CN111585266B - 一种直流配电电子软启动开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流配电电子软启动开关，包括：主开关电路，辅助开关电路以及第一、第二、第三和第四公共端；所述主开关电路包括电源端子、信号端子以及负载端子，分别与所述第一、第三公共端连接；所述辅助开关电路包括：由半导体开关Q_aux、电阻R_aux、电阻R₁及三极管Q₁构成的限流电路，由电感L₁、二极管D₁及电容C₁构成的缓冲电路，由半导体开关Q₃、三极管Q₂、电阻R_t及电容C_t构成的定时关断电路，直流供电模块，以及控制电路。本发明的电子软启动开关实现了软启动和安全关断，以及故障电流的平稳切换，可靠性好，且与使用TVS器件抑制过电压的方式相比，寿命更高、成本更低。

Description

一种直流配电电子软启动开关

技术领域

本发明属于直流配电开关领域，具体为一种直流配电电子软启动开关。

背景技术

在直流系统中，电源侧和负载侧都有较大的电容。在开关闭合瞬间，所述电容的充放电过程会引起非常大的冲击电流，这一特点与交流系统不同。冲击电流峰值往往会远远超出开关元件的额定值，严重影响开关元件的使用寿命，造成故障率高。另外与交流系统不同，直流系统没有周期性的过零点，造成开关关断时难以灭弧，导致直流系统的开关设计比较复杂，其稳定性和可靠性降低，且成本较高。

现有直流系统的开关主要使用机械式的直流断路器、直流接触器等开关设备。在实际应用中，直流电路在接通瞬间冲击电流大，在关断瞬间会因严重的过电压产生电弧，这两个现象都会造成直流断路器、直流接触器的开关上应力过大，导致开关的故障率提高，寿命降低。

为了解决所述开关的应力问题，如授权公告号为CN209994103U的实用新型专利采取软启动的方式以避免所述冲击电流和过电压，其缺陷是：

1、在开关瞬间无法做到软开关；

2、需要设置TVS(瞬态二极管)以抑制所述过电压，TVS寿命极其有限，容易失效，且价格昂贵。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明提供了一种直流配电电子软启动开关。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种直流配电电子软启动开关，包括：主开关电路，辅助开关电路，以及第一、第二、第三和第四公共端；

所述主开关电路包括电源端子、信号端子以及负载端子，所述电源端子与所述第一公共端连接，所述负载端子与所述第三公共端连接，所述信号端子用于接收控制信号，使用时，第一和第二公共端之间接入直流电源，所述第三和第四公共端之间接入负载，通过所述信号端子所接收到的控制信号执行该主开关电路的断开/闭合；

所述辅助开关电路包括：

半导体开关Q_aux，其漏极与所述第一公共端连接，其源极与一电阻R_aux串联，该电阻R_aux的负极与所述第三公共端连接；该半导体开关Q_aux的栅极则与一电阻R₁的负极连接；

三极管Q₁，该三极管Q₁的集电极与所述半导体开关Q_aux的栅极连接，该三极管Q₁的基极与所述电阻R_aux的正极连接，该三极管Q₁的发射极与所述电阻R_aux的负极连接，即该三极管Q₁的发射极和基极并联于所述电阻R_aux的两端，该电阻R_aux上的压降决定该三极管Q₁是否导通及导通程度；

半导体开关Q₃，其漏极与所述半导体开关Q_aux的栅极连接，其栅极用于接收控制信号，由所接收到的控制信号决定该半导体开关Q₃的导通/截止状态；

直流供电模块，其正极输出端与所述电阻R₁的正极连接，其负极输出端则同时与所述三极管Q₁的发射极以及所述半导体开关Q₃的源极连接。

所述电子软启动开关工作时，其软启动过程为：

1)所述辅助开关接通——向所述半导体开关Q₃的栅极输入信号，使所述半导体开关Q_aux导通，为负载电路预充电。同时所述主开关电路保持断开。

2)当负载侧电压与电源电压相等后，再向所述主开关电路的信号端子输入控制信号，使该主开关电路接通，则不会产生冲击电流。所述辅助开关维持接通状态，即所述半导体开关Q_aux维持导通状态。

所述半导体开关Q_aux、电阻R₁、电阻R_aux及三极管Q₁构成限流电路，其中限流电流值为I_lmt，与所述三极管Q₁的基极导通电压V_be和电阻R_aux的关系为I_lmt＝V_be/R_aux。在主开关和负载电路正常运行的情况下，流经所述电阻R_aux的电流很小，根据所述限流电流I_lmt和所述电阻R_aux的关系式可知，只要流经电阻R_aux的电流低于所述限流电流值I_lmt，该电阻R_aux两端的压降则会低于所述三极管Q₁的基极导通电压V_be，使得所述三极管Q₁截止，且所述半导体开关Q_aux维持导通状态。

在流经电阻R_aux的电流增大，逐步逼近所述限流电流值I_lmt时，电阻R_aux两端的压降随之升高，导致所述三极管Q₁开始导通。所述三极管Q₁导通程度升高，所述电阻R₁分压也升高，导致所述半导体开关Q_aux的门极电压下降，下降到门槛值附近时，该半导体开关Q_aux的电流减小，即流经所述电阻R_aux的电流减小，从而使所述三极管Q₁的导通程度下降，所述半导体开关Q_aux的门极电压回升。据此，所述半导体开关Q_aux的门极电压将在门槛值附近动态平衡，同时将负载电流抑制在限流电流值I_lmt。

进一步的，所述电子软启动开关还设有控制电路，该控制电路的一个I/O(输入/输出)接口S₁与所述主开关电路的信号端子连接，另一个I/O接口S₂与所述半导体开关Q_aux的栅极连接。所述控制电路通过其I/O接口S₁、S₂向所述主开关电路、所述半导体开关Q_aux发送相应的控制信号，控制其接通和断开状态。

再进一步的，所述控制电路通过其一个I/O接口S_in接收外部控制信号。

进一步的，所述第四公共端与第二公共端之间串联设有一电阻R_se，所述第四公共端还与所述控制电路的一接口S_R连接。所述电阻R_se作为采样电阻，工作时，通过采集R_se两端的电压，即所述第四公共端相对于所述第二公共端的电位，并进行简单电路分析计算，即可获得负载电流。

进一步的，所述控制电路的另一接口S₃与所述半导体开关Q_aux的栅极连接。通过所述接口S₃采集所述半导体开关Q_aux的栅极的电位，并判断该电位的大小，获得所述辅助开关电路的工作状态，包括接通、关断、限流等。所述控制电路通过其接口S_R采集到所述第四公共端的电位，即可得到所述电阻R_se的电压，通过欧姆定律可计算得到流经该电阻R_se的电流——负载电流。根据负载电流的大小，判断是否过载：若出现过载情况，则通过所述I/O接口S₁、I/O接口S₂输出相应的控制信号，控制所述主开关电路、辅助开关电路的开关状态切换。

进一步的，所述辅助开关电路还包括：

电感L₁，串联于所述半导体开关Q_aux的源极与所述第三公共端之间；

电容C₁，串联于所述第三、第四公共端之间。

再进一步的，所述电感L₁上反向并联有二极管D₁。

所述电感L₁、二极管D₁及电容C₁构成缓冲电路。发生故障时，电流远高于正常值，首先断开所述主开关电路，电流将由所述半导体开关Q_aux流通，电流不能突变，且受所述限流电路的限流作用，不能超过限流值。这导致电路中会出现很高的过电压，进而导致半导体开关失效。因此，所述电容C₁可在开关切换瞬间提供故障电流，所述电感L₁则可限制所述故障电流的上升速度，阻挡过电压，进而实现故障电流的平稳切换，保护半导体开关不受过电压的冲击。最后断开所述辅助开关电路，所述二极管D₁可为所述电感L₁续流，避免所述电容C₁上产生过电压。

进一步的，所述辅助开关电路还包括：

三极管Q₂，其发射极与所述直流供电模块的正极输出端连接，其基极与所述半导体开关Q_aux的栅极连接，即该三极管Q₂的发射极和基极并联于所述电阻R₁的两端，该电阻R₁上的压降决定该三极管Q₂导通/截止状态；

电阻R_t，其正极与所述三极管Q₂的集电极连接，其负极则与所述半导体开关Q₃的栅极连接；

电容C_t，其一端与所述半导体开关Q₃的栅极连接，另一端与所述直流供电模块的负极输出端连接。

所述三极管Q₂、电阻R_t、电容C_t以及所述半导体开关Q₃构成定时关断电路。在正常工作条件下，所述电阻R₁的压降基本为零，三极管Q₂处于截止状态，电容C_t两端的电压为零，所述半导体开关Q₃也处于截止状态，对所述限流电路没有影响。

在发生故障的情况下，由于电流过载，将故障电流从所述主开关电路切换到所述辅助开关电路。所述辅助开关电流进入限流模式，所述半导体开关Q_aux的门极电压将下降到门槛值附近，所述电阻R₁的压降显著上升，导致所述三极管Q₂导通，所述电阻R_t和电容C_t构成的RC延时电路开始充电。当所述电容C_t的两端电压达到/超过所述半导体开关Q₃的门槛值时，该半导体开关Q₃导通，所述半导体开关Q_aux的门极电压降到零，且完全关断。其中，所述半导体开关Q_aux进入限流模式到关断的时延由所述直流供电模块的输出电压、电阻R_t、电容C_t及所述半导体开关Q₃的门槛值决定。

根据一个优选实施例，所述直流供电模块采用DC/DC转换器(直流电压转换器)，其电源输入端的正极与所述第一公共端连接，其电源输入端的负极与所述第二公共端连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、所述辅助开关电路中设有限流电路，在启动负载以及切换故障电流时均可起到限流作用，避免出现过电流。

2、通过设置缓冲电路，抑制关断开关时出现的过电压，避免开关在关断时应力过大，且可靠性和寿命优于TVS，成本更低。

3、通过其控制电路，能够自动识别故障电流，自动将故障电流切换至辅助开关电路，避免了开关损坏。

4、通过设置定时关断电路，及时关断所述辅助开关电路，切断负载的电源。

5、本发明的电子软启动开关实现了软启动和安全关断，以及故障电流的平稳切换。

附图说明

图1为实施例的直流配电电子软启动开关的电路图。

图2为图1基础上包含缓冲电路的实施例的直流配电电子软启动开关的电路图。

图3为图2基础上包含延时关断电路的实施例的直流配电电子软启动开关的电路图。

图号说明：

1.第一公共端，2.第二公共端，3.第三公共端，4.第四公共端。

10.主开关电路，11.电源端子，12.信号端子，13.负载端子。

20.辅助开关电路，21.直流供电模块，22.控制电路。

30.直流电源。

40.负载。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明。

如图1所示，本实施例的直流配电电子软启动开关，包括：主开关电路10，辅助开关电路20，以及第一、第二、第三和第四公共端1、2、3、4；

所述主开关电路10包括电源端子11、信号端子12以及负载端子13，所述电源端子11与所述第一公共端1连接，所述负载端子13与所述第三公共端3连接，所述信号端子12用于接收控制信号。第一、第二公共端1、2之间接入直流电源30，所述第三、第四公共端3、4之间接入负载40，通过所述信号端子12所接收到的控制信号执行该主开关电路10的断开/闭合；

所述辅助开关电路20包括：

半导体开关Q_aux，其漏极d与所述第一公共端1连接，其源极s与一电阻R_aux串联，该电阻R_aux的负极与所述第三公共端3连接；该半导体开关Q_aux的栅极g则与一电阻R₁的负极连接；

三极管Q₁，该三极管Q₁的集电极c与所述半导体开关Q_aux的栅极g连接，该三极管Q₁的基极b与所述电阻R_aux的正极连接，该三极管Q₁的发射极e与所述电阻R_aux的负极连接，即该三极管Q₁的发射极e和基极b并联于所述电阻R_aux的两端，该电阻R_aux上的压降决定该三极管Q₁是否导通及导通程度；

半导体开关Q₃，其漏极d与所述半导体开关Q_aux的栅极g连接，其栅极d用于接收控制信号，由所接收到的控制信号决定该半导体开关Q₃的导通/截止状态；

直流供电模块21，其正极输出端与所述电阻R₁的正极连接，其负极输出端则同时与所述三极管Q₁的发射极e以及所述半导体开关Q₃的源极s连接。所述直流供电模块21可使用相应规格的电池，优选的，该直流供电模块21采用DC/DC转换器，其电源输入端的正极与所述第一公共端1连接，其电源输入端的负极与所述第二公共端2连接，即可为所述辅助开关提供所需的电压源。

以额定电压为400V的直流电源30为例，该直流电源30的正极与所述第一公共端1连接，该直流电源30的负极与所述第二公共端2连接；负载40的正极与所述第三公共端3连接，该负载40的负极与所述第四公共端4连接。在所述负载40的额定功率为8kW、负载电容为200uF时，可计算出负载40的额定电流为20A，所述主开关电路10以及半导体开关Q_aux可采用大电流MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)，半导体开关Q₃采用普通MOSFET即可，同时在MOSFET的源极和漏极之间均反向并联有一个二极管。所述辅助开关电路20的电流限流值可取为10A，所述三极管的Q₁的基极导通电压的一般参考值为0.7V，根据公式R_aux＝V_be/I_lmt，可计算得到所述电阻R_aux的阻值为0.07Ω。所述电阻R₁用于限制所述直流供电模块21的最大输出电流。选定所述直流供电模块21的输出电压为12V时，选择阻值为10kΩ的电阻R₁，所述直流供电模块21的输出电流将被限制在1.2mA以下。

对于负载电流过大的情况，超过大电流MOSFET的最大工作电流时，所述主开关电路也可采用机械式开关(图中未示出)，如直流断路器等。

为所述负载30接通电源时，首先接通所述辅助开关电路20，且该辅助开关电路20的电流将被限制在10A以下，不会出现过电流。当所述负载30完场预充电过程，负载电压，即所述第三公共端3与第四公共端4之间的电压达到所述直流电源30的电压400V，此时再接通所述主开关电路10，则该主开关电路10中不会产生冲击电流，引发故障。

进一步的，所述电子软启动开关还设有控制电路22，该控制电路22的一个I/O(输入/输出)接口S₁与所述主开关电路10的信号端子12连接，另一个I/O接口S₂与所述半导体开关Q_aux的栅极g连接。

再进一步的，所述控制电路22通过其一个I/O接口S_in接收外部控制信号，该外部控制信号包括对所述主开关电路10、所述半导体开关Q_aux的控制。

进一步的，所述第四公共端4与第二公共端2之间串联设有一电阻R_se，所述第四公共端4还与所述控制电路22的一接口S_R连接。所述电阻R_se作为采样电阻工作时，通过采集所述第四公共端4的电位，并进行简单电路分析计算，即可获得负载电流和负载电压。

进一步的，所述控制电路的一接口S₃与所述半导体开关Q_aux的栅极g连接。可通过该接口S₃采集所述半导体开关Q_aux的门极电压，根据该电压的大小，即可判断半导体开关Q_aux的工作模式。在整个直流系统已经正常工作时，所述半导体开关Q_aux保持导通状态，其门极电压应基本等于所述直流供电模块21的输出电压12V。在遇到故障或者需要关闭负载时，关断所述主开关电路10，所述主开关电路10的电流将切换到所述辅助开关电路20，这时不论是负载40的正常工作电流——额定电流，还是故障电流都大于所述辅助开关电路20的电流限流值10A，此时半导体开关Q_aux进入限流模式，其门极电压应降至门槛值，且在门槛值附近浮动。而最后关断所述辅助开关电路20后，该半导体开关Q_aux的门极电压为零。

其中，要判断所述负载40是否出现故障，导致电路中产生较大故障电流，所述控制电路22通过其接口S_R采集所述第四公共端4的电压参数，经计算所得到的负载电流，判断该负载电流是否异常。例如大于所述负载40的额定电流时，认为此时出现故障电流，所述控制电路22则控制所述主开关电路10关断。

所述控制电路22可采用多种运算芯片，例如单片机、PLC(可编程逻辑控制器)及DSP芯片(能够实现数字信号处理技术的芯片)，采用何种运算芯片在本发明中不受限制。其中所述接口S₃以及所述接口S_R处可分别单独设置A/D转换器(数模转换器)，所述A/D转换器与运算芯片的连接是本领域的公知常识，此处不再赘述；或者可直接采用集成有A/D转换的运算芯片。

如图2所示，进一步的，所述辅助开关电路还包括：

电感L₁，串联于所述半导体开关Q_aux的源极s与所述第三公共端3之间的支路；该电感L₁与所述电阻R_aux串联；

电容C₁，串联于所述第三、第四公共端之间。

再进一步的，所述电感L₁上反向并联有二极管D₁。

所述电感L₁、二极管D₁及电容C₁构成缓冲电路。其中所述电感L₁、电容C₁的取值根据实际应用中的线路电感和可能出现的过电压水平确定。在本实施例中，线路电感在1mH以内，可选定100uF的电容C₁，和100uH的电感L₁。所述电容C₁在所述辅助开关电路20接通时充电，作为储能元件。此后，当需要关断所述主开关电路10时，流经所述辅助开关电流20的电流不能突变，且将由于其限流作用无法达到故障电流的值，此时所述电容C₁将提供所述故障电流，避免过电压的产生，同时所述电感L₁能抑制电流的上升速度，阻挡过电压。

如图3所示，进一步的，所述辅助开关电路还包括：

三极管Q₂，其发射极e与所述直流供电模块21的正极输出端连接，其基极b与所述半导体开关Q_aux的栅极g连接，即该三极管Q₂的发射极e和基极b并联于所述电阻R₁的两端，该电阻R₁上的压降决定该三极管Q₂导通/截止状态；

电阻R_t，其正极与所述三极管Q₂的集电极c连接，其负极则与所述半导体开关Q₃

的栅极g连接；

电容C_t，其一端与所述半导体开关Q₃的栅极g连接，另一端与所述直流供电模块21的负极输出端连接。

所述三极管Q₂、电阻R_t、电容C_t以及所述半导体开关Q₃构成定时关断电路。一旦所述半导体开关Q_aux进入限流模式，所述三极管Q₁开始导通，导致所述R₁上的压降相应上升，且上升至三极管Q₂的基极导通电压时，所述三极管Q₂导通，且由所述电阻R_t、电容C_t组成的延时电压开始工作。

对于所述负载40的负载电容而言，其值在200uF时，其充电时间为

考虑温度等影响因素，为确保正常启动负载40，所述半导体开关Q_aux能够完全导通，而不会在为正常启动前该定时关断电路就启动且将所述辅助开关电路20关断，可设定延时时间长于所述负载电容的充电时间。本实施例中，将该延时时间设定为20ms。根据公式/>

其中V_c为所述电容C_t所需达到的电压，即所述半导体开关Q₃的门槛值，其参考值为5V；V₁为所述直流供电模块21的输出电压，V₁＝12V；t＝20ms。经计算，可得τ＝37.1ms，且τ＝C_t·R_t。由于所述电容C_t上储存的电荷是通过所述控制电路22的I/O接口S₂释放，不希望该电容C_t储能过多，其电容值应尽可能小。因此，优选的，本实施例中将该电容C_t设定为luF。由此可计算得到所述电阻R_t的值为37.1kΩ。为方便应用，可将该电阻R_t选定为39kΩ标准电阻，所述延时时间略微延长。

当所述半导体开关Q_aux进入限流模式约20ms时，所述电容C_t的电压上升至所述半导体开关Q₃的门槛值，该半导体开关Q₃导通，使得所述半导体开关Q_aux的门极电压为零进而截止，所述辅助开关电路20关断。

最后所述控制电路22的I/O接口S₂输出低电平信号，释放所述电容C_t上储存的电荷。

以上实施例详细介绍了本发明的直流配电电子软启动开关的电路构成和相关器件的优选参考，并详细阐述了其电路的工作原理，但不应视为对本发明的限制。同时，本领域技术人员还可以在本发明的技术方案的基础上，做进一步改进、替换等，但任何简单修改和等同替换都将落入本发明权利要求书所要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种直流配电电子软启动开关，其特征在于包括：主开关电路，辅助开关电路，以及第一、第二、第三和第四公共端；

所述主开关电路包括电源端子、信号端子以及负载端子，所述电源端子与所述第一公共端连接，所述负载端子与所述第三公共端连接，所述信号端子用于接收控制信号；

所述辅助开关电路包括：

半导体开关Q_aux，其漏极与所述第一公共端连接，其源极与一电阻R_aux串联，该电阻R_aux的负极与所述第三公共端连接；该半导体开关Q_aux的栅极则与一电阻R₁的负极连接；

三极管Q₁，该三极管Q₁的集电极与所述半导体开关Q_aux的栅极连接，该三极管Q₁的基极与所述电阻R_aux的正极连接，该三极管Q₁的发射极与所述电阻R_aux的负极连接，即该三极管Q₁的发射极和基极并联于所述电阻R_aux的两端，该电阻R_aux上的压降决定该三极管Q₁是否导通和导通程度，进而决定半导体开关Qaux是处于导通、截止、或者限流状态；

半导体开关Q₃，其漏极与所述半导体开关Q_aux的栅极连接，其栅极用于接收控制信号；

直流供电模块，其正极输出端与所述电阻R₁的正极连接，其负极输出端则同时与所述三极管Q₁的发射极以及所述半导体开关Q₃的源极连接。

2.根据权利要求1所述的电子软启动开关，其特征在于，所述电子软启动开关还设有控制电路，该控制电路的一个I/O接口S₁与所述主开关电路的信号端子连接，另一个I/O接口S₂与所述半导体开关Q_aux的栅极连接。

3.根据权利要求2所述的电子软启动开关，其特征在于，所述控制电路通过其一个I/O接口S_in接收外部控制信号。

4.根据权利要求2所述的电子软启动开关，其特征在于，所述第四公共端与第二公共端之间串联设有一电阻R_se，所述第四公共端还与所述控制电路的一接口S_R连接。

5.根据权利要求2-4任意一项所述的电子软启动开关，其特征在于，所述控制电路的一接口S₃与所述半导体开关Q_aux的栅极连接。

6.根据权利要求1所述的电子软启动开关，其特征在于，所述辅助开关电路还包括：

电感L₁，串联于所述半导体开关Q_aux的源极与所述第三公共端之间；

电容C₁，串联于所述第三、第四公共端之间。

7.根据权利要求6所述的电子软启动开关，其特征在于，所述电感L₁上反向并联有二极管D₁。

8.根据权利要求1所述的电子软启动开关，其特征在于，所述辅助开关电路还包括：

三极管Q₂，其发射极与所述直流供电模块的正极输出端连接，其基极与所述半导体开关Q_aux的栅极连接，即该三极管Q₂的发射极和基极并联于所述电阻R₁的两端，该电阻R₁上的压降决定该三极管Q₂导通/截止状态；

电阻R_t，其正极与所述三极管Q₂的集电极连接，其负极则与所述半导体开关Q₃的栅极连接；

电容C_t，其一端与所述半导体开关Q₃的栅极连接，另一端与所述直流供电模块的负极输出端连接。

9.根据权利要求1所述的电子软启动开关，其特征在于，所述直流供电模块采用DC/DC转换器，其电源输入端的正极与所述第一公共端连接，其电源输入端的负极与所述第二公共端连接。

Images