CN106972740B - 一种开关电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子电路领域，公开了一种开关电路及其控制方法，该开关电路包括：交直流检测电路，用于检测供电电源是交流电源还是直流电源；控制器，用于依据所述交直流检测电路的检测结果来控制混合开关电路的通断；以及所述混合开关电路，用于在所述控制器的控制下通断，并兼具将所述交流电源和所述直流电源连接到负载的能力。该开关电路及其控制方法能够实现交直流电源下的通用。

Description

一种开关电路及其控制方法

本案为2015年7月3日递交的题为“一种开关电路及其控制方法”的中国发明专利201510390809.4的分案申请。

技术领域

本发明涉及电子电路领域，具体地，涉及一种开关电路及其控制方法。

背景技术

目前的开关电路要么采用半导体电力电子器件、要么采用机械继电器来实现。采用半导体电力电子器件作为开关的开关电路只能用于直流电源的开断，却不能承受交流电源的反压；采用机械继电器作为开关的开关电路虽然能够承受交流电源的反压，却不能有效的应对直流电源开断时的拉弧。因此，当需要兼容交流和直流供电这两种供电方式时，目前的开关电路不兼具应对交流电源和直流电源的开断的能力，从而很难实现交直流电源下的通用。

发明内容

本发明的目的是提供一种开关电路及其控制方法，该开关电路兼具应对交流电源和直流电源的开断的能力，从而使得根据本发明的开关电路及其控制方法能够实现交直流电源下的通用。

为了实现上述目的，本发明提供一种开关电路，该开关电路包括：交直流检测电路，用于检测供电电源是交流电源还是直流电源；控制器，用于依据所述交直流检测电路的检测结果来控制混合开关电路的通断；以及所述混合开关电路，用于在所述控制器的控制下通断，并兼具将所述交流电源和所述直流电源连接到负载的能力。

本发明还提供一种开关电路的控制方法，该控制方法包括：检测供电电源是交流电源还是直流电源；以及依据检测结果来控制混合开关电路的通断，其中所述混合开关电路兼具将交流电源和直流电源连接到负载的能力。

通过上述技术方案，由于交直流电路能够检测供电电源是交流电源还是直流电源，混合开关电路兼具将交流电源和直流电源连接到负载的能力且能够在控制器的控制下通断，因此，根据本发明的开关电路及其控制方法能够实现交直流电源下的通用。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明一种实施方式的开关电路的示意框图；

图2是交直流检测电路的一种示例性电路图；

图3是混合开关电路的一种示例性电路图；

图4是混合开关电路的另一示例性电路图；以及

图5是根据本发明一种实施方式的开关电路的控制方法的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

如图1所示，根据本发明一种实施方式的开关电路包括交直流检测电路10、控制器20和混合开关电路30。交直流检测电路10用于检测供电电源40是交流电源还是直流电源；控制器20，用于依据所述交直流检测电路10的检测结果来控制混合开关电路30的通断；以及所述混合开关电路30，用于在所述控制器10的控制下通断，并兼具将所述交流电源和所述直流电源连接到负载50的能力。

交直流检测电路10是能够检测交流信号的过零点的电路，且其实现方式可以有很多种，例如，交直流检测电路10可以为过零检测电路或本领域技术人员熟知的其他形式的交直流检测电路。而且，过零检测电路的实现方式也可以有很多种，其中一种实现方式如图2所示。

图2所示的过零检测电路包括整流电路、电阻器RX、电阻器RY、光耦IC102、电阻器R109、电阻器R110和电容器C3，所述整流电路由二极管D100、二极管D101、二极管D103和二极管D104构成，电阻器RX一端连接到二极管D100的正端子和二极管D103的负端子、另一端连接到所述供电电源40的一个输出端子L(例如，当供电电源40是交流电源时，连接到交流电源的火线或零线上)，二极管D101的正端子和二极管D104的负端子连接到所述供电电源40的另一输出端子N(例如，当供电电源40是交流电源时，连接到交流电源的零线或火线上)，二极管D103和二极管D104的正端子以及光耦IC102的第二端子和第三端子接地，二极管D100和二极管D101的负端子连接在一起并直接或间接地连接到所述负载50上，电阻器RY一端连接到二极管D103的负端子、另一端连接到光耦IC102的第一端子，电阻器R109一端连接到第一电源(即图2中示例性示出的+5V电源上)、另一端连接到光耦IC102的第四端子，电阻器R110一端连接光耦IC102的第四端子、另一端连接到所述控制器20的输入端(即图2中所示的ZERO端子)，电容器C3一端连接到所述控制器20的输入端、另一端接地。

另外，图2中的整流电路部分仅是示例性地，本领域技术人员熟知的其他类型的整流电路也是可行的。

图2所示的过零检测电路的工作原理如下。当供电电源40是交流电源时，在交流电源的交流电压过零时，光耦IC102关断，ZERO端子的输出电平为高电平，当交流电源的交流电压为高时，ZERO端子处的输出电平为低电平。在供电电源40为直流电源时，ZERO端子处的输出电平不会出现高低变化。这样，控制器20就能够通过检测ZERO端子处的高低电平变化来判断供电电源40是交流电源还是直流电源。

另外，混合开关电路30将机械继电器和半导体电力电子开关器件相结合，从而既可以承受交流电源情况下的反向电压，又可以避免直流电源情况下开关电路通断时的拉弧现象。

图3示出了其中一种示例性的混合开关电路30。该混合开关电路30包括第一全控型半导体电力电子开关器件a、第一机械继电器b和第二机械继电器c，所述第一全控型半导体电力电子开关器件a与所述第一机械继电器b并联后与所述第二机械继电器c串联。该混合开关电路30的工作原理如下：

(1)在所述交直流检测电路10检测到所述供电电源40是交流电源且需要将该交流电源连接到所述负载50的情况下，所述控制器20先使得所述第一机械继电器b吸合并然后使得所述第二机械继电器c吸合。这样，由于第一机械继电器b与第一全控型半导体电力电子开关器件a并联且第一机械继电器b导通，因此第一全控型半导体电力电子开关器件a实际上被第一机械继电器b所短路，因而，在第一全控型半导体电力电子开关器件a上不存在交流反压，而且机械继电器b和c不易拉弧烧结。

(2)在所述交直流检测电路10检测到所述供电电源40是交流电源且需要切断所述交流电源对所述负载50的供电的情况下，所述控制器20先使得所述第二机械继电器c断开并然后使得所述第一机械继电器b断开。这样就能够确保第一机械继电器b是在回路断开之后才被断开，此过程中由于第二机械继电器c已经切断主回路，因此在断开第一机械继电器b时第一全控型半导体电力电子开关器件a两端上已经没有电压，因此第一全控型半导体电力电子开关器件a不会存在反向击穿的可能。

(3)在所述交直流检测电路10检测到所述供电电源40是直流电源且需要将该直流电源连接到所述负载50的情况下，所述控制器20先使得所述第二机械继电器c吸合并然后使得所述第一全控型半导体电力电子开关器件a导通，并在此期间保持所述第一机械继电器b的断开。这样，在第二机械继电器c的吸和过程中，主回路处于被第一全控型半导体电力电子开关器件a断开的状态而无电流，因此第二机械继电器c上不存在拉弧烧结的风险。

(4)在所述交直流检测电路10检测到所述供电电源40是直流电源且需要切断所述直流电源对所述负载50的供电的情况下，所述控制器20先使得所述第一全控型半导体电力电子开关器件a断开并然后使得所述第二机械继电器c断开。这样就能够确保第二机械继电器c是在主回路断开之后才被断开，在此过程中，由于第一全控型半导体电力电子开关器件a已经切断主回路，因此在断开第二机械继电器c时，第二机械继电器c两端上已经没有电流，因此第二机械继电器c上不会存在拉弧烧结的风险。

图4示出了另一种示例性的混合开关电路30。该混合开关电路30包括第二全控型半导体电力电子开关器件a1、第三全控型半导体电力电子开关器件a2和第三机械继电器a3，所述第二全控型半导体电力电子开关器件a1和所述第三全控型半导体电力电子开关器件a2反向并联后与所述第三机械继电器a3串联。该混合开关电路30的工作原理如下：

(1)在所述交直流检测电路10检测到所述供电电源40是交流电源且需要将该交流电源连接到所述负载50的情况下，所述控制器20先使得所述第二全控型半导体电力电子开关器件a1和所述第三全控型半导体电力电子开关器件a2同时导通，并然后使得所述第三机械继电器a3吸合。这样，由于第二全控型半导体电力电子开关器件a1和第三全控型半导体电力电子开关器件a2同时导通，因此第二全控型半导体电力电子开关器件a1和第三全控型半导体电力电子开关器件a2上不存在交流反压。

(2)在所述交直流检测电路10检测到所述供电电源40是交流电源且需要切断所述交流电源对所述负载50的供电的情况下，所述控制器20先使得所述第三机械继电器a3断开，并然后使得所述第二全控型半导体电力电子开关器件a1和所述第三全控型半导体电力电子开关器件a2断开。这样，由于第三机械继电器a3已经在先切断了主回路，因此第二全控型半导体电力电子开关器件a1和第三全控型半导体电力电子开关器件a2的两端上已经没有电压，从而不会存在被反向击穿的可能。

(3)在所述交直流检测电路10检测到所述供电电源40是直流电源且需要将该直流电源连接到所述负载50的情况下，所述控制器20先使得所述第三机械继电器a3吸合，并然后使得所述第二全控型半导体电力电子开关器件a1和所述第三全控型半导体电力电子开关器件a2导通。这样，在第三机械继电器a3的吸和过程中，主回路处于被所述第二全控型半导体电力电子开关器件a1和所述第三全控型半导体电力电子开关器件a2断开的状态而无电流，因此第三机械继电器a3上不存在拉弧烧结的风险。

(4)在所述交直流检测电路10检测到所述供电电源40是直流电源且需要切断所述直流电源对所述负载50的供电的情况下，所述控制器20先使得所述第二全控型半导体电力电子开关器件a1和所述第三全控型半导体电力电子开关器件a2断开，并然后使得所述第三机械继电器a3断开。这样就能够确保第三机械继电器a3是在主回路断开之后才被断开，在此过程中，由于所述第二全控型半导体电力电子开关器件a1和所述第三全控型半导体电力电子开关器件a2已经切断主回路，因此在断开第三机械继电器a3时，第三机械继电器a3两端上已经没有电流，因此第三机械继电器a3上不会存在拉弧烧结的风险。

上述的各个全控型半导体电力电子开关器件可以是门极可关断晶闸管(GTO)、电力双极型晶体管(GTR)、功率MOS管、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等。另外，图3和图4中仅示例性地给出了各个全控型半导体电力电子开关器件的栅极控制方式，但是本领域技术人员应当理解的是，其他的控制方式也是可行的。

优选地，所述控制器20可以为单片机，其还可以为本领域技术人员熟知的其他类型的控制单元或者片上系统。

通过采用如上所述的开关电路，由于该开关电路中的混合开关电路30将机械继电器和半导体电力电子开关器件相结合，交直流检测电路10能够检测供电电源40是交流电源还是直流电源，控制器20则能够在交流电源和直流电源的情况下分别采取相应的控制方式来控制混合开关电路30的通断，因此，根据本发明的开关电路能够以相对廉价的方式实现交直流通用的开关电路，其既可以承受交流运行情况下的反向电压，又可以避免直流运行情况下在通断时触点的拉弧烧结现象。

本发明还提供一种开关电路的控制方法，该开关电路可以是如上描述的任意一种开关电路，该控制方法包括：

S1、检测供电电源是交流电源还是直流电源；以及

S2、依据检测结果来控制混合开关电路的通断，其中混合开关电路兼具将交流电源和直流电源连接到负载的能力。

其中，在步骤S1中，可以利用交流信号过零点检测方法来检测供电电源是交流电源还是直流电源。其中一种交流信号过零点检测方法可以采用图2所示的过零检测电路来实现。当然，交流信号过零点检测方法还可以采用本领域技术人员熟知的其他类型的过零点检测电路来实现。

优选地，在混合开关电路是如图3所示的电路的情况下，根据本发明的开关电路的控制方法可以包括如下步骤：

(1)在检测到供电电源40是交流电源且需要将该交流电源连接到负载50的情况下，先使得第一机械继电器b吸合并然后使得第二机械继电器c吸合。这样，由于第一机械继电器b与第一全控型半导体电力电子开关器件a并联且第一机械继电器b导通，因此第一全控型半导体电力电子开关器件a实际上被第一机械继电器b所短路，因而，在第一全控型半导体电力电子开关器件a上不存在交流反压，而且机械继电器b和c不易拉弧烧结；

(2)在检测到供电电源40是交流电源且需要切断交流电源对负载50的供电的情况下，先使得第二机械继电器c断开并然后使得所述第一机械继电器b断开。这样就能够确保第一机械继电器b是在回路断开之后才被断开，此过程中由于第二机械继电器c已经切断主回路，因此在断开第一机械继电器b时第一全控型半导体电力电子开关器件a两端上已经没有电压，因此第一全控型半导体电力电子开关器件a不会存在反向击穿的可能；

(3)在检测到供电电源40是直流电源且需要将该直流电源连接到负载50的情况下，先使得第二机械继电器c吸合并然后使得第一全控型半导体电力电子开关器件a导通，并在此期间保持所述第一机械继电器b的断开。这样，在第二机械继电器c的吸和过程中，主回路处于被第一全控型半导体电力电子开关器件a断开的状态而无电流，因此第二机械继电器c上不存在拉弧烧结的风险；以及

(4)在检测到供电电源40是直流电源且需要切断直流电源对负载50的供电的情况下，先使得第一全控型半导体电力电子开关器件a断开并然后使得所述第二机械继电器c断开。这样就能够确保第二机械继电器c是在主回路断开之后才被断开，在此过程中，由于第一全控型半导体电力电子开关器件a已经切断主回路，因此在断开第二机械继电器c时，第二机械继电器c两端上已经没有电流，因此第二机械继电器c上不会存在拉弧烧结的风险。

优选地，在混合开关电路是如图4所示的电路的情况下，根据本发明的开关电路的控制方法可以包括如下步骤：

(1)在检测到供电电源40是交流电源且需要将该交流电源连接到负载50的情况下，先使得第二全控型半导体电力电子开关器件a1和第三全控型半导体电力电子开关器件a2同时导通，并然后使得第三机械继电器a3吸合。这样，由于第二全控型半导体电力电子开关器件a1和第三全控型半导体电力电子开关器件a2同时导通，因此第二全控型半导体电力电子开关器件a1和第三全控型半导体电力电子开关器件a2上不存在交流反压；

(2)在检测到供电电源40是交流电源且需要切断交流电源对负载50的供电的情况下，先使得第三机械继电器a3断开，并然后使得第二全控型半导体电力电子开关器件a1和所述第三全控型半导体电力电子开关器件a2断开。这样，由于第三机械继电器a3已经在先切断了主回路，因此第二全控型半导体电力电子开关器件a1和第三全控型半导体电力电子开关器件a2的两端上已经没有电压，从而不会存在被反向击穿的可能；

(3)在检测到供电电源40是直流电源且需要将该直流电源连接到负载50的情况下，先使得第三机械继电器a3吸合，并然后使得第二全控型半导体电力电子开关器件a1和第三全控型半导体电力电子开关器件a2导通。这样，在第三机械继电器a3的吸和过程中，主回路处于被所述第二全控型半导体电力电子开关器件a1和所述第三全控型半导体电力电子开关器件a2断开的状态而无电流，因此第三机械继电器a3上不存在拉弧烧结的风险；以及

(4)在检测到供电电源40是直流电源且需要切断直流电源对负载50的供电的情况下，先使得第二全控型半导体电力电子开关器件a1和第三全控型半导体电力电子开关器件a2断开，并然后使得第三机械继电器a3断开。这样就能够确保第三机械继电器a3是在主回路断开之后才被断开，在此过程中，由于所述第二全控型半导体电力电子开关器件a1和所述第三全控型半导体电力电子开关器件a2已经切断主回路，因此在断开第三机械继电器a3时，第三机械继电器a3两端上已经没有电流，因此第三机械继电器a3上不会存在拉弧烧结的风险。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (4)

1.一种开关电路，该开关电路包括：

交直流检测电路，用于检测供电电源是交流电源还是直流电源；

控制器，用于依据所述交直流检测电路的检测结果来控制混合开关电路的通断；以及

所述混合开关电路，用于在所述控制器的控制下通断，并兼具将所述交流电源和所述直流电源连接到负载的能力；

其特征在于，所述混合开关电路包括全控型半导体电力电子开关器件a1、全控型半导体电力电子开关器件a2和机械继电器a3，所述全控型半导体电力电子开关器件a1和所述全控型半导体电力电子开关器件a2反向并联后与所述机械继电器a3串联；

在所述交直流检测电路检测到所述供电电源是交流电源且需要将该交流电源连接到所述负载的情况下，所述控制器先使得所述全控型半导体电力电子开关器件a1和所述全控型半导体电力电子开关器件a2同时导通，然后使得所述机械继电器a3吸合；

在所述交直流检测电路检测到所述供电电源是交流电源且需要切断所述交流电源对所述负载的供电的情况下，所述控制器先使得所述机械继电器a3断开，然后使得所述全控型半导体电力电子开关器件a1和所述全控型半导体电力电子开关器件a2断开；

在所述交直流检测电路检测到所述供电电源是直流电源且需要将该直流电源连接到所述负载的情况下，所述控制器先使得所述机械继电器a3吸合，然后使得所述全控型半导体电力电子开关器件a1和所述全控型半导体电力电子开关器件a2导通；

在所述交直流检测电路检测到所述供电电源是直流电源且需要切断所述直流电源对所述负载的供电的情况下，所述控制器先使得所述全控型半导体电力电子开关器件a1和所述全控型半导体电力电子开关器件a2断开，然后使得所述机械继电器a3断开。

2.根据权利要求1所述的开关电路，其特征在于，所述交直流检测电路为能够检测交流信号的过零点的电路。

3.一种开关电路的控制方法，该控制方法包括：

检测供电电源是交流电源还是直流电源；以及

依据检测结果来控制混合开关电路的通断，其中所述混合开关电路兼具将所述交流电源和所述直流电源连接到负载的能力；

其特征在于，所述混合开关电路包括全控型半导体电力电子开关器件a1、全控型半导体电力电子开关器件a2和机械继电器a3，所述全控型半导体电力电子开关器件a1和所述全控型半导体电力电子开关器件a2反向并联后与所述机械继电器a3串联，则：

在检测到所述供电电源是交流电源且需要将该交流电源连接到所述负载的情况下，先使得所述全控型半导体电力电子开关器件a1和所述全控型半导体电力电子开关器件a2同时导通，然后使得所述机械继电器a3吸合；

在检测到所述供电电源是交流电源且需要切断所述交流电源对所述负载的供电的情况下，先使得所述机械继电器a3断开，然后使得所述全控型半导体电力电子开关器件a1和所述全控型半导体电力电子开关器件a2断开；

在检测到所述供电电源是直流电源且需要将该直流电源连接到所述负载的情况下，先使得所述机械继电器a3吸合，然后使得所述全控型半导体电力电子开关器件a1和所述全控型半导体电力电子开关器件a2导通；以及

在检测到所述供电电源是直流电源且需要切断所述直流电源对所述负载的供电的情况下，先使得所述全控型半导体电力电子开关器件a1和所述全控型半导体电力电子开关器件a2断开，然后使得所述机械继电器a3断开。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，利用交流信号过零点检测方法来检测所述供电电源是交流电源还是直流电源。