CN110301025A - 消弧装置 - Google Patents

Abstract

[问题]为了提供一种即使在大电流停止时间也能够抑制电弧的出现的消弧装置。[解决方案]提供的消弧装置包括：限流电路，与断路器并联安装，所述断路器切换从电源至负载的电力的供应和关闭；第一保护器，安装在限流电路之前或者之后，用于如果预定量或更大量的电流在预定持续时间或更长持续时间内在限流电路中流动，则停止来自电源的电流；以及第二保护器，用于在第一保护器已经停止来自电源的电流之后，停止来自电源的电流。当电力从电源被供应至负载时，限流电路停止来自电源的电流。当已经停止电力从电源至负载的供应时，限流电路使得由在停止时间发生的电势差引起的预定量或更大量的电流在短于预定持续时间内流动，然后停止来自电源的电流。

Description

消弧装置

技术领域

本公开涉及一种消弧装置。

背景技术

当在DC供电和AC供电这两者中中断电力时，产生电弧放电。因为在每个预定时间段(诸如，每10毫秒)中存在电压变成零的瞬间，因此在AC的情况下，至少在预定时间段(例如，在10毫秒中)中电弧放电自然停止。然而，因为不存在零电压的瞬间，因此在DC供电中电弧放电不会自然停止。

因此，已经公开了在DC供电的情况下在电力中断时抑制电弧放电的产生的技术(参见专利文献1、2等)。

引用列表

专利文献

专利文献1：日本专利申请公开第2003-203721号

专利文献2：JP 2014-522088 A。

发明内容

本发明要解决的问题

在考虑到在电力中断时抑制电弧的产生的电路被切断的情况而提供保险丝并且给出冗余的情况下，需要考虑到即使在高电流从电源流动的情况下在正常时间也不执行熔断。然而，通过利用除非等于或高于其中产生电弧的条件的电流流动否则不会熔断的保险丝，存在如果在电力中断时抑制电弧的产生的电路被切断则保险丝不会被熔断并且产生电弧的情况。

因此，在本公开中，提出了即使当高电流被中断时也能够抑制电弧的产生的新的增强型消弧装置。

问题的解决方案

根据本公开，提供了一种消弧装置，包括：限流电路，与断路器并联设置，断路器切换从电源至负载的电力的供应和断开；第一保护器，设置在限流电路之前或者之后，并且如果预定量或更多量的电流在预定时间段或更长时间段内在限流电路中流动，则中断来自电源的电流；以及第二保护器，在第一保护器中断来自电源的电流之后，中断来自电源的电流，其中，当电力从电源被供应至负载时限流电路中断来自电源的电流，并且当电力从电源至负载的供应被中断时，在通过在中断时生成的电势差生成的预定量或更多量的电流在短于预定时间段的时间段内流动之后，限流电路中断来自电源的电流。

另外，根据本公开，提供了包括以上描述的一个或多个消弧装置的移动对象。

另外，根据本公开，提供了一种电源系统，包括：电池，供应DC电源；驱动单元，利用由电池供应的DC电源执行驱动；以及设置在电池和驱动单元之间的至少一个消弧装置。

本发明的效果

如上所述，根据本公开可以提供即使当高电流被中断时也能够抑制电弧的产生的新的增强型消弧装置。

应注意，上述效果不必是限制。与上述效果一起或者代替上述效果，可以获取在本说明中公开的任何效果或者可以从本说明中掌握的不同效果。

附图说明

图1是用于描述当电力中断时抑制电弧的产生的消弧装置的配置实例的视图。

图2是用于描述保险丝的熔断特征曲线的实例的视图。

图3是用于描述根据本公开的实施方式的消弧装置的电路配置实例的视图。

图4是示意性地示出了其中由于MOSFET M1的击穿导致MOSFET M1变成电阻的状态的视图。

图5是利用时序图描述图3中示出的根据本实施方式的消弧装置的操作实例的视图。

图6是用于描述根据本公开的实施方式的消弧装置的变形例的视图。

图7是用于描述图6中示出的消弧装置中的电压和电流的时间推移的视图。

图8是用于描述包括消弧装置的移动对象40的功能配置实例的视图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图详细描述本公开的优选实施方式。应注意，在本说明和附图中，通过关于实际上具有相同的功能配置的配置元件分配相同的符号省略重叠描述。

应注意，将按以下顺序进行描述。

1.本公开的实施方式

1.1.背景

1.2.配置实例

2.结论

<1.本公开的实施方式>

[1.1.背景]

首先，将参考图1描述本公开的实施方式的背景。

当在DC供电和AC供电这两者中中断电力时，产生电弧放电。因为在每个预定时间段(诸如，每10毫秒)中存在电压变成零的瞬间，因此在AC的情况下，至少在预定时间段(例如，在10毫秒中)中电弧放电自然停止。然而，因为不存在零电压的瞬间，因此在DC供电中电弧放电不会自然停止。因此，公开了在DC供电中电力中断时抑制电弧的产生的许多技术。

还考虑了考虑到在电力中断时抑制电弧的产生的电路被切断的情况而提供保险丝并且给予冗余的技术。当提供保险丝并给予冗余时，需要考虑到即使在高电流从电源流动的情况下在正常时间也不执行熔断。然而，通过利用除非等于或高于其中发生电弧的条件的电流流动否则不会熔断的保险丝，存在如果在电力中断时抑制电弧的产生的电路被切断则保险丝不会熔断并且产生电弧的情况。

因此，鉴于上述内容，本公开认真考虑了在提供电力中断(比较高的电流在此期间流动)时抑制电弧的产生的电路，以及在电路击穿时给予冗余的保险丝的情况下抑制在电路击穿时产生电弧的技术。因此，如下所述，本公开发明了在电路击穿的情况下，通过在电力从电源供应期间(比较高的电流在此期间流动)不执行熔断并且通过将电流绕过保险丝来抑制电弧的产生的技术。

在上文中，已经描述了本公开的实施方式的背景。

[1.2.配置实例]

接下来，将参考附图描述本公开的实施方式。首先，为了更好地理解本公开的实施方式，将呈现和描述比较例。

图1是用于描述当电力中断时抑制电弧的产生的消弧装置的配置实例的视图。图1中示出的消弧装置包括开关S1(例如包括固态继电器(SSR))、限流电路AF1、保险丝F1、以及保护器PF。

开关S1以通过来自DC电源V2的电力接通/断开的这种方式被配置。在开关S1接通的情况下，来自供应DC电源的电源V1的电力被供应至电阻R4。在开关S1断开的情况下，从电源V1至电阻R4的电力供应被中断。

限流电路AF1包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)M1、齐纳二极管D1、二极管D2、电阻R1和R2、以及电容器C1。限流电路AF1是在从电源V1供应电力的状态下当开关S1中断电流时抑制在开关S1中产生电弧的电路。

将描述包括在限流电路AF1中的每个元件。在本实施方式中，MOSFET M1是n型MOSFET。在其中来自电源V1的电流流动的路径中设置了MOSFET M1。电容器C1设置在MOSFETM1的漏极端子和栅极端子之间。另外，电阻R1设置在MOSFET M1的栅极端子和源极端子之间。电阻R1被设置为：与电容器C1一起设置将电压施加至MOSFET M1的栅极端子的时间。在此，串联设置电容器C1和电阻R1。齐纳二极管(zener diode)D1被设置为当开关S1的接触点连接时使存储在电容器C1中的电荷放电。另外，齐纳二极管D1被设置为保护MOSFET M1的栅极端子。二极管D2通过MOSFET M2的寄生反向二极管(parasitic reverse diode)抑制电流。

接下来，将描述限流电路AF1的功能。当开关S1处于接通状态时，MOSFET M1处于断开状态。因此，电流不会在消弧装置100中流动。

如果电流被开关S1中断，则在开关S1的端子之间产生预定电势差。这个电势差对应于中断时的电源V1的电压值。在开关S1的端子之间产生的电势差通过电容器C1感应MOSFET M1的栅极电压，并且使MOSFET M1进入接通状态。如果MOSFET M1变成接通状态，则电流沿减小开关S1的端子之间的电势差的方向流动。即，如果MOSFET M1变成接通状态，则电流沿从节点N1至节点N5的方向流动。

如果MOSFET M1变成接通状态，则电流沿减小开关S1的端子之间的电势差的方向流动。因此，开关S1的端子之间的电势差减小。因此，即使在其中从电源V1供应电力的状态下电流被开关S1中断时满足电弧的产生条件的情况下，在开关S1中也不会产生电弧。

MOSFET M1的漏极端子和源极端子之间的电压通过FET的栅极电压落入沿着传递函数的电压内。如果通过在开关S1的端子之间产生的电势差进行电容器C1的充电，则MOSFET M1的栅极电压减小。如果MOSFET M1的栅极电压减小，则MOSFET M1最终推移为断开状态。通过MOSFET M1推移为断开状态，电流不再流进MOSFET M1中。

保护器PF被设置为当MOSFET M1被切断时(即，在MOSFET M1没有起到开关元件的作用并且仅变成电阻的情况下)将从电源V1流动的电流绕至限流电路AF1，并且包括两个保险丝以及设置在两个保险丝之间的电阻R3。换言之，保护器PF具有三个端子。电阻R3具有强制熔断保护器PF内部的保险丝的作用。如图1所示，保险丝F1设置在电源V1和限流电路AF1之间。

图2是用于描述保险丝的熔断特征曲线的实例的视图。根据图2中示出的熔断特征，在10安培的电流从电源V1流动的情况下，即使10安培(A)的电流流动约3毫秒也不会熔断并且即使1安培的电流连续流动也不会被熔断的保险丝仅需要用作保险丝F1。

因此，即使MOSFET M1被切断并且不会起到开关元件的作用，在其中1安培或更高的电流在电阻R4中流动的状态下，如果开关S1断开并且保护器PF的保险丝随后被熔断，则保险丝F1也被熔断。另外，在其中低于1安培的电流在电阻R4中流动的状态下，即使开关S1断开也不能保持电弧。

然而，例如，在40安培的电流从电源V1流动的情况下，必须使用即使40安培(A)的电流流动约3毫秒也不会熔断的保险丝作为保险丝F1。根据保险丝的熔断特征曲线，如图2中示出的曲线，即使40安培(A)的电流流动约3毫秒也没有熔断的保险丝的额定值是4安培。如果开关S1在其中MOSFET M1被切断的状态下断开，则存在有在开关S1的接触点处产生电弧的可能性。

因此，将描述即使在其中诸如40安培或更高的电流等高电流从电源V1流动的状态下在设置在限流电路AF1中的MOSFET被切断的情况下，在开关S1断开时抑制在开关S1的接触点处产生电弧的配置。

图3是用于描述根据本公开的实施方式的消弧装置的电路配置实例的视图。在下文中，将参考图3描述根据本公开的实施方式的消弧装置的电路配置实例。

根据本公开的实施方式的消弧装置，如图3中示出的装置，包括开关S1和S2(例如包括SSR(固态继电器))、限流电路AF1、以及保护器PF1和PF2。因为限流电路AF1的配置和功能与图1中示出的那些配置和功能相同，因此省略了其详细说明。另外，图3中示出的电源V1被配置为供应400W的电力。如果电阻R2是10欧姆(Ω)，则40安培的电流从电源V1流动。

开关S1和S2以通过来自DC电源V2的电力接通/断开的这种方式被配置。开关S1是接通触点并且开关S2是断开触点。在开关S1接通的情况下，来自供应DC电源的电源V1的电力被供应至电阻R2。在开关S1断开的情况下，从电源V1至电阻R2的电力供应被中断。开关S2在开关S1接通的情况下断开，并且在开关S1断开的情况下接通。

保护器PF1和PF2被设置为当MOSFET M1被切断时将从电源V1流动的电流绕至限流电路AF1，并且各自包括两个保险丝并且分别包括设置在两个保险丝之间的电阻R4和R5。换言之，在其中MOSFET M1未被切断的状态下，在保护器PF1和PF2中流动的电流受到MOSFETM1的限制。保护器PF1和PF2中的每一个包括三个端子。例如，假设保护器PF2的保险丝的额定值是5安培。另外，保护器PF2的电阻R5连接至开关S2的负电极。在此，假设电阻R4是100Ω并且电阻R5是800Ω。

开关S1和S2中的每一个包括在两极中具有触点的继电器。在这种配置中，在接通触点和断开触点之间存在约2毫秒以上的操作延迟。在正常时间，如果开关S1断开，则限流电路AF1操作并且电流以减小开关S1的端子之间的电势差的方式流进限流电路AF1中。然后，在开关S2接通的时间点，在限流电路AF1中流动的电流变小并且电流不会熔断保护器PF2的保险丝。

图4是示意性地示出了其中由于MOSFET M1的击穿导致MOSFET M1变成电阻的状态的视图。将参考图4详细描述保护器PF1和PF2的功能。如果在MOSFET M1被切断的状态下开关S1从接通切换为断开并且开关S2从断开切换为接通，则来自电源V1的电流通过MOSFETM1流进保护器PF1和PF2中。保护器PF2的保险丝最终通过来自电源V1的电流被熔断。

如果保护器PF2的保险丝被熔断，则来自电源V1的电流通过电阻R4流进保护器PF1中。保护器PF1的保险丝最终也通过来自电源V1的电流被熔断。

因此，由于保护器PF1和PF2的保险丝在MOSFET M1被切断的情况下被熔断，因此即使在此后执行开关S1的接通/断开，电流也不会流进开关S1中，由此在开关S1的端子之间不会产生电弧。

图5是利用时序图描述图3中示出的根据本实施方式的消弧装置的操作实例的视图。V2指示DC电源V2的切换，S2指示开关S2的接通/断开，并且S1指示开关S1的接通/断开。另外，I-s2指示在开关S2中流动的电流的推移。另外，I-s1指示在开关S1中流动的电流的推移，并且PF2指示在保护器PF2的保险丝中流动的电流的推移。

将描述正常时间中的操作。如果开关S1在时间t1的时间点断开，则限流电路AF1以减小开关S1的端子之间的电势差的这种方式操作。因此，尽管如果开关S1在时间t1的时间点断开则电流在短时期内流进保护器PF2中，但是保护器PF2中的电流的流动最终被停止，因为限流电路AF1的MOSFET M1如上所述被断开。然后，因为在开关S1断开之后电流不会在开关S2接通的时间点在保护器PF2中流动，因此电流不会流进开关S2中。

接下来，将描述当MOSFET M1被切断时的操作。如果开关S1在时间t3的时间点断开，则电流通常在时间t4的时间点不会流进保护器PF2中。然而，当MOSFET M1被切断时，即使在时间t4之后电流也保持流进保护器PF2的保险丝中。如果开关S2在时间t4接通时，电流还通过保护器PF2的电阻R5流进开关S2中。如果电流保持在保护器PF2的保险丝中流动，则保护器PF2的保险丝在时间t5的时间点被熔断。如果保护器PF2的保险丝被熔断，则电流不会流进开关S2中。如上所述，在保护器PF2的保险丝被熔断之后，来自电源V1的电流通过电阻R4流进保护器PF1中并且保护器PF1的保险丝最终也被来自电源V1的电流熔断。

此后，即使开关S1再次接通，因为保护器PF1的保险丝被熔断，电流也不会通过开关S1流进电阻R2中。然后，即使开关S1在时间t6的时间点断开，因为保护器PF1和PF2的保险丝被熔断，电流也不会流进电阻R2中，并且在开关S1中不会产生电弧。

在从电源V1流动的电流较高的情况下，即使MOSFET M1被切断，图3中示出的消弧装置也可以通过开关S1防止在电力中断时产生电弧。

(变形例)

还可以利用光电耦合器替换图3中示出的限流电路AF1的一部分。图6是用于描述根据本公开的实施方式的消弧装置的变形例的视图。

图6中示出的消弧装置包括开关S1、S2和S3(例如包括SSR)、限流电路AF2、以及保护器PF1和PF2。图6中示出的电源V1被配置为供应400W的电力。开关S1是接通触点并且开关S2和S3是断开触点。如果电阻R2是10欧姆(Ω)，则40安培的电流从电源V1流动。

限流电路AF2具有其中光电耦合器U1被添加至图3中示出的限流电路AF1的配置。因为开关S2是断开触点，因此如果开关S1断开则开关S2接通。如果开关S2接通，则电流从电源V3流到光电耦合器U1的光电二极管PD中并且光电二极管PD发光。通过光电二极管PD发光，光电晶体管Q1接通。如果光电晶体管Q1接通，则限流电路AF2以当开关S1断开时减小端子之间的电势差的这种方式操作。

图7是用于描述图6中示出的消弧装置中的电压和电流的时间推移(transition)的视图。符号131指示施加到电阻R2的电压的时间推移，符号132指示在MOSFET M1中流动的电流的时间推移，符号133指示在开关S1中流动的电流的时间推移，并且符号134指示节点N2的时间推移。

在光电耦合器设置在如图6所示的限流电路AF2中的情况下，通过提供与图3中示出的消弧装置类似的保护器PF1和PF2，即使MOSFET M1被切断也可以通过开关S1防止电力中断时产生电弧。

图8是用于描述包括消弧装置的移动对象40的功能配置实例的视图。例如，移动对象40可以是诸如其中把汽油主要作为电源的天然气车辆的移动对象、或者诸如电动车辆、混合动力车辆、或者其中把可充电/可放电电池主要作为主电源的电动摩托车等移动对象。在图12中，示出了移动对象40包括电池210、通过从电池供应的电力执行驱动的驱动单元220、以及在来自电池210的电力中断时抑制电弧的消弧装置100的情况的实例。驱动单元220可包括诸如擦拭器、电动车窗、灯、汽车导航系统或空调等设备(该设备包括在车辆中)、诸如电机等装置(该装置驱动移动对象40)等。

然后，在图8中示出的移动对象40中，消弧装置100设置在其中DC电源从电池210供应至驱动单元220的路径的中间。例如，具有图3或图6中示出的上述配置的装置可以用作消弧装置。图8中示出的移动对象40可以安全地中断DC电流，因为消弧装置100设置在其中DC电源从电池210供应至驱动单元220的路径中。

应注意，尽管图8中示出了仅包括一个消弧装置100的移动对象40的实例，但是本公开不限于这样的实例。换言之，多个消弧装置100可以设置在其中供应DC电源的路径的中间。另外，消弧装置100不仅可以设置在其中DC电源从电池210供应至驱动单元220的路径中间，而且设置在诸如当电池210利用DC电源充电时的路径的中间等不同的地点中。在移动对象40中，可以通过在当电池210利用DC电源充电时的路径的中间设置消弧装置100来利用DC电源使电池210安全充电。

<2.结论>

如上所述，根据本公开的实施方式，提供了通过在电力从DC电源供应期间(比较高的电流在此期间流动)不执行熔断，并且在电路击穿的情况下通过将电流绕过保险丝在电力中断时抑制电弧的产生的消弧装置。

应注意，根据本公开的实施方式的消弧装置具有特别在DC电源中断时抑制电弧的产生的效果，但是还可以用于在AC电源中断时抑制可能产生的电弧。

在上文中，已经参考附图详细描述了本公开的优选实施方式。然而，本公开的技术范围不限于这样的实例。显而易见的是，本公开的技术领域中的技术人员可以在权利要求中描述的技术精神的范围内发现各种变形例或校正实例，并且应理解的是，这些还明显属于本公开的技术范围。

此外，本说明中描述的效果仅是说明或实例并且不是限制。即，除了上述效果或代替上述效果，对于本领域中的技术人员显而易见的是，从本说明中的描述中根据本公开的技术可以具有不同的效果。

应注意，以下方式的配置还属于本公开的技术范围。

(1)一种消弧装置，包括：

限流电路，与断路器并联设置，所述断路器切换从电源至负载的电力的供应和中断；

第一保护器，设置在限流电路之前或者之后，并且如果预定量或更多量的电流在预定时间段或更长时间段在限流电路中流动则中断来自电源的电流；以及

第二保护器，在第一保护器中断来自电源的电流之后，中断来自电源的电流，

其中，当电力从电源供应至负载时，限流电路中断来自电源的电流，并且当中断从电源至负载的电力供应时，在通过中断时生成的电势差生成的预定量或更多量的电流在短于预定时间段的时间段中流动之后，中断来自电源的电流。

(2)根据项(1)所述的消弧装置，其中，在第一保护器和第二保护器中，当来自电源的电力通过断路器供应至负载时，由限流电路限制电流。

(3)根据项(1)或(2)所述的消弧装置，其中，限流电路包括开关元件，当电力从电源供应至负载时开关元件变成断开状态，并且当电力从电源至负载的供应被中断时，在通过在中断时生成的电势差而变成接通状态并且使通过电势差生成的电流流动之后，开关元件变成断开状态。

(4)根据项(3)所述的消弧装置，其中，限流电路包括电容元件，当中断从电源至负载的电力供应时，电容元件增加开关元件的栅极电压。

(5)根据项(4)所述的消弧装置，其中，限流电路包括电阻元件，该电阻元件与电容元件一起设置将电压施加至开关元件的栅极端子的时间。

(6)根据项(4)所述的消弧装置，其中，限流电路包括开关元件的源极端子和栅极端子之间的齐纳二极管。

(7)根据项(3)所述的消弧装置，其中，限流电路进一步包括光电晶体管，当电力从电源至负载的供应被中断时，使开关元件进入接通状态。

(8)根据项(1)至(7)中任一项所述的消弧装置，其中，第一保护器和第二保护器中的每一个包括保险丝和加热元件，加热元件将热量给予保险丝。

(9)一种移动对象，包括：一个或多个根据项(1)至(8)中任一项所述的消弧装置。

(10)一种电源系统，包括：

电池，供应DC电源；

驱动单元，利用从电池供应的DC电源执行驱动；以及

设置在电池和驱动单元之间的至少一个的根据项(1)至(8)所述的消弧装置。

附图标记列表

AF1、AF2 限流电路

PF1、PF2 保护器

40 移动对象

100 消弧装置

210 电池

220 驱动单元。

Claims (10)

1.一种消弧装置，包括：

限流电路，与断路器并联设置，所述断路器切换从电源至负载的电力的供应和断开；

第一保护器，设置在所述限流电路之前或者之后，并且如果预定量或更多量的电流在预定时间段或更长时间段内在所述限流电路中流动，则所述第一保护器中断来自所述电源的电流；以及

第二保护器，在所述第一保护器中断来自所述电源的电流之后，所述第二保护器中断来自所述电源的电流，

其中，当电力从所述电源被供应至负载时，所述限流电路中断来自所述电源的电流，并且当中断从所述电源至所述负载的电力供应时，在通过中断时生成的电势差生成的预定量或更多量的电流在短于所述预定时间段的时间段内流动之后，所述限流电路中断来自所述电源的电流。

2.根据权利要求1所述的消弧装置，其中，在所述第一保护器和所述第二保护器中，当通过所述断路器将电力从所述电源供应至所述负载时，由所述限流电路限制电流。

3.根据权利要求1所述的消弧装置，其中，所述限流电路包括开关元件，当电力从所述电源被供应至所述负载时所述开关元件变成断开状态，并且当中断从所述电源至所述负载的电力供应时，在通过中断时生成的电势差而变成接通状态并且使通过所述电势差生成的电流流动之后，所述开关元件变成断开状态。

4.根据权利要求3所述的消弧装置，其中，所述限流电路包括电容元件，当中断从所述电源至所述负载的电力供应时，所述电容元件增加所述开关元件的栅极电压。

5.根据权利要求4所述的消弧装置，其中，所述限流电路包括电阻元件，所述电阻元件与所述电容元件一起设置将电压施加至所述开关元件的栅极端子的时间。

6.根据权利要求4所述的消弧装置，其中，所述限流电路包括所述开关元件的源极端子和栅极端子之间的齐纳二极管。

7.根据权利要求3所述的消弧装置，其中，所述限流电路进一步包括光电晶体管，当中断从所述电源至所述负载的电力供应时，使所述开关元件进入接通状态。

8.根据权利要求1所述的消弧装置，其中，所述第一保护器和所述第二保护器中的每一者包括保险丝和加热元件，所述加热元件将热量给予所述保险丝。

9.一种移动件，包括：一个或多个根据权利要求1所述的消弧装置。

10.一种电源系统，包括：

电池，供应直流电源；

驱动单元，利用从所述电池供应的所述直流电源执行驱动；以及

设置在所述电池和所述驱动单元之间的至少一个的根据权利要求1所述的消弧装置。