CN103180928B - 用于电磁开关设备的电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于将续流电流提供给电磁开关设备的线圈（17）的电路（25），其中所述电路（25）包括续流二极管（27），所述续流二极管可沿与直流电源（20）的极性相反的方向与所述线圈（17）并联连接，所述直流电源将电力提供给所述线圈（17），以及包括与所述续流二极管（27）并联连接的开关（30），其中所述开关（30）响应于所述续流二极管（27）上的电压是可控制的。

Description

用于电磁开关设备的电路

技术领域

本发明涉及一种用于将续流电流提供给电磁开关设备的线圈的电路。

背景技术

电磁开关设备通常用于控制电路中的电流流动。电磁开关设备是可控制的，以在接通状态和断开状态之间切换从而闭合和断开电源电路。电磁开关设备可以手动控制或电控制。为了用电控制电磁开关设备，可以采用磁体来驱动可移动的接触元件以断开和闭合电源电路。

通常，使可移动接触元件移动以便与固定接触元件接合，从而闭合电源电路。固定接触元件与电源电连接。因此，当可移动接触元件与固定接触元件接合时，电源电路得以闭合。通过线圈使用于驱动可移动接触元件的磁体通电。通过流过线圈的电流使线圈通电。

发明内容

本发明实施例的目的在于减少电路的续流二极管上的热耗散，所述电路用于将续流电流提供给电磁开关设备的线圈。

上述目的通过本发明的电路得以实现，所述电路用于将续流电流提供给电磁开关设备的线圈。

通过开关将续流电流提供给线圈。如果通过二极管将续流电流提供给线圈，则开关处的热耗散低于二极管处耗散的热量。这样能够布置相对较小的散热器以便发散开关处产生的热量，由此实现降低成本、减小尺寸的目的。因为开关和电源开关不会同时打开，所以响应于二极管上的电压控制开关能够防止短路。

根据一个实施例，电路进一步包括配置为响应于二极管上的电压将控制信号提供给开关的控制器。开关可响应于控制器提供的控制信号进行操作。控制器生成的控制信号响应于二极管上检测到的电压。

根据另一实施例，开关是固态静态开关(solid state static switch)。固态静态开关的电压降低于续流二极管上的电压降。由于电压降较小，热耗散对续流二极管来说同样较小。

根据另一实施例，开关适于处于接通状态以传导续流电流。开关响应于二极管上的电压而接通以传导续流电流。

根据另一实施例，当直流电源与线圈电连接时，开关适于处于断开状态。开关响应于二极管上的电压断开。当直流电源与线圈电连接时这能够防止出现短路的情况。

根据另一实施例，开关包括体二极管。特定的固态静态开关包括内部称之为体二极管的二极管。

根据另一实施例，体二极管适于作为续流二极管。让体二极管适于作为续流二极管消除了使用外部二极管的需要。

根据另一实施例，开关是MOSFET或IGBT。

另一实施例包括一种用于驱动电磁开关设备的线圈的装置，所述装置包括上文所述的电路，适于使线圈与直流电源电连接或断开的电源开关，以及配置为控制电源开关的电源控制器。这能够控制电源开关。

根据另一实施例，电源控制器配置为将第一控制信号和第二控制信号提供给电源开关。电源开关可以响应于第一控制信号和第二控制信号进行操作。

根据另一实施例，电源控制器配置为响应于流过线圈的电流将第一控制信号和第二控制信号提供给电源开关。因此，电源开关可以响应于流过线圈的电流进行控制。

根据另一实施例，电源控制器配置为在相应的预定时间段内将第一控制信号和第二控制信号提供给电源开关。电源开关在相应的预定时间段内可响应于相应的控制信号进行操作。

根据另一实施例，电源控制器配置为将第一控制信号提供给电源开关以便将始动电流提供给线圈，并配置为将第二控制信号提供给电源开关以便将保持电流提供给线圈。始动电流是线圈通电所需的电流，该线圈用于电路接触元件的闭合动作。保持电流是从直流电源提供给线圈的电流，以便将接触器保持在电路闭合位置。

根据另一实施例，电源开关适于响应于第二控制信号执行高频切换。执行高频切换能够减少提供给线圈的电流，由此将保持电流提供给线圈。

另一实施例包括一种包括上文所述的装置的电磁开关设备。

附图说明

下文参照附图中所示的示例实施例对本发明实施例进行进一步描述，其中：

图1a示出了根据本文的实施例的电磁开关设备的载体，

图1b示出了根据本文的实施例的电磁系统和图1a的载体1的组装，

图2示出了根据本文的实施例的用于将始动电流(pick-up current)、保持电流(hold-on current)及续流电流(freewheeling current)供给至线圈的装置的示意图，

图3示出了根据本文的实施例的用于将始动电流、保持电流及续流电流供给至线圈的装置以及当线圈与直流电源电气断开时线圈的极性发生变化的示意图。

具体实施方式

参照附图对各个实施例进行描述，在整个说明书中，相似的参考标号用于表示相似的元件。在下面的描述中，为了说明的目的，陈述了大量具体细节以便对一个或多个实施例进行彻底理解。显然，没有这些具体细节时也可以实践这些实施例。

参照图1a，示出了根据本文的实施例的电磁开关设备的载体1。接触元件3支撑在载体内以便可从电路断开位置移动至电路闭合位置，其中接触元件3移动至固定接触元件并与该固定接触元件接触，以进入电路闭合位置。固定接触元件可以连接至输入电源。

图1b示出了根据本文的实施例的电磁系统和图1a的载体1的组装。在图1b所示的实例中，载体1包括垂直向上延伸的柱体7。电磁系统8支撑在柱体7上以驱动载体。在本实施例中，电磁系统8被示出为包括电磁电枢9，13。然而，可用另一种方法来设计电磁系统8，包括更少或更多的电磁电枢。通常，电磁电枢9，13适于驱动载体1。电磁电枢9通过构件11接合柱体7以将电枢9的运动转移至载体1。载体1进一步将接触元件3移动至电路闭合位置。在图1b所示的实例中，电磁电枢9经由构件11与柱体机械接合。然而，电磁电枢9可以利用其他已知的机械装置与柱体7接合。包括线圈17的另一个电磁电枢13也支撑在柱体7上。在图1b所示的实例中示出了两个线圈17。然而，在某些实施中，电磁电枢可以仅包括单个线圈17。线圈17可以通过供给由直流电源提供的电流而通电。在使线圈17通电时，将电磁电枢9吸引至电磁电枢13。该电枢9的移动被转移至载体1和接触元件3以便电路闭合运动。然而，在其他实施例中，载体1可以包括竖直向下延伸的柱体并且电磁电枢9及电磁电枢13可以支撑在柱体上。

在电路闭合运动中，使接触元件3移动以便与固定接触元件接触。与固定接触元件接触的接触元件3被称为处于电路闭合位置。用于给所述线圈17通电以实现接触元件3的电路的闭合运动的电流在下文称为始动电流。在一方面，一旦使接触元件3移动至电路闭合位置，就可以通过提供保持电流和续流电流来将接触元件3保持在电路闭合位置。保持电流是从直流电源提供给线圈以便将接触器保持在电路闭合位置的电流。本文中的续流电流被称为从线圈17中存储的能量提供给线圈17以便将线圈17保持在电路闭合位置的电流。

通常，始动电流比保持电流具有相对较高的值。例如，使线圈通电所需的始动电流大约是保持电流的5-10倍。有利地，通过将续流电流提供给线圈来将接触元件3保持在电路闭合位置的持续时间显著大于将保持电流提供给线圈17的持续时间。通过利用续流电流将接触元件3保持在电路闭合位置，可实现从外部电源供给至线圈17的电力减少的目的。

图2示出了根据本文的实施例的用于将始动电流、保持电流及续流电流供给至线圈的装置18的示意图。在图2的实例中，用于使线圈17通电的始动电流和用于将线圈17保持在电路闭合位置的保持电流使用电源开关19从直流电源20提供给线圈17。电源开关19可操作用于在电路闭合运动期间将始动电流提供给线圈17，并且可操作用于将保持电流提供给线圈17以使图1a的接触元件3保持在电路闭合位置。例如，开关19可以是固态静态开关。在图2所示的实例中，一个电源开关19被示出用于将始动电流和保持电流提供给线圈17。然而，在一方面，可以布置两个电源开关以便将始动电流和保持电流提供给线圈17。例如，电源开关中的一个可以配置为在电路闭合运动期间将始动电流提供给线圈17，另一个电源开关可以配置为将保持电流提供给线圈17以便将图1b的接触元件3保持在电路闭合位置。使用两个电源开关分别将始动电流和保持电流提供给线圈17降低了电源开关处产生的电损耗。

仍然参照图2，装置18进一步包括电源控制器21，用于控制开关19以便提供始动电流和保持电流。根据一方面，开关19可以响应于流过线圈17的电流进行控制。在一方面，可以通过调整电路将流过线圈17的电流提供给电源控制器21。控制器21可以是处理器，微控制器等。在电路闭合运动期间，打开开关19以便将始动电流提供给线圈17。电源控制器21可以通过提供第一控制信号来控制开关19。一旦接触元件3与固定接触元件接触，流过线圈17的电流就减少。流过线圈17的电流减少可以由电源控制器21检测。电源控制器21响应于电流减少将第二控制信号提供给开关19。开关19可操作用于高频切换，以便响应于第二控制信号将保持电流提供给线圈17。第二控制信号在一个实例中可以是PWM脉冲。由开关19执行的高频切换减少了流过线圈17的电流，从而将保持电流提供给线圈17以将接触元件3保持在电路闭合位置。

然而，根据另一方面，电源控制器21可以配置为控制开关19以便在相应的预定时间段内将始动电流和保持电流提供给线圈17。因此，根据该方面，由于开关19的控制不响应于流过线圈17的电流，而是基于时间的，因此可能不需要调整电路。例如，电源控制器21可以配置为在预定时间段内提供第一控制信号，使得开关19可操作用于在预定时间段内将始动电流提供给线圈17。类似地，电源控制器21可以配置为在预定时间段内提供第二控制信号，使得开关19可操作用于在预定时间段内将保持电流提供给线圈17。例如，电源控制器21可以配置为操作开关19以便持续大约100ms将始动电流提供给线圈17，并且可以配置为操作开关19以便通过高频切换在将接触元件保持在电路接通位置的大约10-15％的时间段内提供保持电流。

电源开关19可以是固态静态开关，选取为使其适用于承载高电流，并执行高频切换同时具有最少的频率损失。在各个方面，布置两个电源开关，一个电源开关19可以是诸如IGBT的晶体管，另一个电源开关可以是MOSFET。IGBT能够承载高电流，MOSFET能够执行高频切换同时具有最少的开关损失。

仍然参照图2，在一方面，装置18进一步包括用于将续流电流提供给线圈17的电路25。电路25包括用于在断开线圈17的电源时传导续流电流的续流二极管27。如图2的实例中所示，续流二极管27沿与直流电源20的极性相反的方向与线圈17并联连接，即，续流二极管27的阳极与直流电源18的负极端连接，续流二极管27的阴极与直流电源18的正极端连接。电路25进一步包括与续流二极管27并联连接的开关30。根据一方面，开关30可以是固态静态开关，比如IGBT或MOSFET。根据一个实施例，如果续流电流通过续流二极管27传导，由于开关30上的电压降小于续流二极管27处产生的电压降，因此开关30用于将续流电流提供给线圈17，而不是续流二极管27。开关30响应于续流二极管27上的电压适于处于接通状态和断开状态。电路25包括控制器35，该控制器35配置为检测续流二极管27上的电压并响应于续流二极管27上检测到的电压将控制信号提供给开关30。开关响应于控制信号可操作为处于接通状态和断开状态。例如，开关30在提供控制信号时可以适于处于接通状态，在没有提供控制信号时可以适于处于断开状态。在一方面，某些固态静态开关包括内部称之为体二极管的二极管。有利地，如果固态静态开关包括体二极管，则该固态静态开关适于作为续流二极管27。这消除了使用外部二极管作为续流二极管27的需要。

仍然参照图2，在电路闭合运动期间，当将始动电流提供给线圈17的时候，闭合开关19，电流在预定时间段内通过线圈17从直流电源18的正极端流至负极端。一旦接触元件3处于电路闭合位置，开关19可操作用于传导保持电流，并且保持电流在某个预定时间段内流过线圈17。此后，断开电源开关19，以便线圈17中存储的能量可以用于将接触元件3保持为续流电流的形式。例如，对于用于将保持电流提供给线圈17的10KHz的PWN信号来说，提供至线圈17的保持电流可持续10-15μs。在剩余的85-90μs内，可以利用续流电流使线圈17通电以便将接触元件3保持在电路闭合位置。当将始动电流和保持电流提供给线圈17时，电流流过线圈17，并且由于续流二极管27是反向偏压的，因此续流二极管27不传导电流。当电源开关19处于接通状态时，将开关30保持在断开状态，从而允许电流流过线圈17并避免短路。由于续流二极管27是反向偏压的，因此续流二极管27上产生的电压降为负。控制器35在检测续流二极管27上的负电压降之后被配置为将开关30保持在断开状态并且处于断开状态的开关30不传导电流。

现在参照图3，当断开电源开关19时，中断从直流电源18的正极端至负极端的电流。线圈17作为电感将试图利用所存储的磁场能量来抵抗电流急剧下降以便产生自身的电压。在曾经具有正电位的位置产生极大的负电位，并在曾经具有负电位的位置产生正电位，如图3所示。由于这个原因，续流二极管27相对于发生极性变化的线圈27正向偏压并传导续流电流，如从线圈17底部的正电位至线圈17顶部的负电位的箭头40所示。当续流电流正由续流二极管27传导时，续流二极管27上产生的电压降为正。例如，二极管上的电压降大约为0.7-2伏。控制器35在检测到正电压之后打开开关30，从而使其在如箭头45所示的回路中传导续流电流。当打开开关30以传导续流电流时，续流电流停止流过续流二极管27。由于续流二极管27不传导续流电流，因此开关35将续流电流提供给线圈17能够减少续流二极管27上的散热。由于续流二极管27上的散热减少，因此可以布置较小的散热器来散热，从而实现了降低成本的目的。

在续流周期结束时，即，当要使线圈17通电以便利用直流电源20提供的保持电流使图1b的接触元件3保持在电路闭合位置时，线圈17利用开关19与直流电源20电连接。然而，须注意，当打开电源开关19时，断开开关30以免发生短路。发生短路时，会损坏电源开关19和开关30。在本文的实施例中，控制器35配置为在打开电源开关19时断开开关30。现在参照图2，在打开电源开关19时的续流周期之后，电流开始通过线圈17从直流电源18的正极端流至直流电源18的负极端，并且续流二极管27反向偏压。由于续流二极管27反向偏压，因此续流二极管27上产生的电压降为负。控制器35在检测到续流二极管27上的负电压降比阈值较负之后被配置为断开开关30，并且处于断开状态的开关30不传导电流。因此，当打开电源开关19以使线圈17通电时，断开开关30，由此避免短路。

实例：

假设续流二极管27上的电压降为1.5V，开关30上的电压降为0.5V。假设续流电流为3A。二极管和开关上的热耗散被作为功耗进行计算。

续流二极管上的功耗为：

＝V x IW＝1.5x 3＝4.5W

开关上的功耗为：

＝V x IW＝0.5x 3＝1.5W

由于开关上的电压降小于二极管上的电压降，因此开关上的功耗小于续流二极管上的功耗。

本文描述的实施例能够将续流电流提供给线圈并同时减少散热。这允许使用较小的散热器，由此实现降低成本的目的。在打开电源开关时断开传导续流电流的开关能够防止短路。

尽管已参照某些优选实施例对本发明进行了详细描述，但应理解，本发明不限于这些具体的实施例。更确切地说，鉴于描述了当前实践本发明的最佳方式的公开内容，在不背离本发明的范围和精神的情况下，本领域技术人员可以进行多种修改和变更。因此，本发明的范围由以下权利要求表示，而非由上述描述表示。在权利要求等同的意义和范围内发生的所有变化、修改和变更应视为在其范围内。

Claims (20)

1.一种电路(25)，用于将续流电流提供给电磁开关设备的线圈(17)，所述电路(25)包括：

-续流二极管(27)，所述续流二极管可沿与将电力提供给所述线圈(17)的直流电源(20)的极性相反的方向与所述线圈(17)并联连接，以及

-开关(30)，所述开关与所述续流二极管(27)并联连接，

其中所述开关(30)响应于所述续流二极管(27)上的电压是可控制的。

2.根据权利要求1所述的电路(25)，进一步包括控制器(35)，所述控制器配置为响应于所述续流二极管(27)上的电压将控制信号提供给所述开关(30)。

3.根据权利要求1或2所述的电路(25)，其中所述开关(30)是固态静态开关。

4.根据权利要求1或2所述的电路(25)，其中所述开关(30)适于处于接通状态以传导续流电流。

5.根据权利要求3所述的电路(25)，其中所述开关(30)适于处于接通状态以传导续流电流。

6.根据权利要求1或2所述的电路(25)，其中，当所述直流电源(20)与所述线圈(17)电连接时，所述开关(30)适于处于断开状态。

7.根据权利要求3所述的电路(25)，其中，当所述直流电源(20)与所述线圈(17)电连接时，所述开关(30)适于处于断开状态。

8.根据权利要求5所述的电路(25)，其中所述开关(30)包括体二极管。

9.根据权利要求7所述的电路(25)，其中所述开关(30)包括体二极管。

10.根据权利要求8所述的电路(25)，其中所述体二极管适于作为所述续流二极管(27)。

11.根据权利要求9所述的电路(25)，其中所述体二极管适于作为所述续流二极管(27)。

12.根据权利要求10所述的电路(25)，其中所述开关(30)是MOSFET或IGBT。

13.根据权利要求11所述的电路(25)，其中所述开关(30)是MOSFET或IGBT。

14.一种装置(18)，用于驱动电磁开关设备的线圈(17)，所述装置(18)包括：

-前述权利要求中任一项所述的电路(25)，

-适于使所述线圈(17)与所述直流电源(20)电连接或断开的电源开关(19)，以及

-配置为控制所述电源开关(19)的电源控制器(21)。

15.根据权利要求14所述的装置(18)，其中所述电源控制器(21)配置为将第一控制信号和第二控制信号提供给所述电源开关(19)。

16.根据权利要求14所述的装置(18)，其中所述电源控制器(21)配置为响应于流过所述线圈(17)的电流将第一控制信号和第二控制信号提供给所述电源开关(19)。

17.根据权利要求14所述的装置(18)，其中所述电源控制器(21)配置为在相应的预定时间段内将第一控制信号和第二控制信号提供给所述电源开关(19)。

18.根据权利要求14所述的装置(18)，其中所述电源控制器(21)配置为将第一控制信号提供给所述电源开关(19)，以便将始动电流提供给所述线圈(17)，并配置为将第二控制信号提供给所述电源开关(19)以便将保持电流提供给所述线圈(17)。

19.根据权利要求15至18中任一项所述的装置(18)，其中所述电源开关(19)适于响应于第二控制信号执行高频切换。

20.一种包括根据权利要求14至19中任一项所述的装置(18)的电磁开关设备。