CN103186106B - 一种高压直流控制开关 - Google Patents

一种高压直流控制开关 Download PDF

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Abstract

本发明目的是提供一种高压直流控制开关，设置在高压直流电源的输出端；包括MOSFET电子开关功率电路和控制所述的MOSFET电子开关功率电路开闭的控制电路；所述的控制电路包括对所述的高压直流电源的输出电流进行采样的电流采样电路和产生控制所述的MOSFET电子开关功率电路开闭的控制信号的开关控制电路以及单片机。本发明由MOSFET电子开关电路和MCU智能控制电路组成，MOSFET电子开关电路可以并联组成多路开关组成的技术方案；且整套方案可实现多开关并行、开关动作无打火、各开关之间相互延时并且具有短路保护、短路故障排除后可自恢复等功能的一种智能型电子开关。

Description

一种高压直流控制开关
技术领域
本发明涉及开关领域，特别涉及一种设置在直流高压输出电源输出端控制与负载接通或者断开的电子开关。
背景技术
目前，通信设备一般采用集中供电，将交流电在机房通过整流滤波形成直流高压电(200～～400VDC)后，通过专用的电源线输送到各通信终端，供通信终端使用。在高压直流侧一般利用机械开关进行分配，但机械开关在吸合或者断开时机械触点之间会产生很强的电弧；如果没有采取相应的消弧措施，会导致触点烧毁无法工作，着火的开关甚至还可能引发火灾。
发明内容
本发明是针对于目前这种直流高压在利用机械开关控制，在开关动作时会打火，造成开关失效时所采用的解决方案；且整套方案可实现多开关并行、开关动作无打火、各开关之间相互延时并且具有短路保护、短路故障排除后可自恢复等功能的一种智能型电子开关。
本发明为实现其技术目的所采用的技术方案是：一种高压直流控制开关，设置在高压直流电源的输出端；所述的高压直流电源输出端包括电源阳极和电源阴极；通过高压直流控制开关后输出为输出正极和输出负极；包括MOSFET电子开关功率电路和控制所述的MOSFET电子开关功率电路开闭的控制电路；所述的MOSFET电子开关功率电路设置电源阳极和电源阴极与输出正极和输出负极之间，控制电源阳极与输出正极、电源阴极与输出负极之间的连接与断开；
所述的控制电路包括对所述的高压直流电源的输出电流进行采样的电流采样电路和产生控制所述的MOSFET电子开关功率电路开闭的控制信号的开关控制电路以及单片机；
所述的电流采样电路设置在所述的高压直流电源的输出线上，其采样结果输入到所述的单片机；所述的单片机判断所述的采样结果大于设定值时控制所述的开关控制电路产生所述的MOSFET电子开关功率电路断开的信号。
进一步的，上述的高压直流控制开关中：所述的MOSFET电子开关功率电路包括MOSFET开关管、储能电感、续流二极管；
所述的MOSFET开关管的源极接所述的高压直流电源的阴极、漏极为电源的输出负极；所述的MOSFET开关管的栅极接所述的单片机的控制输出端；
所述的续流二极管的阴极接所述的高压直流电源的阳极，续流二极管的阳极接所述的MOSFET开关管的漏极；
所述的储能电感设置在所述的高压直流电源的阳极与输出正极之间。
进一步的，上述的高压直流控制开关中：所述的储能电感包括第一储能电感和第二储能电感，所述的第一储能电感设置在所述的高压直流电源的阳极与输出正极之间；
在所述的MOSFET电子开关功率电路中还包括磁复位电路，所述的磁复位电路包括第二储能电感和复位二极管；所述的第二储能电感一端接所述的高压直流电源的阳极另一端与复位二极管的阴极相连，复位二极管的阳极与输出负极相连。
进一步的，上述的高压直流控制开关中：所述的MOSFET电子开关功率电路中还包括第一尖峰电压吸收电路和第二尖峰电压吸收电路；
所述的第一尖峰电压吸收电路为续流二极管的尖峰电压吸收电路，包括第四电容和第一百四十电阻，所述的第四电容和第一百四十电阻串连组成的串连电路并联在续流二极管阴极和阳极间；
所述的第二尖峰电压吸收电路为复位二极管的尖峰电压吸收电路，包括第一百二十六电容和第一百四十四电阻、第八十八电阻；所述的第一百四十四电阻和第八十八电阻并联组成的并联电路与第一百二十六电容串连在一起组成串连电路并联在复位二极管的阴极和阳极之间。
进一步的，上述的高压直流控制开关中：在电源阳极和电源阴极之间，输出正极和输出负极之间分别设置有输入滤波电路和输出滤波电路。
进一步的，上述的高压直流控制开关中：所述的开关控制电路包括高频PWM信号产生芯片，所述的高频PWM信号产生芯片在单机的控制下输出PWM信号或者不输出PWM信号接所述的MOSFET开关管的漏极。
进一步的，上述的高压直流控制开关中：所述的电流采样电路为100mR检流器，所述的100mR检流器设置在电源阴极与MOSFET开关管的源极之间。
进一步的，上述的高压直流控制开关中：在所述的100mR检流器的采样电流输出端设置有电流放大电路；所述的电流放大电路输入端与所述的100mR检流器的采样电流输出端相接，其输出端输入到所述的单片机。
本发明还提供一种利用一个单片机控制至少两个上述的高压直流开关的方案，该方案包括一个高压直流电源，至少两个输出正极和输出负极对，在所述的高压直流电源与每个输出正极和输出负极对之间均设置有MOSFET电子开关功率电路、开关控制电路和电流采样电路，一个单片机；所述的电流采样电路的输出接所述的单片机，所述的单片机分别通过开关控制电路控制MOSFET电子开关功率电路。
本发明由MOSFET电子开关电路和MCU智能控制电路组成，MOSFET电子开关电路可以并联组成多路开关组成的技术方案；且整套方案可实现多开关并行、开关动作无打火、各开关之间相互延时并且具有短路保护、短路故障排除后可自恢复等功能的一种智能型电子开关。
以下将结合附图和实施例，对本发明进行较为详细的说明。
附图说明
图1为本发明高压直流控制开关原理框图。
图2为本发明MOSFET电子开关功率电路原理图。
图3为本发明MOSFET电子开关控制电路原理图。
图4为本发明采样放大电路原理图。
图5为并联开关方框图。
具体实施方式
实施例1，本实施例是一种设置在高压直流电源输出端的控制开关，如图1所示：本实施例的高压直流控制开关，设置在高压直流电源的输出端；高压直流电源输出端包括电源阳极HV1和电源阴极GND；通过高压直流控制开关后输出为输出正极OUT+和输出负极OUT-；包括MOSFET电子开关功率电路如图2所示，控制所述的MOSFET电子开关功率电路开闭的控制电路；MOSFET电子开关功率电路设置电源阳极HV1和电源阴极GND与输出正极OUT+和输出负极OUT-之间，控制电源阳极HV1与输出正极OUT+、电源阴极GND与输出负极OUT-之间的连接与断开。
控制电路包括对高压直流电源的输出电流进行采样的电流采样电路和产生控制MOSFET电子开关功率电路开闭的控制信号的开关控制电路如图3所示，以及单片机(图中没有显示)，本实施例中单片机采用PIC16F884。
电流采样电路设置在所述的高压直流电源的输出线上，其采样结果输入到单片机；单片机判断所述的采样结果大于设定值时控制所述的开关控制电路产生MOSFET电子开关功率电路断开的信号。
本发明的关键是MOSFET电子开关功率电路，如图2所示，该MOSFET电子开关功率电路包括MOSFET开关管Q4、储能电感L4、续流二极管D12。
MOSFET开关管Q4的源极接高压直流电源的阴极GND、漏极为电源的输出负极OUT4-；MOSFET开关管Q4的栅极接所述的单片机的控制输出端。
续流二极管D12的阴极接高压直流电源的阳极HV1，续流二极管D12的阳极接所述的MOSFET开关管Q4的漏极。
储能电感L4设置在高压直流电源的阳极(HV1)与输出正极(OUT4+)之间。
储能电感L4包括第一储能电感L4A和第二储能电感L4B，第一储能电感L4A设置在高压直流电源的阳极HV1与输出正极OUT4+之间。
在MOSFET电子开关功率电路中还包括磁复位电路，磁复位电路包括第二储能电感L4B和复位二极管D37；第二储能电感L4B一端接所述的高压直流电源的阳极HV1另一端与复位二极管D37的阴极相连，复位二极管D37的阳极与输出负极OUT4-相连。
MOSFET电子开关功率电路中还包括第一尖峰电压吸收电路和第二尖峰电压吸收电路；第一尖峰电压吸收电路为续流二极管(D12)的尖峰电压吸收电路，包括第四电容C4和第一百四十电阻R140，所述的第四电容C4和第一百四十电阻R140串连组成的串连电路并联在续流二极管D12阴极和阳极间。
第二尖峰电压吸收电路为复位二极管D37的尖峰电压吸收电路，包括第一百二十六电容C126和第一百四十四电阻R144、第八十八电阻R88；第一百四十四电阻R144和第八十八电阻R88并联组成的并联电路与第一百二十六电容C126串连在一起组成串连电路并联在复位二极管D37的阴极和阳极之间。
电源阳极HV1和电源阴极GND之间，输出正极OUT+和输出负极OUT-之间分别设置有输入滤波电路和输出滤波电路。
简单的说，如图2所示，直流电从HV1、GND端输入，经过由PWM信号控制的MOSFETQ4切成直流脉冲，再经过储能电感L4、续流二极管D12平滑成直流后从端子CON4输出。L4A在电路中起到仰制回路电流突变的作用，在输出电路短路、开通或者关断瞬间起到保护作用，L4B、D37则共同组成L4A的磁复位电路，避免储能电感L4因磁饱和失去抑制回路电流突变作用。C126、R144、R88和C4、R140分别为D37和D12的尖峰电压吸收电路，避免尖峰电压击穿二极管；C60和E4、C14、C15、C16分别为输入和输出滤波电容；R43为检流电阻，检测回路流过的峰值电流送至图3中IC4UC2843的电流检测脚，当电流检测脚的电压达到1V以上会关断PWM输出以保护MOSFETQ4，避免因电流过大损坏。
Q4为高压MOSFET，通过DR_4的PWM信号，控制其通断，相当于起到开关的作用，当有PWM信号时为开通，无PWM信号时为关断。
如图3所示为开关控制电路，开关控制电路部分如图3所示：由一片高频PWM芯片IC4UC2843来控制，当需要开通输出时由MCUU14发出指令使SD_4信号为低，光耦U8导通，UC2843输出最大占空比的高频PWM信号，图2电路开始工作CON4有输出。当需要关断输出时由MCUU14发出指令使SD_4信号为高，光耦U8不导通，UC2843停止输出高频PWM信号，图2电路停止工作而CON4无输出。Q4MOSFET是电子器件，在开通及关断过程中无机械触点接触过程，不会产生打火，从而实现了开关不打火的功能。
电流采样电路为100mR检流器R43，100mR检流器R43设置在电源阴极GND与MOSFET开关管Q4的源极之间。100mR检流器R43的采样电流输出端设置有电流放大电路；电流放大电路输入端与所述的100mR检流器R43的采样电流输出端相接，其输出端输入到所述的单片机。如图4所示为电流放大电路，将图2中的电流采样信号IS_4经运算放大器放大后，及其它如输入电压、环境温度等信号送至单片机，通过环境编程运算，如出现过电压、过电流、短路、环境温度过高等现象，单片机通过发送关机指令，通过SD_4控制单开关主功率控制部分中(图3)U8，由U8来控制IC4PWM的输出，实现对主功率部分开关Q4开通及关断的控制，由此实现对输出的控制，另U14周边还配有指示灯，在发送关机指令时，可以通过告警指示发出相关灯光告警信号。
将图2、图3并行几组叠加，输入并在一起，输出分开，将采样信号送至单片机，可实现对多个开关的控制，通过控制单个通路的开启时间，还可以实现对各路输出延时输出。方框图如5所示。

Claims (5)

1.一种高压直流控制开关，设置在高压直流电源的输出端；所述的高压直流电源输出端包括电源阳极HV1和电源阴极GND；通过高压直流控制开关后输出为输出正极OUT4+和输出负极OUT4－；其特征在于：包括MOSFET电子开关功率电路和控制所述的MOSFET电子开关功率电路开闭的控制电路；所述的MOSFET电子开关功率电路设置在电源阳极HV1和电源阴极GND与输出正极OUT4+和输出负极OUT4－之间，控制电源阳极HV1与输出正极OUT4+、电源阴极GND与输出负极OUT4－之间的连接与断开；
所述的控制电路包括对所述的高压直流电源的输出电流进行采样的电流采样电路和产生控制所述的MOSFET电子开关功率电路开闭的控制信号的开关控制电路以及单片机；
所述的电流采样电路设置在所述的高压直流电源的输出线上，其采样结果输入到所述的单片机；所述的单片机判断所述的采样结果大于设定值时控制所述的开关控制电路产生所述的MOSFET电子开关功率电路断开的信号；
所述的MOSFET电子开关功率电路包括MOSFET开关管Q4、储能电感L4、续流二极管D12；
所述的MOSFET开关管Q4的源极接所述的高压直流电源阴极GND、漏极为电源的输出负极OUT4－；所述的MOSFET开关管Q4的栅极接所述的单片机的控制输出端；
所述的续流二极管D12的阴极接所述的高压直流电源的阳极HV1，续流二极管D12的阳极接所述的MOSFET开关管Q4的漏极；
所述的储能电感L4设置在所述的高压直流电源的阳极HV1与输出正极OUT4+之间；
所述的储能电感L4包括第一储能电感L4A和第二储能电感L4B，所述的第一储能电感L4A设置在所述的高压直流电源的阳极HV1与输出正极OUT4+之间；
在所述的MOSFET电子开关功率电路中还包括磁复位电路，所述的磁复位电路包括第二储能电感L4B和复位二极管D37；所述的第二储能电感L4B一端接所述的高压直流电源的阳极HV1另一端与复位二极管D37的阴极相连，复位二极管D37的阳极与输出负极OUT4－相连；
所述的MOSFET电子开关功率电路中还包括第一尖峰电压吸收电路和第二尖峰电压吸收电路；
所述的第一尖峰电压吸收电路为续流二极管D12的尖峰电压吸收电路，包括第四电容C4和第一百四十电阻R140，所述的第四电容C4和第一百四十电阻R140串连组成的串连电路并联在续流二极管D12阴极和阳极间；
所述的第二尖峰电压吸收电路为复位二极管D37的尖峰电压吸收电路，包括第一百二十六电容C126和第一百四十四电阻R144、第八十八电阻R88；所述的第一百四十四电阻R144和第八十八电阻R88并联组成的并联电路与第一百二十六电容C126串连在一起组成串连电路并联在复位二极管D37的阴极和阳极之间；
还包括一个高压直流电源，至少两个输出正极OUT4+和输出负极OUT4－对，在所述的高压直流电源与每个输出正极OUT4+和输出负极OUT4－对之间均设置有MOSFET电子开关功率电路、开关控制电路和电流采样电路，一个单片机；所述的电流采样电路的输出接所述的单片机，所述的单片机分别通过开关控制电路控制MOSFET电子开关功率电路。
2.根据权利要求1所述的高压直流控制开关，其特征在于：在电源阳极HV1和电源阴极GND之间，输出正极OUT4+和输出负极OUT4－之间分别设置有输入滤波电路和输出滤波电路。
3.根据权利要求1或2所述的高压直流控制开关，其特征在于：所述的开关控制电路包括高频PWM信号产生芯片IC4，所述的高频PWM信号产生芯片IC4在单片机的控制下输出PWM信号或者不输出PWM信号接所述的MOSFET开关管Q4的漏极。
4.根据权利要求3所述的高压直流控制开关，其特征在于：所述的电流采样电路为100mR检流器R43，所述的100mR检流器R43设置在电源阴极GND与MOSFET开关管Q4的源极之间。
5.根据权利要求4所述的高压直流控制开关，其特征在于：在所述的100mR检流器R43的采样电流输出端设置有电流放大电路；所述的电流放大电路输入端与所述的100mR检流器R43的采样电流输出端相接，其输出端输入到所述的单片机。
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