CN114006607A - 共射型igbt电子断路器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种共射型IGBT电子断路器，包括：快速响应开关模块、电流检测模块、驱动控制模块及中心处理模块，所述快速响应开关模块包括IGBT共射极开关组、容阻吸收电路及继电器组，所述电流检测模块包括霍尔电流传感器、漏电流传感器及电压电流检测器，所述驱动控制模块包括驱动控制单元及运算操作单元。本申请中提供的一种共射型IGBT电子断路器，通过设置IGBT共射极开关组，改变了传统机械断路器的工作方式，由机械式更改为双向电子开关，从而解决了机械式开关断路延时的问题，使得动作时间由毫秒级变为微妙级，而且由硬开关变为软开关，使得在短路发生时微秒级的断开时间不会导致线路产生火花。

Description

共射型IGBT电子断路器
技术领域
本发明涉及电子短路器领域，尤其涉及一种共射型IGBT电子断路器。
背景技术
传统的断路器和空气开关都是由机械式的动触点与静触点组成，存在有动作时间长，使用寿命短的缺陷，最重要的一点是传统断路器与空气开关短路是由电磁脱扣器产生强大的磁场拉开动触点，这样在短路的情况下将产生很大的电弧火花，对母线电压与用电设备造成冲击损坏是无法避免的，同时电弧火花能引燃易燃物造成电气火灾。另外机械式的触点还存在动作时间长的缺点，时间长度达到毫秒级，在漏电保护断路器上保护漏电流为30MA，当漏电流达到30MA时才能动作，且动作时间为毫秒级，这样漏电给人身带来的安全事故是无法避免的。
发明内容
本申请提供了一种共射型IGBT电子断路器，用以解决传统机械断路器的工作方式、机械式开关断路延时长以及容易产生短路火花的技术问题。
本申请提供了一种共射型IGBT电子断路器，包括：
快速响应开关模块，所述快速响应开关模块包括IGBT共射极开关组、容阻吸收电路及继电器组，所述IGBT共射极开关组的输入端用于接入交流电或直流电，所述IGBT共射极开关组的输出端经所述容阻吸收电路后与所述继电器组电连接；
电流检测模块，所述电流检测模块包括霍尔电流传感器、漏电流传感器及电压电流检测器，所述霍尔电流传感器的输入端与所述继电器组的输出端电连接，所述霍尔电流传感器的一输出端与所述漏电流传感器电连接，所述霍尔电流传感器的另一输出端与所述电压电流检测器电连接，并且所述电压电流检测器还与所述漏电流传感器电连接；
驱动控制模块，所述驱动控制模块包括驱动控制单元及运算操作单元，所述驱动控制单元分别与所述IGBT共射极开关组、所述容阻吸收电路电连接，所述运算操作单元分别与所述驱动控制单元、所述继电器组和所述电压电流检测器电连接；及
中心处理模块，所述中心处理模块分别与所述驱动控制单元、所述运算操作单元及所述电压电流检测器电连接。
可选地，所述中心处理模块包括MCU处理器及无线传输模块，所述MCU处理器分别与所述驱动控制单元、所述运算操作单元及所述电压电流检测器电连接，所述无线传输模块与所述MCU处理器电连接。
可选地，所述无线传输模块为DTU模块。
可选地，所述中心处理模块还包括温度控制单元，所述温度控制单元用于检测IGBT共射极开关组的温度，并且所述温度控制单元与所述MCU处理器电连接。
可选地，所述IGBT共射极开关组包括两个IGBT开关，并且两个所述IGBT开关的发射极相连接，其中一个所述IGBT开关的集电极用于接入交流电，另一个所述IGBT开关的集电极与所述容阻吸收电路电连接，并且两个所述IGBT开关的控制端与所述驱动控制单元电连接。
可选地，所述容阻吸收电路包括电容C6及电阻R12，所述电容C6的第一端与另一个所述IGBT开关的集电极电连接，所述电容C6的第二端经所述电阻R12后与交流电的零线连接。
可选地，所述运算操作单元包括精密整流放大电路、RC滤波器、比较器及高速锁电路，所述精密整流放大电路的输入端与所述霍尔电流传感器的输出端电连接，所述精密整流放大电路的输出端经所述RC滤波器滤波后输出至所述比较器中，所述比较器的输出端与所述高速锁电路的输入端电连接，所述高速锁电路的输出端与所述IGBT共射极开关组的控制端电连接。
可选地，所述精密整流放大电路包括反比例放大器及整流放大器，所述反比例放大器的输入端与所述霍尔电流传感器的输出端电连接，所述反比例放大器的输出端与所述整流放大器的输入端电连接，所述整流放大器的输出端与所述RC滤波器电连接。
可选地，所述整流放大器包括运放芯片U20B、运放芯片U20C、二极管D14、二极管D15、电阻R27、电阻R28、电阻R34、电阻R35及电阻R36，所述电阻R36的第一端与所述反比例放大器的输出端电连接，所述电阻R36的第二端依次经过所述电阻R34、所述电阻R35后与所述运放芯片U20C的反相输入端电连接，所述二极管D14的阳极与所述电阻R34的一端电连接，所述二极管D14的阴极分别与所述二极管D15的阳极和所述运放芯片U20B的输出端电连接，所述运放芯片U20B的反相输入端还分别与所述二极管D15的阴极和所述电阻R36的第二端电连接，所述电阻R27和所述电阻R28串联连接后的一端与所述反比例放大器的输出端电连接，另一端与所述运放芯片U20C的输出端电连接，并且所述运放芯片U20C的输出端还用于与所述RC滤波器电连接。
可选地，所述电压电流检测器包括采集芯片U5、电压采集单元、第一采集单元及第二采集单元，所述采集芯片U5分别与所述电压采集单元、所述第一采集单元和所述第二采集单元电连接，所述第一采集单元和所述电压采集单元分别用于采集所述漏电流传感器的电流和电压，所述第二采集单元用于采集所述霍尔电流传感器的电流。
从以上技术方案可以看出，本申请具有以下优点：
1、本申请中提供的一种共射型IGBT电子断路器，通过设置IGBT共射极开关组，改变了传统机械断路器的工作方式，由机械式更改为双向电子开关，从而解决了机械式开关断路延时的问题，使得动作时间由毫秒级变为微妙级，而且由硬开关变为软开关，使得在短路发生时微秒级的断开时间不会导致线路产生火花。
2、本申请的共射型IGBT电子断路器是由两个IGBT开关倒相连接组成的断路器，它将半导体电子器件代替了机械式的触点，因为不存在机械动作，所以在动作上面没有使用寿命的问题，提高了断路器的使用寿命。同时反应速度极快达到微秒级，没有电磁脱扣器带来的延时，经过IGBT电子断路器输出的电压在短路的情况下，由于IGBT的软开关特性，将大大降低了短路时产生的电弧火花，降低了电线和用电设备断路时带来的电器火灾。另外由于开关速度极快，在人体接触火线触电时达到漏电流值能以微秒级的速度断开输出电源，实现快速保护人身触电时的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明一实施方式的共射型IGBT电子断路器的结构示意图；
图2为本发明的共射型IGBT电子断路器的快速响应开关模块的电路图；
图3为本发明的共射型IGBT电子断路器的运算操作单元的功能模块图；
图4为本发明的共射型IGBT电子断路器的运算操作单元的电路图；
图5为本发明的共射型IGBT电子断路器的电压电流检测器的功能模块图；
图6为本发明的共射型IGBT电子断路器的驱动控制单元的电路图；
图7为本发明的共射型IGBT电子断路器的电压电流检测器的电路图。
具体实施方式
本申请实施例公开了提供了一种共射型IGBT电子断路器，用以解决传统机械断路器的工作方式、机械式开关断路延时长以及容易产生短路火花的技术问题。
随着半导体电子器件的高速发展，在将来大多数的机械式开关将慢慢淘汰，随之取代的将会是电子开关。在使用领域里面将涵盖大部份的机械式断路器。重点运用在低压配电系统中，比如：家庭、学校、医院、商场、写字楼等。工业系统：如生产厂房、矿山、冶炼、发电等多种中低压配电系统。由于电气火灾给生命材产带来常年的危害，对于商场与学校医院运用非常多，由于线路老化或是设备老化产生的电气火灾可因电子断路器的使用而大大减少。
本申请是一种利用IGBT快速关断的方式为原理，在原机械式的磁脱扣器进行升级改进，将机械式的操控机构改为半导体电子元器件，将硬性开关改进成软性开关，机械式脱扣器是以电流达到设定电流大于3倍左右进行电磁脱扣，但是达到3倍电流时并不会立马脱扣，因为电磁脱扣器有延时。同时操控机械有动作反应时间，那么当短路的情况产生时，其磁脱扣器工作在短路的线路已经产生了很大的电火花。本申请将IGBT代替电磁脱扣器的优点在于流经IGBT的电流是实时进行跟踪比较的，经过运放的运算加入比较器的实时跟踪比较，当电流达到关断值时，IGBT以微秒级的速度进行软关断，这样短路的线路在极快的时间内关断线路中的电流，达到短路无火花或极小火花的目的。同时IGBT的吸收电路吸收了由于线路中存在的电流，磁保持继电器做为二级关断。让线路和用电设备有双重保护。达到设备因为接触不良或是故障灭弧的目的。
一实施方式中，请参阅图1，一种共射型IGBT电子断路器，包括：快速响应开关模块100、电流检测模块200、驱动控制模块300及中心处理模块400，需要说明的是，所述快速响应开关模块100用于实现快速的关断功能；所述电流检测模块200用于检测电路中的电流大小；所述驱动控制模块300用于驱动快速响应开关模块100的工作；所述中心处理模块400用于处理整体电路的功能。
请参阅图1，所述快速响应开关模块100包括IGBT共射极开关组110、容阻吸收电路120及继电器组130，所述IGBT共射极开关组的输入端用于接入交流电或直流电，所述IGBT共射极开关组的输出端经所述容阻吸收电路后与所述继电器组电连接；需要说明的是，所述IGBT共射极开关组110用于实现快速的关断；所述容阻吸收电路120用于吸收线路中的漏电流；所述继电器组130用于实现二级关断，提高保护作用。
请参阅图1，所述电流检测模块200包括霍尔电流传感器210、漏电流传感器220及电压电流检测器230，所述霍尔电流传感器的输入端与所述继电器组的输出端电连接，所述霍尔电流传感器的一输出端与所述漏电流传感器电连接，所述霍尔电流传感器的另一输出端与所述电压电流检测器电连接，并且所述电压电流检测器还与所述漏电流传感器电连接。需要说明的是，所述霍尔电流传感器210用于计算输出电流的大小；所述漏电流传感器220用于检测漏电流；所述电压电流检测器230用于检测电压和电流的大小。
请参阅图1，所述驱动控制模块300包括驱动控制单元310及运算操作单元320，所述驱动控制单元分别与所述IGBT共射极开关组、所述容阻吸收电路电连接，所述运算操作单元分别与所述驱动控制单元、所述继电器组和所述电压电流检测器电连接。需要说明的是，所述驱动控制单元310用于驱动IGBT共射极开关组110和容阻吸收电路120的工作；所述运算操作单元320用于获取电路中电流的大小，进而控制IGBT共射极开关组的关断功能。所述中心处理模块分别与所述驱动控制单元、所述运算操作单元及所述电压电流检测器电连接。
请参阅图1，所述中心处理模块400包括MCU处理器410及无线传输模块420，所述MCU处理器分别与所述驱动控制单元、所述运算操作单元及所述电压电流检测器电连接，所述无线传输模块与所述MCU处理器电连接。在本实施例中，所述无线传输模块为DTU模块。需要说明的是，所述MCU处理器410用于接收电流计算结果以及实时判断开关的状态；所述无线传输模块420用于发送电路的状态至外部的监控平台中。具体地，数据经过MCU处理器采集后，将各数据送往显示屏进行显示，并将各重要数据发送给监控平台。
请参阅图1，所述中心处理模块400还包括温度控制单元430，所述温度控制单元用于检测IGBT共射极开关组的温度，并且所述温度控制单元与所述MCU处理器电连接。
请参阅图2，所述IGBT共射极开关组包括两个IGBT开关，并且两个所述IGBT开关的发射极相连接，其中一个所述IGBT开关的集电极用于接入交流电，另一个所述IGBT开关的集电极与所述容阻吸收电路电连接，并且两个所述IGBT开关的控制端与所述驱动控制单元电连接。如此，通过设置两个IGBT开关，可以实现快速关断功能。
请参阅图2，所述容阻吸收电路包括电容C6及电阻R12，所述电容C6的第一端与另一个所述IGBT开关的集电极电连接，所述电容C6的第二端经所述电阻R12后与交流电的零线连接。如此，通过设置电容C6及电阻R12，可以实现吸收电路中的电流。
请参阅图3，所述运算操作单元320包括精密整流放大电路321、RC滤波器322、比较器323及高速锁电路324，所述精密整流放大电路的输入端与所述霍尔电流传感器的输出端电连接，所述精密整流放大电路的输出端经所述RC滤波器滤波后输出至所述比较器中，所述比较器的输出端与所述高速锁电路的输入端电连接，所述高速锁电路的输出端与所述IGBT共射极开关组的控制端电连接。需要说明的是，所述精密整流放大电路321用于起到放大的作用；所述RC滤波器322用于起到滤波的作用；所述比较器323用于进行比较；所述高速锁电路324用于根据比较的结果输出高电平或低电平。如此，精密整流后波形与设定值进行比较，当电流值达到或是超过设定值时，高速锁触发保护机构进行保护。
进一步地，所述精密整流放大电路包括反比例放大器及整流放大器，所述反比例放大器的输入端与所述霍尔电流传感器的输出端电连接，所述反比例放大器的输出端与所述整流放大器的输入端电连接，所述整流放大器的输出端与所述RC滤波器电连接。需要说明的是，所述反比例放大器用于对电流进行放大；所述整流放大器用于将电流整流至正半轴区域中。如此，当电流经过反相比例放大器与精密整流放大器处得到100HZ的交流脉宽电流波形。
请参阅图4，所述整流放大器包括运放芯片U20B、运放芯片U20C、二极管D14、二极管D15、电阻R27、电阻R28、电阻R34、电阻R35及电阻R36，所述电阻R36的第一端与所述反比例放大器的输出端电连接，所述电阻R36的第二端依次经过所述电阻R34、所述电阻R35后与所述运放芯片U20C的反相输入端电连接，所述二极管D14的阳极与所述电阻R34的一端电连接，所述二极管D14的阴极分别与所述二极管D15的阳极和所述运放芯片U20B的输出端电连接，所述运放芯片U20B的反相输入端还分别与所述二极管D15的阴极和所述电阻R36的第二端电连接，所述电阻R27和所述电阻R28串联连接后的一端与所述反比例放大器的输出端电连接，另一端与所述运放芯片U20C的输出端电连接，并且所述运放芯片U20C的输出端还用于与所述RC滤波器电连接。如此，通过设置运放芯片U20B、运放芯片U20C以及周围的电阻，可以精密整流跟踪电流的大小，将正负半周全部更改为正半周，监测精度高。
请参阅图5，所述电压电流检测器230包括采集芯片U5、电压采集单元231、第一采集单元232及第二采集单元233，所述采集芯片U5分别与所述电压采集单元、所述第一采集单元和所述第二采集单元电连接，所述第一采集单元和所述电压采集单元分别用于采集所述漏电流传感器的电流和电压，所述第二采集单元用于采集所述霍尔电流传感器的电流。需要说明的是，所述电压采集单元用于采集电路中的电压；所述第一采集单元用于采集霍尔电流传感器210的电流；所述第二采集单元用于采集漏电流传感器220的电流。
具体的工作原理：
请参阅图6，当电源经过IGBT共射极开关组后，驱动控制单元开始工作，电源经过降压器U10给辅助电源供电，降压器U10生产12V直流电源给开关电源芯片U9，开关电源芯片U9经过变压器T2推挽升压生成两个控制电源经U13，U14整流经U18、U21后生成+16V，-7V电源送给IGBT驱动单元控制芯片U22，使得IGBT生成隔离电源。然后，电源经过U9推动变压器T1升压生成第二个控制电源经U12、U15整流经U6、U11、U16生成两个电源+12V，-12V，+5V，+1.25V给运算电路供电。
请参阅图2，当电源过来IGBT共射极开关组后，电流流经继电器组送往霍尔电流传感器，霍尔电流传感器计算输出电流，当电流超过设定电流值时，IGBT共射极开关组关断，继电器组断开输出。当线路中的漏电流大于设定值时，IGBT共射极开关组关断，继电器断开输出。
具体地，请参阅图4，霍尔电流传感器将得到的电流送往反比例放大器放大2倍后，再送往精密整流放大器运放，经RC滤波后输出送往比较器中与设定值做比较，当比较器U19A的反相输出端高于同相输入端时，证明输出有短路的现像，使得U19A输出为低电平，此时U19B、U19C的同相端均小于反向端，U19C断开输出，U19B锁定U19A，IGBT共射极开关组断开输出。
另外，请参阅图7，漏电流传感器将检测到的线路的漏电流值送往采集芯片U5，采集芯片U5得到的参数值送往MCU处理器做运算，将得到的漏电流值显示在显示屏上。并将漏电流值与设定值做比较，如漏电流值大于设定值时IGBT关断，继电器断开输出。其中，IC1P、IC1N将得到的输出电流值显示在显示屏上，LMCU、NMCU将得到的电压值显示在显示屏上。MCU将得到的电流电压值与设定值做比较，如不在设定值内MCU根据设定的操作做出相对应的动作。
以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种共射型IGBT电子断路器，其特征在于，包括：
快速响应开关模块，所述快速响应开关模块包括IGBT共射极开关组、容阻吸收电路及继电器组，所述IGBT共射极开关组的输入端用于接入交流电或直流电，所述IGBT共射极开关组的输出端经所述容阻吸收电路后与所述继电器组电连接；
电流检测模块，所述电流检测模块包括霍尔电流传感器、漏电流传感器及电压电流检测器，所述霍尔电流传感器的输入端与所述继电器组的输出端电连接，所述霍尔电流传感器的一输出端与所述漏电流传感器电连接，所述霍尔电流传感器的另一输出端与所述电压电流检测器电连接，并且所述电压电流检测器还与所述漏电流传感器电连接；
驱动控制模块，所述驱动控制模块包括驱动控制单元及运算操作单元，所述驱动控制单元分别与所述IGBT共射极开关组、所述容阻吸收电路电连接，所述运算操作单元分别与所述驱动控制单元、所述继电器组和所述电压电流检测器电连接；及
中心处理模块，所述中心处理模块分别与所述驱动控制单元、所述运算操作单元及所述电压电流检测器电连接。
2.根据权利要求1所述的共射型IGBT电子断路器，其特征在于，所述中心处理模块包括MCU处理器及无线传输模块，所述MCU处理器分别与所述驱动控制单元、所述运算操作单元及所述电压电流检测器电连接，所述无线传输模块与所述MCU处理器电连接。
3.根据权利要求2所述的共射型IGBT电子断路器，其特征在于，所述无线传输模块为DTU模块。
4.根据权利要求2所述的共射型IGBT电子断路器，其特征在于，所述中心处理模块还包括温度控制单元，所述温度控制单元用于检测IGBT共射极开关组的温度，并且所述温度控制单元与所述MCU处理器电连接。
5.根据权利要求1所述的共射型IGBT电子断路器，其特征在于，所述IGBT共射极开关组包括两个IGBT开关，并且两个所述IGBT开关的发射极相连接，其中一个所述IGBT开关的集电极用于接入交流电，另一个所述IGBT开关的集电极与所述容阻吸收电路电连接，并且两个所述IGBT开关的控制端与所述驱动控制单元电连接。
6.根据权利要求5所述的共射型IGBT电子断路器，其特征在于，所述容阻吸收电路包括电容C6及电阻R12，所述电容C6的第一端与另一个所述IGBT开关的集电极电连接，所述电容C6的第二端经所述电阻R12后与交流电的零线连接。
7.根据权利要求1所述的共射型IGBT电子断路器，其特征在于，所述运算操作单元包括精密整流放大电路、RC滤波器、比较器及高速锁电路，所述精密整流放大电路的输入端与所述霍尔电流传感器的输出端电连接，所述精密整流放大电路的输出端经所述RC滤波器滤波后输出至所述比较器中，所述比较器的输出端与所述高速锁电路的输入端电连接，所述高速锁电路的输出端与所述IGBT共射极开关组的控制端电连接。
8.根据权利要求7所述的共射型IGBT电子断路器，其特征在于，所述精密整流放大电路包括反比例放大器及整流放大器，所述反比例放大器的输入端与所述霍尔电流传感器的输出端电连接，所述反比例放大器的输出端与所述整流放大器的输入端电连接，所述整流放大器的输出端与所述RC滤波器电连接。
9.根据权利要求8所述的共射型IGBT电子断路器，其特征在于，所述整流放大器包括运放芯片U20B、运放芯片U20C、二极管D14、二极管D15、电阻R27、电阻R28、电阻R34、电阻R35及电阻R36，所述电阻R36的第一端与所述反比例放大器的输出端电连接，所述电阻R36的第二端依次经过所述电阻R34、所述电阻R35后与所述运放芯片U20C的反相输入端电连接，所述二极管D14的阳极与所述电阻R34的一端电连接，所述二极管D14的阴极分别与所述二极管D15的阳极和所述运放芯片U20B的输出端电连接，所述运放芯片U20B的反相输入端还分别与所述二极管D15的阴极和所述电阻R36的第二端电连接，所述电阻R27和所述电阻R28串联连接后的一端与所述反比例放大器的输出端电连接，另一端与所述运放芯片U20C的输出端电连接，并且所述运放芯片U20C的输出端还用于与所述RC滤波器电连接。
10.根据权利要求1所述的共射型IGBT电子断路器，其特征在于，所述电压电流检测器包括采集芯片U5、电压采集单元、第一采集单元及第二采集单元，所述采集芯片U5分别与所述电压采集单元、所述第一采集单元和所述第二采集单元电连接，所述第一采集单元和所述电压采集单元分别用于采集所述漏电流传感器的电流和电压，所述第二采集单元用于采集所述霍尔电流传感器的电流。
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