CN103346761B - 机械同步混合继电器及混合开关运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明所公开一种机械同步混合继电器及混合开关运行方法，其在混合继电器的机电式继电器中设置一个将半导体开关的输入控制端与驱动电源接通或与地的接通，并控制半导体开关导通或关断的单刀双掷同步机械触点开关；混合继电器输入端加控制电压时，驱动电源同时加电压工作，利用机电式继电器机械触点开关接通滞后的特点，保证在同步机械触点开关将半导体开关控制端与驱动电源接通时，驱动电源建立起硬特性，满足半导体开关导通时有足够的能量支持。本发明能够实现半导体开关与同步机械触点开关同步导通或关断，并消除半导体开关的软特性失效问题。

Description

机械同步混合继电器及混合开关运行方法

技术领域

本发明涉及混合继电器领域，具体涉及一种机械同步混合继电器及混合开关运行方法。

背景技术

现有混合继电器(见图4)可以看成机电式继电器与固体继电器两个无关联独立系统的简单组合，仅仅是输入和输出端连接在一起，因而无法做到机电式继电器的机械触点开关与固体继电器的固体开关即半导体开关同步通断(见图5)。当输入电压大幅度波动时，将使不同步现象加剧；这种简单组合的混合继电器，在负载浪涌电流达数百安培的大功率应用场合，容易引发先导通的半导体开关损坏，特别是在半导体开关软特性时，最终造成半导体开关与机械触点开关被高压大电流各个击破而失效；更严重的是混合继电器内部机电式继电器因故不动作，将使得单独导通的半导体开关因过电流烧毁而引发供电事故。

公告号为CN101465636A的中国发明专利“低功耗混合继电器及其运行方法”公开的混合继电器方案，采用门限电路解决输入电压波动，采用延时电路滞后控制半导体开关导通，仅使得半导体开关导通与机械触点开关同步(见图6)，却没解决半导体开关关闭同步的问题；由于机电式继电器动作时间的离散性，同步效果十分有限，同时也使制造复杂化；当内部机电式继电器因故不动作时，单独导通的半导体开关仍将因过电流烧毁而引发供电事故。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种机械同步混合继电器及混合开关运行方法，其能够实现半导体开关与同步机械触点开关同步导通或关断，并消除半导体开关的软特性失效问题。

本发明的原理是：在混合继电器的机电式继电器中设置一个将半导体开关的输入控制端与驱动电源接通或与地的接通，并控制半导体开关导通或关断的单刀双掷同步机械触点开关；混合继电器输入端加控制电压时，驱动电源同时加电压工作，利用机电式继电器机械触点开关接通滞后的特点，保证在同步机械触点开关将半导体开关控制端与驱动电源接通时，驱动电源建立起硬特性，满足半导体开关导通时有足够的能量支持。

为解决上述问题，本发明是通过以下方案实现的：

机械同步混合继电器，其主要由机电式继电器和固体继电器组合而成；上述机电式继电器包括继电线圈K1和机械触点开关；上述固体继电器则包括驱动电源P1和半导体开关S1；继电线圈K1和驱动电源P1的输入端相互并联且构成机械同步混合继电器的输入端；半导体开关S1的输出端则构成机械同步混合继电器的输出端；所述机电式继电器的机械触点开关至少包含有一个常开的第一机械触点开关K1-1和一个单刀双掷的第二机械触点开关K1-2；第一机械触点开关K1-1并联在半导体开关S1的输出端上；半导体开关S1的输入控制端经第二机械触点开关K1-2的常开触点连接至驱动电源P1的输出正端，经第二机械触点开关K1-2的常闭触点连接至驱动电源P1的输出地端。

当机械同步混合继电器的输入端与直流电源相连时，即继电线圈K1和驱动电源P1的输入端与直流电源相连时，所述半导体开关S1包含一个稳压二极管D1和一个三极管T1；其中稳压二极管D1的负极连接在三极管T1的栅极上，稳压二极管D1的正极则连接在三极管T1的源极上；三极管T1的栅极构成半导体开关S1的输入控制端，三极管T1的漏极构成导体开关S1即机械同步混合继电器的输出端正端，三极管T1的源极构成导体开关S1即机械同步混合继电器的输出地端。

当机械同步混合继电器的输入端与交直流电源相连时，即继电线圈K1和驱动电源P1的输入端与交直流电源相连时，所述半导体开关S1包含一个稳压二极管D1’和2个三极管T1’和T2’；其中稳压二极管D1’的负极连接在三极管T1’的栅极上，稳压二极管D1’的正极则连接在三极管T1’的源极上；三极管T1’的栅极与三极管T2’的栅极相连，并构成半导体开关S1的输入控制端；三极管T1’的源极与三极管T2’的漏极相连，并构成半导体开关S1即机械同步混合继电器的输出地端；三极管T1’的漏极和三极管T2’的源极分别构成2个半导体开关S1即机械同步混合继电器的2个输出正端。

上述方案中，所述三极管为场效应管、绝缘栅双极型晶体管、双极性晶体管或可控硅。

上述方案中，所述机电式继电器和固体继电器分别单独装在2个独立的壳体中，或同时组装在同一个壳体中。

上述机械同步混合继电器的混合开关运行方法，包括如下过程：

当机械同步混合继电器的输入端无控制电压时，机械同步混合继电器处于初始状态，继电线圈K1和驱动电源P1的输入端无控制电压，驱动电源P1无电压输出，继电线圈K1驱动的第一机械触点开关K1-1断开，第二机械触点开关K1-2处于常开触点断开、常闭触点接通状态，半导体开关S1的输入控制端通过第二机械触点开关K1-2的常闭触点与驱动电源P1输出地端接通，半导体开关S1因驱动电压为“0”而处于关闭状态；

当接通机械同步混合继电器控制电压时，继电线圈K1和驱动电源P1的输入端有控制电压，驱动电源P1的输出端输出高电平电压“VCC”,第一机械触点开关K1-1和第二机械触点开关K1-2在继电线圈K1的驱动下动作，在第一机械触点开关K1-1接通的同时，第二机械触点开关K1-2的常闭触点将半导体开关S1的输入控制端与驱动电源P1的输出地端断开，第二机械触点开关K1-2的常开触点将半导体开关S1的输入控制端与驱动电源P1的输出正端接通，使半导体开关S1的输入控制端得到驱动电压“VCC”，此时半导体开关S1迅速导通，实现第一机械触点开关K1-1与半导体开关S1同步接通负载；

当断开机械同步混合继电器控制电压时，继电线圈K1和驱动电源P1的输入端失电，第一机械触点开关K1-1和第二机械触点开关K1-2在继电线圈K1的驱动下动作，在第一机械触点开关K1-1断开的同时，第二机械触点开关K1-2常开触点将半导体开关S1的输入控制端与驱动电源P1的输出正端断开，第二机械触点开关K1-2常闭触点接通将半导体开关S1的输入控制端与驱动电源P1的输出地端连接，半导体开关S1的输入控制端电荷迅速泄放，使半导体开关S1关闭，实现第一机械触点开关K1-1与半导体开关S1同步断开负载。

本发明由于解决了以下问题，即：

一、利用同步机械触点，将两个独立的系统关联起来，使半导体开关与同步机械触点开关同步导通或关断，解决半导体开关与机械触点开关不同步问题；二、利用机械触点接通时间滞后的特点，使固体继电器内部的驱动电源建立起硬特性，为半导体开关的导通提供足够的能量，缩短半导体开关导通的过渡过程，消除半导体开关因导通时软特性失效的问题；三、利用同步机械触点的常闭触点，缩短半导体开关从导通向关断的过渡过程，消除半导体开关关断时软特性失效的问题。

因此，本发明所产生有益效果在于：

利用机械同步触点将混合继电器中机电式继电器和固体继电器两个独立的系统关联到一起，解决了用其它方式难以实现的半导体开关与机械触点开关同步通断的问题；正确利用了机电式继电器机械触点开关接通滞后的特点，使半导体开关驱动电源建立起硬特性，为半导体开关导通作足够的能量储备，解决了半导体开关在电源建立过程中软特性下导通问题，以及采用同步机械触点泄放半导体开关控制端残存电荷，解决了半导体开关软特性关闭的问题。由于半导体开关需要功耗低，工作电压适应范围宽，在本发明设计的机械同步模式下，只要机电式继电器能动，半导体开关就一定能与机械触点开关同步通断，由此增强了混合继电器抗电压波动能力，提高了混合继电器的使用可靠性，也避免了机电式继电器因故不动作，半导体开关单独导通烧毁而引发供电事故的发生。

附图说明

图1为机械同步混合继电器原理框图；

图2为直流型机械同步混合继电器原理图；

图3为交直流型机械同步混合继电器原理图；

图4为传统简单组合混合继电器原理框图；

图5为无同步混合继电器工作时序图；

图6为电路同步混合继电器工作时序图；

图7为机械同步混合继电器工作时序图。

具体实施方式

本发明所设计的机械同步混合继电器，其主要由机电式继电器和固体继电器组合而成。上述机电式继电器包括继电线圈K1和机械触点开关。上述固体继电器则包括驱动电源P1和半导体开关S1。继电线圈K1和驱动电源P1的输入端相互并联且构成机械同步混合继电器的输入端。半导体开关S1的输出端则构成机械同步混合继电器的输出端。所述机电式继电器的机械触点开关至少包含有一个常开的第一机械触点开关K1-1和一个单刀双掷的第二机械触点开关K1-2。第一机械触点开关K1-1并联在半导体开关S1的输出端上。半导体开关S1的输入控制端经第二机械触点开关K1-2的常开触点连接至驱动电源P1的输出正端，经第二机械触点开关K1-2的常闭触点连接至驱动电源P1的输出地端。参见图1。

实施例1：

本实施例为一种直流型机械同步混合继电器，其直流型机械同步混合继电器原理图如图2所示，其机械同步混合继电器工作时序图如图7所示。

一种直流型机械同步混合继电器，其主要由机电式继电器和固体继电器组合而成。上述机电式继电器包括继电线圈K1和机械触点开关。上述固体继电器则包括驱动电源P1和半导体开关S1。其中，半导体开关S1包含场效应管T1，以及与场效应管T1栅极及源极并联的稳压二极管D1。驱动电源P1输入端与继电线圈K1共同连接至混合继电器输入端，驱动电源P1提供场效应管T1导通的能量支持。机电式继电器至少有两个机械触点开关由继电线圈K1驱动接通和断开，第一机械触点开关K1-1为主触点开关，第二机械触点开关K1-2为控制场效应管T1导通或关断的单刀双掷同步机械辅助触点开关。场效应管T1的输出端即场效应管T1的漏极和源极与第一机械触点开关K1-1并联，场效应管T1的栅极经第二机械触点开关K1-2的常开触点连接至驱动电源P1输出正端，经第二机械触点开关K1-2的常闭触点连接至驱动电源P1的输出地端。

当混合继电器无控制电压时，混合继电器处于初始状态，即：场效应管T1的驱动电源P1无电压输出，继电线圈K1驱动的第一机械触点开关K1-1断开，第二机械触点开关K1-2处于常开触点断开，常闭触点接通状态，场效应管T1的栅极通过第二机械触点开关K1-2常闭触点与电源地接通，场效应管T1的栅极因驱动电压为“0”而关闭；

当接通混合继电器控制电压时，驱动电源P1输出电压VCC，第一机械触点开关K1-1和第二机械触点开关K1-2在机电式继电器驱动下动作，在第一机械触点开关K1-1接通的同时，第二机械触点开关K1-2常闭触点断开，将场效应管T1的栅极与驱动电源地GND断开，第二机械触点开关K1-2常开触点接通，将场效应管T1的栅极与驱动电源P1输出端连接，使场效应管T1的栅极得到驱动电压VCC，此时场效应管T1迅速导通，实现第一机械触点开关K1-1与场效应管T1同步接通负载；

当断开混合继电器控制电压时，第一机械触点开关K1-1和第二机械触点开关K1-2在继电线圈K1驱动下动作，在第一机械触点开关K1-1断开的同时，第二机械触点开关K1-2常开触点断开，将场效应管T1的栅极与驱动电源P1输出端断开，随之第二机械触点开关K1-2的常闭触点接通，将场效应管T1的栅极与驱动电源P1地GND连接，使场效应管T1的栅极电荷迅速泄放，此时场效应管T1关闭，实现第一机械触点开关K1-1与场效应管T1同步断开负载。

为了获得不同负载条件下的较好的开关效果，可通过调整同步机械触点开关(第二机械触点开关)K1-2，略先于或滞后于第一机械触点开关常开触点K1-1接通，或略先于或滞后于第一机械触点开关常开触点K1-1断开，到达调整半导体开关S1与第一机械触点开关的最佳通断效果。本发明描述的机械同步的混合继电器，机电式继电器部分与驱动电源和半导体开关构成的电子电路部分，可组装在一个壳体中，成为单体结构的混合继电器；也可以将机电式继电器部分与驱动电源和半导体开关构成的电子电路部分，单独装成两个独立结构，连接成混合继电器模式并联运行。

实施例2：

本实施例为一种交直流型机械同步混合继电器，其直流型机械同步混合继电器原理图如图3所示，其机械同步混合继电器工作时序图如图7所示。

实施例2是在实施例1的基础上,正向导通半导体开关S1的场效应管T1’的基础上增加了一个反向导通半导体开关场效应管T2’，使S1成为双向半导体开关，因而可控制交流或直流电流的接通或关断。场效应管T1’的源极、场效应管T2’的源极和稳压二极管D1’的阴极相连。场效应管T1’的栅极、场效应管T2’的栅极和稳压二极管D1’的阳极相连。

实施例2控制方式与实施例1相同。

在本发明中，半导体开关S1除上述实施例以描述的场效应管（MOSFET）外，还可以采用绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、双极性晶体管或可控硅等其它形式的半导体实现。

Claims (5)

1.机械同步混合继电器，其主要由机电式继电器和固体继电器组合而成；上述机电式继电器包括继电线圈K1和机械触点开关；上述固体继电器则包括驱动电源P1和半导体开关S1；继电线圈K1和驱动电源P1的输入端相互并联且构成机械同步混合继电器的输入端；半导体开关S1的输出端则构成机械同步混合继电器的输出端；其特征在于：

所述机电式继电器的机械触点开关至少包含有一个常开的第一机械触点开关K1-1和一个单刀双掷的第二机械触点开关K1-2；第一机械触点开关K1-1并联在半导体开关S1的输出端上；半导体开关S1的输入控制端经第二机械触点开关K1-2的常开触点连接至驱动电源P1的输出正端，经第二机械触点开关K1-2的常闭触点连接至驱动电源P1的输出地端。

2.根据权利要求1所述的机械同步混合继电器，其特征在于：当机械同步混合继电器的输入端与直流电源相连时，即继电线圈K1和驱动电源P1的输入端与直流电源相连时，所述半导体开关S1包含一个稳压二极管D1和一个三极管T1；其中稳压二极管D1的负极连接在三极管T1的栅极上，稳压二极管D1的正极则连接在三极管T1的源极上；三极管T1的栅极构成半导体开关S1的输入控制端，三极管T1的漏极构成半导体开关S1即机械同步混合继电器的输出端正端，三极管T1的源极构成半导体开关S1即机械同步混合继电器的输出地端。

3.根据权利要求1所述的机械同步混合继电器，其特征在于：当机械同步混合继电器的输入端与交直流电源相连时，即继电线圈K1和驱动电源P1的输入端与交直流电源相连时，所述半导体开关S1包含一个稳压二极管D1’和2个三极管T1’和T2’；其中稳压二极管D1’的负极连接在三极管T1’的栅极上，稳压二极管D1’的正极则连接在三极管T1’的源极上；三极管T1’的栅极与三极管T2’的栅极相连，并构成半导体开关S1的输入控制端；三极管T1’的源极与三极管T2’的漏极相连，并构成半导体开关S1即机械同步混合继电器的输出地端；三极管T1’的漏极和三极管T2’的源极分别构成2个半导体开关S1即机械同步混合继电器的2个输出正端。

4.根据权利要求1所述的机械同步混合继电器，其特征在于：所述机电式继电器和固体继电器分别单独装在2个独立的壳体中，或同时组装在同一个壳体中。

5.基于权利要求1所述机械同步混合继电器的混合开关运行方法，其特征在于：

当机械同步混合继电器的输入端无控制电压时，机械同步混合继电器处于初始状态，继电线圈K1和驱动电源P1的输入端无控制电压，驱动电源P1无电压输出，继电线圈K1驱动的第一机械触点开关K1-1断开，第二机械触点开关K1-2处于常开触点断开、常闭触点接通状态，半导体开关S1的输入控制端通过第二机械触点开关K1-2的常闭触点与驱动电源P1输出地端接通，半导体开关S1因驱动电压为“0”而处于关闭状态；

当接通机械同步混合继电器控制电压时，继电线圈K1和驱动电源P1的输入端有控制电压，驱动电源P1的输出端输出高电平电压“VCC”,第一机械触点开关K1-1和第二机械触点开关K1-2在继电线圈K1的驱动下动作，在第一机械触点开关K1-1接通的同时，第二机械触点开关K1-2的常闭触点将半导体开关S1的输入控制端与驱动电源P1的输出地端断开，第二机械触点开关K1-2的常开触点将半导体开关S1的输入控制端与驱动电源P1的输出正端接通，使半导体开关S1的输入控制端得到驱动电压“VCC”，此时半导体开关S1迅速导通，实现第一机械触点开关K1-1与半导体开关S1同步接通负载；

当断开机械同步混合继电器控制电压时，继电线圈K1和驱动电源P1的输入端失电，第一机械触点开关K1-1和第二机械触点开关K1-2在继电线圈K1的驱动下动作，在第一机械触点开关K1-1断开的同时，第二机械触点开关K1-2常开触点将半导体开关S1的输入控制端与驱动电源P1的输出正端断开，第二机械触点开关K1-2常闭触点接通将半导体开关S1的输入控制端与驱动电源P1的输出地端连接，半导体开关S1的输入控制端电荷迅速泄放，使半导体开关S1关闭，实现第一机械触点开关K1-1与半导体开关S1同步断开负载。