CN109660233A - 一种直流继电切换电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流继电切换电路，包括：第一继电开关、第二继电开关、第一电阻、第二电阻、第一电容和第一半导体开关；第一继电开关串联在直流回路中用于切换直流回路通断；第二继电开关和第一半导体开关串联后与第一继电开关并联，且第二继电开关与第一继电开关同步闭合，在第一继电开关断开预设时间后断开；第一电阻、第一电容和第二电阻串联后也与第一继电开关并联，且第二电阻与第一电容的连接端接至第一半导体开关的控制端；第一电容能够在第一继电开关断开而第二继电开关保持闭合时，被直流电源充电以提高第二电阻两端的电压，使连接第二电阻的第一半导体开关导通，从而抑制第一继电开关触点间电压上升速率，遏制触点间产生电弧的机会。

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。并且，通常的继电切换电路缺少防雷击功能，即便在断开状态下也容易在雷雨天气过压击穿。

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、以及缺少防雷击功能的问题，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：第一继电开关、第二继电开关、第一电阻、第二电阻、第一电容和第一半导体开关；

所述第一继电开关串联在直流回路中，用于切换直流回路通断；

所述第二继电开关和所述第一半导体开关串联后与所述第一继电开关并联，且所述第二继电开关与所述第一继电开关同步闭合，在所述第一继电开关断开预设时间后断开；

所述第一电阻、第一电容和第二电阻串联后也与所述第一继电开关并联，且所述第二电阻与所述第一电容的连接端接至所述第一半导体开关的控制端；所述第一电容能够在所述第一继电开关断开而所述第二继电开关保持闭合时，被直流电源充电以提高第二电阻两端的电压，使得连接第二电阻的第一半导体开关导通。

可选地，所述第一半导体开关为三极管、MOS管或IGBT。

可选地，所述第一半导体开关为N型半导体开关管，所述N型半导体开关管的漏极经所述第二继电开关连接第一继电开关的一端，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第一继电开关的另一端，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第一电容的连接端。

可选地，该电路还包括：第一二极管，所述第一二极管的阳极连接所述N型半导体开关管的源极，所述第一二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，所述第一二极管的稳压值不高于第一半导体开关管栅极允许的最高电压且不低于第一半导体开关管栅极的开启电压。

可选地，所述第一二极管为1N4744稳压二极管或ZMM12稳压二极管。

可选地，所述第一继电开关为交流继电器。

可选地，所述第一继电开关为直流继电器。

可选地，所述第一继电开关为接触器。

可选地，该直流继电切换电路还包括：第二电容、第二二极管和第二半导体开关；

所述第二电容与第二继电开关的控制端并联；

所述第二二极管的阴极接所述第二电容的一端；

所述第二二极管、所述第二电容和所述第二继电开关的控制端整体与第一继电开关的控制端并联，并联形成的电路与所述第二半导体开关串联。

综上所述，本发明的有益效果是：

在控制直流回路通断的第一继电开关两侧，并联相串联的第一半导体开关和第二继电开关、以及由电容和电阻组成的配合电路，在第一电容的充电作用下，使第一继电开关断开后旁侧的第一半导体开关和第二继电开关导通，从而抑制第一继电开关两端的触点间电压上升速率，遏制了触点间产生电弧的机会，从而有效避免了电弧损坏第一继电开关的情况发生，同时也利用第二继电开关，避免了旁路受雷击等突发情况而损坏的问题。而且，本电路采用电阻电容以及半导体开关等器件构成，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的主电路示意图；

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；

图3为本发明一个实施例提供的一种直流继电切换电路的驱动电路示意图。

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：为第一继电开关增设在其断开时能够导通的旁路，通过该旁路的导通作用，抑制第一继电开关触点间电压的上升速率，从而遏制触点间产生电弧的机会，避免发送电弧损坏第一继电开关，同时也利用第二继电开关，避免了旁路受雷击而损坏的问题。

图1示意性地示出了本申请直流继电切换电路主电路的一个实例。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DC1和负载RL的直流回路中，包括：第一继电开关J1、第二继电开关J2、第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1和第一半导体开关M1。

第一继电开关J1串联在直流回路中，用于切换直流回路通断。工作时，第一继电开关J1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。

第二继电开关J2和第一半导体开关M1串联后与第一继电开关J1并联，以分别连接第一继电开关J1的两个触点。并且，第二继电开关J2与第一继电开关J1同步闭合，在第一继电开关J1断开预设时间后断开。

第一电阻R1、第一电容C1和第二电阻R2串联后也与第一继电开关J1并联，且第二电阻R2与第一电容C1的连接端接至第一半导体开关M1的控制端，用于控制第一半导体开关M1。在第一继电开关J1断开而第二继电开关J2保持闭合时，第一电容C1能够被直流电源DC1充电以提高第二电阻R2两端的电压，使得连接第二电阻R2的第一半导体开关M1导通。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。

从而，在第一继电开关J1断开的瞬间，第一继电开关J1的两个触点通过第二继电开关J2和第一半导体开关M1组成的旁路导通，以抑制两触点间压降的上升速率，遏制产生电弧的机会，达到保护触点的目的。同时，该旁路中的第二继电开关J2在第一继电开关J1断开预设时间后也会断开，从而切断第一半导体开关M1的连接，有效防止雷击等因素引起的高压击穿第一半导体开关M1，提高电路的抗冲击力。

在本申请的一些实施例中，所述第一半导体开关M1可以使用三极管、MOS管(Metallic Oxide 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所示实施例中，示出了采用N型半导体开关管作为第一半导体开关M1的具体连接方式，N型半导体开关管M1的漏极(D)通过第二继电开关J2连接第一继电开关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)连接第一继电开关J1的另一端，并接至电阻负载RL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)连接至第二电阻R2和第一电容C1的连接端。

在本申请图1所示实施例中，该电路还包括：第一二极管D1，所述第一二极管D1的阳极连接N型半导体开关管M1的源极，所述第一二极管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，介绍本实施例的具体工作原理如下：

当第一继电开关J1稳定于断开状态时，第一电容C1在电阻R1、电阻R2和负载RL的作用下被直流电源DC1充电，具有一定的电压；当第一继电开关J1稳定于闭合状态时，第一电容C1通过电阻R1、电阻R2、第一二极管D1和第一继电开关J1放电，第一电容C1的电压变为0V。

当第一继电开关J1由导通到断开切换时，第二继电开关J2会保持吸合状态持续预设时间，第一继电开关J1两端触点分离，压差上升，直流电源DC1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，以致电压升高使第一半导体开关M1导通，此时第二继电开关J2仍保持吸合状态，从而M1和J2组成的旁路导通，抑制第一继电开关J1两触点间压降的上升速率，遏制了第一继电开关J1的触点起弧烧毁的机会。在此阶段，第一二极管D1反向导通起到钳位作用，避免第一半导体开关M1因驱动电压过高而损坏，当第一电容C1充电结束后，充电电流消失，第一半导体开关M1恢复到截止状态，M1和J2组成的旁路断开，此时第一继电开关J1的两个触点早已分开，不会再产生电弧，且预设时间后第二继电开关J2也会自行断开，以防止雷击等意外产生高压基础第一半导体开关M1。

当第一继电开关J1由断开向导通切换时，触点闭合，第二继电开关J2也同步闭合，为下次电路断开做准备，此时，第一电容C1通过电阻R1、电阻R2、第一二极管D1和第一继电开关J1触点放电。在此阶段，第一二极管D1正向导通起到钳位作用，避免第一半导体开关M1因反向驱动电压过高而损坏。

图1中，所述第一二极管D1的稳压值不高于第一半导体开关M1栅极允许的最高电压且不低于第一半导体开关M1栅极的开启电压，实际设计中，可以采用1N4744稳压二极管或ZMM12稳压二极管等，当然，也可根据实际电路具体选用，在此不再赘述。

在本申请的其他一些实施例中，所述第一继电开关J1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J1、第一半导体开关M1和第二继电开关J2组合，再以电阻电容等简单的外围电路配合，做成直流继电切换装置，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，在本申请的其他一些实施例中，所述第一继电开关J1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。

在本申请的其他一些实施例中，若应用于较大电流的场合中，所述第一继电开关J1也可以为接触器，同时将第一半导体开关M1改为大功率三极管或IGBT等，从而实现大电流场合下的直流切换和灭弧保护。

为协调第一继电开关J1和第二继电开关J2的通断，图3还提供了本申请直流切换电路的一种驱动电路。如图3所示，该驱动电路包括：第二电容C2、第二二极管D2和第二半导体开关M2。当然，本领域技术人员可理解地，该驱动电路配有驱动电源(DC2)和电阻(R3、R4)等。

所述第二电容C2与第二继电开关J2的控制端并联，用于在断开时放电以延时第二继电开关J2的关断动作。

所述第二二极管D2的阴极接所述第二电容C2的一端。

所述第二二极管D2、所述第二电容C2和所述第二继电开关J2的控制端整体与第一继电开关的控制端并联，并联形成的电路与所述第二半导体开关M2串联。控制信号A1从第二半导体开关M2的控制端输入，通过控制第二半导体开关M2的通断，来控制J1和J2的通断，在第二二极管D2和第二电容C2的作用下，J2会在J1延迟一段时间后断开。

当然，图3仅是本申请驱动电路的一个实施例，其他能够控制J1和J2动作的驱动电路也可用于本申请。而且，在图3所示驱动电路中，第二半导体开关M2也可采用三极管、MOS管或IGBT以及类似的半导体器件等，在此不再赘述。

图1至图3仅是本申请直流继电电路的一个实施例，并非唯一选择。图1和图2所示主电路中，第一半导体开关M1的驱动电路参数变化、电阻和电容个数变化等，若仍可实现对第一半导体开关器件M1的驱动，就可应用于本申请；图3所示驱动电路中，更改电路参数、增减电阻个数、为第二二极管串联电阻等修改，仍可实现满足J1、J2切换时间关系的功能，这些常规修改都应被认为在本申请的保护范围之内。

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 (10)

1.一种直流继电切换电路，其特征在于，包括：第一继电开关、第二继电开关、第一电阻、第二电阻、第一电容和第一半导体开关；

所述第一继电开关串联在直流回路中，用于切换直流回路通断；

所述第二继电开关和所述第一半导体开关串联后与所述第一继电开关并联，且所述第二继电开关与所述第一继电开关同步闭合，在所述第一继电开关断开预设时间后断开；

所述第一电阻、第一电容和第二电阻串联后也与所述第一继电开关并联，且所述第二电阻与所述第一电容的连接端接至所述第一半导体开关的控制端；所述第一电容能够在所述第一继电开关断开而所述第二继电开关保持闭合时，被直流电源充电以提高第二电阻两端的电压，使得连接第二电阻的第一半导体开关导通。

2.根据权利要求1所述的直流继电切换电路，其特征在于，所述第一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，所述第一半导体开关为N型半导体开关管，所述N型半导体开关管的漏极经所述第二继电开关连接第一继电开关的一端，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第一继电开关的另一端，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第一电容的连接端。

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：第一二极管，所述第一二极管的阳极连接所述N型半导体开关管的源极，所述第一二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，所述第一二极管的稳压值不高于第一半导体开关管栅极允许的最高电压且不低于第一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，所述第一二极管为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，所述第一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，所述第一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，所述第一继电开关为接触器。

10.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，该直流继电切换电路还包括：第二电容、第二二极管和第二半导体开关；

所述第二电容与第二继电开关的控制端并联；

所述第二二极管的阴极接所述第二电容的一端；

所述第二二极管、所述第二电容和所述第二继电开关的控制端整体与第一继电开关的控制端并联，并联形成的电路与所述第二半导体开关串联。