CN1064476C

CN1064476C - 用于减小由具有过电流保护的机电开关所引起的暂态过程的电路布置

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Publication number: CN1064476C
Application number: CN97197925A
Authority: CN
Inventors: 托沃·里达尔
Original assignee: Nokia Telecommunications Oy
Current assignee: Nokia Oyj
Priority date: 1996-07-25
Filing date: 1997-07-03
Publication date: 2001-04-11
Anticipated expiration: 2017-07-03
Also published as: CN1230284A; FI107848B; FI962973A; AU3346897A; FI962973A0; WO1998005050A1; EP0914664A1

Abstract

当用一个机电开关使电压与负载连接时，产生高开关操作暂态过程。通过把一个可控半导体开关(21)与该开关(4)并联安排，能大大地抑制暂态过程，在这种情况下，总负载电流(I_TOT)在两个开关之间分配。第一比较电路(25)监视流过机电开关的电流(I_switch)，并把它与一个非常小的参考值比较。只要流过开关的电流达到该参考值，第一比较电路就供给一个控制电压，该控制电压强迫半导体开关进入导通状态。因为这个原因，流过开关(4)的电流的增加率显著降低，因为总负载电流(I_TOT)的大部分流过半导体开关。第二比较电路监视总负载电流(I_TOT)，并把它与一个最大电流值比较，在该最大电流值下负载必须与电压源断开。当总负载电流超过该参考值时，第二比较电路供给一个控制电压，这个控制电压立刻强迫半导体开关为不导通状态。此刻流过机电开关的电流突然增加，因此开关的内部过电流保护立刻动作并断开开关。

Description

用于减小由具有过电流保护的机电开关所引起的暂态过程的电路布置

本发明涉及抑制由一个机电开关及该开关的过电流保护所引起的暂态过程。

许多电系统利用一个电路板，对其引入外部操作电压，并在其上安排滤波器以过滤供电电压。在电路板上除不同的电子电路和连接器外，还有可能安装一个手动操作开关，该开关用来接通和断开一个外部负载的供电电压。负载可以远离电路板来安排。当这种类型的电路板安排在一个架或壳中时，使开关留在壳外，以便它们易于操作。有可能在架或壳中一个接一个安排几个电路板。通常电路板用于电源。

图1是上述电路板布置的草图说明。从一个外部电压源对电路板1引入供电电压+V和-V，电路板1用虚线画出轮廓。电压可以通过连接器引入，在这种情况下，当安装电路板时，使安排在电路板上的连接器与安排在壳中的连接器连接。另外，可以有不同电路，它们在电路板上执行不同任务，并且在图中用标号6一般地表示。

在电路板上安排了滤波器2和3，以过滤直流供电电压中所包括的任何交变分量和暂态过程。实际中情况几乎总是这样，以便按照直流供电的特性和电路6的特性来选择滤波器2和3的特性，在这种情况下，在滤波器参数中考虑了由滤波器电感所引起的可能效应。另一方面，在滤波器特性中不可能充分考虑装有一个内部过电流保护并且也安排在电路板上的开关4。这个开关用来接通一个外部负载5的电压，并且对应地断开该负载的电压。负载例如可以是电动机或某个主要电阻负载，它由安排在电路板上的手动操作开关4来控制。按照负载的性质选择一个适当的市场上可买到的开关，并安装在电路板上。选择准则主要是负载的额定电流和过电流的最大值。开关因而应该耐受一定的连续额定电流，并且它必须包括一个内部过电流保护，其在负载电流超过允许的最大电流值时断开开关。用一个磁性过电流保护作为该开关，该保护包括一个“电流敏感线圈”，换句话说，一个通过它流过负载电流的相对大的电感。当电流超过高于额定电流的某个值时，由线圈所感应的磁势强迫开关断开。

开关使用中的问题是由其断开所引起的高暂态电压。这些电压对安排在电路板上的电路的操作造成干扰，它们通过滤波器进入直流供电网，结果还以射频信号的形式对附近电子电路的操作造成干扰。因为在滤波器设计中不可能考虑不同类型的开关的电感，所以最终结果是开关的电感降低了滤波器电感的效应，结果引起暂态过程增加。对于与电装置引起的干扰有关的调节，欧洲国家承诺EMC(电磁兼容)调节，强迫装置设计者降低产品的干扰水平，以便它们满足EMC调节。与机电开关有关的另一个问题是触发过电流保护的电流极限因为容限而不准确。

然而，降低图1所示类型结构的干扰水平非常难以实现。当然，通过仔细地设计滤波器的特性，有可能降低某一开关所引起的暂态过程，但是在这种情况下，各开关将要求一种分开的特殊设计的电路板，这是不经济的解决办法。还可能使开关远离电路板来安排，但是在这种情况下，增加导管长度仅增加电感，从而进一步增加暂态过程。然而，希望尽可能远地安排开关，因为那么在其安装就位中将更易于考虑好的人机工程学，并且电路板的布局设计将具有较小的限制。迄今对上述这个问题还没有找到一个解决办法。

因此，本发明的目的是一种电路，它在开关闭合时大大地减小开关暂态过程，并且它能用来设置一个精确的过电流极限，在该极限下开关断开，因此使负载与电路分开。

所定目的利用一种由一个独立权利要求所限定的开关布置来实现。

把一个可控半导体开关与机电开关并联安排，以便使总电流分配到两个开关。用比较电路形成控制电压。

第一比较电路监视流过机电开关的电流，并且把它与一个参考值比较。只要流过开关的电流达到该参考值，第一比较电路就产生一个控制电压，这个控制电压开通半导体开关，换句话说，使它设置在导通状态。因为这个原因，流过开关的电流的增加率就大大降低，因为总负载电流的大部分开始流过半导体开关。第一比较电路的任务因此是在机电开关闭合之后，尽可能探测流过它的任何上升电流，并且把这个电流的大部分，因此把总负载电流的大部分转换到半导体开关。因为这个原因，参考值必须尽可能小。

第二比较电路监视总负载电流，并且把它与另一个参考值比较，这个参考值设定为负载的最大电流值，在这个最大电流值下必须使负载与电压源断开。当总负载电流超过该参考值时，第二比较电路就产生一个控制电压，这个控制电压立刻关闭半导体开关，换句话说，使它设置在不导通状态。本来流过半导体的总负载电流的一部分就转换为流过机电开关，在这种情况下，流过该机电开关的电流突然增加，以便这个开关的内部过电流保护立刻操作并打开开关。

比较电路的控制电压引起下列情况发生：当机电开关在断开位置或设定最大负载电流值被超过时，半导体开关不导通，但是在机电开关已经闭合之后，它几乎立刻开始导通。这样因为电流根本没有机会升高到一个大值，所以大大降低了开关闭合时由高增加率所通常引起的暂态过程。

除降低暂态过程外，按照本发明的电路还有其他优点。因为由第一参考值而不是机电开关的内部设定值来确定过电流触发的电流极限，所以能使电流极限精确地设置为希望值。当半导体开关接受负载电流的大部分时，有可能使用一个具有低额定电流的机电开关，并且过电流保护极限仍能设得比具有低额定电流的开关的内部过电流保护极限要高。这样有可能对不同负载使用一种尺寸的开关。另一个显著优点是机电开关在电路板上的安装就位不再是关键考虑，并且它能按希望来安排，甚至安排在与电路板分开的位置。

现在将参考附图详细叙述本发明，其中：

图1表示按照现有技术用一个机电开关实现的负载控制，

图2表示按照本发明的开关布置，

图3说明比较电路的输入和输出状态，以及

图4表示图2所示电路的实际应用。

图2所示电路如可适用那样使用和图1相同的标号，其中本发明的主要部分是负载5和机电开关4，机电开关4使负载与电压+V--V连接。在图2中开关安排在电路板1的外部。

在电路板上安排一个接通／断开控制的半导体21，并且使它与机电开关4并联电连接。用开关的电流测量连接24来测量流过机电开关4的电流I_switch(或与它成正比的量)，并且把测量电流值引到第一比较电路25，该电路把这个电流与作为参考电路的第二输入的第一参考电流I_ref，min(或与它成正比的量)比较。如果流过机电开关4的电流超过该参考值，或者换句话说，I_switch＞I_ref，min，则第一比较电路的输出为“接通”状态，它强迫半导体开关21为导通状态。否则，第一比较电路25的输出处在使半导体开关21供给“断开”信号的状态。

第二比较电路23按对应方式操作。负载电流的测量电路22测量流过负载5的总电流I_TOT或与它成正比的量。测量总电流I_TOT被引到第二比较电路23，该电路把这个电流与作为第二输入的参考电流I_ref，max(或与它成正比的量)比较。如果总电流超过这个参考值，或者换句话说，I_TOT＞I_ref，max，则第二比较电路的输出为“断开”状态，它强迫半导体开关为不导通状态。否则，第二比较电路23的输出处在使半导体开关21供给“接通”信号的状态。

图3a至图3d叙述按照图2的开关的操作。在用机电开关4把电压连接到负载5之前，电流I_switch等于零，因此第一比较电路25使半导体开关21保持在不导通状态。总电流I_TOT也为零，在这种情况下比较电路23的输出为“接通”状态。比较电路的输出连接到半导体开关的控制输入，以便当比较电路输出中的任何一个为“断开”状态时，开关为不导通状态。

当机电开关4在时刻t=0转换时，开关的电流I_switch从0值开始以电路的电感所确定的比率快速增加。在图3c中短时间△T之后，电流达到第一比较电路25的参考值I_ref，min，这个参考值是一个尽可能小的值。在实际中，电压比电流容易测量，因此图中不用电流参考而用电压参考U_ref，min和U_ref，max来表示。如图3d所见，当电流在时间△T之后达到该参考值时，第一比较电路25的输出从“断开”状态转换到“接通”状态，因为这个原因，强迫半导体开关21为导通状态。因为包括半导体开关的支路的电感比包括机电开关4的支路的电感小得多，所以负载电流的大部分现在流过包括半导体开关的这个支路。由于负载电流几乎在机电开关4闭合之后立刻开始流过半导体开关21，所以本来会由机电开关4引起的暂态过程就得到有效地防止。

在此之后系统达到一个稳定状态，在这个状态下负载电流I_TOT的较大部分流过半导体开关，而较小部分流过机电开关。因此有可能使用一种开关，它比不用并联半导体开关情况下所必须使用的开关具有较小的额定电流。

其次假定在时刻t因某种原因使负载5接受的电流I_TOT开始增加。这种原因可能是负载部分短路，或在电动机情况下为过负荷状态。监视总电流I_TOT的第二比较电路23在时刻t₂探测到电流达到参考值U_ref，max(=I_ref，max)，如图3a所示。该参考值已设定为对应于负载5所允许的最高电流值。在相同时刻t₂，第二比较电路的输出的状态从“接通”状态转换为“断开”状态，如图3b所示。此刻半导体开关强迫进入不导通状态，在这种情况下整个负载电流突然转换到流过机电开关。此刻负载电流I_TOT的值超过开关的内部过电流保护的电流极限，因此过电流保护几乎立刻动作，使电路与负载5断开。电流I_switch降到零，因此比较电路25的输出也转换到“断开”状态，如图3d所示。这样能用第二比较电路的参考值来设置过电流保护的电流极限，因为这个原因，有可能使用一种开关，它比不用并联半导体开关情况下所必须使用的开关具有较低的过电流极限。

最后，图4表示一个实现按照图2所示本发明原理的实际电路。连接器+V和-V提供滤波正负电压，在它们之间用机电开关4连接负载(未示出)。负载电流的路径用虚线指示。与开关并联连接的FET晶体管41的栅极电压由第二比较电路的比较器C1和第一比较电路的比较器C2来控制，这两个比较器的输出通过电阻器R9直接与栅极连接。栅极通过电阻器R10从变压器T接收正绕组电压，变压器T把输入电压+V(例如48V)变压为适合于比较器的操作电压U，例如15V。负载电流I的测量转换为电压测量，其中测量由负载电流在电阻器R6上引起的电压。第二比较器电路由比较器C1组成，其特征在于通过电阻器R11以产生滞后的正反馈。恒定参考电压U_ref，max作用在电路的正输入端。这个参考电压是用分压器R3-R4从操作电压U形成。在这种情况下，下列公式近似成立：

\frac{R_{4}}{R_{3}} \approx \frac{U_{ref, \max}}{U}

从该公式可见，参考电压由电阻的比确定。在此之后当负载过电流I的值确定时，如下确定电阻器R6的值：

R_{6 =} \frac{U_{ref, \max}}{I}

对电阻器R6选择尽可能小的值，适当值例如是25mΩ。在此之后计算参考电压，然后由此计算分压器的电阻值。

当负载电流增加到过电流值时，点P1的电压超过参考电压，此刻比较器C1的输出电压从正偏转到负操作电压，并且FET 41的栅极电压降低并关闭FET。

实际中机电开关的电流测量是通过测量非常小的电流在电阻器R5上所引起的电压来实现的，在这个电流下希望第一比较电路的比较器C2把FET转换为导通状态。设电流的这个起动值是I_sw，min。在这种情况下，比较器C2的参考电压由公式计算：

U_ref，min=R₅*I_sw，min

例如，设R5的电阻是第一测量电阻器R6的电阻的四倍，并且设起动电流的值I_sw，min≥100mA。当计算出参考电压时，形成参考电压的分压器R1-R2的电阻能由公式计算：

\frac{R_{2}}{R_{1}} = \frac{U_{ref, \min}}{U}

按照本发明的电路能用来有效地降低装有过电流保护的机电开关所引起的暂态过程，并且准确地确定开关在闭合时的过电流值。另外，有可能对不同大小的负载电流和过电流使用一种开关。

按照下列权利要求的说明，元件级电路能以若干方式而不只是上述一种方式来实现。

Claims

1．一种用于减小由具有过电流保护的机电开关所引起的暂态过程的电路布置，其中该布置包括：

一个可控半导体开关(21)，与机电开关(4)并联安排，以便能使负载电流(I_TOT)分配到两个开关，

一个第一比较电路(25)，其输入是一个与流过机电开关(4)的电流(I_switch)成正比的值和一个最小参考值(I_ref，min；U_ref，min)，而其输出与半导体开关(21)的控制输入功能连接，以便在机电开关闭合之后，当与流过机电开关的电流成正比的值超过最小参考值时，强迫半导体开关为导通状态。

2．按照权利要求1的电路布置，其中所述布置包括一个第二比较电路(23)，其输入是一个与负载电流(I_TOT)成正比的值和一个最大参考值(I_ref，max；U_ref，max)，而其输出与半导体开关(21)的控制输入功能连接，以便当与负载电流成正比的值超过最大参考值时，强迫半导体开关为不导通状态。

3．按照权利要求1的电路布置，其中最小参考值是能可靠探测的流过机电开关的电流(I_switch)的最小值，在这种情况下，当所述开关(4)闭合时，电流的部分开始流过半导体开关，因此防止流过机电开关(4)的电流(I_switch)增加，而电流增加引起暂态过程。

4．按照权利要求2的电路布置，其中最大参考值对应于负载电流的过电流值，在这个值下机电开关必须使负载与供电电压断开。

5．按照权利要求1的电路布置，其中可控半导体开关是FET晶体管。

6．按照权利要求1的电路布置，其中第一比较电路是一个比较器(C2)，其参考输入是由分压器(R1-R2)产生的参考电压，而另一个输入是由流过机电开关(4)的电流(I_switch)在测量电阻器中引起的电压损失，该测量电阻器与开关(4)串联连接。

7．按照权利要求1的电路布置，其中第二比较电路是一个比较器(C1)，其参考输入是由分压器(R3-R4)产生的参考电压，而第二输入是由负载电流(I_TOT)在测量电阻器(R6)中引起的电压损失，该测量电阻器(R6)与相互并联连接的机电开关(4)和FET晶体管(41)串联连接。

8．按照权利要求7的电路布置，其中测量电阻器(R6)通过输入电阻器(R7)与比较器(C1)的输入连接，并且通过改变输入电阻器(R7)的电阻值来设置过电流值，在过电流值下机电开关使负载与供电电压断开。