CN110829877A - 双向电子开关及其控制方法、计算机可读存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双向电子开关及其控制方法、计算机可读存储介质，用于使双向电子开关能快速切换能量方向。其中双向电子开关包括主回路、可控硅支路、反向电压生成支路，可控硅支路并联反向电压生成支路后串联于主回路中；可控硅支路设有相互并联的正向支路与反向支路，正向支路具有沿同一导通方向串联的可控硅Ty1，反向支路具有相反导通方向串联的可控硅Ty2；反向电压生成支路设有串联于反向电压生成支路中的H桥正负电压生成电路，H桥正负电压生成电路具有储能电容C2和依次串联形成回路的开关管QB1、开关管QB2、开关管QB3、开关管QB4，储能电容C2一端连接开关管QB1与开关管QB2之间的接点，另一端连接开关管QB3与开关管QB4之间的接点。
Description
技术领域
本发明涉及一种双向电子开关及其控制方法、计算机可读存储介质。
背景技术
现有的双向电子开关基本如文献200710019429.5所示，采用大功率可控硅组成桥路，通过控制桥路导通方向实现能量双向流动。
现有技术存在的缺陷是：双向电子开关在更变桥路导通方向(即更变能量流动方向)前，需要一定时间来使可控硅中的能量自然泄放，导致开关的切换速度受限，无法应对极端需快速切换能量方向的场景。
发明内容
本发明旨在使双向电子开关能快速切换能量方向。
为此，提供一种双向电子开关，
包括主回路、可控硅支路、反向电压生成支路，可控硅支路并联反向电压生成支路后串联于主回路中；
可控硅支路设有相互并联后串联于可控硅支路中的正向支路与反向支路，正向支路具有沿同一导通方向串联于正向支路中的至少一个可控硅Ty1，反向支路具有相反导通方向串联于反向支路中的至少一个可控硅Ty2；
反向电压生成支路设有H桥正负电压生成电路，H桥正负电压生成电路具有储能电容C2和依次串联形成回路的开关管QB1、开关管QB2、开关管QB3、开关管QB4，储能电容C2一端连接开关管QB1与开关管QB2之间的接点，另一端连接开关管QB3与开关管QB4之间的接点，开关管QB1与开关管QB3之间的接点及开关管QB2与开关管QB4之间的接点分别连接反向电压生成支路从而使H桥正负电压生成电路串联于反向电压生成支路中。
进一步地，反向电压生成支路还设有双向开关电路，双向开关电路具有电容C1和依次串联形成回路开关管QA1、二极管D1、二极管D2、开关管QA2，回路中二极管D1与二极管D2的阴极相向设置，电容C1一端连接二极管D1与二极管D2之间的接点，另一端连接开关管QA1与开关管QA2之间的接点，开关管QA1与二极管D1之间的接点及二极管D2与开关管QA2之间的接点分别连接反向电压生成支路从而使双向开关电路串联于反向电压生成支路中。
进一步地，双向开关电路具有多个，各者之间依次串联。
进一步地，每个开关管均并联有RCD吸收电路。
进一步地，主回路串联有滤波电感L1与滤波电感L2，可控硅支路位于滤波电感L1与滤波电感L2之间。
进一步地，所述开关管均为IEGT管。
还提供一种控制双向电子开关的方法，包括：
步骤S101.采集主回路上的电流参数来与第一过流阈值进行比较；
步骤S102.在电流参数超过第一过流阈值的时刻t1，关断可控硅支路，并控制反向电压生成支路导通产生与t1时刻反向的电压来施加在可控硅支路上。
进一步地，还包括在步骤S102之后执行的步骤S103：持续监测可控硅支路的电流，当该电流减低至零时，关断反向电压生成支路从而使主回路的电流开始下降。
进一步地，还包括在步骤S103之后执行的步骤S104：
持续监测主回路的电流，当该电流减低至零时，导通反向电压生成支路；
在反向电压生成支路导通期间，实时采集主回路的电流参数来与第二过流阈值进行比较；
若电流参数超过第二过流阈值则立即关断反向电压生成支路并执行系统复位，否则重新导通可控硅支路，并在可控硅支路导通后关闭反向电压生成支路。
进一步地，所述第二过流阈值小于第一过流阈值。
进一步地，所述电流参数具体是电流值和/或电流变化率。
还提供一种计算机可读存储介质，其中，所述计算机可读存储介质存储一个或多个程序，所述一个或多个程序当被控制器执行时，实现上述的方法。
有益效果：
当可控硅支路上的能量正向流动且需要快速关断Ty1时，可开通QB1、QB4，关断QB2、QB3，使反向电压生成支路生成反向电压施加在正在导通的可控硅Ty1上，加快其关断；
同理，当可控硅支路上的能量反向流动且需要快速关断Ty2时，可关断QB1、QB4，开通QB2、QB3，使反向电压生成支路生成正向电压施加在正在导通的可控硅Ty2上，加快其关断。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1示出了本发明的双向电子开关的电路示意图；
图2示出了本发明的双向开关电路的电路示意图；
图3示出了本发明的H桥正负电压生成电路的电路示意图；
图4示出了本发明的双向电子开关的控制流程；
图5示出了本发明的过阈值触发逻辑；
图6示出了本发明的电子设备的结构示意图；
图7示出了本发明的计算机可读存储介质的结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本实施例的双向电子开关适用于10kV/5000A等大功率场景，其如图1所示，主要包括输入端Vin+、输出端Vout-、滤波电感L1、滤波电感L2、可控硅支路2、反向电压生成支路3。
输入端Vin+依次串联滤波电感L1、滤波电感L2后连接至输出端Vout-，从而形成主回路1。
可控硅支路2串联于滤波电感L1与滤波电感L2之间的主回路1上，其由八个电压等级为8500V的可控硅组成，其中四个沿同一导通方向串联形成正向支路21，另外四个沿相反导通方向串联形成反向支路22，反向支路22与正向支路11并联形成所述可控硅支路2。
为简化图示，图1中正向支路上的可控硅只用一个表示，标号为Ty1，同样反向支路上的可控硅也只用一个表示，标号为Ty2。
可控硅支路2工作过程为：开通Ty1，关断Ty2，则能量正向流动；关断Ty1，开通Ty2，则能量反向流动。
为应对极端需快速切换能量方向的场景，设置反向电压生成支路3来对可控硅支路2施加反向截止电压，使可控硅支路2上的可控硅能够快速关断。
具体地，反向电压生成支路3由4个双向开关电路31与一个H桥正负电压生成电路32相互串联形成，以此来满足电压等级要求，其中，为简化图示，图1仅示出一个双向开关电路31。
见图2，双向开关电路31由电容C1、两个二极管D1、D2、两个电压等级为4500V的IEGT管QA1、QA2组成，其中，IEGT管QA1、二极管D1、二极管D2、IEGT管QA2四者依次串联形成回路，回路中二极管D1与二极管D2的阴极相向设置，电容C1一端连接二极管D1与二极管D2之间的接点，另一端连接IEGT管QA1与IEGT管QA2之间的接点。
IEGT管QA1与二极管D1之间的接点及二极管D2与IEGT管QA2之间的接点作为双向开关电路31的输入输出端来与反向电压生成支路3中的其他电路串联。
双向开关电路31工作过程为：关断QA1，开通QA2，则能量正向流动；开通QA1，关断QA2，则能量反向流动。
进一步地，由于IEGT管在开关过程中会产生电压尖峰，在每个IEGT管上均并联一个图中未示出的常规RCD吸收电路来将电压尖峰吸收，保证IEGT安全可靠。
见图3，H桥正负电压生成电路32由储能电容C2、四个IEGT管QB1、QB2、QB3、QB4组成，其中，IEGT管QB1、QB2、QB3、QB4四者依次串联形成回路，储能电容C2一端连接IEGT管QB1与IEGT管QB2之间的接点，另一端连接IEGT管QB3与IEGT管QB4之间的接点。
IEGT管QB1与IEGT管QB3之间的接点及IEGT管QB2与IEGT管QB4之间的接点作为H桥正负电压生成电路32的输入输出端来与反向电压生成支路3中的其他电路串联。
H桥正负电压生成电路32工作过程为：仅开通IEGT管QB1、IEGT管QB4，则储能电容C2生成反向电压，能量反向流动；仅开通IEGT管QB2、IEGT管QB3，则储能电容C2生成正向电压，能量正向流动。
见图1，反向电压生成支路3对可控硅支路2驱动如下：
当可控硅支路上的能量正向流动且需要快速关断Ty1时，可开通QA1、QB1、QB4，关断QA2、QB2、QB3，使反向电压生成支路生成反向电压施加在正在导通的可控硅Ty1上，加快其关断；
同理，当可控硅支路上的能量反向流动且需要快速关断Ty2时，可关断QA1、QB1、QB4，开通QA2、QB2、QB3，使反向电压生成支路生成正向电压施加在正在导通的可控硅Ty2上，加快其关断。
为实现双向电子开关的驱动，实施例还设有未作图示的常规IEGT驱动电路、电流传感器、电压传感器、温度传感器、控制器，其中控制器通过IEGT驱动电路驱动各个可控硅、IEGT管实现开通/截止。电流传感器、电压传感器、温度传感器三者成一组，且具有多组，各组分别设置于主回路1、可控硅支路2、反向电压生成支路3上，用于分别采集上述三条线路的电流、电压、温度等参数，各个传感器分别电连接控制器实现参数传输。
其中，控制器采用高速DSP控制芯片，型号为TMS320C6455，1GHz主频，其运算速度快，能够保证在极端情况下快速响应、保护。
由于双向电子开关应用于大功率场合，为避免近地控制存在的触电风险，控制器经485/LAN外接远程上位机，用户可在上位机上远程操作双向电子开关，同时监控双向电子开关上电流、电压、温度等工作状态。
本实施例的双向电子开关的控制逻辑如图4所示，包含依次执行的以下实施步骤：
步骤S101.正常工作时，控制器实时检测主回路1上的电流值I，并与预设的第一过流阈值比较，过阈时产生触发信号，如图5中t1时刻。
步骤S102.触发信号产生之刻，控制器首先保证可控硅控制信号关闭，使可控硅支路2截止，然后判断电流方向，并于t2时刻导通反向电压生成支路3，同时控制H桥正负电压生成电路32产生与t1时刻反向的电压，双向开关电路31相应控制能量流动方向，从而对可控硅支路2上的可控硅施加反向截止电压，使其加快关断。
t2时刻导通反向电压生成支路3之后，见图5，主回路1的电流(即图中曲线L1)继续上升，可控硅支路2的电流(即图中曲线L2)逐渐转移至反向电压生成支路3，使反向电压生成支路3的电流(即图中曲线L3)攀升。
步骤S103.导通反向电压生成支路3之后，控制器持续监测可控硅支路2的电流，当电流如图5中t3时刻减低至零时，经过短暂延迟，控制器即可关断反向电压生成支路3上的IEGT管及H桥，t4时刻，IEGT管及H桥彻底关断，主回路1的电流开始下降。
将上述步骤称为一次关断操作，一次关断操作后，实施下述步骤以实现二次关断操作。二次关断操作用于系统“假短路”或可恢复型短路现象发生时，实现尝试恢复并继续保护双向电子开关的功能。
其中系统指本实施例中控制器、驱动电路、传感器、上位机、双向电子开关共同组合成的整体。
步骤S104.一次关断操作之后，控制器持续监测主回路1的电流，当电流减低至零时，尝试一次恢复动作，即短暂导通反向电压生成支路3，并实时监测主回路1的电流。
步骤S105.在反向电压生成支路3导通后的短暂时间内，将主回路1上的电流值I与预设的第二过流阈值进行比较，若电流值I再次过阈，则控制器立即关断反向电压生成支路3，并执行系统复位，在系统复位之前不再尝试恢复动作。
需注意的是，为保证双向电子开关恢复时的安全性，考虑硬件延迟，二次过阈检测的电流阈值比正常工作时的电流阈值低，即第二过流阈值要小于第一过流阈值。
在反向电压生成支路3导通后的短暂时间内，若电流值I不过阈，则控制器重新导通可控硅支路2，并持续监测各路电流，可控硅支路2正常导通后，关闭反向电压生成支路3，然后返回步骤S101，重新进入一次过阈检测状态。
需要说明的是：
本实施例的控制逻辑中，电流值I可用电流变化率di/dt等其他电流参数进行替代；
反向电压生成支路3中的IEGT管可以使用其他开关管替代；
双向电子开关设有常规的过流保护电路、过压保护电路、过温保护电路等，由于均为现有技术，本文不作赘述；
双向电子开关设置于采用标准屏柜设计的箱体内，箱体总尺寸2708*2438*2591(长*宽*高)，内部采用模块化抽屉式结构设计将空间分为控制室和高压室，控制室中设有7U标准机箱，控制器等逻辑控制器件内藏于7U标准机箱中，高压室用高压玻璃纤维隔开，实现阻燃、防爆功能。
本实施例所用的方法，可转化为可存储于计算机存储介质中的程序步骤及装置，通过被控制器调用执行的方式进行实施。
在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟装置或者其它设备固有相关。各种通用装置也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类装置所要求的结构是显而易见的。此外，本发明也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本发明的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本发明的最佳实施方式。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
本领域技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。
本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本发明实施例的检测电子设备的佩戴状态的装置中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。
例如，图6示出了根据本发明一个实施例的电子设备的结构示意图。该电子设备传统上包括处理器61和被安排成存储计算机可执行指令(程序代码)的存储器62。存储器62可以是诸如闪存、EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)、EPROM、硬盘或者ROM之类的电子存储器。存储器62具有存储用于执行实施例中的任何方法步骤的程序代码64的存储空间63。例如，用于程序代码的存储空间63可以包括分别用于实现上面的方法中的各种步骤的各个程序代码64。这些程序代码可以从一个或者多个计算机程序产品中读出或者写入到这一个或者多个计算机程序产品中。这些计算机程序产品包括诸如硬盘，紧致盘(CD)、存储卡或者软盘之类的程序代码载体。这样的计算机程序产品通常为例如图7所述的计算机可读存储介质。该计算机可读存储介质可以具有与图6的电子设备中的存储器62类似布置的存储段、存储空间等。程序代码可以例如以适当形式进行压缩。通常，存储单元存储有用于执行根据本发明的方法步骤的程序代码71，即可以由诸如61之类的处理器读取的程序代码，当这些程序代码由电子设备运行时，导致该电子设备执行上面所描述的方法中的各个步骤。
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
Claims (12)
1.一种双向电子开关，其特征在于：
包括主回路、可控硅支路、反向电压生成支路，可控硅支路并联反向电压生成支路后串联于主回路中；
可控硅支路设有相互并联后串联于可控硅支路中的正向支路与反向支路，正向支路具有沿同一导通方向串联于正向支路中的至少一个可控硅Ty1，反向支路具有相反导通方向串联于反向支路中的至少一个可控硅Ty2；
反向电压生成支路设有H桥正负电压生成电路，H桥正负电压生成电路具有储能电容C2和依次串联形成回路的开关管QB1、开关管QB2、开关管QB3、开关管QB4，储能电容C2一端连接开关管QB1与开关管QB2之间的接点，另一端连接开关管QB3与开关管QB4之间的接点，开关管QB1与开关管QB3之间的接点及开关管QB2与开关管QB4之间的接点分别连接反向电压生成支路从而使H桥正负电压生成电路串联于反向电压生成支路中。
2.根据权利要求1所述的双向电子开关，其特征在于：反向电压生成支路还设有双向开关电路，双向开关电路具有电容C1和依次串联形成回路开关管QA1、二极管D1、二极管D2、开关管QA2，回路中二极管D1与二极管D2的阴极相向设置，电容C1一端连接二极管D1与二极管D2之间的接点，另一端连接开关管QA1与开关管QA2之间的接点，开关管QA1与二极管D1之间的接点及二极管D2与开关管QA2之间的接点分别连接反向电压生成支路从而使双向开关电路串联于反向电压生成支路中。
3.根据权利要求2所述的双向电子开关，其特征在于：双向开关电路具有多个，各者之间依次串联。
4.根据权利要求2所述的双向电子开关，其特征在于：每个开关管均并联有RCD吸收电路。
5.根据权利要求1所述的双向电子开关，其特征在于：主回路串联有滤波电感L1与滤波电感L2，可控硅支路位于滤波电感L1与滤波电感L2之间。
6.根据权利要求1-5任一项所述的双向电子开关，其特征在于：所述开关管均为IEGT管。
7.权利要求1-5任一项所述双向电子开关的控制方法，其特征在于，包括：
步骤S101.采集主回路上的电流参数来与第一过流阈值进行比较；
步骤S102.在电流参数超过第一过流阈值的时刻t1，关断可控硅支路，并控制反向电压生成支路导通产生与t1时刻反向的电压来施加在可控硅支路上。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括在步骤S102之后执行的步骤S103：持续监测可控硅支路的电流，当该电流减低至零时，关断反向电压生成支路从而使主回路的电流开始下降。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括在步骤S103之后执行的步骤S104：
持续监测主回路的电流，当该电流减低至零时，导通反向电压生成支路；
在反向电压生成支路导通期间，实时采集主回路的电流参数来与第二过流阈值进行比较；
若电流参数超过第二过流阈值则立即关断反向电压生成支路并执行系统复位，否则重新导通可控硅支路，并在可控硅支路导通后关闭反向电压生成支路。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第二过流阈值小于第一过流阈值。
11.根据权利要求7或9所述的方法，其特征在于，所述电流参数具体是电流值和/或电流变化率。
12.一种计算机可读存储介质，其中，所述计算机可读存储介质存储一个或多个程序，所述一个或多个程序当被控制器执行时，实现权利要求7-11中任一项所述的方法。
Priority Applications (1)
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