CN102064047A - 适用于高压直流场合的继电器和开关管并联电路 - Google Patents

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适用于高压直流场合的继电器和开关管并联电路，光耦11输出一端接到功率继电器线包RL1A，同时接到工作时序电路12，工作时序电路12输出接到开关管驱动电路14，驱动电路14接到主开关管，主开关管与功率继电器的触点RL1B并联。上、下电时序保护电路13的辅助继电器RL2的一常开触点RL2B串接到供电电源和功率继电器RL1的线包RL1A串联路径上；另一常闭触点RL2C并接到主开关管栅极与地（源极），栅极与触点间可以加上一个电阻。本发明能保证各种工作状态及过程中，主功率管和功率继电器触点的正确配合工作。

Description

适用于高压直流场合的继电器和开关管并联电路
技术领域
本发明涉及继电器与开关管并联在高电压直流系统中对负载进行切换，尤其涉及继电器与开关管并联的时间逻辑控制电路。
背景技术
继电器有着非常广泛的应用，电磁式继电器是比较常用的一种，大多数电磁式继电器只能切断交流电。在额定负载电流下，常用的功率继电器只能切断30V以内的直流电，切断高于30V的直流电，继电器的触点会出现拉弧而烧坏。但是，许多场合希望继电器能切换更高电压的直流电，如有些汽车中的供电系统，电压超过40V；电力系统中的直流供电系统，电压为110V/220V等。
普通功率继电器线包与触点间的动作与返回延时一般是几到几十毫秒。要使继电器能切换高压直流电，必须要保证在上面两个时间段内触点间不能有电流流过，尤其是断开的时间段内，一旦有电流流过，必然会出现拉弧现象，有些拉弧一次就能烧坏触点。相比继电器动作时间（毫秒级），MOSFET或IGBT的开关时间非常短（小于1uS），可以忽略不计，同时MOSFET或IGBT驱动电压建立完后，几乎不需要驱动维持电流（小于1uA），因此，依靠MOSFET或IGBT本身的寄生电容或外加的电容，没有放电途径的情况下，MOSFET或IGBT能一直维持导通状态很长时间，但是，如果任由驱动端的电压缓慢降低栅（门）极驱动电压至关断电压，而负载电压仍然加在源、漏极上，会导致MOSFET或IGBT关断损耗急剧上升而烧坏，这是使用时同样要注意的。
为了解决对高压直流负荷的切换问题，发展出了直流继电器、固态继电器等，还有的采用功率管替代继电器进行高压直流的切换。其中，直流继电器保持了继电器的主要优点，即隔离和触点损耗低，但是体积、重量大，价格高。固态继电器能切断大功率高压直流负荷，但同样价格昂贵，体积、重量大，而且有一定通态电压，损耗大，需要对其处理散热问题。功率管虽然价格便宜，但同样损耗大，需要散热器散热。
对于继电器与功率管的并联，已经在一些场合使用、出现过，如中国专利200910107593.0中采用可控硅与功率继电器并联，用以保护继电器的触点，但其还是针对交流应用场合。
如果能将普通功率继电器结合开关管用于切换大功率高压直流负荷，会大大降低成本。但是，要想将交流继电器用于切换高压直流电，必须解决如下三个问题：1、电路拓扑要可靠。2、时序上要正确。3、必须有可靠的上、下电防护。上面三个条件任何一个存在问题或隐患将会直接导致继电器或功率管的损坏，这是这种方法一直得不到广泛应用的原因。
发明内容
本发明的目的在于解决普通功率继电器在高压直流场合的应用。本发明采用纯模拟器件，由电阻、二极管、稳压管、电容、三极管、继电器、高压开关管（主要是MOSFET、IGBT）等高可靠性、低成本的元器件构成，这些器件的抗干扰能力强，不易损坏。本发明能够可靠实现继电器和开关管的工作时序，对电路上、下电提供可靠的保护，并能消除正常工作时继电器触点吸合抖动带来的不良影响。同时，由于MOSFET或IGBT导通状态下有负载电流流过的时间很短（几十毫秒），MOSFET或IGBT是无须加散热器的。
为了实现上述功能，本发明提供以下技术方案：
本技术方案是通过对继电器与开关管工作时序控制实现继电器触点吸合、断开直流电时的防护，通过增加上电保护电路和供电电源掉电保护电路提高继电器与开关管并联电路的可靠性。控制信号I/O接到光耦11（不进行强弱电隔离可以不用），光耦11输出一端接到功率继电器线包RL1A，同时接到工作时序电路12，工作时序电路12输出接到开关管驱动电路14，驱动电路14接到主开关管，主开关管与功率继电器的触点RL1B并联。上、下电时序保护电路13的辅助继电器RL2的一常开触点RL2B串接到供电电源和功率继电器RL1的线包RL1A串联路径上；另一常闭触点RL2C并接到主开关管栅极与地（源极），栅极与触点间可以加上一个电阻。
本发明的工作原理如下：
分三个阶段说明继电器与开关管并联工作的原理，一是电路上电；二是正常工作时吸合、断开继电器，附图3给出了一个吸合、断开时序波形；三是电路断电。
功率继电器RL1触点闭合延时时间为tr1，RL1触点断开延时时间为tr2。
上电过程：1、如果光耦11输出端是低电平（光耦副边导通状态），则三极管Q1处于关断状态，上电延时电路13会封锁线包RL1A供电和主开关管驱动一段时间，这段时间由电阻R6、R7电容C2和稳压管D3决定，设为tr13A，这段时间结束后，三极管Q2导通，辅助继电器经过本身的延时后其常闭触点RL2C断开，常开触点RL2B吸合，由于Q1是截止状态，VCC通过驱动电阻R4、R5给主开关管驱动端供电，主开关管Q3迅速导通，同时，经过继电器RL1本身的延时tr2后，触点RL1B也闭合，大功率高压直流负荷通路接通，之后主开关管和功率继电器触点RL1B也一直处于导通状态，这个过程无误动作。2、如果光耦11输出端是高电平（光耦副边截止状态），上电延时电路13同样会封锁线包RL1A供电和主开关管驱动一段时间，在这段时间等于或略微大于工作时序电路12中电源VCC通过电阻R3、R1、电容C1和稳压管D2形成延时时间（tr12A），tr13A结束后，三极管Q1处于导通，辅助继电器经过本身的延时后其常闭触点RL2C断开，常开触点RL2B吸合，由于11输出端是高电平，功率继电器线包RL1A无工作电流，触点RL1B仍然断开，同时，由于Q1处于导通状态，主开关管的驱动不会建立驱动电压。主开关管和触点RL1B均处于断开状态，之后主开关管和功率继电器触点RL1B也一直处于断开状态，这个过程也无误动作。需要说明的是，主开关管和触点与I/O口之间会存在一定的延时，上电过程中I/O口输出不稳定也不会造成主开关管和触点的损坏。
正常工作时：上、下电时序保护电路13是不起作用的，其常闭触点一直处于断开状态，常开触点一直处于闭合状态。1、当I/O口发出闭合继电器命令时，光耦11的输出端为低电平，供电电压立刻加到继电器线包上，同时时序电路12中的电容C1通过加速放电电阻R2、二极管D1迅速放电，三极管Q1迅速关断，供电电源通过电阻R4、R5对主开关管的栅极电容C3迅速充电，当达到门极开通电压后，主开关管导通，由于继电器线包加电到触点的吸合一般有几毫秒的延时，主开关管会比继电器触点略微提前一点导通，使负载电流首先流过开关管，消除了触点端电压抖动，接着继电器触点完全吸合，负载电流再转到触点上流过；在触点闭合状态下，主开关管一直处于导通状态。2、当I/O口发出断开继电器命令时，光耦11的输出端为高电平（截止），继电器线包电流通路被切断，虽然有部分的电流流过继电器线包RL1A、工作时序电路12中电阻R1给电容C1充电，但由于限流电阻R1的影响，线包电流远远小于触点维持的电流，触点开始断开；经过时间tr12A，触点RL1B已经完全断开，三极管Q1导通，主开关管的栅极电荷通过、放电电阻R5、三极管Q1迅速放电，主开关管Q3关断，整个高压直流负载电路切断。触点RL2B断开时两端的电压只有开关管的导通电压，能够安全的断开，不会出现拉弧，负载电流由触点转移到主开关管上，等触点完全断开后，主开关管略微延时导通一段时间也断开，这样，负载电流被切断，直流电压加到主开关管和继电器的触点上，触点断开状态时承受一定的高直流电压是没有任何问题的。同时，由于主开关管只承受很短时间的负载电流，发热很小，无须加散热器。正常工作时序图见附图3。
断电过程：1、光耦11输出端是低电平，VCC断电，这时继电器线包RL1A的电流迅速降到零，继电器触点RL1B开始断开；Q1原来是处于截止状态，主开关管栅极电容C3没有放电回路，主开关管会继续维持导通状态，上、下电时序保护电路13中的储能电容C4会使辅助继电器维持工作一段时间tr13B，然后Q2关断，通过本身的延时后，触点RL2C闭合，tr13B和辅助继电器的延时时间trr2之和略微大于继电器RL1触点断开延时时间为tr2（tr13B＋trr2> tr2），触点RL2C闭合后，主开关管的栅极电容C3通过放电电阻R5迅速放电，主开关管关断。触点和主开关管处于断开状态。2、光耦11输出端是高电平，VCC断电，功率继电器触点RL1B原来就是处于断开状态，主开关管也是处于断开状态，断电后两者还是处于断开状态。
本发明的时序能保证各种工作状态及过程中，主功率管和功率继电器触点的正确配合工作。
本发明具有以下优点：
（1）本发明的电路结构简单；
（2）元器件可靠性高，抗干扰能力强，成本低；
（3）只需一个控制端口，执行部分是纯模拟电路；
（4）可以根据需要选取不同的功率继电器和主开关管，实现对不同电压、负载场合的应用；
（5）能够消除继电器触点吸合引起的端电压跳动。
附图说明
图1继电器并联开关管的时序原理框图，
图2是本发明的具体实施电路，
图3是正常工作时序图。
具体实施方式
下面结合附图对说明本发明进一步说明，图1继电器并联开关管的时序原理框图，图2是本发明的具体实施电路，供电电源VCC接到辅助继电器常开触点RL2B的一端，RL2B的另一端接到继电器RL1线包RL1A的正端，RL1A的负端接到光耦11（或I/O口）的输出端A，RL1A并联续流二极管DR1，RL2B可以和RL1A互换位置；电阻R3的一端接到VCC，另一端接到A，电阻R1的一端接到A，另一端B接到电容C1的一端，电容C1的另一端接到地（O端），B端接稳压管D2的阴极，稳压管D2的阳极接到三极管Q1的基极，Q1的发射极接到地，Q1的集电极接到电阻R4的一端D，R4的另一端接到二极管D5的阴极，D5的阳极接到电源VCC，辅助继电器的常闭触点RL2C的一端接到D，另一端接到地，电阻R5的一端接到D，另一端接E到主开关管Q3的栅极，电容C3的一端接到E，另一端接到地，主开关管的漏极接到地，功率继电器触点RL1B的一端接到地，另一端接到主开关管的漏极Y，Y和源极（地、X）串接到大功率直流负荷回路中。
二极管D4的阳极接到供电电源VCC，D4的阴极接到辅助继电器RL2的线包RL2A的正端F，电容C4的一端接到F，另一端接地，电阻R6的一端接到F，另一端接到电阻R7的一端G，电容C2的一端接到G，另一端接到地，稳压管D3的阴极接到G，D3的阳极接到三极管Q2的基极H，Q3发射极接地，Q3集电极I接到继电器线包RL2A的负端，二极管DR2并联在继电器线包RL2A的两端。
节点A和B之间的电路可以是另外一种连接方式，即电阻R1和R2串联，二极管D1反并在电阻R1上。
节点A、B、C、D、E、F、G、H、I、地（O）、VCC相互间，以及Q1集电极与D之间，Q3栅极与E之间，如果刻意加上一些电阻、电容、电感、晶体管等不影响电路特性的属于本发明范围内。如果对一些元器件进行类似功能的器件替换（如将三极管换成MOS管等）也属于本发明范围内。
上述描述可能不能涵盖所有的变形电路，但是所有以本发明为基础，进行一定的变形，但具有实现同样原理描述功能的也属于本发明范围内。
以本发明为基础，进行某些功能的删减（如去掉上、下电时序电路），但保留其它主要功能的也属于本发明范围内。
图3中给出了主要的工作时序关系，图中VDS是主开关管导通后的电压，VH是继电器触点和主开关管均断开时高压直流回路加在上面的电压。VEO是主开关管栅极驱动电压。

Claims (5)

1.适用于高压直流场合的继电器和开关管并联电路，其特征在于，包括：供电电源VCC接到辅助继电器常开触点RL2B的一端，辅助继电器常开触点RL2B的另一端接到继电器RL1线包RL1A的正端，继电器RL1线包RL1A的负端接到光耦11的输出端A，继电器RL1线包RL1A并联续流二极管DR1；电阻R3的一端接到供电电源VCC，另一端接到A，电阻R1的一端接到A，另一端B接到电容C1的一端，电容C1的另一端接到地，B端接稳压管D2的阴极，稳压管D2的阳极接到三极管Q1的基极，三极管Q1的发射极接到地，三极管Q1的集电极接到电阻R4的一端D，R4的另一端接到二极管D5的阴极，D5的阳极接到供电电源VCC，辅助继电器的常闭触点RL2C的一端接到D，另一端接到地，电阻R5的一端接到D，另一端接E到主开关管Q3的栅极，电容C3的一端接到E，另一端接到地，主开关管Q3的漏极接到地，功率继电器触点RL1B的一端接到地，另一端接到主开关管Q3的漏极Y，漏极Y和源极串接到大功率直流负荷回路中。
2.根据权利要求1所述的适用于高压直流场合的继电器和开关管并联电路，其特征在于，还包括：二极管D4的阳极接到供电电源VCC，D4的阴极接到辅助继电器RL2的线包RL2A的正端F，电容C4的一端接到F，另一端接地，电阻R6的一端接到F，另一端接到电阻R7的一端G，电容C2的一端接到G，另一端接到地，稳压管D3的阴极接到G，D3的阳极接到三极管Q2的基极H，Q3发射极接地，Q3集电极I接到继电器线包RL2A的负端，二极管DR2并联在继电器线包RL2A的两端。
3. 根据权利要求1或者2所述的适用于高压直流场合的继电器和开关管并联电路，其特征在于，继电器RL1线包RL1A的负端接到I/O口的的输出端A。
4. 根据权利要求1或者2所述的适用于高压直流场合的继电器和开关管并联电路，其特征在于，辅助继电器常开触点RL2B和继电器RL1线包RL1A互换位置。
5.根据权利要求1所述的适用于高压直流场合的继电器和开关管并联电路，其特征在于用时序电路控制继电器并联开关管电路。
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