CN101710686B - 电路断路器的电子跳闸单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电路断路器的电子跳闸单元，具体而言，提供了一种电子跳闸单元(20)，其包括处理单元(22)和比较电路(24)。处理单元(22)接收输入电压(VCC)以及使电子跳闸单元(20)复位的复位信号(RESET)，并在所感测的电子跳闸单元(20)的电流超过预定的阈值时产生跳闸信号(TS)。比较电路(24)包括第一比较器(38)和第二比较器(46)，第一比较器(38)接收来自处理单元(22)的跳闸信号(TS)，并将跳闸信号(TS)与基于复位信号(RESET)而确定的预定的参考电压(VREF)进行比较，第二比较器(46)将电源(11)所产生的电压与预定的参考电压(VREF)进行比较。比较电路(24)基于第一比较器(38)和第二比较器(46)的比较结果而确定跳闸信号(TS)是否针对有效的跳闸事件。

Description

电路断路器的电子跳闸单元

技术领域

本发明涉及一种电子跳闸单元。更具体地说，本发明涉及一种电子跳闸单元，其能够消除低功率下的电子跳闸单元中的有害的跳闸。

背景技术

电子跳闸单元是一种控制电路断路器的智能装置。通常，微处理器控制的电子跳闸单元在诸如短路或过电流的电流故障状况下，自动地操作电路断路器。微处理器控制的跳闸单元发生跳闸以断开电路，并从而中断电流。电子跳闸单元采用一种微控制器，该微控制器将所感测的电流输入与预定值进行比较，并在所感测的电流超过预定值时产生跳闸脉冲。然后使用所产生的跳闸脉冲来开启金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，该MOSFET激励螺旋管/通量移相器以使电路断路器跳闸。

常规的电子跳闸单元存在着若干问题。一个问题是电子跳闸单元可能出现有害的跳闸，这可能是由微控制器的故障或在低功率下来自微控制器端口的假信号造成的。也就是说，在电子跳闸单元的固有功率模式的期间，当电子跳闸单元的电压在微控制器处于复位(RESET)反复(toggling)状况(即，当复位信号不稳定且在高低值之间变化时)的范围内时，印刷电路板(PCB)的噪声拾取沿着微控制器至MOSFET的栅极之间。因此，需要一种滤去微控制器的假信号和PCB噪声以确保跳闸信号基于有效的故障情况的电子跳闸单元。

发明内容

本发明的一个示范性的实施例提供了一种电路断路器的电子跳闸单元。电子跳闸单元包括处理单元和比较电路。处理单元接收输入电压以及使电子跳闸单元复位的复位信号，并在所感测的电子跳闸单元的电流超过预定的阈值时产生跳闸信号。比较电路包括第一比较器和第二比较器，第一比较器接收来自处理单元的跳闸信号，并将跳闸信号与基于复位信号而确定的预定的参考电压进行比较，第二比较器将电源所产生的电压与预定的参考电压进行比较。比较电路基于第一比较器和第二比较器的比较结果而确定跳闸信号是否针对有效的跳闸事件。

本发明的另一示范性的实施例提供了一种控制电路断路器的电子跳闸单元的方法。该方法包括当所感测的电子跳闸单元的电流超过预定的阈值时通过电子跳闸单元的处理单元产生跳闸信号，通过第一比较器将跳闸信号与预定的参考电压进行比较，通过第二比较器将电源所产生的电压与预定的参考电压进行比较，以及当跳闸信号和电源所产生的电压超过预定的参考电压时确定跳闸信号针对有效的跳闸事件。

通过本发明的示范性的实施例的技术可实现其他的特征和优点。本发明的其它的实施例和方面在本文中被详细地描述，并被认为是所要求保护的本发明的一部分。为了更好地理解本发明及其优点和特征，可参照说明书和附图。

附图说明

图1是可以在本发明的实施例中实施的电路断路器的示意图。

图2是可以在本发明的实施例中实施的图1的电路断路器的电子跳闸单元的示意图。

图3是可以在本发明的实施例中实施的图2的电子跳闸单元的比较电路的电路示意图。

图4是可以在本发明的备选实施例中实施的图2的电子跳闸单元的比较电路的电路示意图。

部件列表

10电路断路器；11电源；20电子跳闸单元；22处理单元；24比较电路；26开关装置；30额定插头；36致动器；38第一比较器；40滤波电路；42电阻分压器；46第二比较器；48逻辑门；50带通滤波器；52比较器；RESET复位信号；R1电阻；R2电阻；R3电阻；R4上拉电阻；R5上拉电阻；R6电阻；R7电阻；C1电容器；C2电容器；C3电容器；TS跳闸信号；VCC输入电压；VHR干线高压(voltage high rail)；VREF预定的参考电压；VOUT输出电压；

具体实施方式

现转到更详细的附图，将可以看出在图1中有电路断路器10，该电路断路器包括电子跳闸单元20和耦合到电子跳闸单元20上的额定插头30。电路断路器10的跳闸单元20在必要时发生跳闸以断开电路，并从而中断电流。额定插头30设定额定电流并向电子跳闸单元20供给规定的额定电流，该额定电流是在各个单相期间电子电路中所允许的最大持续电流。电路断路器10中的电流变压器(CT)(在多相系统中与电流的各个相位结合一个)(未显示)向电子跳闸单元20提供电流。电流被发送至印刷电路板(PCB)(未显示)，并被整流且被用来对干线高压(VHR)电容器(未显示)充电，该电容器是输入电容器。横跨输入电容器的电压，例如VHR电压，由电压调节电路(未显示)进行调整，该电压调节电路确保VHR电压在正常工作下处于预定电压限制内。因此，根据本发明的一个实施例，电压由电源11产生(例如，如图2中所示)。电源11可以是以上提到的电路断路器10中的CT，或者是位于电路断路器10之外的外部电源。该电压代表了电源11的稳定性。此外，还向PCB和致动器(如图3中所示)提供电压以在必要时使电路断路器10跳闸。出于图中的图示的目的，在这里讨论了VHR电压，然而，本发明并不限于此。

图2图示了可以在本发明的实施例中实施的电子跳闸单元的示意图。如图2中所示，电子跳闸单元20包括处理单元即微控制器22、比较电路24以及开关装置26。微控制器22接收输入电压VCC和通电复位信号RESET以使电子跳闸单元复位，并在所感测的电路断路器10的电流超过预定的阈值时产生跳闸信号TS。根据本发明的一个示范性的实施例，复位信号RESET来源于输入电压VCC或电压复位监视集成电路(未显示)。如果复位信号RESET来源于输入电压VCC，那么，使用RC延迟充电电路，通过比较器(未显示)将复位信号RESET与输入电压VCC进行比较。只有当RC延迟充电电路的电压高于约4.6V时，比较器的输出将为高电平。备选地，如果复位信号RESET来源于电压复位监视IC，那么，电压复位监视IC的输出在输入电压VCC升高至约4.6V之上时为高电平，在输入电压VCC下降至约4.6V之下时为低电平。根据一个示范性的实施例，输入电压VCC约为5V。此外，根据一个示范性的实施例，输入电压VCC来源于VHR电压。

根据一个示范性的实施例，比较电路24接收来自微控制器22的跳闸信号TS并确定由微控制器22产生的跳闸信号TS是否基于有效的跳闸事件或无效的跳闸事件，该有效的跳闸事件例如为短路、过电流或接地故障等，该无效的跳闸事件例如为微控制器故障或假信号以及PCB迹线的噪声拾取。微控制器22的跳闸脉冲引脚连接到比较电路24上。根据一个实施例，比较电路24包括第一比较器38(如图3中所示)和第二比较器46(如图3中所示)。以下将参照图3描述比较电路24的详细说明。

此外，如图2中所示，电子跳闸单元20还包括开关装置26和致动器36(如图3中所示)，开关装置26在比较电路24的输出代表有效的跳闸事件时接收来自比较电路24的跳闸信号TS，致动器36在确定已发生有效的跳闸事件时接收来自开关装置26的跳闸信号TS并使电路断路器10跳闸。根据一个示范性的实施例，开关装置26例如为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、可控硅整流器(SCR)或绝缘栅双极性晶体管(IGBT)。然而，本发明并不限于此，可以使用任何合适的开关装置。

现将参照图3描述图2中所示的比较电路24的说明。

图3是电路示意图，其图示了可以在本发明的实施例中实施的图2的比较电路。如图3中所示，根据一个示范性的实施例，比较电路24可以包括滤波电路40，该滤波电路接收由微控制器22产生的跳闸信号TS并从跳闸信号TS滤出噪声。根据一个示范性的实施例，如果附近存在着大电流、电压模拟或数字信号所穿过的迹线，则噪声可能是PCB噪声和栅极信号迹线的任何噪声拾取。第一比较器38包括倒相输入端和非倒相输入端，在倒相输入端接收来源于输入电压VCC的预定的参考电压VREF，在非倒相输入端接收来自微控制器22的跳闸信号，并将跳闸信号TS与预定的参考电压VREF进行比较。备选地，滤波电路40可以接收来自微控制器22的跳闸信号，并过滤该跳闸信号，并且在第一比较器38的非倒相输入端传输过滤后的跳闸信号。第一比较器38还包括上拉电阻R4，该上拉电阻接收输入电压VCC并向着输入电压VCC引出第一比较器38的输出电压VOUT。根据本发明的一个示范性的实施例，预定的参考电压VREF是基于微控制器22所接收的复位信号RESET的状态而确定的。因而，当复位信号RESET为高电平(即稳定的复位高电平)时，预定的参考电压VREF约为2.5V。

根据一个示范性的实施例，滤波电路40包括具有电阻R1和电容器C1的RC滤波器。备选地，根据另一示范性的实施例，滤波电路40包括例如带通滤波器50(如图4中所示)。

根据一个示范性的实施例，比较电路24还包括接收VHR电压的电阻分压器42，该电阻分压器包括一对电阻R2和R3。第二比较器46包括倒相输入端和非倒相输入端，在倒相输入端接收预定的参考电压VREF，在非倒相输入端与电阻分压器42连接。第二比较器46将VHR电压与预定的参考电压VREF进行比较，以确定在有效的故障事件下，VHR电压是否在激发致动器36所需要的能级之上。还提供了上拉电阻R5，其接收输入电压VCC并向着输入电压VCC引出第二比较器46的输出电压VOUT。本发明并不限于使用电阻分压器，可以相应地进行改变。

根据一个示范性的实施例，比较电路24基于第一比较器38和第二比较器46的比较结果而确定跳闸信号TS是否针对有效的跳闸事件。

根据一个示范性的实施例，比较电路24还包括逻辑门48，该逻辑门接收第一比较器38的输出和第二比较器46的输出，并与开关装置26的栅极连接，使得当逻辑门48的输出为逻辑高电平时，逻辑门48的输出被传输至开关装置26的栅极。也就是说，当跳闸信号TS和VHR电压均超过预定的参考电压VREF时，跳闸信号TS被传输至开关装置26。备选地，当逻辑门48的输出为逻辑低电平时，比较电路24确定跳闸信号TS基于无效的跳闸事件。也就是说，当第一比较器38和第二比较器46确定跳闸信号TS或VHR电压小于预定的参考电压VREF时，比较电路24的输出为逻辑低电平，因而跳闸信号TS不被传输至开关装置26的栅极。因而，在低功率或起动时，即使当来自微控制器22的假信号或PCB迹线中的噪声拾取高于开关装置26的栅极信号时，来自逻辑门48的信号输出也将不传递至开关装置26。

根据当前示范性的实施例，逻辑门48是逻辑“与”门，然而，本发明并不限于此。备选地，逻辑门48例如可以为逻辑“或”门。

图4是可以在本发明的备选的示范性的实施例中实施的比较电路的电路示意图。图4的其中一些特征与图3中图示的特征相同，因此，对于相同的特征使用相同的标号，并省略其详细说明。如图4中所示，带通滤波器50设在第一比较器38的非倒相输入端。带通滤波器50包括电容器C2和C3、电阻R6和R7以及比较器52。带通滤波器50要求从微控制器22接收的跳闸信号TS的频率为预定频率，例如1KHz。因而，当确定其频率等于预定频率时，跳闸信号TS被传输至开关装置26。因此，当频率小于或大于预定频率时，跳闸信号将不被传输至开关装置26以使电路断路器10跳闸。

根据一个示范性的实施例，本发明并不限于被用来控制MOSFET，并且可以被用于诸如IGBT、功率晶体管等的任何其它开关装置中。另外，可以在模拟开关中实施相同的逻辑。

此外，根据一个示范性的实施例，电子跳闸单元确保在跳闸信号被应用于开关装置之前，VHR电压在致动器(即通量移相器)的激励电平之上。

根据本发明的一个示范性的实施例，使用比较电路以过滤由处理单元产生的跳闸信号防止了电路断路器的有害的跳闸，该跳闸可能是由于微控制器的故障、低功率(在电子跳闸单元的固有功率模式期间)下的来自微控制器的假信号以及PCB噪声拾取而引起的。

虽然已经参照示范性的实施例描述了本发明，但本领域的技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可做出各种变化，并且可用等同物替代其元件。另外，在不脱离本发明的本质范围的情况下，可以做出许多变型，以使具体的情形或材料适应本发明的教导。因此，本发明并不限于为了进行本发明而实施的、作为最佳模式而被公开的具体实施例，而是本发明将包括落在所附的权利要求的范围内的所有实施例。此外，术语“第一”、“第二”等的使用并不表示任何顺序或重要性，而是术语“第一”、“第二”等被用于将一个元件与另一元件区分开。

Claims (18)

1.一种电子跳闸单元，包括：

微控制器，接收输入电压和复位信号，并在所感测的所述电子跳闸单元的电流超过预定的阈值时产生跳闸信号；以及

比较电路，包括：

第一比较器，接收来自所述微控制器的所述跳闸信号，并将所述跳闸信号与基于所述复位信号的预定的参考电压进行比较；和

第二比较器，将电源所产生的电压与所述预定的参考电压进行比较，

其中，所述比较电路基于所述第一比较器和第二比较器的比较结果而确定所述跳闸信号是否针对有效的跳闸事件。

2.根据权利要求1所述的电子跳闸单元，其特征在于，当所述跳闸信号和所述电源所产生的电压超过所述预定的参考电压时，所述比较电路的输出为逻辑高电平，有利于所述跳闸信号的传输以使电路断路器跳闸。

3.根据权利要求2所述的电子跳闸单元，其特征在于，还包括：

开关装置，在所述比较电路的输出代表有效的跳闸事件时，接收来自所述比较电路的所述跳闸信号；以及

致动器，接收来自所述开关装置的所述跳闸信号，并使所述电路断路器跳闸。

4.根据权利要求3所述的电子跳闸单元，其特征在于，所述开关装置包括金属氧化物半导体场效应晶体管、可控硅整流器以及绝缘栅双极性晶体管中的至少一个。

5.根据权利要求3所述的电子跳闸单元，其特征在于，当所述比较电路的输出为逻辑低电平时，所述比较电路确定所述跳闸信号基于无效的跳闸事件。

6.根据权利要求3所述的电子跳闸单元，其特征在于，所述比较电路还包括：

第一比较器，包括倒相输入端和非倒相输入端，在所述倒相输入端接收所述预定的参考电压，在所述非倒相输入端接收所述跳闸信号，并将所述跳闸信号与所述预定的参考电压进行比较；以及

上拉电阻，接收所述输入电压，并向着所述输入电压引出所述第一比较器的输出电压。

7.根据权利要求6所述的电子跳闸单元，其特征在于，所述比较电路还包括：

电阻分压器，包括一对电阻，接收由所述电源产生的电压；

第二比较器，包括倒相输入端和非倒相输出端，在所述倒相输入端接收所述预定的参考电压，在所述非倒相输入端与所述电阻分压器连接，并将所述电压与所述预定的参考电压进行比较；以及

上拉电阻，接收所述输入电压，并向着所述输入电压引出所述第二比较器的输出电压。

8.根据权利要求6所述的电子跳闸单元，其特征在于，所述比较电路还包括滤波电路，该滤波电路连接在所述第一比较器的非倒相输入端上，接收由所述微控制器产生的跳闸信号并从所述跳闸信号滤出噪声，其中，由所述第一比较器将经过滤的跳闸信号与所述预定的参考电压进行比较。

9.根据权利要求8所述的电子跳闸单元，其特征在于，所述滤波电路包括具有电阻和电容器的RC滤波器，或者带通滤波器。

10.根据权利要求7所述的电子跳闸单元，其特征在于，所述预定的参考电压为2.5V，并且所述输入电压为5V。

11.根据权利要求10所述的电子跳闸单元，其特征在于，所述比较电路还包括：

逻辑门，接收所述第一比较器的输出和所述第二比较器的输出，并与所述开关装置的栅极连接，使得当所述逻辑门的输出为逻辑高电平时，所述逻辑门的输出被传输至所述开关装置的栅极。

12.根据权利要求11所述的电子跳闸单元，其特征在于，所述逻辑门是逻辑“与”门。

13.根据权利要求9所述的电子跳闸单元，其特征在于，在所述滤波电路为带通滤波器的情况下，当确定所述过滤后的跳闸信号的频率等于预定频率时，所述过滤后的跳闸信号被传输至所述开关装置。

14.根据权利要求13所述的电子跳闸单元，其特征在于，所述预定频率等于1KHz。

15.一种用于控制电路断路器的电子跳闸单元的方法，该方法包括：

在所感测的所述电子跳闸单元的电流超过预定的阈值时，通过所述电子跳闸单元的微控制器来产生跳闸信号；

通过第一比较器将所述跳闸信号与预定的参考电压进行比较；

通过第二比较器将电源所产生的电压与所述预定的参考电压进行比较；以及

当确定所述跳闸信号和所述电源所产生的所述电压超过所述预定的参考电压时，确定所述跳闸信号针对有效的跳闸事件。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括：当确定所述跳闸信号针对有效的跳闸事件时，将所述跳闸信号传输至开关装置；以及

基于所传输的所述跳闸信号而使所述电路断路器跳闸。

17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述预定的电压为2.5V。

18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括：在将所述跳闸信号与所述预定的参考电压进行比较之前，从所产生的跳闸信号滤出噪声。

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