CN103916111B - 交流开关及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流开关及其控制方法。该交流开关包括：两连接端子、两控制端子和四个开关控制单元，第一开关第二端与第一连接端子连接，第一控制端与第一控制端子连接，第一开关单元在第一开关第一端的电压高于第一开关第二端且第一控制端接正电压时导通，其余情况关断；第二开关第一端与第一开关第一端连接，第二开关第二端与第二连接端子连接，第二控制端与第二控制端子连接，第二开关单元与第一开关单元具有相同开关特性；第三开关单元与第一开关单元并联，当其一端电压高于另一端时导通，反之关断；第四开关单元与第二开关单元并联且与第三开关单元具有相同开关特性。通过本发明，能够实现交流电路在全周期任意瞬时通断，灵活性高。

Description

交流开关及其控制方法

技术领域

本发明涉及电路领域，具体而言，涉及一种交流开关及其控制方法。

背景技术

交流开关是电力系统使用较多的器件，在一些高电压、大电流、要求快速动作的场合可以利用电力电子器件的开关特性控制电路的通断，例如：利用晶闸管的导通与关断的特性，通过控制晶闸管门极的电压，就可以控制阳极与阴极间电路的通断。这类电力电子开关器件与传统的接触器-继电器系统相比，其主回路及控制回路都没有触头及可动的机械结构，因而，不存在电弧、触头磨损和熔焊等问题，在现代电力系统中得到了广泛的应用。然而，晶闸管仅开通是可控的，关断只能靠电压过零点自动完成，即关断不可控。

为了达到关断可控，现有技术中存在采用双向晶闸管开关实现的交流开关。双向晶闸管是一个具有NPNPN五层结构的硅半导体器件，由两只反向并联的单向晶闸管组成，电流可以从两个方向通过,其外形与普通晶闸管相似，也有三个电极，即控制极g和主电极a1、a2，其电气符号如图1所示。双向晶闸管开关性能的具有如下特点：

(1)在主电极之间加电压，而控制极g没有触发信号时，双向晶闸管不导通。

(2)无论主电极之间电压极性如何，在控制极g加上触发信号（可正可负），均可触发双向晶闸管导通，由于负信号触发所需触发电压、电流较小且工作可靠，所以通常采用负信号触发方式。

(3)双向晶闸管导通后，再除去触发信号，能继续保持导通，只有主电极之间电压为0（或者电流为0）时，双向晶闸管才自行关断。

虽然双向晶闸管是一种理想的交流开关器件，在交流开关、交流调压、交流调速、灯具调光以及固态继电器和固态接触器等电路中得到了广泛的应用，但是由于其只有在主电极之间电压为0（或者流经电流为0）时才关断，不能实现任意时刻所连支路的关断。

现有技术中还存在采用绝缘栅双极型晶体管实现的交流开关。绝缘栅双极型晶体管简称IGBT，是一种新型的负荷功率器件，具有输入阻抗大、控制电路简单、开关损耗小、工作频率高等优点，是发展最快而且很有前途的一种开关器件。它有三个电极，分别是集电极C、发射极E和栅极G，电气符号如图2所示。

如果IGBT的C极接电源正极，E极接电源负极，则它的导通和关断由栅极电压来控制。栅极上加正电压时，MOSFET内形成沟道，并为PNP的晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通，连接端子1与连接端子2之间导通。栅极上加负电压时，MOSFET内的沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT即关断，连接端子1与连接端子2之间关断。

因而，对于绝缘栅双极型晶体管开关，在交流电压正半周期时导通，而在交流电压负半周期关断。

综上，现有技术中的交流开关无法实现控制交流电路在任意角度完成导通与关断，通断灵活性差。

针对相关技术中交流开关通断灵活性差的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种交流开关及其控制方法，以解决交流开关通断灵活性差的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种交流开关。

根据本发明的交流开关包括：第一连接端子；第二连接端子；第一控制端子；第二控制端子；第一开关单元，第一开关单元具有第一开关第一端、第一开关第二端和第一控制端，第一开关第二端与第一连接端子相连接，第一控制端与第一控制端子相连接，其中，当第一开关第一端的电压高于第一开关第二端的电压且第一控制端连接正电压时，第一开关单元导通，当第一开关第一端的电压高于第一开关第二端的电压且第一控制端连接负电压时，或者当第一开关第一端的电压低于第一开关第二端的电压时，第一开关单元关断；第二开关单元，第二开关单元具有第二开关第一端、第二开关第二端和第二控制端，第二开关第一端与第一开关第一端相连接，第二开关第二端与第二连接端子相连接，第二控制端与第二控制端子相连接，其中，当第二开关第一端的电压高于第二开关第二端的电压且第二控制端连接正电压时，第二开关单元导通，当第二开关第一端的电压高于第二开关第二端的电压且第二控制端连接负电压时，或者当第二开关第一端的电压低于第二开关第二端的电压时，第二开关单元关断；第三开关单元与第一开关单元并联，其中，当第三开关单元的第一端的电压高于第三开关单元的第二端的电压时，第三开关单元导通，当第三开关单元的第一端的电压低于第三开关单元的第二端的电压时，第三开关单元关断；第四开关单元与第二开关单元并联，其中，当第四开关单元的第一端的电压高于第四开关单元的第二端的电压时，第四开关单元导通，当第四开关单元的第一端的电压低于第四开关单元的第二端的电压时，第四开关单元关断。

进一步地，该交流开关还包括：第一阻容电路，与第一开关单元并联；以及第二阻容电路，与第二开关单元并联。

进一步地，该交流开关还包括：第一电阻，与第一开关单元并联；以及第二电阻，与第二开关单元并联。

进一步地，第一开关单元和第二开关单元均为绝缘栅双极型晶体管。

进一步地，第三开关单元和第四开关单元均为二极管。

进一步地，第一阻容电路和第二阻容电路均为由电阻和电容组成的串联电路。

进一步地，第一电阻和第二电阻的阻值相等。

为了实现上述目的，根据本发明的另一方面，提供了一种控制交流开关的方法。

根据本发明的交流开关的控制方法用于控制本发明提供的任意一种交流开关，当交流开关连接于交流电路中时，该方法包括：当第一连接端子的电位低于第二连接端子的电位时，向第一控制端子施加正电压以控制交流开关导通，向第一控制端子施加负电压以控制交流开关关断；以及当第一连接端子的电位高于第二连接端子的电位时，向第二控制端子施加正电压以控制交流开关导通，向第二控制端子施加负电压以控制交流开关关断。

通过本发明，采用包括以下结构的交流开关：两连接端子、两控制端子和四个开关控制单元，其中，第一开关单元的第一开关第二端与第一连接端子相连接，第一控制端与第一控制端子相连接，当第一开关第一端的电压高于第一开关第二端的电压且第一控制端连接正电压时，第一开关单元导通，当第一开关第一端的电压高于第一开关第二端的电压且第一控制端连接负电压时，或者当第一开关第一端的电压低于第一开关第二端的电压时，第一开关单元关断；第二开关单元的第二开关第一端与第一开关第一端相连接，第二开关第二端与第二连接端子相连接，第二控制端与第二控制端子相连接，第二开关单元与第一开关单元具有相同的开关特性；第三开关单元与第一开关单元并联，其中，当第三开关单元的第一端的电压高于第三开关单元的第二端的电压时导通，反之关断；第四开关单元与第二开关单元并联且与第三开关单元具有相同的开关特性，能够控制交流电路在任意角度完成导通与关断，解决了交流开关通断灵活性差的问题，进而达到了提高交流开关通断灵活性的效果。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据相关技术的双向晶闸管开关的电气符号；

图2是根据相关技术的绝缘栅双极型晶体管的电气符号；

图3是根据本发明第一实施例的交流开关的原理框图；

图4是根据本发明第二实施例的交流开关的连接示意图；以及

图5是根据本发明第三实施例的交流开关的连接示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图3是根据本发明第一实施例的交流开关的原理框图，如图3所示，该交流开关包括两个连接端子和两个控制端子，其中，两个连接端子分别与交流开关所处的交流线路连接，该两个连接端子可以根据线路需要相应设置，例如直接设置为导线与交流线路中的导线相连接，或者设置为与交流线路向适配的接线口；两个控制端子与外部控制电路或控制器件相连接，接收外部的控制信号，包括正电压和负电压，以控制交流开关的通断。

具体地，第一开关单元具有第一开关第一端、第一开关第二端和第一控制端，其中，第一开关第一端与第二开关单元的第二开关第一端相连接，第一开关第二端与第一连接端子相连接，第一控制端与第一控制端子相连接。该第一开关单元的开关特性如下：当第一开关第一端的电压高于第一开关第二端的电压且第一控制端连接正电压时，第一开关单元导通，当第一开关第一端的电压高于第一开关第二端的电压且第一控制端连接负电压时，或者当第一开关第一端的电压低于第一开关第二端的电压时，第一开关单元关断。

第二开关单元具有第二开关第一端、第二开关第二端和第二控制端，其中，第二开关第一端与第一开关单元的第一开关第一端相连接，第二开关第二端与第二连接端子相连接，第二控制端与第二控制端子相连接，该第二开关单元的开关特性与第一开关单元的开关特性相同。

第三开关单元与第一开关单元并联，第三开关单元的第一端与第一开关单元的第一开关第二端相连接，第三开关单元的第二端与第一开关单元的第一开关第一端相连接。该第三开关单元的开关特性如下：当第三开关单元的第一端的电压高于第三开关单元的第二端的电压时，第三开关单元导通，当第三开关单元的第一端的电压低于第三开关单元的第二端的电压时，第三开关单元关断。

第四开关单元与第二开关单元并联，第四开关单元的第一端与第二开关单元的第二开关第二端相连接，第四开关单元的第二端与第二开关单元的第二开关第一端相连接。该第四开关单元的开关特性与第三开关单元的开关特性相同。

需要说明的是，各开关单元可以是单独的电气元器件，也可以是多个电气元器件组成的电路，只要实现各开关单元的开关特性，均可实现该实施例的交流开关。

采用该实施例提供的交流开关置于交流线路中，根据各开关单元的开关特性，当第一连接端子电位高于第二连接端子电位时，第一开关单元关断，与第一开关单元相并联的第三开关单元导通，与第二开关单元相并联的第四开关单元关断，第二开关单元的通断可由第二控制端子（或第二控制端）连接电压的极性控制，具体地，当第二控制端连接正电压时第二开关单元导通，连接负电压时第二开关单元关断。因此，当第一连接端子的电位高于第二连接端子的电位时，向第二控制端子施加正电压能够使得第一连接端子与第二连接端子之间连通，也即交流开关导通，而向第二控制端子施加负电压能够使得第一连接端子与第二连接端子之间断开，也即交流开关关断。

相应地，当第一连接端子电位低于第二连接端子电位时，第二开关单元关断，与第二开关单元相并联的第四开关单元导通，与第一开关单元相并联的第三开关单元关断，第一开关单元的通断可由第一控制端子（或第一控制端）连接电压的极性控制，具体地，当第一控制端连接正电压时第一开关单元导通，连接负电压时第一开关单元关断。因此，当第一连接端子的电位低于第二连接端子的电位时，向第一控制端子施加正电压能够使得第一连接端子与第二连接端子之间连通，也即交流开关导通，而向第一控制端子施加负电压能够使得第一连接端子与第二连接端子之间断开，也即交流开关关断。

综上，采用该实施例的交流开关，无论当前交流线路中的交流电压处于正半周期或负半周期，均可通过控制端施加正电压或负电压来实现任意瞬时通断，使得交流开关的通断灵活性高。

图4是根据本发明第二实施例的交流开关的连接示意图，如图4所示，该交流开关包括两个共集电极的绝缘栅双极型晶体管和两个分别与绝缘栅双极型晶体管相并联的二极管。

其中，交流开关的第一连接端子P1和第二连接端子P2分别与交流开关所处的交流线路连接，该两个连接端子可以根据线路需要相应设置；第一控制端子T1和第二控制端子T2分别用于连接外部控制电路或控制器件，接收外部的控制信号，包括正电压和负电压，以控制交流开关的通断。

第一绝缘栅双极型晶体管IGBT1的发射极E1连接第一连接端子P1，集电极C1连接第二绝缘栅双极型晶体管IGBT2的集电极C2，栅极G1连接第一控制端子T1；第二绝缘栅双极型晶体管IGBT2的发射极E2连接第二连接端子P2，集电极C2连接第一绝缘栅双极型晶体管IGBT1的集电极C1，栅极G2连接第二控制端子T2；第一二极管VD1的正极与第一连接端子P1相连接，负极与第一绝缘栅双极型晶体管IGBT1的集电极C1连接；第二二极管VD2的正极与第二连接端子P2相连接，负极与第二绝缘栅双极型晶体管IGBT2的集电极C2连接。

当交流开关接在交流线路中且交流电源接通后，在交流电压正半周期内端子P1的电位高于端子P2的电位，给IGBT2栅极G2加正电压时，IGBT2导通，端子P1与端子P2之间通过VD1、IGBT2导通，给IGBT2栅极G2加负电压时，IGBT2断开，端子P1与端子P2之间断开；在交流电压负半周期内，端子P1的电位低于端子P2的电位，给IGBT1栅极G1加正电压时，IGBT1导通，端子P1与端子P2之间通过VD2、IGBT1导通，给IGBT1栅极G1加负电压时，IGBT1断开，端子P1与端子P2之间断开，从而实现控制交流线路支路任意瞬间的导通与断开。

采用该实施例的交流开关，通过简单的电气元器件实现交流线路任意周期的瞬时通断，使得交流开关的通断灵活性高，并且电路连接方式简单，成本低，易于交流线路使用。

图5是根据本发明第三实施例的交流开关的连接示意图，该实施例是在图4所示实施例基础上进一步改进的优选实施例。

如图5所示，在第一绝缘栅双极型晶体管IGBT1和第二绝缘栅双极型晶体管IGBT2的两端分别并联了阻容电路和电阻。具体地，第一电阻R1与IGBT1并联；第二电阻2与IGBT2并联；第一阻容电路由串联的第一电容C3和第三电阻R3组成，与IGBT1并联；第二阻容电路由串联的第二电容C4和第四电阻R4组成，与IGBT2并联。

采用该实施例的交流开关，能够解决变化缓慢的电压或直流电压带来的静态不均压问题以及器件开通与关断过程中出现的瞬时电压不均匀问题，同时，阻容回路还可以作为浪涌电压吸收回路。

进一步优选地，第一电阻R1与第二电阻2的阻值相等，第一阻容电路与第二阻容电路为相同的阻容电路。

本具体实施方式还提供了控制上述任一种交流开关的控制方法。具体地，当交流开关连接于交流电路中时，该方法包括：当第一连接端子的电位低于第二连接端子的电位时，向第一控制端子施加正电压以控制交流开关导通，向第一控制端子施加负电压以控制交流开关关断；以及当第一连接端子的电位高于第二连接端子的电位时，向第二控制端子施加正电压以控制交流开关导通，向第二控制端子施加负电压以控制交流开关关断。

采用该实施例的控制方法控制上述任一交流开关，无论当前交流线路中的交流电压处于正半周期或负半周期，均可根据实际使用需要控制交流开关通断，使得交流开关的通断灵活性提高。

以上的描述中，可以看出，本发明实现了如下技术效果：通过本发明的交流开关，能够实现控制交流线路支路在交流电压的全周期任意瞬时通断，也即在任意角度完成导通与关断，提高了交流开关通断的灵活性。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种交流开关，其特征在于，包括：

第一连接端子（P1）；

第二连接端子（P2）；

第一控制端子（T1）；

第二控制端子（T2）；

第一开关单元（IGBT1），所述第一开关单元（IGBT1）具有第一开关第一端（C1）、第一开关第二端（E1）和第一控制端（G1），所述第一开关第二端（E1）与所述第一连接端子（P1）相连接，所述第一控制端（G1）与所述第一控制端子（T1）相连接，其中，当所述第一开关第一端（C1）的电压高于所述第一开关第二端（E1）的电压且所述第一控制端（G1）连接正电压时，所述第一开关单元（IGBT1）导通，当所述第一开关第一端（C1）的电压高于所述第一开关第二端（E1）的电压且所述第一控制端（G1）连接负电压时，或者当所述第一开关第一端（C1）的电压低于所述第一开关第二端（E1）的电压时，所述第一开关单元（IGBT1）关断；

第二开关单元（IGBT2），所述第二开关单元（IGBT2）具有第二开关第一端（C2）、第二开关第二端（E2）和第二控制端（G2），所述第二开关第一端（C2）与所述第一开关第一端（C1）相连接，所述第二开关第二端（E2）与所述第二连接端子（P2）相连接，所述第二控制端（G2）与所述第二控制端子（T2）相连接，其中，当所述第二开关第一端（C2）的电压高于所述第二开关第二端（E2）的电压且所述第二控制端（G2）连接正电压时，所述第二开关单元（IGBT2）导通，当所述第二开关第一端（C2）的电压高于所述第二开关第二端（E2）的电压且所述第二控制端（G2）连接负电压时，或者当所述第二开关第一端（C2）的电压低于所述第二开关第二端（E2）的电压时，所述第二开关单元（IGBT2）关断；

第三开关单元（VD1），与所述第一开关单元（IGBT1）并联，其中，当所述第三开关单元（VD1）的第一端的电压高于所述第三开关单元（VD1）的第二端的电压时，所述第三开关单元（VD1）导通，当所述第三开关单元（VD1）的第一端的电压低于所述第三开关单元（VD1）的第二端的电压时，所述第三开关单元（VD1）关断；

第四开关单元（VD2），与所述第二开关单元（IGBT2）并联，其中，当所述第四开关单元（VD2）的第一端的电压高于所述第四开关单元（VD2）的第二端的电压时，所述第四开关单元（VD2）导通，当所述第四开关单元（VD2）的第一端的电压低于所述第四开关单元（VD2）的第二端的电压时，所述第四开关单元（VD1）关断。

2.根据权利要求1所述的交流开关，其特征在于，还包括：

第一阻容电路，与所述第一开关单元（IGBT1）并联；以及

第二阻容电路，与所述第二开关单元（IGBT2）并联。

3.根据权利要求1所述的交流开关，其特征在于，还包括：

第一电阻（R1），与所述第一开关单元（IGBT1）并联；以及

第二电阻（R2），与所述第二开关单元（IGBT2）并联。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的交流开关，其特征在于，所述第一开关单元和所述第二开关单元均为绝缘栅双极型晶体管。

5.根据权利要求4所述的交流开关，其特征在于，所述第三开关单元和所述第四开关单元均为二极管。

6.根据权利要求2所述的交流开关，其特征在于，所述第一阻容电路和所述第二阻容电路均为由电阻和电容组成的串联电路。

7.根据权利要求3所述的交流开关，其特征在于，所述第一电阻（R1）和所述第二电阻（R2）的阻值相等。

8.一种控制如权利要求1所述交流开关的方法，其特征在于，当所述交流开关连接于交流电路中时，所述方法包括：

当第一连接端子（P1）的电位低于第二连接端子（P2）的电位时，向第一控制端子（T1）施加正电压以控制所述交流开关导通，向所述第一控制端子（T1）施加负电压以控制所述交流开关关断；以及

当所述第一连接端子（P1）的电位高于所述第二连接端子（P2）的电位时，向第二控制端子（T2）施加正电压以控制所述交流开关导通，向所述第二控制端子（T2）施加负电压以控制所述交流开关关断。