

13.根据权利要求11所述的电源开关器，其特征在于，所述的继电器的最大额定电压远小于所述的交流电源的最大额定稳态电压。

14.根据权利要求13所述的电源开关器，其特征在于，所述继电器的最大额定电压相当于所述负载的最大额定稳态电压。

15.根据权利要求6所述的电源开关器，其特征在于，当所述的交流电源到所述的负载间的电流低于一预定门限值时，所述的继电器不导通，所述的交流电源到所述的负载间的电源通过所述的分流装置。

16.根据权利要求15所述的电源开关器，其特征在于，所述的分流装置包括电子控制的电源开关。

17.根据权利要求16所述的电源开关器，其特征在于，所述的电子控制的电源开关选自以下一种部件：三端双向可控硅开关元件、金属氧化物半导体场效应晶体管和绝缘栅双极晶体管。

18.根据权利要求16所述的电源开关器，其特征在于，还包括：

监视装置，所述的监视装置用于确定所述交流电源到所述负载间的电流状况；

所述的控制装置，根据所述监视装置的确定的所述交流电源到所述负载间的电流状况，所述控制装置选择性地启动所述的继电器或所述的分流装置以进行电源转换。

19.根据权利要求18所述的电源开关器，其特征在于，当电源转换高于一门限值时，所述的继电器被激活以进行电源转换。

20.根据权利要求19所述的电源开关器，其特征在于，当电源转换低于一门限值时，所述的分流装置被激活以进行电源转换。

21.根据权利要求1所述的电源开关器，其特征在于，所述的子一次绕组相互串联；所述的子一次绕组与所述的电源的距离越远，所述的子一次绕组的额定电流越小。

22.根据权利要求21所述的电源开关器，其特征在于，当所述的子一次绕组的额定电流减小时，所述的子一次绕组的匝数增加。

23.一种用于连接交流电源与负载的所述的电源开关器，其特征在于，所述的电源开关器包括：

电源开关装置，所述的电源开关装置用于闭合或断开所述的交流电源与所述的负载间的电连接，其包括第一开关装置和第二开关装置；

电源耦合装置，所述的电源耦合装置用于从交流电源耦合工作电源以操作所述的电子控制电路；所述的电源耦合装置包括一开启状态电源电路；所述的开启状态电源电路包括一具有耦合的一次绕组与二次绕组的电流互感器；所述的一次绕组串联于所述的交流电源与所述的负载之间；连接所述的二次绕组，用于将电源从所述的一次绕组耦合至所述的电子控制电路；

所述的一次绕组包括第一子一次绕组和第二子一次绕组，所述的第一子一次绕组的绕组的匝数和铁芯直径与所述的第二子一次绕组的绕组的匝数和铁芯直径不同；所述的第一子一次绕组额定电流远大于所述的第二子一次绕组的额定电流；当通过所述的第一子一次绕组的电流低于一预定门限值以及所述的第一开关装置闭合和/或断开时，所述的第二开关装置与所述的电子控制电路用于为所述的交流电源至所述的负载间的电流提供路径。

24.根据权利要求23所述的电源开关器，其特征在于，所述的第一子一次绕组与所述的第二子一次绕组串联，并且所述的第一子一次绕组介于所述的第二子一次绕组和所述交流电源之间。