CN104868585A - 可控硅切换电路及基于可控硅切换电路的电源切换装置 - Google Patents

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杜磊杰
罗蜂
刘福来
潘世高
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Abstract

本发明公开一种可控硅切换电路及基于可控硅切换电路的电源切换装置。所述切换电路包括:两组所述控制器件,分别连接在两个输入电源和输出电路之间,每个控制器件用于在控制芯片的驱动信号控制下,接通所连接电源与输出电路;所述关断状态检测电路包括基准电压电路和比较器,基准电压电路用于提供比较器输入端的基准电压,比较器用于将所述基准电压与可控硅的门极和阴极之间的电压差值进行比较,并将比较结果提供给控制芯片;所述控制芯片,用于停止向驱动电路输出待停用输入电源对应的控制器件的驱动信号,且在根据比较结果检测到该控制器件处于关断状态时,向另一输入电源对应的控制器件输出驱动信号,实现准确、迅速切换输入电源的目的。

Description

可控硅切换电路及基于可控硅切换电路的电源切换装置
技术领域
[0001 ] 本发明涉及电力系统技术领域,尤其是可控硅切换电路及基于可控硅切换电路的电源切换装置。
背景技术
[0002] 随着科学技术的发展,人们对电源可靠性的要求越来越高,现在很多设备都采用双电源供电系统保证为负载供电的可靠性,因此两路电源的切换时间和可靠性直接影响设备工作的稳定性。
[0003] 双路交流电源切换装置是对两路交流电源进行切换控制的装置,所切换的两路交流电源中一路为常用电源,另一路为备用电源。当常用电源发生故障或停电时,通过双路交流电源切换装置自动切换至备用电源上,从而使负载仍能正常运行。双路交流电源切换装置主要包括对两路交流电源的供电状态进行检测的电源切换电路和实现两路交流电源切换的切换控制电路。其中,切换控制电路在交流电源切换器的研制中处于最重要的环节,切换控制的准确度直接影响到切换装置的性能。
[0004]目前,双路交流电源切换控制一般采用以下方式实现:
[0005] 1.通过双路电源用接触器进行切换,其缺点是工作稳定性差、切换时间长、切换时有噪音、而且无法实现智能控制。
[0006] 2.选用可控硅作为开关器件,用电流互感器检测可控硅的开通或关断,以所述可控硅的开通和关断状态作为切换条件,由于电流互感器的误差比较大,造成切换时间长、工作的可靠性较差。
发明内容
[0007] 本发明的目的在于提供一种可控硅切换电路及基于可控硅切换电路的电源切换装置,以实现电源准确、迅速、无缝切换,缩短了切换控制时间,提高了装置的可靠性。
[0008] 第一方面,本发明提供一种可控硅切换电路,包括,
[0009] 两组控制器件、驱动电路、关断状态检测电路和控制芯片;
[0010] 两组所述控制器件,分别连接在两个输入电源和输出电路之间,每个所述控制器件用于在所述控制芯片的驱动信号控制下,接通所连接电源与输出电路,其中,所述控制器件包括反相并联的可控硅;
[0011 ] 所述关断状态检测电路包括基准电压电路和比较器,所述基准电压电路用于提供所述比较器输入端的基准电压,所述比较器用于将所述基准电压与可控硅的门极和阴极之间的电压差值进行比较,并将比较结果提供给控制芯片;
[0012] 所述控制芯片,用于停止向所述驱动电路输出待停用输入电源对应的控制器件的驱动信号,且在根据比较结果检测到该控制器件处于关断状态时,向另一输入电源对应的控制器件输出驱动信号。
[0013] 第二方面,本发明提供一种基于可控硅切换电路的电源切换装置,包括上述第一方面的可控硅切换电路,还包括故障检测电路;
[0014] 所述故障检测电路,连接在所述输入电源和控制芯片之间,用于检测所述输入电源的工作状态,并提供给所述控制芯片。
[0015] 本发明提供的可控硅切换电路及基于可控硅切换电路的电源切换装置,通过获取所述控制器件中可控硅的管压降,即门极与阴极之间的电压差值,并将所述管压降与基准电压比较,根据所述比较结果确定所述控制器件所处的工作状态,从而确定电路的切换条件,实现准确、迅速的检测切换电路的切换条件的目的;将所述可控硅切换电路运用于电源切换装置,可以准确、迅速的检测到电源的切换条件,实现双电源的无缝切换,缩短了切换控制时间,提高了装置的可靠性。
附图说明
[0016] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0017] 图1是本发明实施例一提供多的可控硅切换电路的原理框图;
[0018] 图2是本发明实施例一提供的可控硅切换电路的原理图;
[0019] 图3是本发明实施例二提供的基于可控硅切换电路的电源切换装置的原理框图;
[0020] 图4是本发明实施例二提供的基于可控硅切换电路的电源切换装置中控制芯片的结构不意图;
[0021] 图5是本发明实施例三提供的基于可控硅切换电路的电源切换装置的工作流程图。
具体实施方式
[0022] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,以下将参照本发明实施例中的附图,通过实施方式清楚、完整地描述本发明的技术方案,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
[0023] 下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
[0024] 实施例一
[0025] 图1是本发明实施例一提供的可控硅切换电路的结构示意图。所述可控硅切换电路,包括:两组控制器件104、驱动电路102、关断状态检测电路101和控制芯片103 ;
[0026] 两组所述控制器件104,分别连接在两个输入电源和输出电路之间,每个所述控制器件104用于在所述控制芯片103的驱动信号控制下,接通所连接电源与输出电路,其中,所述控制器件104包括反相并联的可控硅;
[0027] 所述关断状态检测电路101包括基准电压电路和比较器,所述基准电压电路用于提供所述比较器输入端的基准电压,所述比较器用于将所述基准电压与可控硅的门极和阴极之间的电压差值进行比较,并将比较结果提供给控制芯片103 ;
[0028] 所述控制芯片103,用于停止向所述驱动电路102输出待停用输入电源对应的控制器件104的驱动信号,且在根据比较结果检测到该控制器件104处于关断状态时,向另一输入电源对应的控制器件104输出驱动信号。
[0029] 本实施例的技术方案可采用多种电路连接结构来实现,优选的电路图如图2所示,下面结合图1和图2对该切换电路的实现原理进行说明。
[0030] 本实施例的上述技术方案,两个输入电源可分别作为主电源和备用电源。主电源与输出电路之间串联有一组所述控制器件104,所述备用电源与输出电源之间串联有另一组所述控制器件104。采用两个反并联的可控硅作为所述控制器件104。所述可控硅的门极通过驱动电路102与控制芯片103电连接。所述控制芯片103生成SCR(Silicon ControlledRectifier,可控硅)驱动信号(包括 SCRAl-Gl-PWM、SCRA1-G2-PWM、SCRA2-G1-PWM 或SCRA2-G2-PWM),并将所述SCR驱动信号输出至驱动电路102。所述驱动电路102对所述SCR驱动信号进行调整(电平或波形调整)后,输出至所述可控硅的门极,以驱动对应的可控硅导通,从而接通所连接的输入电源与输出电路。
[0031] 所述比较器对输入的可控硅的门极与阴极之间的电压差值和所述基准电压进行比较,根据可控硅的门极与阴极之间的电压差值大于或小于所述基准电压,输出高电平或低电平,以作为可控硅关断信号(包括SCRA1-0FF1、SCRA1-0FF2、SCRA2-0FF1或SCRA2-0FF2)。所述比较器将所述可控硅关断信号输出至控制芯片103的l/0(input/output,输入/输出)端口。
[0032] 关断状态检测电路101用于根据所述比较器的比较结果确定所述控制器件104的工作状态。
[0033] 通过人工设置或者系统默认的方式确定不同的可控硅关断信号对应的所述控制器件104的工作状态。举例说明,可以预先设定在可控硅关断信号是高电平时,所对应的可控硅为导通状态;在可控硅关断信号是低电平时,所对应的可控硅为关断状态。由于通过反相器等器件很容易改变输入至控制芯片103的电平的状态,本实施例不限定所述比较器的比较结果与所述控制器的工作状态之间的对应关系。
[0034] 由于可控硅为半控型器件,即只能控制导通,不能控制关断,只有靠反向电压才能关断,所以当控制芯片103需要在两个输入电源之间,停用一个输入电源,启用另一输入电源时,可以停止向待停用输入电源对应的控制器件104的驱动电路102输出驱动信号,且在检测到该控制器件104处于关断状态时,向另一输入电源对应的控制器件104输出驱动信号。通过关断状态的检测,可以准确的确定待停用的输入电源已经断开与输出电路的连接,此时再启用另一输入电源与输出电路连接。
[0035] 检测可控硅的关断时间是关系到两路电切换时间间隔大小的重要指标。因此,所述可控硅切换电路是本电源切换装置能够做到无缝切换的关键。采用所述可控硅切换电路可以准确、迅速的检测电源切换条件,缩短了切换控制时间,提高了装置的可靠性。
[0036] 本发明提供的可控硅切换电路,通过检测控制器件104 (可控硅)的管压降(门极与阴极之间的电压差值),并将所述管压降与基准电压比较,根据所述比较结果确定所述控制器件104所处的工作状态,从而确定电路的切换条件,实现了准确、迅速的检测切换电路的切换条件的目的,缩短了切换控制时间,提高了电路的可靠性。
[0037] 在上述实施例的基础上,所述可控硅切换电路还包括光电耦合器,所述光电耦合器串联于所述比较器与所述控制器件104之间。这样设计的目的是为了通过光电耦合器对所述比较器的比较结果进行放大与信号隔离处理,将处理后的信号输出至所述控制芯片103,以实现所述控制芯片103与所述可控硅切换电路之间的电气隔离,使电路具备更高的安全性能。
[0038] 本实施例对比较器的连接方式不做限定,可以采用下述优选的连接方式:
[0039] 所述比较器的同相输入端与所述可控硅的门极电连接,以获取所述可控硅的门极与阴极之间的电压差值。
[0040] 所述比较器的反相输入端与所述基准电压电路连接,以获取基准电压,其中,所述基准电压的取值范围是0.2V〜0.6V。所述基准电压电路包括基准电压源和若干电阻。举例说明:所述基准电压源可以是TL431,通过TL431生成一个2.5V的电压,通过分压电阻在所述比较器的反相输入端输入一个0.25V的比较电压(基准电压)。
[0041 ] 在所述可控硅导通时,通过所述比较器输出的比较结果为高电平,否则,在所述可控硅关断时,通过所述比较器输出的比较结果为低电平。
[0042] 由于在可控硅导通时,在门极G和阴极K之间会有0.7V左右的管压降。因为所述管压降输入至比较器的同相输入端,在和反相输入端的基准电压比较后,比较器输出高电平。在可控硅关断时,在门极G和阴极K之间的管压降会接近于0V。在和反相输入端的基准电压比较后,比较器输出低电平。
[0043] 实施例二
[0044] 图3是本发明实施例二提供的基于可控硅切换电路的电源切换装置的原理框图。所述基于可控硅切换电路的电源切换装置包括本发明任意实施例提供的可控硅切换电路,并且所述可控硅切换电路在所述电源切换装置中起到电源切换以及提供可控硅关断信号的作用。
[0045] 参见图3所示,所述基于可控硅切换电路的电源切换装置,包括本发明任意实施例提供的可控硅切换电路,还包括故障检测电路。
[0046] 所述故障检测电路,连接在所述输入电源和控制芯片305之间,用于检测所述输入电源的工作状态,并提供给所述控制芯片305。
[0047] 故障检测方式可以为多种,例如,该故障检测电路包括:
[0048] 输入电压采样电路302,分别与所述输入电源相连,用于对输入电压进行采样;
[0049] 所述控制芯片305还用于,根据采样的所述输入电压识别所述输入电源的工作状态,且在识别到故障的输入电源时,将所述故障的输入电源确定为待停用输入电源。
[0050] 在上述技术方案中,所述可控硅切换电路位于输入电源与所述输出电路之间,用于通过关断状态检测电路303检测所述控制器件310的工作状态,并将所述工作状态发送至所述控制芯片305,以及,在所述控制芯片305的控制下,接通主电源或备用电源中的一路与输出电路的连接。
[0051] 通过所述驱动电路304对所述控制芯片305输出的驱动信号进行调整(电平或波形调整)后,输出至所述可控硅的门极,以驱动所述可控硅导通,从而接通对应的输入电源与输出电路的连接。
[0052] 本实施例提供一种基于可控硅切换电路的电源切换装置,在主电源发生故障时,关闭所述主电源对应的一组控制器件310的驱动信号,并在检测到与所述主电源串联的两个可控硅均为关断状态时,输出备用电源对应的一组控制器件310的驱动信号,以控制与备用电源对应的一组控制器件310导通,实现主备电源的切换。所述可控硅切换电路是本电源切换装置能够做到无缝切换的关键。采用所述可控硅切换电路可以准确、迅速的检测电源切换条件,缩短了切换控制时间,提高了装置的可靠性。
[0053] 进一步,该装置还包括输出采样电路306、滤波电路301、温度采样电路307、显示电路308和通讯接口电路309。
[0054] 所述滤波电路301分别与所述输入电源相连,用于分别对输入电压进行滤波。具体的该滤波电路301包括第一输入电源的滤波电路301和第二输入电源的滤波电路301。其中,第一输入电源的滤波电路301位于所述第一输入电源和可控硅切换电路之间;所述第二电源的滤波电路301位于所述第二输入电源和可控硅切换电路之间。
[0055] 所述输入电压米样电路302包括第一输入电源的输入电压米样电路302和第二输入电源的输入电压米样电路302。通过第一输入电源的输入电压米样电路302米集第一输入电源的输入电压,并输入至控制芯片305 ο通过第二输入电源的输入电压采样电路302采集第二输入电源的输入电压,并输入至控制芯片305,以作为所述控制芯片305确定输入电源是否发生故障的依据。
[0056] 所述输出采样电路306,与所述输出电路相连,用于采集输出电压以及负载电流,并输入至所述控制芯片305,以作为所述控制芯片305确定输出是否过载的依据。
[0057] 所述温度采样电路307,用于对所述可控硅的温度进行采样,并将采样的温度输出给所述控制芯片305 ;
[0058] 所述显示电路308,与所述控制芯片相连,用于将所述控制芯片获取或输出的参数进行显示。
[0059] 所述通讯接口电路309,与所述控制芯片相连,用于实现所述控制芯片与外部设备之间的通信。
[0060] 所述第一输入电源和第二输入电源通过滤波电路301进行滤波后,与所述可控硅切换电路连接。在所述控制芯片305的控制下,接通两路输入电源中的一路与输出电路的连接(即,通过控制芯片305获取模式设置信号,在用户设置第一输入电源为主电源时,控制所述第一输入电源为负载供电)。在用户选择第一输入电源作为主电源,第二输入电源作为备用电源时,按照所述主电源输入的交流电的方向,分别生成与所述主电源串联的控制器件310的两个可控硅的驱动信号,以控制所述可控硅导通并实时检测所述可控硅的工作状态。同时,所述控制芯片305对两路输入电源的输入电压、频率和相序等输入信息进行采样运算,以确定所述输入电源是否发生故障。若检测到所述第一输入电源发生故障,则关闭所述主电源对应的一组可控硅的驱动信号。当检测到与所述第一输入电源对应的两个可控硅同时关断时,输出备用电源对应的一组控制器件310的驱动信号,以切换备用电源为负载供电。
[0061] 在用户选择第二输入电源作为主电源,第一输入电源作为备用电源时,若检测到所述第二输入电源发生故障,则关闭所述主电源对应的一组可控硅的驱动信号。当检测到与所述第二输入电源对应的两个可控硅同时关断时,输出备用电源对应的一组控制器件310的驱动信号,以切换备用电源为负载供电。
[0062] 在用户选择两路输入电源互为备份电源时,若检测到当前接通的输入电源发生故障,则关闭当前电源对应的一组可控硅的驱动信号。当检测到与当前电源对应的两个可控硅同时关断时,输出备用电源对应的一组控制器件310的驱动信号,以切换备用电源为负载供电。
[0063] 综上可知,通过控制芯片305控制所述电源切换装置的运行,对两路输入电源的输入电压、输出电压和电流、可控硅的温度和可控硅关断信号进行采样运算,控制两路输入电源自动切换,增加了供电设备的可靠性。
[0064] 举例说明,参见图4所示,所述控制芯片采用台湾新唐公司的32位ARM内核的单片机(匪1530)。该单片机是一款高性能的控制芯片,ARM Cortex-MO内核最高运行速度达50MHzο并且,片内资源丰富,有128K内部FLASH存储器、内部时钟发生器、4个可编程定时器、PWM模块、捕捉模块,还有12位16通道的A/D转换器、硬件乘法器、SC1、SP1、I2C等丰富的I/O端口。采用LQFP-100的SMD封装,外围电路简单。其中,通过所述A/D转换器可以实现对两路输入电源的输入电压,输出电路的输出电压、负载电流和可控硅模块温度的模数转换。所述捕捉模块可以实现对两路输入电源的频率采样。可以利用PWM模块产生驱动信号,再结合可控硅关断信号实现电源切换装置的无缝切换。还可以通过MCU接收模式设置信号,实现三种工作模式的自由切换,三种工作模式包括:第一输入电源为主自投自复、第二输入电源为主自投自复、以及互为备份模式。通过LCD显示屏和多功能输入键盘获取用户设置的工作模式,使在不改变硬件的前提下,最大程度的满足用户的各种要求。
[0065] 实施例三
[0066] 图5是本发明实施例三提供的基于可控硅切换电路的电源切换装置的工作流程图。
[0067] 参见图5所示,所述基于可控硅切换电路的电源切换装置的工作过程如下:
[0068] S501、开始。
[0069] S502、系统初始化。
[0070] S503、开定时器中断。
[0071] S504、判断所述电源切换装置是手动切换模式还是自动切换模式;
[0072] S505、在所述电源切换装置为手动切换模式时,判断手动输出方式是下列输出方式中的哪一种:
[0073] ①第一输入电源输出,②第二输入电源输出,③无输出。
[0074] S506、在所述电源切换装置是自动切换模式时,判断自动输出方式是下列输出方式中的哪一种:
[0075] ⑴第一输入电源为主自投自复,⑵第二输入电源为主自投自复,⑶互为备份。
[0076] S507、判断输出是否过载;若是,则执行S512 ;否则,执行S508。
[0077] S508、采集两路输入电源数据。
[0078] S509、故障检测。
[0079] S510、显示报警。
[0080] S511、检测输入电源空开,空开是指空气开关,通过IXD显示屏可以显示空气开关的状态。
[0081] S512、关断输出。
[0082] S513、结束。
[0083] 通过本实施例的提供的基于可控硅切换电路的电源切换装置,实现主备电源的无缝切换,缩短了切换控制时间,提高了装置的可靠性。
[0084] 注意,上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解,本发明不限于这里所述的特定实施例,对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此,虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明,但是本发明不仅仅限于以上实施例,在不脱离本发明构思的情况下,还可以包括更多其他等效实施例,而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (6)

1.一种可控硅切换电路,其特征在于,包括:两组控制器件、驱动电路、关断状态检测电路和控制芯片; 两组所述控制器件,分别连接在两个输入电源和输出电路之间,每个所述控制器件用于在所述控制芯片的驱动信号控制下,接通所连接电源与输出电路,其中,所述控制器件包括反相并联的可控硅; 所述关断状态检测电路包括基准电压电路和比较器,所述基准电压电路用于提供所述比较器输入端的基准电压,所述比较器用于将所述基准电压与可控硅的门极和阴极之间的电压差值进行比较,并将比较结果提供给控制芯片; 所述控制芯片,用于停止向所述驱动电路输出待停用输入电源对应的控制器件的驱动信号,且在根据比较结果检测到该控制器件处于关断状态时,向另一输入电源对应的控制器件输出驱动信号。
2.根据权利要求1所述的可控硅切换电路,其特征在于,还包括: 光电耦合器,串联于所述比较器与所述控制器件之间,用于将所述比较器的比较结果进行放大与信号隔离处理后,输出至所述控制芯片。
3.根据权利要求1所述的可控硅切换电路,其特征在于, 所述比较器的同相输入端与所述可控硅的门极电连接,以获取所述可控硅的门极与阴极之间的电压差值; 所述比较器的反相输入端与所述基准电压电路连接,以获取基准电压,其中,所述基准电压的取值范围是0.2V〜0.6V。
4.一种基于可控硅切换电路的电源切换装置,其特征在于,包括如权利要求1至3中任一项所述的可控硅切换电路,还包括故障检测电路; 所述故障检测电路,连接在所述输入电源和控制芯片之间,用于检测所述输入电源的工作状态,并提供给所述控制芯片。
5.根据权利要求4所述的装置,其特征在于,所述故障检测电路包括: 输入电压采样电路,分别与所述输入电源相连,用于对输入电压进行采样; 所述控制芯片还用于,根据采样的所述输入电压识别所述输入电源的工作状态,且在识别到故障的输入电源时,将所述故障的输入电源确定为待停用输入电源。
6.根据权利要求4所述的装置,其特征在于,还包括:输出采样电路、滤波电路、温度采样电路、显示电路和通讯接口电路; 输出采样电路,与所述输出电路相连,用于采集输出电压以及负载电流,并输入至所述控制芯片; 所述滤波电路,分别与所述输入电源相连,用于分别对输入电压进行滤波; 所述温度采样电路,用于对所述可控硅的温度进行采样,并将采样的温度输出给所述控制芯片; 所述显示电路,与所述控制芯片相连,用于将所述控制芯片获取或输出的参数进行显示; 所述通讯接口电路,与所述控制芯片相连,用于实现所述控制芯片与外部设备之间的通信。
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