CN104079277A - 直流二线式固态开关 - Google Patents

Abstract

本发明直流二线式固态开关是只有两个对外连接端子的大电流无触点带保护的控制开关。其内部在控制电路的支配下，以方波发生器两组输出驱动双路功率场效应晶体管交替导通承载负载电流和故障电流，同时，负载电流或故障电流交替流过有抽头的电流互感器一次绕组的两个各半的一次绕组，以电流互感器二次绕组输出的交流电压作为通态供电的源头，并且，在这种二线电路结构基础上，采用特异方法解决了固态短路保护的经典难题，因而具有无与伦比的短路保护功能。本发明特别适用于新能源汽车马达的无触点开关控制和汽车电路的保护。

Description

直流二线式固态开关

所属技术领域

本发明涉及一种直流二线式固态开关技术方案，这种用于直流电路的固态开关只有两个对外的连接端子，其接通、承载和分断负载电流或故障电流的器件，不是机械装置，而是固态的无触点的功率场效应晶体管。当发生短路故障或负载过流时，本发明涉及的直流二线式固态开关能够瞬间分断故障电流。

背景技术

据发明人检索，目前公开的技术资料中，涉及直流二线式固态开关的，仅有美国专利US6160689一个文件。该专利文件的名称为交直流二线式固态断路器，陈述一种交直流二用的固态断路器，尽管在该专利文件的附图中找不到在该专利说明书中所提及的微处理器34(microprocessor34)和晶体管74(transistor74)，并且在其权利要求中未提及关键组成——电流互感器及其作用，但还是能看出该专利所述的固态断路器在接通负载状态下，是依靠流过电流互感器26(transformer26)的断续负载电流来完成对内部电子电路的供电的，据其电路构成可知，该固态断路器在接通负载状态下，在直流应用时只有一半时间存在负载电流通过电流互感器26，在交流应用时仅四分之一时间存在负载电流通过电流互感器26，因而在直流应用时只有一半时间能够实现依靠负载电流对内部电子电路供电，在交流应用时仅四分之一时间能够依靠负载电流对内部电子电路供电，其余时间只能依靠电容储能来供电，所以，该固态断路器在低负载电流状态下发生短路故障时，完全有可能在短路故障发生时刻处于不供电期间且电容储能又不足情况，从而造成相关电路失控及不能瞬间分断故障电流的后果。另一方面，同样因为负载电流只有部分时间通过电流互感器26，电流互感器26就不能兼作电流传感器使用，该专利所述的固态断路器以霍尔传感器40(Hall sensor40)来担当电流传感器任务。

发明内容

本发明涉及的直流二线式固态开关，只有两个对外的连接端子，其内部主要由控制电路、方波发生器、功率场效应晶体管、电流互感器、整流电路、稳压电路以及断态供电电路等组成。其中，控制电路支配这个直流二线式固态开关的接通或断开，即开关的通态或断态。在通态时，以方波发生器两组输出驱动双路功率场效应晶体管交替导通承载负载电流和故障电流，同时，负载电流或故障电流交替流过有抽头的电流互感器一次绕组的两个各半的一次绕组，以电流互感器二次绕组输出的交流电压经整流稳压作为内部电子电路的通态供电。在断态时，以开关断态压降通过断态供电电路和稳压电路形成断态供电。

本发明直流二线式固态开关是以连续的双路交替的负载电流或故障电流通过电流互感器的方式来完成对内部电子电路的供电的，因而只要存在正常负载电流或故障电流，就不会存在供电缺失或供电不足的现象，当然也不会存在内部电子电路由于供电缺失或供电不足而产生的失控现象。并且，这个电流互感器能够兼作电流传感器使用，以检测负载电流和故障电流的大小。

本发明涉及的直流二线式固态开关电路，对于短路保护的关断过程，也就是短路故障后功率场效应晶体管的截止过程，为了保证功率场效应晶体管的可靠快速截止，是采用短接通态供电继而短接功率场效应晶体管输入电压的特异方法，从而大大降低了功率场效应晶体管输入电容对断开时间的影响，同时也避免了在功率场效应晶体管快速截止过程中由密勒效应(Miller effect)造成的误导通。这种能够促成功率场效应晶体管大电流微秒级快速截止又不产生误导通的方法，解决了在先技术无法克服的经典难题，因而，这种直流二线式固态开关具有无与伦比的短路保护功能。

本发明特别适用于新能源汽车马达的无触点开关控制和汽车电路的保护。

附图说明

图1示出本发明技术方案电路方框图。

图2为本发明第一种实施例的详细电路图。

图3为本发明第二种实施例的详细电路图。

具体实施方式

下面参考各附图对本发明进行详细描述。

图1是本发明直流二线式固态开关的电路方框图。图1中，本发明直流二线式固态开关由正极性连接端子3、负极性连接端子4、两个功率场效应晶体管5和6、电流互感器7、整流电路8、稳压电路9、方波发生器10、断态供电电路11和控制电路12等组成。其中，正极性连接端子3和负极性连接端子4是本发明直流二线式固态开关的两个对外连接端子，连接至外接直流电源1和外接负载2，正极性连接端子3连接至外接电路的高电位接点，负极性连接端子4连接至外接电路的低电位接点；电流互感器7具有携带中心抽头的一次绕组7a、7b和二次绕组7c；两个功率场效应晶体管5和6用作接通、承载和分断负载电流和故障电流，它们的漏极分别通过7a和7b连接至正极性连接端子3，它们的源极连接至负极性连接端子4；方波发生器10具有两组输出端子，分别连接至两个功率场效应晶体管5和6的栅极和源极，方波发生器10工作时能够在两组输出端子上分别输出两种相同幅值、相同频率的相位相反的单极性正方波电压；整流电路8由桥式整流器组成，其输入端与电流互感器二次绕组7c相连接，其输出端连接至稳压电路9的输入端；稳压电路9由三端直流稳压器和储能元件的组成，其输出端连接至控制电路12的电源端；控制电路12能够具有通断控制功能和保护控制功能，整流电路8的输出端连接至控制电路12保护控制功能输入端，控制电路12的输出端连接至方波发生器10的电源端；断态供电电路11跨接在正极性连接端子3和稳压电路9之间。

在图1的电路中，实际上控制电路12的输出被用作方波发生器10的电源供给。当控制电路12输出低电平时，方波发生器10由于得不到供电而停止工作，方波发生器10的两组输出端子上都无输出，两个功率场效应晶体管5和6都截止，直流二线式固态开关处于关断状态，没有负载电流，此时，外接直流电源1通过外接负载2、断态供电电路11和稳压电路9在稳压电路9的输出端上形成相对稳定的直流电压，这个直流电压被用作控制电路12的电源。当控制电路12输出高电平时，方波发生器10由于得到供电而工作，它的两组输出端子上分别输出两种相同幅值、相同频率的相位相反的单极性正方波电压，致使两个功率场效应晶体管5和6交替导通，于是在外接直流电源1的作用下在外接负载2中形成负载电流，直流二线式固态开关处于接通状态。这时，负载电流除了交替流过两个功率场效应晶体管5和6外，还交替流过两个各半的一次绕组7a和7b，由于负载电流流过电流互感器7的两个各半的一次绕组7a和7b时在磁芯内所产生的磁通方向正好相反，于是通过电流互感器7的作用在二次绕组7c的两端形成适当电平的交流电压，这个交流电压经过整流电路8的整流作用在其输出端上形成直流电压，此直流电压经过稳压电路9的稳压作用在稳压电路9的输出端上形成相对稳定的直流电压，稳压电路9的输出端上相对稳定的直流电压被用作控制电路12的电源。

上面的叙述说明了本发明直流二线式固态开关的控制电路12的输出决定了方波发生器10工作与否，从而决定了两个功率场效应晶体管5和6是交替导通还是全部截止，进而决定了固态开关的通断。因此，这种直流二线式固态开关的通断完全由控制电路12所控制。另一方面，控制电路12的电源有二种形式：当直流二线式固态开关关断时，电源由正极性连接端子3和负极性连接端子4之间的压降通过断态供电电路11和稳压电路9形成；当直流二线式固态开关接通时，电源由电流互感器二次绕组7c上的交流电压通过整流稳压形成。由于这个交流电压是通过电流互感器7从负载电流或故障电流中获得，所以，只要存在正常负载电流或者存在过流短路等故障电流，或者由故障电流引起外接直流电源1的电压急剧下降，都不会发生控制电路电源供电不足的现象，也不会存在因为供电不足而引起控制电路12失控的情况。再则，控制电路12能够具有的通断控制功能主要是传感器通断控制功能，能够具有的保护控制功能主要是过流和短路保护功能。过流和短路故障信号从整流电路8的输出端得到，因为整流电路8输出端的直流电压由电流互感器二次绕组7c上的交流电压经整流形成，能够与故障电流的大小成为对应关系。控制电路12具有的短路保护功能是依靠功率场效应晶体管承载和分断短路故障电流，因而与有触点断路器的短路保护功能不同，其关断时间仅几个微秒和截流值远小于短路电流，也就是短路后的故障电流远未上升到短路电流值时就快速关断故障电流，并且，能够整定截流值，能够做到短路对电源和输电线没有损害；无论是通电后短路，还是短路后通电，都具有同样的保护功能。然后，要完成这种短路保护功能，功率场效应晶体管在短路故障发生后必须可靠地快速截止。但是，在功率场效应晶体微秒级快速截止过程中，功率场效应晶体管的漏源极间电压急剧上升，从导通电压向外接直流电源电压过渡，由于存在密勒效应，急剧上升的漏极电压通过漏栅之间的阻抗，主要是电容C_dg，回馈至输入端，引起误导通，轻则整个电路遭受短路电流冲击，重则功率场效应晶体管及其相关元器件立刻损坏。在先技术无法克服上述难题，本发明基于二线电路的通态供电和断态供电的转换，采用特异方法圆满地解决了这个难题，具体情况在下面的实施例中叙述。

图2是基于图1电路方框图的第一种实施例的详细电路图。图2的电路是一种直流二线式固态短路保护器。在图2中，B1是外接直流电源；L1是外接负载；T1是正极性连接端子；T2是负极性连接端子；MOS1和MOS2是两个功率场效应晶体管，构成双路功率场效应晶体管交替通路；CT1是电流互感器，w1和w2是电流互感器CT1的两个各半的一次绕组，w3是电流互感器CT1的二次绕组；电阻R1用作断态供电电路；二极管D1、D2、D3和D4组成整流电路；电阻R2、稳压二极管DZ1和电容C1组成稳压电路；反相器PR1和PR2、电阻R5和R6、电容C2和C3组成方波发生器；电阻R3和R4、单向晶闸管SCR1、手动复位按钮RS1、二极管D5和D6组成控制电路，仅具有短路保护控制功能。

现叙述图2保护器上电后的电路物理过程。当两个端子T1和T2接上外接直流电源B1和外接负载L1后，B1通过L1、R1在DZ1和C1上形成相对稳定的直流电压，作为断态供电电源，由于这个电源连接至方波发生器的电源端，方波发生器工作，在v01和v02上输出两组相关方波电压至MOS1和MOS2的栅极，致MOS1和MOS2交替导通，形成负载电流，并且在w3上形成交流电压，这个交流电压通过整流电路整流和稳压电路稳压后又在DZ1和C1上形成相对稳定的直流电压，作为的通态供电电源，此时，断态供电转变为通态供电，并且，在正常负载下，保护器一直维持导通工作状态。

当外接负载L1被全部短路时，由于两个功率场效应晶体管MOS1和MOS2是交替导通，所以，其中一个管子MOS1(或MOS2)的导通电流急剧增加，致使二次绕组w3上的交流电压幅值瞬间剧增，经整流电路整流后的直流电压瞬间剧增，剧增至一定值时经电阻R3和R4分压后加至单向晶闸管SCR1的控制极，致使单向晶闸管SCR1导通，DZ1和C1上通态供电电源被短接，方波发生器失去供电而停止工作，两组输出都无输出，MOS1(或MOS2)失去驱动电压而预期截止，但是，实际上MOS1(或MOS2)栅源输入电容中的电荷经二极管D5(或D6)和单向晶闸管SCR1迅速放电，MOS1(或MOS2)实现快速截止而分断故障电流，完成短路保护功能。之后，根据所选择的元器件参数不同，分二种情况：第一种情况是，完成短路保护后，单向晶闸管SCR1仍保持导通，使保护器处于关断状态，此时，需要“断电复位”或“手动复位”使单向晶闸管SCR1由导通变为截止，保护器就进入工作状态，这时，如果短路故障未排除，则再次实现短路保护；若短路故障被排除，保护器即恢复正常工作。这里的“断电复位”是需要保护器断开外接直流电源B1后再上电，而“手动复位”是需要按一下手动复位按钮RS1。第二种情况是，完成短路保护后，单向晶闸管SCR1由导通自动变为截止，此时，如果短路故障未排除，每隔几秒至几百毫秒，有一次短路保护过程，即保护器有从短暂导通到快速截止的过程，即MOS1或MOS2有从短暂导通到快速截止的过程。当短路故障被排除后，保护器能自动复位，恢复正常工作。在这种自动复位情况下，就不需要手动复位按钮RS1。

对于图2的固态短路保护器，短路保护的实现是依靠短接电子电路供电电源的办法，这除了上面叙述的能使功率场效应晶体管输入电容快速放电，继而使功率场效应晶体管快速截止外，还能避免功率场效应晶体管快速截止过程中由密勒效应引起的误导通。这是因为在功率场效应晶体管快速截止过程中，单向晶闸管SCR1和二极管D5(或D6)都是导通的，此时SCR1的导通电阻和D5(或D6)的导通电阻串联后并接在功率场效应晶体管的栅源极之间，大大降低了功率场效应晶体管的输入阻抗，大大削弱了由密勒效应引起的输出对输入的反馈，进而避免了由此产生的误导通。

图3是基于图1电路方框图的第二种实施例的详细电路图。图3的电路是一种具有短路过流保护功能的直流二线式固态触摸开关。在图3中，B2是外接直流电源；L2是外接负载；T3是正极性连接端子；T4的是负极性连接端子；MOS3和MOS4是两个功率场效应晶体管，构成双路功率场效应晶体管交替通路；CT2是电流互感器，w4和w5是电流互感器CT2的两个各半的一次绕组，w6是电流互感器CT2的二次绕组；电阻R7用作断态供电电路；二极管D7、D8、D9和D10组成整流电路；电阻R10、稳压二极管DZ2和电容C5组成稳压电路；集成电路CD4047、电阻R14、电容C6组成方波发生器；控制电路有三种功能：触摸通断功能，过流保护功能和短路保护功能；其中，触摸通断功能由集成电路TTP223、与门电路F2、电阻R15、稳压二极管DZ3、电容C7和触摸传感器TP组成，过流保护功能由与门电路F1、电容C4、电阻R8、R9和R12组成，短路保护功能由电阻R11和R13、单向晶闸管SCR2、二极管D11和D12组成。此外，控制电路还有手动复位按钮RS2。

现叙述图3固态触摸开关上电后的电路物理过程。当两个端子T3和T4接上外接直流电源B2和外接负载L2后，B2通过L2、R7在DZ2和C5上形成相对稳定的直流电压，作为断态供电电源。这个电源向F1、F2、TTP223、SCR2等供电。由于上电后TTP223的1脚输出呈低电平，致使F2输出呈低电平，因为CD4047依靠F2的输出作为供电电源，所以，方波发生器不工作，MOS3和MOS4都截止，无负载电流，固态触摸开关处于关断状态。通过触摸TP，TTP223的1脚输出呈高电平，使F2输出呈高电平，CD4047得到供电，方波发生器工作，MOS3和MOS4交替导通，形成负载电流，固态触摸开关处于开通状态，此时，负载电流又交替流过w4和w5，于是在w6上形成交流电压，这个交流电压通过整流电路整流和稳压电路稳压后又在DZ2和C5上形成相对稳定的直流电压，作为通态供电电源。之后，如果脱离触摸TP，TTP223的1脚再次呈低电平而使固态触摸开关关断，这样，可通过触摸或脱离触摸TP来控制固态触摸开关的通断。

当固态触摸开关处于开通状态且外接负载L2被全部短路时，其短路保护过程与图2保护器类同，即MOS3(或MOS4)的导通电流急剧增加，致使二次绕组w6上的交流电压幅值瞬间剧增，经整流电路整流后的直流电压瞬间剧增，剧增至一定值时经电阻R11和R13分压后加至单向晶闸管SCR2的控制极，致使SCR2导通，DZ2和C5上通态供电电源被短接，方波发生器停止工作，并且，MOS3(或MOS4)输入电容中的电荷经二极管D11(或D12)和单向晶闸管SCR2迅速放电，MOS3(或MOS4)快速截止而分断故障电流，固态触摸开关关断，完成短路保护过程。之后，由于单向晶闸管SCR2保持导通状态，固态触摸开关一直处于关断状态，需要使用手动复位按钮RS2来复位。当短路故障被排除且按动手动复位按钮RS2后数秒，就能通过触摸或脱离触摸TP来控制固态触摸开关的通断。

当发生过流故障时，即负载电流超过设定值且一定时间后，F2输出高电平，通过R12使单向晶闸管SCR2导通，致固态触摸开关关断。之后，与上述短路保护类同，需要排除过流故障和手动复位后数秒，就能依靠触摸TP来恢复固态触摸开关的正常开通。

Claims (4)

1.一种直流二线式固态开关包括：

连接到含有负载的外部直流有源电路的两个对外连接端子：正极性连接端子和负极性连接端子，两个对外连接端子与该负载串联连接，并且，正极性连接端子连接至所述直流有源电路的高电位接点，负极性连接端子连接至所述直流有源电路的低电位接点；

用作承载负载电流和故障电流的两个功率场效应晶体管：第一功率场效应晶体管和第二功率场效应晶体管；

具有一次绕组和二次绕组的电流互感器，其中，一次绕组具有中心抽头；

一个具有两种不同输出的方波发生器；当该方波发生器工作时，它的两组输出端子上分别输出两种相同幅值、相同频率的相位相反的单极性正方波电压；

所述第一功率场效应晶体管和第二功率场效应晶体管的源极连接至所述负极性连接端子，第一功率场效应晶体管和第二功率场效应晶体管的漏极分别连接至所述一次绕组的起始端子和收尾端子，而一次绕组的中心抽头连接至所述正极性连接端子；所述方波发生器输出的两个方波电压分别接入所述两个功率场效应晶体管的栅极和源极；当所述直流二线式固态开关开通时，即方波发生器具有输出时，输出的两个方波电压使所述两个功率场效应晶体管交替导通，形成负载电流，负载电流交替地流过所述两个功率场效应晶体管及电流互感器的各半的一次绕组，于是通过电流互感器的作用在二次绕组的两端形成适当电平的交流电压；

含有桥式整流器的整流电路；该整流电路的输入端与所述电流互感器的二次绕组相连接，于是，二次绕组两端的交流电压经过整流作用在整流电路的输出端上形成直流电压；

含有三端直流稳压器和储能元件的稳压电路；该稳压电路的输入端与上述整流电路的输出端相连接，于是，整流电路输出端上的直流电压经过稳压作用在稳压电路的输出端上形成相对稳定的直流电压；

断态供电电路，该断态供电电路跨接在正极性连接端子和稳压电路之间，于是，在所述直流二线式固态开关关断时，即方波发生器无输出和两个功率场效应晶体管都截止时，所述外部直流有源电路通过负载、所述断态供电电路和稳压电路在稳压电路的输出端上形成相对稳定的直流电压；

控制电路，通过控制方波发生器的输出状态达到控制所述直流二线式固态开关的通断；

稳压电路的输出端上相对稳定的直流电压被用作控制电路的电源。

2.权利要求1所述的直流二线式固态开关是一种具有短路保护功能的直流固态开关。

3.权利要求1所述的直流二线式固态开关是一种直流二线式固态短路保护器。

4.权利要求1所述的直流二线式固态开关是一种直流二线式固态断路器。