CN102017041B

CN102017041B - 对ac继电器进行快速放电的系统和方法

Info

Publication number: CN102017041B
Application number: CN200980115235.2A
Authority: CN
Inventors: 马尔科姆·J·克里奇利
Original assignee: Leach International Corp
Current assignee: Leach International Corp
Priority date: 2008-04-28
Filing date: 2009-04-28
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2029-04-28
Also published as: ES1075908Y; DE212009000063U1; US8116059B2; US20090284878A1; WO2009134818A1; ES1075908U; CN102017041A; ES1075908U8

Abstract

本发明提供一种用于对AC继电器进行快速放电的系统和方法。在一个实施例中，本发明涉及用于对继电器的继电器线圈进行放电的电路，所述电路包括：具有跨接整流器电路布置的继电器线圈的继电器电路，其中所述继电器线圈被配置为在被充分供电时激励至少一个负载开关；包括跨接所述继电器线圈的抑制电路和串联在所述继电器线圈与所述整流器电路之间的隔离电路的继电器释放电路；以及被配置为向所述整流器电路提供电压以给所述继电器线圈供电的控制电路，其中所述隔离电路被配置为基于来自所述控制电路的信号隔离所述继电器线圈和抑制电路。

Description

对AC继电器进行快速放电的系统和方法

技术领域

本发明一般涉及对交流(AC)继电器进行快速放电的系统和方法。更具体地说，本发明涉及用于最小化对使用AC电源充电的直流(DC)继电器线圈进行放电所花费的时间量的系统。

背景技术

继电器线圈是电感器，并且对抗电流的改变。经常在AC继电器内使用DC线圈以产生能够激励一个或多个负载开关的合闸力。在这种情况下，对AC电压进行整流，然后将其施加至DC线圈，DC线圈存储所施加的能量并产生合闸力。一旦达到电压或能量阈值，负载开关就被DC线圈的合闸力激励。随着线圈的电源电压被切断，线圈的电感使得高电压峰值产生。这种高电压峰值会损坏控制逻辑、电源和开关触点。

AC继电器经常包括将AC电压转换为用于对DC线圈进行充电的DC电压的整流器电路，例如全波或半波整流器电路。全波整流器电路通常包括采用桥式配置的四个二极管。在这种情况下，DC线圈经常跨接二极管桥。在对DC线圈充电至足以提供合闸力之后，移除AC电源电压。DC线圈中存储的能量由二极管在一段时间内耗散。然而，耗散DC线圈中存储的能量所需的时间段会很长。

发明内容

本发明的方面涉及对AC继电器进行快速放电的系统和方法。在一个实施例中，本发明涉及一种用于对继电器线圈进行放电的电路，所述电路包括：被配置为给所述继电器线圈供电的电源；连接至所述电源的整流器电路，所述整流器电路具有至少一个二极管；继电器释放电路，包括，连接至所述整流器电路的开关，所述开关与所述继电器线圈串联，其中所述继电器线圈连接至所述整流器电路，以及并联连接至所述继电器线圈的抑制电路，所述抑制电路包括与齐纳二极管串联的第二二极管；其中所述继电器线圈被配置为在被充分供电时提供足以激励与至少一条切换电源线连接的至少一个负载开关的合闸力；并且其中所述抑制电路被配置为对存储在所述继电器电路中的能量进行放电。

在另一实施例中，本发明涉及一种用于对继电器线圈进行放电的电路，所述电路包括：具有跨接整流器电路布置的继电器线圈的继电器电路，其中所述继电器线圈被配置为在被充分供电时激励至少一个负载开关；继电器释放电路，包括：跨接所述继电器线圈的抑制电路和串联在所述继电器线圈与所述整流器电路之间的隔离电路；以及控制电路，被配置为向所述整流器电路提供电压以给所述继电器线圈供电；其中所述隔离电路被配置为基于来自所述控制电路的信号隔离所述继电器线圈和抑制电路。

附图说明

图1是根据本发明实施例的包括AC继电器电路的电源控制系统的示意性框图。

图2是根据本发明实施例的包括全波整流器和快速释放电路的AC继电器电路的示意图。

图3是根据本发明实施例的对具有快速释放电路的AC继电器电路进行操作的过程的流程图。

图3a是根据本发明实施例的由具有快速释放电路的AC继电器电路执行的动作序列的流程图。

图4是根据本发明实施例的包括全波整流器和快速释放电路的AC继电器电路的示意图。

图5是根据本发明实施例的包括半波整流器和快速释放电路的AC继电器电路的示意图。

图6是根据本发明实施例的包括全波整流器和快速释放电路的AC继电器电路的示意图。

具体实施方式

现在转向附图，附图示出对AC继电器进行快速放电的系统和方法的实施例。AC继电器通常包括在由整流器电路施加充足的电压时提供合闸力的DC线圈。整流器电路将来自AC控制电源的能量转换为DC。连接至整流器电路的快速释放电路在AC电源被切断时隔离DC线圈，并且快速耗散在DC线圈中存储的能量。在若干实施例中，快速释放电路包括与DC线圈串联的开关以及包括串联的传统二极管和齐纳二极管的抑制电路，其中抑制电路并联跨接DC线圈。

在某些实施例中，快速释放电路与全波桥式整流器电路结合使用。在其它实施例中，快速释放电路与半波整流器电路一起使用。对于全波桥式整流器电路，存储在DC线圈中的能量在电源被切断时会经由桥式二极管耗散。然而，在线圈的供电电压被切断之后，充分耗散所存储的能量以改变继电器电枢的位置所需的时间段或释放时间对于某些应用来说可能太长。在一个实施例中，例如，20毫秒(ms)或更长的释放时间太长。使用快速释放电路，可以显著减少释放时间。在一个实施例中，例如，释放时间可以减少至10ms或更短。在某些实施例中，释放时间减少50到500百分比。

在一个实施例中，具有快速释放电路的AC继电器可以用于控制航空器电力系统中的配电。可以使用DC或AC(单相、两相或三相)系统或其组合中的任一个进行配电。在多个实施例中，AC继电器具有开关DC电源的一个负载开关。在若干实施例中，DC电源在28伏、26伏或270伏下工作。在一个实施例中，DC电源在11至28伏的范围内工作。在其它实施例中，AC继电器包括切换AC电源不同相位的三个负载开关。在一个实施例中，AC电源在115伏和400Hz的频率下工作。在其它实施例中，具有快速释放电路的AC继电器具有不止单个负载开关，其中每个负载开关可以开关DC电源或AC电源的单相。在其它实施例中，电源在其它电压和其它频率下工作。在一个实施例中，DC电源可以包括电池、辅助电源单元和/或外部DC电源。在一个实施例中，AC电源可以包括发电机、冲压空气涡轮和/或外部AC电源。

图1是根据本发明实施例的包括AC继电器电路104的电源控制系统100的示意性框图。电源控制系统100包括连接至继电器电路104的电源102。继电器电路104还连接至负载106和控制电路108。

工作中，继电器电路104基于从控制电路108接收的输入来控制从电源102至负载106的电流流动。在一个实施例中，电源是航空器中使用的AC电源。在这种情况下，负载是诸如航空器照明或航空器加热和冷却系统之类的航空器负载。

在若干实施例中，继电器电路104包括DC线圈和快速释放电路。快速释放电路可以在控制电路108所提供的电源被切断或移除时隔离DC线圈，并且快速耗散在DC线圈中存储的能量。

图2是根据本发明实施例的包括全波整流器电路和快速释放电路的AC继电器电路200的示意图。AC继电器电路进一步包括与负载开关203连接的电源202。负载开关203的位置由DC线圈218中产生的合闸力控制。负载开关203还连接至负载206。

AC控制电源208由第一开关226连接至全波整流器。全波整流器包括采用二极管桥式整流器配置的四个二极管(210、212、214和216)。二极管210和216连接至AC控制208。二极管212和214经由开关226连接至AC控制208。二极管210和二极管212的阴极由节点211连接。二极管214和二极管216的阳极由节点215连接。快速释放控制开关220和DC线圈218串联跨接二极管桥或连接在节点211与节点215之间。二极管222和齐纳二极管224采用背靠背配置连接，例如，其中两个二极管的阳极连接在一起，并与DC线圈218并联。在另一实施例中，二极管222和齐纳二极管224的阴极连接在一起。在一个实施例中，控制开关220、二极管222、齐纳二极管224和DC线圈218形成快速释放电路。

图3是根据本发明实施例的对具有快速释放电路的AC继电器电路进行操作的过程的流程图。在特定实施例中，结合图2的快速释放电路执行该过程。在块302中，该过程开始于闭合开关S1和开关S2以使用AC控制电源对DC线圈进行充电。在块304中，该过程确定DC线圈是否已充分充电至产生激励负载开关所需的合闸力。如果DC线圈还没有充分充电，则该过程返回至块302并继续对DC线圈进行充电。如果DC线圈已充分充电，则该过程继续块306。在块306中，该过程打开开关S1，开关S1将整流器与AC控制电源隔离。在块308中，该过程打开开关S2以将DC线圈与整流器隔离。在多个实施例中，DC线圈响应于AC控制电源所供应的电流的突然丧失而产生反电压或反电动势(EMF)。在块310中，该过程使用快速释放电路对存储在DC线圈中的能量(例如，反电压)进行放电。

在图2所示的实施例中，快速释放电路包括采用背靠背配置的二极管222和齐纳二极管224。在若干实施例中，如果DC线圈中产生的反EMF大于齐纳二极管的击穿电压，则齐纳二极管以反向偏置模式工作，并且允许受控制的电流量流过齐纳二极管，从而流过传统二极管。在这种情况下，由于电流流过两个二极管并且返回DC线圈，因此两个二极管都耗散能量。该耗散周期可以重复，直到DC线圈被完全放电。在某些实施例中，DC线圈在单个周期中放电。在若干实施例中，齐纳二极管的值，即齐纳电压或击穿电压，被选择为能够实现特定的释放时间。在一个实施例中，例如，200伏的齐纳二极管能够实现小于10ms的释放时间。

在一个实施例中，该过程可以以任意顺序执行图示的动作。在另一实施例中，该过程可以省略一个或多个动作。在某些实施例中，该过程执行与该过程结合的附加动作。在其它实施例中，同时执行一个或多个动作。

图3a是根据本发明实施例的由具有快速释放电路的AC继电器电路执行的动作序列的流程图。在特定实施例中，结合图2的快速释放电路执行该过程。在块320中，该电路开始于经由充电电压接收能量。在一个实施例中，充电电压由AC控制电源提供。在块322中，该电路在继电器线圈中存储所接收的能量。在块324中，该电路产生足以激励一个或多个负载开关的合闸力。在块326中，该电路在充电电压被切断时产生反EMF。在若干实施例中，继电器线圈产生反EMF。

在块328中，该电路使用隔离电路来隔离继电器线圈和抑制电路。在块330中，该电路允许反EMF增大至预定水平，使得与继电器线圈相关联的释放时间得以显著减少。在某些实施例中，电路将AC继电器的释放时间减少50百分比至500百分比。在块332中，电路在反EMF增大至预定水平之后抑制反EMF。在一个实施例中，预定水平为200伏。在块334中，该电路防止在隔离电路两端形成电弧。在一个实施例中，抑制电路包括与齐纳二极管串联的传统二极管。在若干实施例中，齐纳二极管的值或击穿电压被选择为使得其小于隔离电路两端的起弧电压。在这种情况下，齐纳二极管会在隔离电路两端发生电弧之前导通。

在一个实施例中，该电路可以以任意顺序执行图示的动作。在另一实施例中，该电路可以省略一个或多个动作。在某些实施例中，该电路执行附加的动作。在其它实施例中，同时执行一个或多个动作。

图4是根据本发明实施例的包括全波整流器和快速释放电路的AC继电器电路400的示意图。AC继电器电路400进一步包括与负载开关403连接的电源402。负载开关403的位置(例如，负载开关的电枢的位置)由DC线圈418中产生的合闸力控制。负载开关403还连接至负载406。

AC控制电源408由第一开关426连接至全波整流器。全波整流器包括采用二极管桥式整流器配置的四个二极管(410、412、414和416)。二极管410和416连接至AC控制408。二极管412和414经由开关426连接至AC控制408。二极管410和二极管412的阴极由节点411连接。二极管414和二极管416的阳极由节点415连接。这里使用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)实现的快速释放控制开关420和DC线圈418串联跨接二极管桥或连接在节点411与节点415之间。二极管422和齐纳二极管424采用背靠背配置连接，例如，其中两个二极管的阳极连接在一起，并与DC线圈418并联。在另一实施例中，二极管422和齐纳二极管424的阴极连接在一起。

在若干实施例中，控制开关420、二极管422、齐纳二极管424和DC线圈418形成快速释放电路。在一个实施例中，齐纳二极管的值或击穿电压被选择为使得其恰好小于MOSFET开关420的寄生二极管的击穿电压。在这种情况下，电路工作为使得齐纳二极管在MOSFET开关允许反向导通之前导通。在其它实施例中，齐纳二极管的值可以基于其它电路特性来选择。在某些实施例中，齐纳二极管的值被选择为使得可以防止在开关触点之间形成电弧。

在某些实施例中，当DC线圈的反EMF大于齐纳二极管的击穿电压时，齐纳二极管以反向偏置模式工作，并且允许受控制的电流量流过齐纳二极管，从而流过传统二极管。在这种情况下，由于电流流过两个二极管并且返回DC线圈，因此两个二极管都耗散能量。该耗散周期可以重复，直到DC线圈被完全放电。在若干实施例中，齐纳二极管的值，即齐纳电压或击穿电压，以及MOSFET的特性(例如，寄生二极管的击穿电压的值)被选择为能够实现特定的释放时间。例如，在一个实施例中，具有200伏击穿电压的齐纳二极管能够实现小于10ms的释放时间。在这种情况下，可以使用其寄生二极管的击穿电压大于200伏的MOSFET。例如，在一个实施例中，寄生二极管的击穿电压为500V。在另一实施例中，可以使用分离的齐纳二极管来代替所描述的采用并联配置跨接MOSFET 420的寄生(齐纳)二极管。

图5是根据本发明实施例的包括半波整流器和快速释放电路的AC继电器电路500的示意图。AC继电器电路500进一步包括连接至负载开关503的电源502。负载开关503的电枢的位置由DC线圈514中产生的合闸力控制。负载开关503还连接至负载506。

AC控制电源508由半波整流器二极管510连接至DC线圈514。AC控制电源508还由MOSFET开关512连接至DC线圈514。二极管516和齐纳二极管518采用背靠背串联配置连接，例如，其中两个二极管的阳极连接在一起，并跨接(例如，并联至)DC线圈514。在可替代实施例中，二极管516和齐纳二极管518的阴极连接在一起。

工作中，AC继电器电路500可以如图3中所述的那样工作。在若干实施例中，控制开关512、二极管516、齐纳二极管518和DC线圈514形成快速释放电路。在一个实施例中，齐纳二极管的值或击穿电压被选择为使得其小于MOSFET开关512的寄生二极管的击穿电压。在这种情况下，电路工作为使得齐纳二极管在MOSFET开关允许反向导通之前导通。在这种情况下，可以防止在MOSFET开关两端形成电弧。在其它实施例中，齐纳二极管的值可以基于其它电路特性来选择。在多个实施例中，齐纳二极管的值被选择为使得可以防止在开关触点之间形成电弧。

在某些实施例中，当DC线圈的反EMF大于齐纳二极管的击穿电压时，齐纳二极管以反向偏置模式工作，并且允许受控制的电流量流过齐纳二极管和传统二极管。在这种情况下，由于电流流过两个二极管并且返回DC线圈，因此两个二极管都耗散能量。该耗散周期可以重复，直到DC线圈被完全放电。

在某些实施例中，DC线圈在单个周期中放电。在若干实施例中，齐纳二极管的值，即齐纳电压或击穿电压，和MOSFET的特性(例如，寄生二极管的击穿电压的值)被选择为能够实现特定的释放时间。例如，在一个实施例中，具有200伏击穿电压的齐纳二极管能够实现小于10ms的释放时间。在这种情况下，可以使用其寄生二极管的击穿电压大于200伏的MOSFET。在一个实施例中，例如，寄生二极管的击穿电压为500V。在另一实施例中，可以使用分离的齐纳二极管来替代所描述的寄生(齐纳)二极管。在这种情况下，分离的齐纳二极管可以改善MOSFET开关对反EMF的响应和/或保护电路免受其它电涌(例如闪电)。

在某些实施例中，快速释放电路将AC继电器的释放时间减少50百分比至500百分比。在这种情况下，具有快速释放电路的AC继电器无论在什么情况下工作都比传统的AC继电器快从50到500百分比。

图6是根据本发明实施例的包括全波整流器和快速释放电路的AC继电器电路600的示意图。AC继电器电路600包括连接至具有快速释放电路的二极管桥式整流器的AC控制电源608，其中快速释放电路包括跨接二极管桥式整流器的DC线圈。二极管桥式整流器包括采用二极管桥式整流器配置的四个二极管(610、612、614和616)。二极管610和616连接至AC控制608。二极管612和614连接至AC控制608。二极管610和二极管612的阴极由节点611连接。二极管614和二极管616的阳极由节点615连接。

这里使用MOSFET实现的快速释放控制开关620和DC线圈618串联跨接二极管桥或连接在节点611与节点615之间。二极管622和齐纳二极管624采用面对面配置(例如，其中两个二极管的阴极串联连接在一起)跨接DC线圈618。在另一实施例中，二极管622和齐纳二极管624的阳极连接在一起。电阻器626连接至节点611和第二齐纳二极管628的阴极。齐纳二极管628的阳极连接至MOSFET开关620的栅极、电容器630和电阻器632。电容器630和电阻器632还连接至节点615，节点615接地。在图示的实施例中，MOSFET开关620的漏极连接至二极管622和DC线圈618。MOSFET开关620的源极连接至节点615。在图示的实施例中，MOSFET开关620包括体齐纳二极管或固有的二极管，其具有连接至漏极的阴极和连接至源极的阳极。在其它实施例中，分离的齐纳二极管以类似的极性跨接MOSFET开关620的漏极和源极。

在若干实施例中，电阻器626、齐纳二极管628、电容器630和电阻器632的值被选择为，使得与施加至DC线圈618的电压达到适于使DC线圈产生足以激励继电器电枢(未示出)的合闸力的水平基本同时接通MOSFET开关620。在这种情况下，MOSFET开关620打开并隔离DC线圈618和暂态抑制元件(齐纳二极管624和二极管622)。包括电容器630和电阻器632的RC电路将MOSFET开关620的栅电压维持足以允许暂态抑制元件对DC线圈进行完全放电的时间段。在若干实施例中，齐纳二极管624具有相对较高的击穿电压，从而产生大的反EMF，并将其快速耗散。在这种情况下，DC线圈的释放时间与传统继电器相比显著减少。

在一个实施例中，齐纳二极管624具有200伏的击穿电压，而齐纳二极管628具有12伏的击穿电压。在其它实施例中，可以使用具有不同击穿电压的齐纳二极管。

在多个实施例中，具有快速释放电路的AC继电器的附加特性被设计为适用于特别指定的反EMF。例如，在若干实施例中，实现AC继电器的印刷电路板上迹线的分离，使得可以防止在指定的反EMF下迹线之间形成电弧。在其它实施例中，应用于DC线圈的涂层的材料和厚度被选择为，使得可以防止在指定的反EMF下绕组之间形成电弧和/或基于反EMF的大小对涂层的损坏。

尽管以上描述包含本发明的诸多具体实施例，但是这些实施例不应当被解释为对本发明范围的限制，而应当被解释为本发明具体实施例的示例。因此，本发明的范围不应当由图示的实施例确定，而由所附权利要求及其等同物确定。

Claims

1.一种用于对继电器线圈进行放电的电路，所述电路包括：

被配置为产生交流电流信号用于给所述继电器线圈供电的电源；

连接至所述电源的整流器电路，所述整流器电路包括至少一个二极管；以及

继电器释放电路，包括：

连接至所述整流器电路的开关，所述开关与所述继电器线圈串联，其中所述继电器线圈连接至所述整流器电路：以及

并联连接至所述继电器线圈的抑制电路，所述抑制电路包括与齐纳二极管串联的第二二极管，

其中所述继电器线圈被配置为在被充分供电时提供足以激励与至少一条切换电源线连接的至少一个负载开关的合闸力，

其中所述抑制电路被配置为对存储在所述继电器线圈中的能量进行放电，

其中所述整流器电路被配置为对所述交流电流信号进行整流，

其中所述开关是MOSFET开关，并且

其中所述MOSFET开关的栅极连接到串联连接的第二齐纳二极管和电阻器与RC并联电路之间的节点，所述RC并联电路、所述第二齐纳二极管和所述电阻器跨接所述整流器电路。

2.根据权利要求1所述的电路，

其中所述开关具有预先选择的电压极限值；并且

其中所述齐纳二极管具有小于所述开关的电压极限值的击穿电压。

3.根据权利要求2所述的电路，其中施加至所述开关的小于所述电压极限值的电压不会使在所述开关两端形成电弧。

4.根据权利要求2所述的电路，其中所述MOSFET开关的预先选择的电压极限值基于所述MOSFET开关的体二极管的特性。

5.根据权利要求1所述的电路，其中所述整流器电路包括桥式整流器电路，所述桥式整流器电路包括采用桥式配置的四个二极管。

6.根据权利要求1所述的电路，其中所述第二二极管的阳极连接至所述齐纳二极管的阳极。

7.根据权利要求1所述的电路，其中所述第二二极管的阴极连接至所述齐纳二极管的阴极。

8.根据权利要求1所述的电路，所述开关被配置为将所述继电器线圈和所述抑制电路与所述整流器电路隔离。

9.根据权利要求1所述的电路，其中所述至少一个负载开关被配置为控制第二电源与负载之间的电流流动。

10.一种用于对继电器线圈进行放电的电路，所述电路包括：

包括跨接整流器电路布置的继电器线圈的继电器电路，其中所述继电器线圈被配置为在被充分供电时激励至少一个负载开关；

继电器释放电路，包括：

跨接所述继电器线圈的抑制电路；和

串联在所述继电器线圈与所述整流器电路之间的隔离电路；以及

控制电路，被配置为向所述整流器电路提供交流电流信号以给所述继电器线圈供电，

其中所述隔离电路被配置为基于来自所述控制电路的信号隔离所述继电器线圈和抑制电路，

其中所述开关是MOSFET开关，并且

11.根据权利要求10所述的电路，其中所述抑制电路被配置为耗散在所述继电器线圈中存储的能量。

12.根据权利要求10所述的电路，其中所述继电器电路被配置为在从所述继电器线圈耗散足够的能量时释放所述至少一个负载开关。

13.根据权利要求10所述的电路，其中所述继电器释放电路被配置为最小化包括所述继电器线圈的继电器的释放时间。

14.根据权利要求10所述的电路，其中所述整流器电路包括桥式整流器电路，所述桥式整流器电路包括采用桥式配置的四个二极管。

15.根据权利要求10所述的电路，其中所述隔离电路是开关。

16.根据权利要求15所述的电路，

其中所述开关具有预先选择的电压极限值；

其中所述抑制电路包括与二极管串联的齐纳二极管；并且

其中所述齐纳二极管的击穿电压小于所述开关的电压极限值。

17.根据权利要求10所述的电路，其中所述抑制电路包括与二极管串联的齐纳二极管。

18.根据权利要求10所述的电路，所述隔离电路被配置为将所述继电器线圈和所述抑制电路与所述整流器电路隔离。

19.根据权利要求10所述的电路，其中所述至少一个负载开关被配置为控制第二电源与负载之间的电流流动。