CN111900968A - 中点分压的固态电子开关及混合开关 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开一种中点分压的固态电子开关及使用该固态电子开关的混合开关，其中固态电子开关中对称配置两开关模组，其中开关模组通过连接固态电子开关输入输出侧中相应分压电路来注入电压，可以实现在高压直流场合下有效利用低压器件而不增加电路复杂度及产品成本。
Description
技术领域
本发明实施例涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种中点分压的固态电子开关及混合开关。
背景技术
固态电子开关，也称无触点开关，一般由电力电子技术实现，应用中较多使用双向固态电子开关。如图1所示，传统的双向固态电子开关基本由完全控制开通关断的电力电子器件(如IGBT、MOSFET等)组成。如图2所示，固态电子开关Kss经常会与机械开关Kn等组合成混合开关，且可以方便地通过配置MCU来进行控制，市场应用前景良好。
众所周知，电力电子器件耐压要求决定于输入输出电压。对于高压直流开关场合，尤其是1500V以上场合，1200V电力电子器件无法使用，特别是1700V器件很难找到性能价格比合适的产品。实践中，通过电力电子器件的串联技术可以用来解决器件耐压不足的问题，即用一半及以下电压等级的器件实现，如1500V场合使用750V器件。目前市场上已有此类产品，简述如下。
如图3和图4所示，分别示出两种典型的高压直流断路器的电路结构。图3中，断路器开关DS、CB及电感L配置串联的固态电子开关来进行控制，其中各开关模组中使用MOA/MOV器件分压或限制电力电子器件，其单个模组承受的电压由压敏器件限制，问题在于压敏器件短路失效模式存在巨大的安全隐患。图4中，断路器开关DS也配置有固态电子开关沐足，其中的FBSM利用全桥钳位方式，单个模组内所有器件的实际电压由钳位电容电压决定，器件使用数量较多，控制复杂。
由此可见，现有技术中的固态电子开关电路结构还存在结构复杂或安全性方面不够理想的问题。有鉴于现有固态电子开关存在的不足，有必要对其进行优化。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明旨在提供一种结构简单、安全性好的中点分压的固态电子开关及混合开关。
为解决以上技术问题，本发明提供一种中点分压的固态电子开关，包括串接且对称配置的两开关模组，固态电子开关输入侧和固态电子开关输出侧中至少有一侧设置有基于中点分压的分压电路，且分压电路的分压点相应连接至两开关模组的串接点。
可选地，每一开关模组串接有一正向电能控制器件和一反向电能控制器件；固态电子开关输入侧和固态电子开关输出侧分别设置有分压电路，两分压电路的分压点之间反向串接两分压平衡二极管，两分压平衡二极管的阴极接点通过一正向二极管来与两开关模组的串接点相连，且两分压平衡二极管的阴极接点同时与一储能电容连接。
可选地，每一开关模组串接有一正向电能控制器件和一反向电能控制器件；固态电子开关输入侧和固态电子开关输出侧分别设置有分压电路，两分压电路的分压点之间反向串接两分压平衡二极管，两分压平衡二极管的阴极接点通过一正向二极管来与两开关模组的串接点相连。
可选地，每一开关模组串接有一正向电能控制器件和一反向电能控制器件；固态电子开关输入侧和固态电子开关输出侧中的一侧设置有分压电路，其中分压电路的分压点之间通过一正向二极管来与两开关模组的串接点相连。
可选地，每一开关模组串接有一正向电能控制器件和一反向截止器件；固态电子开关输入侧和固态电子开关输出侧分别设置有分压电路，两分压电路的分压点之间反向串接两分压平衡二极管，两分压平衡二极管的阴极接点通过一正向二极管来与两开关模组的串接点相连。
可选地，每一开关模组串接有一正向电能控制器件和一反向不控器件；固态电子开关输入侧和固态电子开关输出侧分别设置有分压电路，两分压电路的分压点之间反向串接两分压平衡二极管，两分压平衡二极管的阴极接点通过一正向二极管来与两开关模组的串接点相连。
可选地，每一开关模组串接有一正向电能控制器件和一反向不控器件；固态电子开关输入侧和固态电子开关输出侧中的一侧设置有分压电路，其中分压电路的分压点之间通过一正向二极管来与两开关模组的串接点相连。
可选地，每一分压电路通过串接两分压电容来进行分压。
可选地，每一分压电路中的两分压电容的容值相等以便进行中点分压。
在此基础上，本发明实施例还提供一种混合开关，其包括至少一机械开关和至少一以上所述固态电子开关的组合。
与现有技术相比，本发明实施例利用高压直流场合下正负配电组合的特点，用中点分压法来提高固态电子开关串接模组的耐压能力，其实现电路配置简洁，可以通过避免使用压敏器件来提高产品安全性。
附图说明
图1为一种现有固态电子开关的电路简图；
图2为一种现有混合开关的电路简图；
图3为一种现有高压直流断路器的电路简图；
图4为另一种现有高压直流断路器的电路简图。
图5a为本发明实施例一固态电子开关的电路简图；
图5b为本发明实施例一固态电子开关正向开通过程图；
图5c为本发明实施例一固态电子开关正向关断过程图；
图5d为本发明实施例一固态电子开关反向开通过程图；
图5e为本发明实施例一固态电子开关反向关断过程图；
图6为本发明实施例二固态电子开关的电路简图；
图7a为本发明实施例三固态电子开关的一种电路简图；
图7b为本发明实施例三固态电子开关的另一种电路简图；
图8为本发明实施例四固态电子开关的电路简图；
图9为本发明实施例五固态电子开关的电路简图；
图10为本发明实施例六固态电子开关的电路简图；
图11为一种应用本发明实施例固态电子开关的混合式开关的电路简图。
具体实施方式
以下进一步结合附图对本发明实施例进行详细描述。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明以下实施例中的固态电子开关串接有对称配置的两开关模组，其中固态电子开关输入侧和固态电子开关输出侧中一侧或两侧设置基于中点分压的分压电路，且分压电路的分压点相应连接至两开关模组的串接点，这样可以通过简单电路结构来对单个开关模组注入电压。
实施例一
请同时参见图5a-图5e，为本实施例一示出的固态电子开关。该实施例一采用了输入输出分压平衡法，适用于双向电能通断控制。
如图5a所示，该固态电子开关的两开关模组为双向可控，其中每一开关模组串接有一正向电能控制器件和一反向电能控制器件；固态电子开关输入侧和固态电子开关输出侧分别设置有分压电路，两分压电路的分压点之间反向串接两分压平衡二极管，两分压平衡二极管的阴极接点通过一正向二极管来与两开关模组的串接点相连。
具体地，该固态电子开关的具体电路结构如下所述。
输入侧开关模组由正向电能控制器件Qp1和反向电能控制器件Qn1构成，两者具体可以是三极管且共地驱动，其中Qp1、Qn1的集电极-发射极之间并接反向二极管；类似地，输出侧开关模组由正向电能控制器件Qp2和反向电能控制器件Qn2构成，两者也共地驱动，通过保持双向开关共地驱动，驱动电路配置相对简洁。此外，各控制器件还相应配置阻容调整元件，即Qp1并联串接的电阻Rs1和电容Cs1,Qp2并联串接的电阻Rs2和电容Cs2，即Qp3并联串接的电阻Rs3和电容Cs3,Qp4并联串接的电阻Rs4和电容Cs4，这样可以根据实际负载状况及电子开关低频通断特点，使得电力电子器件的RC吸收参数可以调整较大电容值，如10nF以上。
输入侧分压电路由串接的分压电容Cp1和Cn1来进行分压，其中Cp1和Cn1的容值相等以进行中点分压；同理，输入侧分压电路由串接的分压电容Cp2和Cn2来进行分压，其中Cp2和Cn2的容值相等以进行中点分压。这样，通过采用分压电力电子器件串联，实现了中点分压。
输入侧和输出侧分压电路的分压点之间反向串接两分压平衡二极管Db1和Db2，它们之间的阴极接点通过一正向二极管Dcc来与两开关模组的串接点相连，且两分压平衡二极管的阴极接点同时与一储能电容Cb2这样，输入输出侧电压通过分压电容及二极管Db1/2组合成输入输出电压一半的最大值的电压，即Cb2电容电压，VCb2＝max(0.5Vin，0.5Vout)，由此可以在高压直流场合有效利用低压器件简单的中点分压技术，不增加电路复杂度及成本。
以下进一步对该固态电子开关的工作原理及工作过程进行说明。
分别参见图5b～图5e，分别示出固态电子开关输入电压Vin、输出电压Vout及相应控制元件的波形，其中波形横轴为时间，纵轴为各元件电压。为方便起见，以下将Qp1、Qp2导通及关断时的电压分别以Vgp1、Vgp2及VQp1、VQp2表示；将Qn1、Qn2导通及关断时的电压以Vgn1、Vgn2及VQn1、VQn2表示。
(1)正向导通
如图5b所示，示出固态电子开关正向导通的时序，具体如下所述。
t0-t1:电路有输入电压但开关处于关断状态，其输入电压平均分配到Qp1、Qp2，而Qn1、Qn2处于正向偏置状态，其电压基本为零。此时，输出端电压为零。
t1-t2：对应于Qp1、Qp2导通时刻，Cb2储存的电能通过Dcc二极管释放，用于维持开关中点电压，，此过程时间为几十nS，对应于开关Qp1、Qp2导通误差。
t2之后：Qp1、Qp2已经导通，输出电压等于输入，Dcc二极管截止。
(2)正向关断
如图5c所示，示出固态电子开关正向关断的时序，具体如下所述。
t0之前：开关导通状态。
t0-t1:对应于Qp1、Qp2关断时刻，Cb2储存的电能通过Dcc二极管释放，用于维持开关中点电压，此过程时间几十nS，对应于开关Qp1、Qp2关断误差。
t1-t2：电路有输入电压但开关处于关断状态，其输入电压Vin平均分配到Qp1、Qp2，而Qn1、Qn2处于正向偏置状态，其电压基本为零。此时，输出端电压为零。
t2之后：输入电压消失，电子开关承受的电压随之归零。
以上对正向开通及关断过程进行了描述，以下类似对反向开通及关断过程进行描述。其中，由于电路的对称设计，反向状态下Qn1、Qp1和Qn2、Qp2工作状态对调，具体如下所述。
(3)反向导通
如图5d所示，示出固态电子开关反向导通的时序，具体如下所述。
t0之前：无输入。
t0-t1:电路有输入电压但开关处于关断状态，其输入电压Vout平均分配到Qn1、Qn2，而Qp1、Qp2处于正向偏置状态，其电压基本为零。此时，输出端电压为零
t1-t2：对应于Qn1、Qn2导通时刻，Cb2储存的电能通过Dcc二极管释放，用于维持开关中点电压，此过程时间几十nS，对应于开关Qn1、Qn2导通误差。
t2之后：Qn1、Qn2已经导通，输出电压等于输入，Dcc二极管截止。
(4)反向关断
如图5e所示，示出固态电子开关反向关断的时序，具体如下所述。
t0之前：开关导通状态。
t0-t1:对应于Qn1、Qn2关断时刻，Cb2储存的电能通过Dcc二极管释放，用于维持开关中点电压，此过程时间几十nS，对应于开关Qn1、Qn2关断误差。
t1-t2：电路有输入电压但开关处于关断状态，其输入电压Vout平均分配到Qn1、Qn2，而Qp1、Qp2处于正向偏置状态，其电压基本为零。此时，输出端电压为零
t2之后：输入电压消失，电子开关承受的电压随之归零。
该实施例具有以下特点：Qp1、Qn1与Qp2、Qn2分别组合成双向开关，共驱动地，可以简化驱动及控制电路；两组双向开关的连接点由分压平衡电压VCb2注入，在关断下，该点电压被控制在输入输出电压一半的最大值，从而两组双向开关承受的电压为Vin-VCb2，VCb2-Vout，即该电路可以实现并保证四个功率器件Qp1、Qn1、Qp2、Qn2承受一半输入输出电压。
以上为本发明实施例固态电子开关的基本结构形式，其利用高压直流场合下正负配电组合的特点，用中点分压法来提高固态电子开关串接模组的耐压能力，其实现电路配置简洁，可以通过避免使用压敏器件MOA/MOV来提高产品安全性。
在此基础上，在单向电能控制或者反向不控场合，电路拓扑可以进行简化，例如：在输入或者输出侧电源一直存在情况下，可以采用单边分压方式，同时Cb2也可不用；在单向电能控制场合，如只需正向控制反向截止，Qn1、Qn2可以改为二极管；在单向电能控制场合，如反向不控，Qn1、Qn2可以去除以短路代替。
下面对实施例二-实施例六进行说明，其中各实施例之间的相同部分内容不重复，必要时可具体参照实施例一部分描述内容。
实施例二
参见图6，为本发明实施例二示出的固态电子开关，其相对于实施例一的区别在于：省略了储能电容Cb2，其它相同不再重复。
实施例三
同时参见图7a和图7b，为本发明实施例三示出的固态电子开关它的Vin，Vout单边切换，其相对于实施例一的区别在于：仅在固态电子开关输入侧和固态电子开关输出侧中的一侧设置有分压电路，分压电路的分压点之间通过一正向二极管Dcc来与两开关模组的串接点相连；由此，省去了一侧的分压电容以及分压平衡二极管以及储能电容等元件。
实施例四
参见图8，为本发明实施例四示出的固态电子开关。其与实施例二的区别在于：正向电能控制，反向截止，即每一开关模组串接有一正向电能控制器件和一反向截止器件。具体可以是将实施例二中两个反向电能控制器件的三极管Qn1、Qn2去除，而分别以反向二极管代替。
实施例五
参见图9，为本发明实施例五示出的固态电子开关。其与实施例四的区别在于：正向电能控制，反向不控，即每一开关模组串接有一正向电能控制器件和一反向不控器件，即可以简单地通过将实施例四中的反向二极管短接来实现反向不控。
实施例六
参见图10，为本发明实施例六示出的固态电子开关，为本发明实施例的最简配置。其与实施例五的区别在于：仅在态电子开关输入侧和固态电子开关输出侧中的一侧设置有分压电路，其中分压电路的分压点之间通过一正向二极管来与两开关模组的串接点相连。
以上对本发明多个实施例的固态电子开关进行了详细的描述，该固态电子开关可以作为单独器件，也可以与机械开关组合成固态机械混合开关，以下简要进行说明。
参见图11，为本发明实施例示出的混合开关，其由至少一机械开关和至少固态电子开关组合而成，由此形成多种混合式开关。图11中，机械开关可以为多个，如Kn、Ks、Kp等，其中的Kp可跨接整个连接，具体工作方式请参考现有技术文献，不再赘述。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种中点分压的固态电子开关，包括串接且对称配置的两开关模组，其特征在于，固态电子开关输入侧和固态电子开关输出侧中至少有一侧设置有基于中点分压的分压电路，且分压电路的分压点相应连接至两开关模组的串接点。
2.如权利要求1所述的固态电子开关，其特征在于，每一开关模组串接有一正向电能控制器件和一反向电能控制器件；固态电子开关输入侧和固态电子开关输出侧分别设置有分压电路，两分压电路的分压点之间反向串接两分压平衡二极管，两分压平衡二极管的阴极接点通过一正向二极管来与两开关模组的串接点相连，且两分压平衡二极管的阴极接点同时与一储能电容连接。
3.如权利要求1所述的固态电子开关，其特征在于，每一开关模组串接有一正向电能控制器件和一反向电能控制器件；固态电子开关输入侧和固态电子开关输出侧分别设置有分压电路，两分压电路的分压点之间反向串接两分压平衡二极管，两分压平衡二极管的阴极接点通过一正向二极管来与两开关模组的串接点相连。
4.如权利要求1所述的固态电子开关，其特征在于，每一开关模组串接有一正向电能控制器件和一反向电能控制器件；固态电子开关输入侧和固态电子开关输出侧中的一侧设置有分压电路，其中分压电路的分压点之间通过一正向二极管来与两开关模组的串接点相连。
5.如权利要求1所述的固态电子开关，其特征在于，每一开关模组串接有一正向电能控制器件和一反向截止器件；固态电子开关输入侧和固态电子开关输出侧分别设置有分压电路，两分压电路的分压点之间反向串接两分压平衡二极管，两分压平衡二极管的阴极接点通过一正向二极管来与两开关模组的串接点相连。
6.如权利要求1所述的固态电子开关，其特征在于，每一开关模组串接有一正向电能控制器件和一反向不控器件；固态电子开关输入侧和固态电子开关输出侧分别设置有分压电路，两分压电路的分压点之间反向串接两分压平衡二极管，两分压平衡二极管的阴极接点通过一正向二极管来与两开关模组的串接点相连。
7.如权利要求1所述的固态电子开关，其特征在于，每一开关模组串接有一正向电能控制器件和一反向不控器件；固态电子开关输入侧和固态电子开关输出侧中的一侧设置有分压电路，其中分压电路的分压点之间通过一正向二极管来与两开关模组的串接点相连。
8.如权利要求1-7任一项所述的固态电子开关，其特征在于，每一分压电路通过串接两分压电容来进行分压。
9.如权利要求8所述的固态电子开关，其特征在于，每一分压电路中的两分压电容的容值相等以便进行中点分压。
10.一种混合开关，其特征在于，包括至少一机械开关和至少一如权利要求1-9任一项所述固态电子开关的组合。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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