CN105449839A - 隔离式高速双电源切换装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隔离式高速双电源切换装置，包括第一变压器、第二变压器、第三变压器、第四变压器、第一开关电路、第二开关电路以及控制装置；第一变压器的一次绕组与工作电源连接，二次绕组通过第一开关电路与第二变压器的一次绕组连接；第三变压器的一次绕组与备用电源连接，二次绕组通过第二开关电路与第四变压器的一次绕组连接；控制装置分别与第一开关电路、第二开关电路连接。本发明通过开关电路高速切换两路输入电源，满足工业生产对于切换时间的要求，并且通过变压器将两路输入电源完全隔离，克服了电源间相互干扰的问题。本发明有效提高双电源切换的效率及可靠性，适合长时期工作，在工业生产领域具有重大价值。

Description

隔离式高速双电源切换装置

技术领域

本发明涉及电源切换技术领域，特别是涉及一种隔离式高速双电源切换装置。

背景技术

在工业生产领域，电源的短时中断或扰动都会造成设备的误动作、故障或重启，对工业生产将产生严重影响。因此，为保证重要设备的电源可靠性，通常采用双电源供电的方案。双电源供电需要解决以下两个问题：一是要保证两路电源的有效隔离，不能过造成两路电源短路、耦合；另一个是对两路电源切换时间有要求，对于普通用电对象，一般切换时间要求小于200毫秒，而对于控制系统和计算机设备，一般切换时间要求小于5毫秒。

在传统技术中，为实现双电源切换主要有两种方式：

(1)采用自动切换开关(ATS)进行切换

自动切换开关使用接触器等电气设备构成电源自动切换开关，如图1所示，接触器C1、C2的线圈作为电源回路监视，当检测到工作电源故障时连锁启动备用回路中接触器的触点，这种方式电路结构简单。

自动切换开关依靠接触器C1、C2的线圈和触点动作，切换时间一般大于100毫秒，可以应用于对切换时间要求不高的系统和设备，不能应用于重要控制设备。自动切换开关的另一个缺点是采用无电压判据，靠线圈释放来切换，存在不安全隐患。当工作电压下降，但未达到释放电压时，电路不能切换到备用电源可能引起用电设备失电。

(2)采用静态切换开关(STS)进行切换

如图2所示，静态切换开关采用高速切换的静态开关G1、G2代替传统自动切换开关的接触器，以单片机或者DSP实时监测电源进线状态并控制两路电源切换。

由于没有使用传统的接触器，静态切换开关切换时间一般可以做到小于5毫秒，可应用于重要控制设备，但静态切换开关采用的静态开关存在不能完全隔离两侧电源的问题。在正向电压情况下，静态开关在未导通时存在正向漏电流，静态开关在承受反向电压时会出现漏电流。因此静态开关不能完全隔离工作电源和备用电源，且静态开关不适合于长时期工作。

发明内容

基于此，为解决现有技术中的问题，本发明提供一种隔离式高速双电源切换装置，能够快速切换输入电源，并且将两路输入电源完全隔离。

为实现上述目的，本发明实施例采用以下技术方案：

一种隔离式高速双电源切换装置，包括第一变压器、第二变压器、第三变压器、第四变压器、第一开关电路、第二开关电路以及根据工作电源所在回路的状态和备用电源所在回路的状态来控制所述第一开关电路、所述第二开关电路通断的控制装置；

所述第一变压器的一次绕组与工作电源连接，所述第一变压器的二次绕组通过所述第一开关电路与所述第二变压器的一次绕组连接；

所述第三变压器的一次绕组与备用电源连接，所述第三变压器的二次绕组通过所述第二开关电路与所述第四变压器的一次绕组连接；

所述控制装置分别与所述第一开关电路、所述第二开关电路连接、

本发明通过开关电路高速切换两路输入电源，满足工业生产对于切换时间的要求，并且通过变压器将两路输入电源完全隔离，克服了电源间相互干扰的问题。本发明有效提高了双电源切换的效率及可靠性，适合长时期工作，保证重要设备的电源可靠性，在工业生产领域具有重大价值。

附图说明

图1为传统技术中自动切换开关的原理示意图；

图2为传统技术中静态切换开关的原理示意图；

图3为本发明的隔离式高速双电源切换装置在一个实施例中的结构示意图；

图4为本发明的隔离式高速双电源切换装置在另一个实施例中的结构示意图；

图5为本发明的隔离式高速双电源切换装置在又一个实施例中的电路原理示意图。

具体实施方式

下面将结合较佳实施例及附图对本发明的内容作进一步详细描述。显然，下文所描述的实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。应当理解的是，尽管在下文中采用术语“第一”、“第二”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，“第一”信息也可以被称为“第二”信息，类似的，“第二”信息也可以被称为“第一”信息。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

图3是本发明的隔离式高速双电源切换装置在一个实施例中的结构示意图，如图3所示，本实施例一中的隔离式高速双电源切换装置，包括第一变压器T11、第二变压器T12、第三变压器T21、第四变压器T22、第一开关电路1、第二开关电路2以及根据工作电源所在回路的状态和备用电源所在回路的状态来控制第一开关电路1、第二开关电路2通断的控制装置3。

其中，第一变压器T11的一次绕组与工作电源连接，第一变压器T11的二次绕组通过第一开关电路1与第二变压器T12的一次绕组连接。第三变压器T21的一次绕组与备用电源连接，第三变压器T21的二次绕组通过第二开关电路2与第四变压器T22的一次绕组连接。控制装置3分别与第一开关电路1、第二开关电路2连接。

使用第一变压器T11、第二变压器T12、第三变压器T21以及第四变压器T22可以将工作电源和备用电源隔离，并且将内部电源与外部电源隔离，实现两路输入电源及输出电源的完全隔离，克服了电源间相互干扰的问题。控制装置3可采用单片机或DSP控制器实现控制回路，切换第一开关电路1、第二开关电路2的通断，当工作电源投入时，控制装置3切断第二开关电路2，从而闭锁断开备用电源；当工作电源所在回路出现故障时(例如工作电源出现故障、第一变压器T11故障、工作电源与第一变压器T11之间的断路器出现故障等)，控制装置3将切断第一开关电路1，控制第二开关电路2导通，从而使备用电源投入，保证用电设备正常工作。

较佳的，第一开关电路1以及第二开关电路2均包括高速切换开关，使得工作电源和备用电源能实现快速切换，满足工业生产需求。

较佳的，为了进一步提高双电源的切换速度，控制装置3可采用纯电气回路构成控制回路，相比于单片机或DSP控制器，电气回路不需要进行采用、信号传输以及数据计算，因此切换所需时间更低，切换速度更快，完全满足现有重要设备的需求。

在一种可选的实施方式中，如图4所示，控制装置3包括控制第一开关电路1通断的第一控制电路31、控制第二开关电路2通断的第二控制电路32、控制第一控制电路31工作状态的第一闭锁保护电路33以及控制第二控制电路32工作状态的第二闭锁保护电路34。

其中，第一控制电路31连接在第一变压器T11的二次绕组与第一开关电路1之间，第二控制电路32连接在第三变压器T21的二次绕组与第二开关电路2之间。第一闭锁保护电路33连接在第一开关电路1与第二变压器T12的一次绕组之间，第二闭锁保护电路34连接在第四变压器T22的一次绕组与第二开关电路2之间。第二闭锁保护电路34的输出端接入第一控制电路31，第一闭锁保护电路33的输出端接入第二控制电路32。

在该可选的实施方式中，控制装置3包括电气控制回路和闭锁保护回路。当工作电源所在回路正常工作时，第一控制电路31控制第一开关电路1导通，第一闭锁保护电路33输出闭锁信号给第二控制电路32，第二控制电路32处于无效状态，无法控制第二开关电路2导通，即第二开关电路2处于断路状态，备用电源不能投入使用，此时第二闭锁保护电路34处于无效状态，第二闭锁保护电路34不会向第一控制电路31输出闭锁信号。而当因工作电源故障、第三变压器T21故障等原因导致工作电源所处回路出现故障时，第一闭锁保护电路33将处于无效状态，此时第二控制电路32工作，控制第二开关电路2导通，备用电源投入，第二闭锁保护电路34输出闭锁信号给第一控制电路31，此时第一开关电路1将断开。同理，当备用电源所处回路出现故障时，第二闭锁保护电路34将处于无效状态，无法输出闭锁信号给第一控制电路31，这样第一控制电路31工作后将控制第一开关电路1导通，工作电源投入，第一闭锁保护电路33将输出闭锁信号给第二控制电路32，使第二开关电路2断开，备用电源退出。

下面结合一个具体的电路来详细说明本发明实施例中的隔离式高速双电源切换装置。参照图4、图5所示，第一控制电路31包括电阻R11、R12、R13，开关单元K14，电容C11、C12。其中，开关单元K14具有三个端口，分别为第一端口、第二端口及控制端，当控制端的电压达到阈值时，开关单元K14将导通。电阻R11的第一端与电阻R13的第一端均连接至第一电压器T11二次绕组的第一端；电阻R11的第二端通过电容C11与第一变压器T11二次绕组的第二端连接，电阻R13的第二端通过电容C12与第一变压器T11二次绕组的第二端连接；电阻R11的第二端与电阻R13的第二端之间串接电阻R12；电阻R13的第一端和第二端均连接至第一开关电路1。

开关单元K14的第一端口与第一变压器T11二次绕组的第二端连接，开关单元K14的第二端口与电阻R13的第二端连接，开关单元K14的控制端与第二闭锁保护电路34的输出端连接。

在第一控制电路31中，当工作电源所处回路正常，如果第二闭锁保护电路34无效，则电容C12两端的电压将保证第一开关电路1导通，如果备用电源投入，第二闭锁保护电路34有效且将输出闭锁信号到开关单元K14的控制端，此时开关单元K14导通，使得电容C12两端电压为0，第一开关电路1无法导通，工作电源退出。

参照图4、图5所示，在一种可选的实施方式中，第二控制电路32的电路结构与第一控制电路31相同，第二控制电路32包括电阻R21、R22、R23，开关单元K24，电容C21、C22，其中开关单元K24具有三个端口，分别为第一端口、第二端口及控制端，当控制端的电压达到阈值时，开关单元K24将导通。

电阻R21的第一端与电阻R23的第一端均连接至第三电压器T21二次绕组的第一端；电阻R21的第二端通过电容C21与第二变压器T12二次绕组的第二端连接，电阻R23的第二端通过电容C22与第三变压器T21二次绕组的第二端连接；电阻R21的第二端与电阻R23的第二端之间串接电阻R22；电阻R23的第一端和第二端均连接至第二开关电路2。

开关单元K24的第一端口与第三变压器T21二次绕组的第二端连接，开关单元K14的第二端口与电阻R23的第二端连接，开关单元K24的控制端与第一闭锁保护电路33的输出端连接。

当工作电源所处回路出现故障时，第一闭锁保护电路33无效，无法输出闭锁信号给第二控制电路32中的开关单元K24，K24断路，则第二控制电路32中电容C22两端的电压将保证第二开关电路2导通，备用电源投入，第二闭锁保护电路34有效且将输出闭锁信号到开关单元K14的控制端，此时开关单元K14导通，使得电容C12两端电压为0，第一开关电路1断开。同理，当备用电源所处回路出现故障时，第二闭锁保护电路34无效，无法输出闭锁信号给第一控制电路31中的开关单元K14，K14断路，则第二控制电路31中电容C12两端的电压将保证第一开关电路2导通，工作电源投入。

在一种可选的实施方式中，参照图4、图5所示，第一闭锁保护电路33包括电阻R14、R15、R16，电容C13、C14。其中，电阻R14的第一端、电阻R16的第一端均连接至第二变压器T12一次绕组的第一端；电阻R14的第二端通过电容C13连接至第二变压器T12一次绕组的第二端，电阻R16的第二端通过电容C14连接至第二变压器T12一次绕组的第二端；电阻R14的第二端与电阻R16的第二端之间串接电阻R15。电阻R14的第一端连接第一开关电路1，电阻R14的第二端连接至第二控制电路32的输出端。

当工作电源投入，回路正常工作时，第一闭锁保护电路33中电容C13两侧将产生一个闭锁电压，该电压降导致第二控制电路32无法导通第二开关电路2。参照图5，闭锁电压降使得开关单元K24导通，这样第二控制电路32中电容C22两侧电压为0，第二开关电路将无法打通。

在一种可选的实施方式中，参照图4、图5所示，第二闭锁保护电路34与第一闭锁保护电路33的电路结构相同，第二闭锁保护电路34包括电阻R24、R25、R26，电容C23、C24。其中，电阻R24的第一端、电阻R26的第一端均连接至第四变压器T22一次绕组的第一端；电阻R24的第二端通过电容C23连接至第四变压器一次绕组的第二端，电阻R26的第二端通过电容C24连接至第四变压器T22一次绕组的第二端；电阻R24的第二端与电阻R26的第二端之间串接电阻R25。电阻R24的第一端连接第二开关电路2，电阻R24的第二端连接至第一控制电路31的输出端。

在一种可选的实施方式中，参照图4、图5所示，第一开关电路1包括电阻R17、电容C15、开关单元K13。开关单元K13具有三个端口，分别为第一端口、第二端口及控制端，当控制端的电压达到阈值时，开关单元K14将导通。开关单元K13的第一端口通过电阻R17、电容C15与开关单元K13的第二端口连接，开关单元K13的第一端口还与电阻R13的第一端连接。开关单元K13的第二端口与电阻R14的第一端连接，开关单元K13的控制端与电阻R13的第二端连接。

在一种可选的实施方式中，第二开关电路2的电路结构与第一开关电路1的相同，具体参照图5所示，此处不再进行描述。

在以上电路中，当工作电源投入且第二闭锁保护电路34无效时，第一控制电路31中电容C12两端的电压将使得开关单元K13导通。开关单元K13导通之后，一方面，第二变压器T12工作向负载供电，另一方面，第一闭锁保护电路33中电容C13两侧将产生一个闭锁电压，使得第二控制电路32中开关单元K24导通，这样就使得第二控制电路32中电容C22短路，其两端电压为0，将不能使第二开关电路2中的开关单元K23导通，备用电源无法投入使用。当工作电源、第三变压器T21、工作电源与第三变压器T21之间的断路器K11任意一个出现故障时，第一闭锁保护电路33中电容C13两侧的电压降下降到有效电压以下，第一闭锁保护电路33转为无效状态，备用电源回路如果正常(备用电源、断路器K21，第三变压器T21全部正常)，备用电源将投入，从而第二闭锁保护电路34转为有效状态，电容C23两侧的电压降使得第一控制电路31中开关单元K14导通，电容C12短路，开关单元K13转为断开状态。

进一步的，参照图5所示，为了保证双电源切换的安全性能，本实施例中的隔离式高速双电源切换装置还加入手动操作的保护开关，具体的，在工作电源回路，开关单元K14的第二端口与电阻R13的第二端之间串接有开关LK。通过操作此保护开关可以人工投入或切除第一闭锁保护电路和第二闭锁保护电路。另外，开关单元K14的第一端口通过电阻R18、电容C16与开关单元K14的第二端口连接，开关单元K14的第一端口与第二端口之间还并接有开关MT1、开关MQ2，开关MT1、MQ2均为手动操作开关，可以使用户手动控制电源的投入与切除，提高安全性能。同理，在备用电源回路也可以加入各种保护开关，具体如图5所示，此处不再详述。

本实施例中采用了两组变压器，将两路输入电源完全隔离，克服了电源间干扰问题。为了保证双电源切换的效率，上述各个开关单元均可采用高速切换开关，例如静态开关或者IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)。其中，静态开关又称静止开关，它是一种无触点开关，是用两个可控硅(SCR)反向并联组成的一种交流开关，而IGBT是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。高速切换开关不存在物理触点，因此理论上无切换耗时。本实施例中控制回路和闭锁回路全部采用了电气回路，不需要像单片机或者DSP那样进行采样、信号传输和时间计算，因此进一步降低了双电源的切换时间。经过实际测试，本实施例中的隔离式高速双电源切换装置，其切换时间低于1ms，小于静态切换开关(STS)和自动切换开关(ATS)的切换时间，完全能够满足各种重要设备的电源切换要求。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种隔离式高速双电源切换装置，其特征在于，包括第一变压器、第二变压器、第三变压器、第四变压器、第一开关电路、第二开关电路以及根据工作电源所在回路的状态和备用电源所在回路的状态来控制所述第一开关电路、所述第二开关电路通断的控制装置；

所述第一变压器的一次绕组与工作电源连接，所述第一变压器的二次绕组通过所述第一开关电路与所述第二变压器的一次绕组连接；

所述第三变压器的一次绕组与备用电源连接，所述第三变压器的二次绕组通过所述第二开关电路与所述第四变压器的一次绕组连接；

所述控制装置分别与所述第一开关电路、所述第二开关电路连接。

2.根据权利要求1所述的隔离式高速双电源切换装置，其特征在于，所述控制装置包括控制所述第一开关电路通断的第一控制电路、控制所述第二开关电路通断的第二控制电路、控制所述第一控制电路工作状态的第一闭锁保护电路以及控制所述第二控制电路工作状态的第二闭锁保护电路；

所述第一控制电路连接在所述第一变压器的二次绕组与所述第一开关电路之间，所述第二控制电路连接在所述第三变压器的二次绕组与所述第二开关电路之间；

所述第一闭锁保护电路连接在所述第一开关电路与所述第二变压器的一次绕组之间，所述第二闭锁保护电路连接在所述第四变压器的一次绕组与所述第二开关电路之间；

所述第二闭锁保护电路的输出端接入所述第一控制电路，所述第一闭锁保护电路的输出端接入所述第二控制电路。

3.根据权利要求2所述的隔离式高速双电源切换装置，其特征在于，所述第一控制电路包括电阻R11、R12、R13，开关单元K14，电容C11、C12；

开关单元K14具有三个端口，分别为第一端口、第二端口及控制端；

电阻R11的第一端与电阻R13的第一端均连接至所述第一电压器二次绕组的第一端；电阻R11的第二端通过电容C11与所述第一变压器二次绕组的第二端连接，电阻R13的第二端通过电容C12与所述第一变压器二次绕组的第二端连接；电阻R11的第二端与电阻R13的第二端之间串接电阻R12；电阻R13的第一端和第二端均连接至所述第一开关电路；

开关单元K14的第一端口与所述第一变压器二次绕组的第二端连接，开关单元K14的第二端口与电阻R13的第二端连接，开关单元K14的控制端与所述第二闭锁保护电路的输出端连接。

4.根据权利要求3所述的隔离式高速双电源切换装置，其特征在于，所述第二控制电路包括电阻R21、R22、R23，开关单元K24，电容C21、C22；

开关单元K24具有三个端口，分别为第一端口、第二端口及控制端；

电阻R21的第一端与电阻R23的第一端均连接至所述第三电压器二次绕组的第一端；电阻R21的第二端通过电容C21与所述第二变压器二次绕组的第二端连接，电阻R23的第二端通过电容C22与所述第三变压器二次绕组的第二端连接；电阻R21的第二端与电阻R23的第二端之间串接电阻R22；电阻R23的第一端和第二端均连接至所述第二开关电路；

开关单元K24的第一端口与所述第三变压器二次绕组的第二端连接，开关单元K14的第二端口与电阻R23的第二端连接，开关单元K24的控制端与所述第一闭锁保护电路的输出端连接。

5.根据权利要求3所述的隔离式高速双电源切换装置，其特征在于，所述第一闭锁保护电路包括电阻R14、R15、R16，电容C13、C14；

电阻R14的第一端、电阻R16的第一端均连接至所述第二变压器一次绕组的第一端；电阻R14的第二端通过电容C13连接至所述第二变压器一次绕组的第二端，电阻R16的第二端通过电容C14连接至所述第二变压器一次绕组的第二端；电阻R14的第二端与电阻R16的第二端之间串接电阻R15；

电阻R14的第一端连接所述第一开关电路，电阻R14的第二端连接至所述第二控制电路的输出端。

6.根据权利要求3所述的隔离式高速双电源切换装置，其特征在于，所述第二闭锁保护电路包括电阻R24、R25、R26，电容C23、C24；

电阻R24的第一端、电阻R26的第一端均连接至所述第四变压器一次绕组的第一端；电阻R24的第二端通过电容C23连接至所述第四变压器一次绕组的第二端，电阻R26的第二端通过电容C24连接至所述第四变压器一次绕组的第二端；电阻R24的第二端与电阻R26的第二端之间串接电阻R25；

电阻R24的第一端连接所述第二开关电路，电阻R24的第二端连接至所述第一控制电路的输出端。

7.根据权利要求5所述的隔离式高速双电源切换装置，其特征在于，所述第一开关电路包括电阻R17、电容C15、开关单元K13；

开关单元K13具有三个端口，分别为第一端口、第二端口及控制端；

开关单元K13的第一端口通过电阻R17、电容C15与开关单元K13的第二端口连接；开关单元K13的第一端口还与电阻R13的第一端连接；

开关单元K13的第二端口与电阻R14的第一端连接；

开关单元K13的控制端与电阻R13的第二端连接。

8.根据权利要求3至7中任一项所述的隔离式高速双电源切换装置，其特征在于，开关单元K14的第二端口与电阻R13的第二端之间串接有开关LK。

9.根据权利要求3至7中任一项所述的隔离式高速双电源切换装置，其特征在于，开关单元K14的第一端口通过电阻R18、电容C16与开关单元K14的第二端口连接；开关单元K14的第一端口与第二端口之间还并接有开关MT1、开关MQ2。

10.根据权利要求3至7中任一项所述的隔离式高速双电源切换装置，其特征在于，所述开关单元为静态开关或绝缘栅双极型晶体管。