CN109637892A - 一种直流继电切换电路 - Google Patents

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冀蓬举
韩冰冰
刘蛟
徐玉翠
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Abstract

本发明公开了一种直流继电切换电路，包括：串联在直流回路中、用于切断直流电流的继电开关；与继电开关并联的半导体开关；以及依次串联的第一电阻、电容和第二电阻，第一电阻、电容和第二电阻串联后与继电开关和半导体开关并联，且半导体开关的控制端接至第二电阻与电容的连接端；工作时，继电开关切断直流电流后，在电容的充电过程中，充电电流使第二电阻两端电压升高，使得连接电容的一端电压高于半导体开关的开启电压使半导体开关导通，从而使得继电开关两端的触点间电压上升速率受到抑制，遏制了触点间产生电弧的机会，避免了发生电弧损坏继电开关，且电阻电容以及半导体开关器件的结构简单、成本较低，减小了直流继电切换电路的体积和成本。

Description

一种直流继电切换电路
技术领域
本发明涉及电路设计技术领域，特别涉及一种直流继电切换电路。
背景技术
在直流电路设计中，出于安全、控制等考虑，通常会设置直流继电切换电路，例如，采用直流继电器作为直流继电切换装置。然而，由于直流继电器切断直流电时是机械性切断，容易产生电弧损坏机械触点，为了保护机械触点，需要设计灭弧室等特殊装置，这使得继电器体积大且十分昂贵，不符合市场对产品小型化和经济性需求。
此外，也存在使用固态继电器或功率电子器件(如IGBT、MOS管)等替代直流继电器的方案。固态继电器是一种包括两个接线输入端和两个接线端输出端的四端器件，中间采用隔离器件实现输入输出的电隔离，虽然履行功能时而无机械运动，但是成本较高且通态压降大、导通损耗高；而使用功率电子器件等会产生通态压降大、导通损耗高的缺点。
发明内容
鉴于现有技术直流继电器切断电流时可能产生电弧损坏机械触点的问题，提出了本发明的一种直流继电切换电路，以便克服上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种直流继电切换电路，包括：
串联在直流回路中、用于切断直流电流的继电开关；
与所述继电开关并联的半导体开关；
以及依次串联的第一电阻、电容和第二电阻，所述第一电阻、电容和第二电阻串联后与所述继电开关和所述半导体开关并联，且所述半导体开关的控制端接至所述第二电阻与所述电容的连接端；
工作时，所述继电开关切断直流电流后，在所述电容的充电过程中，充电电流使所述第二电阻两端电压升高，使得连接所述电容的一端电压高于所述半导体开关的开启电压使所述半导体开关导通。
可选地，所述半导体开关为三极管、MOS管或IGBT。
可选地，所述半导体开关为N型半导体开关管，所述N型半导体开关管的漏极连接继电开关的一端，并接至直流回路相对高压侧，所述N型半导体开关管的源极连接继电开关的另一端，并接至直流回路相对低压侧，所述N型半导体开关管的栅极连接所述第二电阻和所述电容的连接端。
可选地，该电路还包括：稳压二极管，所述稳压二极管的阳极连接所述N型半导体开关管的源极，所述稳压二极管的阴极连接所述N型半导体开关管的栅极，以钳制所述N型半导体开关管的驱动电压。
可选地，所述稳压二极管的稳压值不高于半导体开关管栅极允许的最高电压且不低于半导体开关管栅极的开启电压。
可选地，所述稳压二极管为1N4744稳压二极管或ZMM12稳压二极管。
可选地，所述继电开关为交流继电器。
可选地，所述继电开关为直流继电器。
可选地，所述继电开关为接触器。
综上所述，本发明的有益效果是：
通过将半导体开关与继电开关并联，并利用电容、电阻电路使直流切断时半导体开关自动导通，从而使得继电开关两端的触点间电压上升速率受到抑制，遏制了触点间产生电弧的机会，从而有效避免了发生电弧损坏继电开关，而且电阻电容以及半导体开关器件的结构简单、成本较低，减小了直流继电切换电路的体积和成本。
附图说明
图1为本发明一个实施例提供的一种直流继电切换电路示意图；
图2示出了图1所示电路在直流电流断开瞬间的电流流向示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
本发明的技术构思是：通过将半导体开关与继电开关并联，并利用电容、电阻电路使直流切断时半导体开关自动导通，从而使得继电开关两端的触点间电压上升速率受到抑制，遏制了触点间产生电弧的机会，从而有效避免了发生电弧损坏继电开关。由于本申请电阻电容电路以及半导体开关器件的结构简单、成本较低，减小了直流继电切换电路的体积和成本。
图1示意性地示出了本申请直流继电切换电路的一个实例。如图1所示，一种直流继电切换电路，应用在包括有直流电源DC和负载RL的直流回路中，具体包括：
串联在直流回路中、用于切断直流电流的继电开关J1。继电开关J1用于在控制直流回路时，通过两个触点的接触与分离，分别实现直流回路的导通与断开。
与所述继电开关J1并联的半导体开关M1(图1中为N型半导体开关管)，即半导体开关M1用于导通的两端分别连接继电开关J1的两个触点。工作时，半导体开关M1在直流电流断开时导通，因在栅极驱动的作用下导通压降上升缓慢，从而可以限制继电开关J1两个触点之间的电压，避免因触点间电压上升速率太快而起电弧，导致最终烧坏触点。
以及依次串联的第一电阻R1、电容C1和第二电阻R2，所述第一电阻R1、电容C1和第二电阻R2串联后与所述继电开关J1和所述半导体开关M1并联，且所述半导体开关M1的控制端接至所述第二电阻R2与所述电容C1的连接端。该电阻电容电路的作用在于：依靠电容C1的充电过程，使断电瞬间半导体开关M1导通，从而限制继电开关J1两个触点的电压上升速率，达到抑制电弧产生的目的。
为使电路顺利工作，应满足：所述继电开关J1切断直流电流后，在所述电容C1的充电过程中，充电电流使所述第二电阻R2连接所述电容C1的一端电压升高，并高于所述半导体开关M1的开启电压，使所述半导体开关M1导通，以抑制继电开关J1触点电压升高过快，抑制电弧产生。
在本申请的一些实施例中，所述半导体开关可以使用三极管、MOS管(MetallicOxide Semiconductor Field Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)或IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)以及类似的半导体器件等。如本申请图1所示实施例，示出了采用N型半导体开关管作为半导体开关M1的具体连接方式，N型半导体开关管M1的漏极(D)连接继电开关J1的一端，并接至直流回路相对高压侧，N型半导体开关管M1的源极(S)连接继电开关J1的另一端，并接至电阻负载的一端(直流回路相对低压侧)，N型半导体开关管M1的栅极(G)连接所述第二电阻R2和所述电容C1的连接端。
在本申请图1所示实施例中，该电路还包括：稳压二极管D1，所述稳压二极管D1的阳极连接N型半导体开关管M1的源极，所述稳压二极管D1的阴极连接N型半导体开关管M1的栅极，以钳制所述N型半导体开关管的驱动电压。
参考图1和图2所示实施例，介绍本实施例的具体工作原理如下：
当继电开关J1处于断开状态，电容C1在电阻R1、电阻R2和负载RL的作用下被直流电源DC充电，具有一定的电压；当继电开关J1闭合后，电容C1通过电阻R1、电阻R2、稳压二极管D1和继电开关J1的触点放电，电容C1的电压变为0V；当继电开关J1由导通到断开切换时，继电开关J1两端触点分离，电压上升，直流电源DC通过电阻R1、电阻R2和负载RL为C1充电，参考图2箭头所示的断电瞬间电流I的流向，电阻R2有电流流过，以致电压升高使半导体开关M1导通，从而限制继电开关J1两端电压上升速率，遏制了继电开关J1的触点起弧烧毁的机会，此时稳压二极管D1反向导通起到钳位作用，避免半导体开关M1驱动电压过高而损坏，当电容C1充电结束后，充电电流消失，半导体开关M1恢复到截止状态，此时继电开关J1的两个触点早已分开，不会再产生电弧；当继电开关J1由断开向导通切换时，触点闭合，电容C1通过电阻R1、电阻R2、稳压二极管D1和继电开关J1触点放电，此时稳压二极管D1正向导通起到钳位作用，避免半导体开关M1反向驱动电压过高而损坏。
图1中，所述稳压二极管D1的稳压值不高于半导体开关管M1栅极允许的最高电压且不低于半导体开关管M1栅极的开启电压，例如，可以采用1N4744稳压二极管或ZMM12稳压二极管等，当然，也可根据实际应用电路具体选用，在此不再赘述。
在本申请的一些实施例中，所述继电开关为交流继电器，交流继电器不带有灭弧装置，体积小巧成本较低。利用本申请的直流切换电路，通过将交流继电器和半导体开关组合，再以电阻电容等简单的外围电路配合，实现直流电切换的继电切换装置，体积更小成本更低，解决了交流继电器因不带有灭弧装置不能直接应用于直流电路的问题，低成本地实现了金属触点的灭弧保护。
当然，在本申请的一些实施例中，所述继电开关也可为直流继电器，无论其是否带有灭弧室等装置，都可以进一步提高电路的安全性。
在本申请的一些实施例中，若应用于较大电流的场合中，所述继电开关也可以为接触器，同时配以大功率三极管或IGBT等半导体开关，从而实现大电流场合下的直流切换和灭弧保护。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本发明的目的，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种直流继电切换电路，其特征在于，包括：
串联在直流回路中、用于切断直流电流的继电开关；
与所述继电开关并联的半导体开关；
以及依次串联的第一电阻、电容和第二电阻，所述第一电阻、电容和第二电阻串联后与所述继电开关和所述半导体开关并联，且所述半导体开关的控制端接至所述第二电阻与所述电容的连接端；
工作时，所述继电开关切断直流电流后，在所述电容的充电过程中，充电电流使所述第二电阻两端电压升高，使得连接所述电容的一端电压高于所述半导体开关的开启电压使所述半导体开关导通。
2.根据权利要求1所述的直流继电切换电路，其特征在于，所述半导体开关为三极管、MOS管或IGBT。
3.根据权利要求2所述的直流继电切换电路，其特征在于，所述半导体开关为N型半导体开关管，所述N型半导体开关管的漏极连接继电开关的一端，并接至直流回路相对高压侧，所述N型半导体开关管的源极连接继电开关的另一端，并接至直流回路相对低压侧，所述N型半导体开关管的栅极连接所述第二电阻和所述电容的连接端。
4.根据权利要求3所述的直流继电切换电路，其特征在于，该电路还包括：稳压二极管，所述稳压二极管的阳极连接所述N型半导体开关管的源极，所述稳压二极管的阴极连接所述N型半导体开关管的栅极，以钳制所述N型半导体开关管的驱动电压。
5.根据权利要求4所述的直流继电切换电路，其特征在于，所述稳压二极管的稳压值不高于半导体开关管栅极允许的最高电压且不低于半导体开关管栅极的开启电压。
6.根据权利要求5所述的直流继电切换电路，其特征在于，所述稳压二极管为1N4744稳压二极管或ZMM12稳压二极管。
7.根据权利要求1-6任一项所述的直流继电切换电路，其特征在于，所述继电开关为交流继电器。
8.根据权利要求1-6任一项所述的直流继电切换电路，其特征在于，所述继电开关为直流继电器。
9.根据权利要求1-6任一项所述的直流继电切换电路，其特征在于，所述继电开关为接触器。
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