CN116191351A - 固态断路器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种固态断路器及其控制方法，固态断路器包括：功率器件单元，功率器件单元被配置为控制电源回路导通或断开；短路保护单元，短路保护单元的第一输入端用于接入参考电压，第二输入端与功率器件单元连接以获取功率器件单元的工作电压；其中，短路保护单元用于比较参考电压与工作电压，以判断电源回路是否短路。在本申请中，由于工作电压为电阻模块与功率器件电压之和，因此短路保护单元可以获得更加稳定的电压信号，在短路保护单元比较工作电压与参考电压时，可以准确判断电源回路是否短路，避免功率器件内阻电压不稳定而导致短路误检测的现象。

Description

固态断路器及其控制方法

技术领域

本申请涉及断路器技术领域，具体涉及一种固态断路器及其控制方法。

背景技术

目前，由于电网发生短路故障时故障电流具有上升速度快、幅值大等特点，若采用机械式断路器切断故障电流则会在分闸瞬间产生高压电弧，严重时甚至会烧毁用电设备，而固态断路器(SolidStateCircuit Breaker，SSCB)作为一种采用功率管器件作开断元件的特殊断路器，与传统机械式断路器相比，固态断路器具有无电弧现象且关断速度快的特点，因此成为了当前断路器领域的研究热点。然而，目前固态断路器虽然可以有效检测并分断短路故障电流，但由于功率管器件的等效电阻受栅极电压控制，当栅极电压波动时会导致功率管器件内阻电压不稳定，因此直接检测功率管器件电压容易导致短路误检测的现象。

发明内容

本申请提供一种固态断路器及其控制方法，旨在解决目前固态断路器功率管器件内阻电压不稳定而导致短路误检测的技术问题。

第一方面，本申请提供一种固态断路器，包括：

功率器件单元，功率器件单元被配置为控制电源回路导通或断开；

短路保护单元，短路保护单元的第一输入端用于接入参考电压，第二输入端与功率器件单元连接以获取功率器件单元的工作电压；

其中，功率器件单元包括串联于电源回路中的电阻模块以及功率器件，工作电压为电阻模块两端的电压与功率器件两端的电压之和，短路保护单元用于比较参考电压与工作电压，以判断电源回路是否短路。

在一些实施例中，当工作电压大于参考电压时，短路保护单元处于自锁状态以保持输出第一时刻的比较结果；

其中，第一时刻为工作电压大于参考电压的初始时刻。

在一些实施例中，短路保护单元包括比较器以及第一或门；

比较器的同相输入端耦合至功率器件单元以获取工作电压，比较器的反相输入端用于接入参考电压；

第一或门的第一输入端耦合至比较器的输出端，且第一或门的第二输入端耦合至第一或门的输出端。

在一些实施例中，当功率器件单元断开后，短路保护单元解除自锁状态并进行复位。

在一些实施例中，第一或门的第一输入端和第二输入端还用于接入复位信号，以使得第一或门通过复位信号解除自锁状态并进行复位。

在一些实施例中，短路保护单元还包括第一稳压二极管以及第二稳压二极管；

第一稳压二极管的正极与第一或门的第一输入端连接，第二稳压二极管的正极与第一或门的第二输入端连接。

在一些实施例中，短路保护单元还包括第三稳压二极管；

第三稳压二极管的正极与第一或门的输出端连接。

在一些实施例中，功率器件包括功率管；

功率管的栅极耦合至第一或门的输出端，以通过第一或门输出端输出的信号控制功率器件单元导通或断开。

在一些实施例中，电阻模块包括与功率管串联的测量电阻；

工作电压为测量电阻两端的电压与功率管两端电压之和。

在一些实施例中，功率管为IGBT管。

第二方面，本申请提供一种固态断路器控制方法，固态断路器包括功率器件单元以及短路保护单元，方法包括：

短路保护单元获取参考电压以及功率器件单元的工作电压，其中，功率器件单元包括串联于电源回路中的电阻模块以及功率器件，工作电压为电阻模块两端的电压与功率器件两端的电压之和；

短路保护单元比较参考电压与功率器件单元的工作电压，以判断电源回路工作是否短路。

在一些实施例中，短路保护单元比较参考电压与功率器件单元的工作电压的步骤包括：

当工作电压大于参考电压时，短路保护单元处于自锁状态以保持输出第一时刻的比较结果；

其中，第一时刻为所述工作电压大于参考电压的初始时刻。

在一些实施例中，方法还包括：

当功率器件单元断开后，短路保护单元解除自锁状态并进行复位。

本申请通过短路保护单元获取功率器件单元的工作电压，由于工作电压为电阻模块与功率器件电压之和，因此短路保护单元可以获得更加稳定的电压信号，在短路保护单元比较工作电压与参考电压时，可以准确判断电源回路是否短路，避免功率器件内阻电压不稳定而导致短路误检测的现象。

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发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例中提供的固态断路器的一种模块示意图；

图2是本申请实施例中提供的固态断路器部分电路的一种示意图；

图3是本申请实施例中提供的短路保护单元的一种电路示意图；

图4是本申请实施例中提供的驱动单元的一种电路示意图；

图5是本申请实施例中提供的固态断路器部分电路的一种示意图；

图6是本申请实施例中提供的电流检测单元的一种电路示意图；

图7是本申请实施例中提供的固态断路器的另一种模块示意图；

图8是本申请实施例中提供的固态断路器部分电路的一种示意图；

图9是本申请实施例中提供的机械开关单元的一种电路示意图；

图10是本申请实施例中提供的电压检测单元的一种电路示意图

图11是本申请实施例中提供的固态断路器部分电路的一种示意图；

图12是本申请实施例中提供的防雷单元的一种电路示意图；

图13是本申请实施例中提供的电源单元的一种示意图；

图14是本申请实施例中提供的通讯单元的一种电路示意图；

图15是本申请实施例中提供的状态指示单元的一种电路示意图；

图16是本申请实施例中提供的控制单元的一种电路示意图。

其中，10电源回路，11第一电源支路，12第二电源支路，20功率器件单元，30短路保护单元，40驱动单元，50功率检测单元，60控制单元，70电流检测单元，80机械开关单元，K-1第一开关，K-2第二开关；

90电压检测单元，100防雷单元，110电源单元，120隔离电源，130通讯单元，140过压保护单元，150温度检测单元，160状态指示单元；

功率管Q1，比较器COMP，第一或门OR1，栅极驱动器GD，测量电阻R0，第一运算放大器OP1A，运放电阻RP，负载电阻RD，

第一节点M1，第二节点M2，第三节点M3，第四节点M4，第五节点M5，第六节点M6；

第二运算放大器OP2B，陶瓷放电管GDL，功率电感L，压敏电阻RV。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，“示例性”一词用来表示“用作例子、例证或说明”。本申请中被描述为“示例性”的任何实施例不一定被解释为比其它实施例更优选或更具优势。为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本发明，给出了以下描述。在以下描述中，为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本发明。在其它实例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本发明的描述变得晦涩。因此，本发明并非旨在限于所示的实施例，而是与符合本申请所公开的原理和特征的最广范围相一致。

本申请实施例提供一种固态断路器及其控制方法，以下分别进行详细说明。

首先，参阅图1，图1示出了本申请实施例中固态断路器的一种模块示意图，其中固态断路器包括：

功率器件单元20，功率器件单元20被配置为控制电源回路10导通或断开；

短路保护单元30，短路保护单元30的第一输入端用于接入参考电压，短路保护单元30的第二输入端与功率器件单元20连接以获取功率器件单元20的工作电压；

其中，功率器件单元20包括串联于电源回路中的电阻模块以及功率器件，工作电压为电阻模块两端的电压与功率器件两端的电压之和，短路保护单元30用于比较参考电压与工作电压，以判断电源回路是否短路。

具体地，功率器件单元20用于控制电源回路10导通或关闭，以便于实现断路器分闸以及合闸过程。示例性地，功率器件单元20的功率器件可以包括MOSFET管(MOS管)、IGBT管、SiCMOSFET管、SiCIGBT管或IGCT管中的一者或者多者。可以理解地，功率器件单元20还可以包括三极管等具有电路导通/关闭的晶体管。

在本申请的一些实施例中，功率器件单元20的电阻模块可以是一个与功率器件串联的电阻。在本申请的另外一些实施例中，功率器件单元20的电阻模块可以是多个电阻，该多个电阻可以并联和/或串联的方式组成电阻阵列，再将该电阻阵列与功率器件串联。

短路保护单元30用于比较参考电压与工作电压，以判断电源回路10是否短路。在本申请的一些实施例中，短路保护单元30可以包括比较器，通过比较器比较参考电压与工作电压，输出高低电平信号从而得到比较结果，例如，当参考电压低于工作电压时，比较器输出高电平信号，又例如，当参考电压高于工作电压时，比较器COMP输出低电平信号。在本申请的另外一些实施例中，短路保护单元30可以包括误差放大器，通过误差放大器放大参考电压与工作电压的差值，从而对参考电压与工作电压进行精确的判断。

可以理解地，短路保护单元30也可以采用运算放大器对参考电压与工作电压进行运算放大处理，从而对参考电压与工作电压进行判断。

在本申请的一些实施例中，固态断路器还包括控制单元60，控制单元60用于获取各单元的信号并输出对各单元的控制信号，例如，控制单元60可以提供判断电源回路10是否短路的参考电压，又例如，控制单元60可以输出控制功率器件单元20导通或断开的信号。示例性地，控制单元60可以为芯片，例如微控制芯片(Microcontroller Unit，MCU)、系统级芯片(System on Chip，SOC)或系统级封装(System In Package，SIP)芯片等。

在本申请实施例中，本申请通过短路保护单元30获取功率器件单元20的工作电压，由于工作电压为电阻模块与功率器件电压之和，因此短路保护单元30可以获得更加稳定的电压信号，在短路保护单元30比较工作电压与参考电压时，可以准确判断电源回路是否短路，避免功率器件内阻电压不稳定而导致短路误检测的现象。

在本申请的一些实施例中，固态断路器还包括驱动单元40，驱动单元40与功率器件单元20连接，驱动单元40用于根据短路保护单元30的比较结果控制功率器件单元20处于导通或断开状态。例如，当工作电压大于参考电压时，则驱动单元40可以根据短路保护单元30的比较结果控制功率器件单元20断开，以便于及时关断功率器件单元20避免发生事故；又例如，当工作电压低于或等于参考电压时，驱动单元40可以根据短路保护单元30的比较结果控制功率器件单元20保持导通状态，以使得固态断路器保持正常工作。

在本申请的一些实施例中，例如对于功率器件单元20包括MOS管或IGBT管的实施例，驱动单元40可以包括栅极驱动器GD，通过关闭栅极驱动器GD从而实现对功率器件的关断。

进一步地，在本申请的一些实施例中，当工作电压大于参考电压时，短路保护单元30处于自锁状态以保持输出第一时刻的比较结果；其中，第一时刻为工作电压大于参考电压的初始时刻。

需要说明的是，短路故障可能在瞬间发生然后消除，因此工作电压可能在一瞬间突然升高，在机械开关单元80断开后则大幅降低，而在上述实施例中，通过在工作电压大于参考电压时使得短路保护单元30处于自锁状态并保持输出工作电压大于参考电压的时刻的比较结果，可以使得短路保护单元30输出稳定比较结果信号，从而使得驱动单元40可以根据稳定的比较结果信号对功率器件单元20进行断开控制，避免功率器件单元20工作电压瞬间升高并快速下降情况下无法有效检测到短路的现象。

作为一种示例性实施例，继续参阅图2、图3以及图4，图2示出了本申请实施例中固态断路器部分电路的一种示意图，图3示出了本申请实施例中短路保护单元30的一种电路示意图，图4示出了本申请实施例中驱动单元40的一种电路示意图，短路保护单元30包括比较器COMP以及第一或门OR1，驱动单元40包括栅极驱动器GD；比较器COMP的同相输入端耦合至功率器件单元20以获取工作电压，比较器COMP的反相输入端耦合至控制单元60以获取参考电压；第一或门OR1的第一输入端耦合至比较器COMP的输出端，第一或门OR1的第二输入端耦合至第一或门OR1的输出端；栅极驱动器GD的第一输入端耦合至第一或门OR1的输入端，栅极驱动器GD的第二输入端耦合至控制单元60以接入驱动电压，栅极驱动器GD的输出端耦合至功率管Q1的栅极。

具体地，比较器COMP的反相输入端耦合至控制单元60的DAC_Val端口以获取参考电压，栅极驱动器GD的第二输入端耦合至控制单元60的MOS_Drive端口以接入驱动电压。当工作电压高于参考电压时，比较器COMP输出端输出高电平信号，第一或门OR1的第一输入端接收到高电平信号，进而第一或门OR1的输出端输出高电平信号，由于第一或门OR1的第二输入端耦合至第一或门OR1的输出端，从而使得第一或门OR1的第二输出端也接收到高电平信号，进而使得第一或门OR1处于自锁状态，第一或门OR1的输出端持续输出高电平信号并不受比较器COMP输出信号影响，最终实现短路保护单元30自锁的目的。同时，在第一或门OR1自锁保持输出高电平信号时，栅极驱动器GD的第一输入端接收到高电平信号，此时可以利用该高电平信号使得栅极驱动器GD关闭，栅极驱动器GD的第二输入端停止接入驱动电压，使得栅极驱动器GD的输出端输出低电平信号并关闭功率管Q1(例如IGBT管)。

可以理解地，还可以通过控制单元60输入给栅极驱动器GD的驱动电压拉低，从而使得栅极驱动器GD的输出端输出低电平信号，从而实现功率器件单元20断开；或者，栅极驱动器GD也可以采用非门替代，从而将高电平信号转换为低电平信号；又或者，功率管Q1可以采用PMOS管替代，直接将第一或门OR1的高电平信号输出给PMOS管，从而关断PMOS管。

在本申请的一些实施例中，控制单元60提供的参考电压可以根据需要进行设置，以使得比较器COMP将工作电压与不同的参考电压进行比较，从而针对不同大小的短路电流进行故障诊断。

在本申请的一些实施例中，当功率器件单元20断开后，短路保护单元30解除自锁状态并进行复位，以使得短路保护单元30恢复至初始状态并准备下一次短路检测判断过程。

在本申请的一些实施例中，第一或门的第一输入端和第二输入端还用于接入复位信号，以使得第一或门通过所述复位信号解除自锁状态并进行复位。具体地，第一或门OR1的第一输入端和第二输入端耦合至控制单元60，以使得控制单元60向第一或门OR1输入复位信号并进行复位。例如参阅图3，第一或门OR1的第一输入端和第二输入端通过稳压二极管D9、稳压二极管D10连接至控制单元60的Fault_REST接口，当控制单元60的Fault_REST接口输出低电平信号后，第一或门OR1的第一输入端和第二输入端接收到低电平信号，从而第一或门OR1的输出端输出低电平信号，即可完成第一或门OR1的复位重置过程。

可以理解地，第一或门OR1也可以采用其他逻辑门电路替代，例如与门、与非门等。

进一步地，在本申请的一些实施例中，第一或门OR1的输出端耦合至控制单元60，以使得控制单元60获取故障信号，例如参阅图3，第一或门OR1的输出端通过稳压二极管D8连接至控制单元60的Fault_INT接口，控制单元60在Fault_INT接口接收到高电平信号即可接收到短路故障信号。

需要说明的是，上述关于短路保护单元30、驱动单元40实际上还可以设置其他电路元件，以实现电路的电平转换或电路稳压作用等，例如，还可以在比较器COMP的反相输入端设置电阻R14，在同相输入端设置电阻R12；又例如，还可以在比较器COMP的电源输入端、第一或门OR1的电源端设置并联的电容C12、电容C13，以保证比较器COMP以及第一或门OR1接入的工作电压稳定；再例如，还可以在比较器COMP的输出端与第一或门OR1的第一输入端之间设置电阻R13，或者在第一或门OR1的输出端与第二输入端之间设置电阻R18等。

在本申请的一些实施例中，参阅图3，短路保护单元30还包括第一稳压二极管D10以及第二稳压二极管D9，第一稳压二极管D10的正极与第一或门OR1的第一输入端连接，第二稳压二极管D9的正极与第一或门OR1的第二输入端连接。同时，第一稳压二极管D10以及第二稳压二极管D9的负极耦合至控制单元60的Fault_REST接口，通过第一稳压二极管D10以及第二稳压二极管D9可以避免控制单元60通过Fault_REST接口向第一或门OR1输入高电平信号的现象。

进一步地，在本申请的一些实施例中，参阅图3，短路保护单元30还包括第三稳压二极管D8，第三稳压二极管D8的正极与第一或门OR1的输出端连接，同时，第三稳压二极管D8的负极耦合至控制单元60的Fault_INT接口，以避免控制单元60通过Fault_INT接口向第一或门OR1的输出端或第二输入端输入高电平信号的现象。

在本申请的一些实施例中，参阅图2，功率器件包括功率管Q1，功率管的栅极耦合至第一或门的输出端，以通过第一或门输出端输出的信号控制功率器件单元20导通或断开。示例性地，功率管的栅极可以通过栅极驱动器耦合至第一或门的输出端。

在本申请的一些实施例中，继续参阅图1以及图2，其中，电阻模块包括与功率管Q1串联的测量电阻R0，工作电压为测量电阻R0两端的电压与功率管Q1两端电压之和。

在本申请的一些实施例中，固态断路器还包括电流检测单元70，电流检测单元70用于测量流经测量电阻R0的电流。其中，由于功率管Q1与测量电阻R0串联，功率管Q1的等效电阻可以使得测量电阻R0的阻值减小，因此在电测检测单元检测测量电阻R0的电流时，可以降低测量电阻R0的发热量以及功耗。

作为一示例性地，参阅图5以及图6，图5示出了本申请实施例中固态断路器部分电路的一种示意图，图6示出了本申请实施例中电流检测单元70的一种电路示意图，其中，电流检测单元70包括第一运算放大器OP1A以及运放电阻RP；第一运算放大器OP1A的同相输入端耦合至测量电阻R0的一端，第一运算放大器OP1A的反相输入端耦合至测量电阻R0的另一端，第一运算放大器OP1A的输出端耦合至控制单元60；运放电阻RP一端与第一运算放大器OP1A的反相输入端连接，另外一端与第二运算放大器OP2B与第一运算放大器OP1A的输出端连接。

需要说明的是，第一运算放大器OP1A可以将测量电阻R0两端的电压差放大，从而输出放大后的信号并通过I_ADC接口输入给控制单元60，通过控制单元60的模数转换器生成数字信号。可以理解地，电流检测单元70实际上还可以设置其他电路元件，以实现电路的电平转换或电路稳压等，例如，还可以在第一运算放大器OP1A的反相输入端设置电阻R10、同相输入端设置电阻R16、输出端设置电阻R11；又例如，还可以在第一运算放大器OP1A的电源输入端设置并联的电容C11。

在本申请的一些实施例中，继续参阅图7、图8以及图9，图7示出了本申请实施例中固态断路器的另一种模块示意图，图8示出了本申请实施例中固态断路器部分电路的一种示意图，图9示出了本申请实施例中机械开关单元80的一种电路示意图，其中，电源回路10包括第一电源支路11以及第二电源支路12；固态断路器还包括机械开关单元80、负载电阻RD以及功率检测单元50，机械开关单元80与功率器件单元20串联于第一电源支路11上，机械开关单元80用于控制第一电源支路11导通或断开；负载电阻一端连接于第一电源支路11的第一节点M1，另外一端连接于第二电源支路12的第二节点M2，第一节点M1位于功率检测单元50与机械开关单元80之间，功率检测单元50用于检测第一节点M1的测量电压；控制单元60与功率检测单元50连接以获取测量电压，当测量电压与驱动电压匹配时，则判断功率器件单元20正常，否则判断功率器件单元20异常并停止闭合机械开关单元80。

需要说明的是，在控制单元60输出驱动电压控制驱动单元40使功率器件单元20闭合后，而在机械开关单元80未闭合前，第一电源回路10、第二电源回路10、功率器件单元20以及负载电阻RD形成回路，此时通过功率检测单元50检测测量电压，使得控制单元60从Read_MOS接口获取到测量电压，当控制单元60获取的测量电压与控制单元输出使功率器件单元20闭合的驱动电压匹配时，例如驱动电压为高电平电压并表示控制单元60的控制逻辑为控制功率器件单元20闭合，通过检测的测量电压与功率器件单元20闭合时的电压匹配表明功率器件单元20处于闭合状态，在驱动电压与测量电压均为闭合或断开逻辑情况下，则可以判断功率器件单元20正常工作，因此可以继续闭合机械开关单元80完成固态断路器合闸过程；反之，当测量电压与功率器件单元20闭合的驱动电压不匹配时，例如驱动电压为高电平电压并表示控制单元60的控制逻辑为控制功率器件单元20闭合，通过检测的测量电压与功率器件单元20断开时的电压匹配表明功率器件单元20处于断开状态，在驱动电压为闭合逻辑而测量电压为断开逻辑的情况下，则说明功率器件单元20异常工作，因此可以停止闭合机械开关单元80，避免在功率器件单元20异常状态下完成合闸过程。

进一步地，在本申请的一些实施例中，继续参阅图8以及图9，机械开关单元80具有第一开关K-1以及第二开关K-2；第一开关K-1设置于第一电源支路11上，第二开关K-2与控制单元60连接，第二开关K-2的分闸速度领先于第一开关K-1的分闸速度；当第二开关K-2断开时，控制单元60利用驱动单元40使功率器件单元20断开，以使得功率器件单元20先于第一开关K-1分闸。

需要说明的是，由于第二开关K-2与控制单元60连接，当第二开关K-2断开时，控制单元60可以及时检测到第二开关K-2的状态，又由于第二开关K-2的分闸速度领先于第一开关K-1的分闸速度，进而控制单元60可以及时利用驱动单元40使功率器件单元20断开，而此时第一开关K-1还未断开，因此可以使得功率器件单元20先于第一开关K-1分闸。在实际应用中，当固态断路器出现过载、短路、过压、欠压等需要分闸时，控制单元60可以先断开功率器件单元20，再电控断开机械开关单元80，以避免分闸瞬间功率器件单元20被大电流击穿的现象。

在本申请的一些实施例中，继续参阅图7，其中，固态断路器还包括电压检测单元90，电压检测单元90用于检测第一电源支路11与第二电源支路12之间的检测电压，控制单元60与电压检测单元90连接以获取检测电压，从而实现电源回路10电压检测目的。

作为一示例性实施例，继续参阅图10，图10示出了本申请实施例中电压检测单元90的一种电路示意图，其中，电压检测单元90包括第二运算放大器OP2B；第二运算放大器OP2B的同相输入端耦接至第二电源支路12，第二运算放大器OP2B的反相输入端耦接至第一电源支路11，第二运算放大器OP2B的输出端与反相输入端短接；控制单元60与第二运算放大器OP2B的输出端耦接以获取第二运算放大器OP2B的输出信号。

需要说明的是，由于第二运算放大器OP2B的输出端与反相输入端短接，第二运算放大器OP2B可以实现电压跟随目的，第二运算放大器OP2B的输出端可以产生一个与同相输入端信号振幅相等的输出信号，从而实现电压检测过程缓冲以及隔离的目的；同时，第二运算放大器OP2B输出端可以向控制单元60的U_ADC端口输入电压信号，并通过模数转换器将电压信号转换为数字信号。

可以理解地，电压检测单元90实际上还可以设置其他电路元件，以实现电路的电平转换或电路稳压等，例如，还可以在第二运算放大器OP2B的同相输入端设置电阻R20、R21；又例如，还可以在第二运算放大器OP2B的同相输入端设置并联的电阻R23以及电容C16；再例如，还可以在第二运算放大器OP2B的输出端设置电阻R22。

在本申请的一些实施例中，继续参阅图7、图11以及图12，图11示出了本申请实施例中固态断路器部分电路的一种示意图，图12示出了本申请实施例中防雷单元100的一种电路示意图，其中，固态断路器还包括防雷单元100，防雷单元100包括陶瓷放电管GDL、功率电感L以及压敏电阻RV；陶瓷放电管GDL一端耦接至第一电源支路11的第三节点M3，另外一端耦接至第二电源支路12的第四节点M4；压敏电阻RV一端耦接至第一电源支路11的第五节点M5，另外一端耦接至第二电源支路12的第六节点M6；压敏电阻RV设置在第一电源支路11上的第三节点M3与第五节点M5之间。

在上述实施例中，当感应雷击经过防雷单元100，由于陶瓷放电管GDL响应速度慢，电流经过功率电感L速度被限制，使得电流上升时间拉长，同时陶瓷放电管GDL启动使得电流从陶瓷放电管GDL泄放，进而功率电感L后端的电压变低并使得经过压敏电阻RV的能量变弱，最终压敏电阻RV再吸收一部分能量从而实现保护了后端电路的目的。此外，由于防雷单元100具有功率电感L，当负载发生短路故障时，电流受功率电感L限制，电流上升速度变缓，可以为短路保护单元30以及驱动单元40提供响应时间。

可以理解地，陶瓷放电管GDL还可以串联多个并耦接在第三节点M3以及第四节点M4，以增强防雷单元100在受到雷击时的放电能力；或者，还可以在压敏电阻RV并联半导体放电管，以进一步增强防雷单元100的放电能力。

进一步地，在本申请的一些实施例中，参阅图7或图11，第五节点M5位于第一电源支路11的机械开关单元80的一侧，使得防雷单元100邻近机械开关单元80设置，利用防雷单元100减少感应雷对机械开关单元80的第一开关K-1的电流冲击，保证固态断路器的可靠性。

可以理解地，防雷单元100还可以设置在第一电源支路11、第二电源支路12的输入端，或者同时在第一电源支路11、第二电源支路12的输入端和输出端设置防雷单元100。

在本申请的一些实施例中，继续参阅图7以及图13，图13示出了本申请实施例中电源单元110的一种示意图，其中，固态断路器还包括电源单元110，电源单元110用于至少为控制单元60以及短路保护单元30提供电源，例如，为短路保护单元30的比较器COMP和第一或门OR1提供电源电压。在本申请的一些实施例中，电源单元110可以将电源回路10的电压进行转换从而为控制单元60以及短路保护单元30提供低压电源。在本申请的另外一些实施例中，电源单元110还可以为单独的电源模块(例如蓄电池)，从而将驱动控制单元60以及短路保护单元30的电源与电源回路10的电源隔离。

可以理解地，电源单元110还可以为其他单元提供电源电压，例如，为驱动单元40的栅极驱动器GD提供电源电压；又例如，为电流检测单元70的第一运输放大器提供电源电压。

进一步地，在本申请的一些实施例中，继续参阅图7、图13以及图14，图14示出了本申请实施例中通讯单元130的一种电路示意图，其中，固态断路器还包括隔离电源120以及通讯单元130，通讯单元130与控制单元60连接，隔离电源120用于为通讯单元130提供电能，以保证通讯单元130正常工作。示例性地，通讯单元130可以为RS485、CAN、WiFi、蓝牙等有线或无线通讯模块。

在本申请的一些实施例中，继续参阅图7，其中，固态断路器还包括过压保护单元140，过压保护单元140与功率器件单元20并联，过压保护单元140用于在功率器件单元20过压时钳位至安全电压。示例性地，过压保护单元140为并联在功率管Q1两端的瞬态二极管或压敏电阻RV等器件。

进一步地，在本申请的一些实施例中，继续参阅图7以及图15，图15示出了本申请实施例中状态指示单元160的一种电路示意图，其中，固态断路器还包括温度检测单元150以及状态指示单元160，温度检测单元150和状态指示单元160与控制单元60连接；温度检测单元150用于至少检测功率器件单元20的温度，状态指示单元160用于至少指示功率器件单元20的工作状态。示例性地，温度检测单元150可以包括热电偶温度传感器、热敏电阻温度传感器或电阻温度检测器中的至少一种，状态指示单元160可以包括显示器件、声音播放器件或者震动器件等，例如，当控制单元60通过短路保护单元30检测到功率器件单元20处于异常工作状态，则可以通过红色LED灯指示功率器件单元20处于异常工作状态。

需要说明的是，参阅图16，图16示出了本申请实施例中控制单元60的一种电路示意图，其中，控制单元60通常采用微控制芯片(单片机)实现，其还可以具有其他接口，例如，控制红色LED灯、绿色LED灯以及蓝色LED灯显示或熄灭的RED_LED、GREEN_LED以及BLUE_LED接口等。在具体实施时，控制单元60只要从现有技术中选择能实现此功能的单片机即可，并不限于何种型号，例如ST公司的STM32F103系列的单片机，且控制程序是本领域技术人员所熟知的，这是本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可获得的。

进一步地，为了更好的实施本申请实施例中的固态断路器，在固态断路器的基础上，本申请还提供一种固态断路器控制方法，固态断路器控制方法包括：

短路保护单元30获取参考电压以及功率器件单元20的工作电压，功率器件单元20包括串联于电源回路中的电阻模块以及功率器件，工作电压为电阻模块两端的电压与功率器件两端的电压之和；

短路保护单元30比较参考电压与功率器件单元20的工作电压，以判断电源回路是否短路。

在本申请实施例中，本申请通过短路保护单元30获取功率器件单元20的工作电压，由于工作电压为电阻模块与功率器件电压之和，因此短路保护单元30可以获得更加稳定的电压信号，在短路保护单元30比较工作电压与参考电压时，可以准确判断电源回路是否短路，避免功率器件内阻电压不稳定而导致短路误检测的现象。

在本申请的一些实施例中，短路保护单元30比较参考电压与功率器件单元的工作电压的步骤包括：当工作电压大于参考电压时，短路保护单元30处于自锁状态以保持输出第一时刻的比较结果；其中，第一时刻为工作电压大于参考电压的初始时刻。

在本申请的一些实施例中，固态断路器控制方法还包括：当功率器件单元20断开后，短路保护单元30解除自锁状态并进行复位。

需要说明的是，短路故障可能在瞬间发生然后消除，因此工作电压可能在一瞬间突然升高，在机械开关单元80断开后则大幅降低，而在上述实施例中，通过在工作电压大于参考电压时使得短路保护单元30处于自锁状态并保持输出工作电压大于参考电压的时刻的比较结果，可以使得短路保护单元30输出稳定比较结果信号，从而使得驱动单元40可以根据稳定的比较结果信号对功率器件单元20进行断开控制，避免功率器件单元20工作电压瞬间升高并快速下降情况下无法有效检测到短路的现象。

在本申请的一些实施例中，固态断路器还包括机械开关单元80、负载电阻RD以及功率检测单元50；机械开关单元80与功率器件单元20串联于第一电源支路11上，负载电阻RD一端连接于机械开关单元80与功率器件单元20之间，另外一端连接于第二电源支路12上，固态断路器控制方法还包括：

功率检测单元50检测机械开关单元80与功率器件单元20之间的测量电压；

当测量电压与控制单元60输出的驱动电压匹配时，则判断功率器件单元20正常，否则判断功率器件单元20异常并停止闭合机械开关单元80。

需要说明的是，在控制单元60输出驱动电压控制驱动单元40使功率器件单元20闭合后，而在机械开关单元80未闭合前，第一电源回路10、第二电源回路10、功率器件单元20以及负载电阻RD形成回路，此时通过功率检测单元50检测测量电压，使得控制单元60从Read_MOS接口获取到测量电压，当控制单元60获取的测量电压与控制单元输出使功率器件单元20闭合的驱动电压匹配时，例如驱动电压为高电平电压并表示控制单元60的控制逻辑为控制功率器件单元20闭合，通过检测的测量电压与功率器件单元20闭合时的电压匹配表明功率器件单元20处于闭合状态，在驱动电压与测量电压均为闭合或断开逻辑情况下，则可以判断功率器件单元20正常工作，因此可以继续闭合机械开关单元80完成固态断路器合闸过程；反之，当测量电压与功率器件单元20闭合的驱动电压不匹配时，例如驱动电压为高电平电压并表示控制单元60的控制逻辑为控制功率器件单元20闭合，通过检测的测量电压与功率器件单元20断开时的电压匹配表明功率器件单元20处于断开状态，在驱动电压为闭合逻辑而测量电压为断开逻辑的情况下，则说明功率器件单元20异常工作，因此可以停止闭合机械开关单元80，避免在功率器件单元20异常状态下完成合闸过程。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见上文针对其他实施例的详细描述，此处不再赘述。

上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述详细披露仅仅作为示例，而并不构成对本申请的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本申请进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本申请中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本申请示范实施例的精神和范围。

同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一个替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

同理，应当注意的是，为了简化本申请披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本申请实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本申请对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。

一些实施例中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解的是，此类用于实施例描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“大约”、“近似”或“大体上”来修饰。除非另外说明，“大约”、“近似”或“大体上”表明所述数字允许有±20％的变化。相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本申请一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。

针对本申请引用的每个专利、专利申请、专利申请公开物和其他材料，如文章、书籍、说明书、出版物、文档等，特此将其全部内容并入本申请作为参考，但与本申请内容不一致或产生冲突的申请历史文件除外，对本申请权利要求最广范围有限制的文件(当前或之后附加于本申请中的)也除外。需要说明的是，如果本申请附属材料中的描述、定义、和/或术语的使用与本申请所述内容有不一致或冲突的地方，以本申请的描述、定义和/或术语的使用为准。

以上对本申请实施例所提供的一种固态断路器及其控制方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (12)

1.一种固态断路器，其特征在于，包括：

功率器件单元(20)，所述功率器件单元(20)被配置为控制电源回路(10)导通或断开；

短路保护单元(30)，所述短路保护单元(30)的第一输入端用于接入参考电压，短路保护单元(30)的第二输入端与所述功率器件单元(20)连接以获取所述功率器件单元(20)的工作电压；

其中，所述功率器件单元(20)包括串联于所述电源回路(10)中的电阻模块以及功率器件，所述工作电压为所述电阻模块两端的电压与所述功率器件两端的电压之和，所述短路保护单元(30)用于比较所述参考电压与所述工作电压，以判断所述电源回路(10)是否短路。

2.如权利要求1所述的固态断路器，其特征在于，当所述工作电压大于所述参考电压时，所述短路保护单元(30)处于自锁状态以保持输出第一时刻的比较结果；

其中，所述第一时刻为所述工作电压大于所述参考电压的初始时刻。

3.如权利要求2所述的固态断路器，其特征在于，所述短路保护单元(30)包括比较器(COMP)以及第一或门(OR1)；

所述比较器(COMP)的同相输入端耦合至所述功率器件单元(20)以获取所述工作电压，所述比较器(COMP)的反相输入端用于接入所述参考电压；

所述第一或门(OR1)的第一输入端耦合至所述比较器(COMP)的输出端，且所述第一或门(OR1)的第二输入端耦合至所述第一或门(OR1)的输出端。

4.如权利要求3所述的固态断路器，其特征在于，当所述功率器件单元(20)断开后，所述短路保护单元(30)解除自锁状态并进行复位。

5.如权利要求4所述的固态断路器，其特征在于，所述第一或门(OR1)的第一输入端和第二输入端还用于接入复位信号，以使得所述第一或门(OR1)通过所述复位信号解除自锁状态并进行复位。

6.如权利要求5所述的固态断路器，其特征在于，所述短路保护单元(30)还包括第一稳压二极管(D10)以及第二稳压二极管(D9)；

所述第一稳压二极管(D10)的正极与所述第一或门(OR1)的第一输入端连接，所述第二稳压二极管(D9)的正极与所述第一或门(OR1)的第二输入端连接。

7.如权利要求3所述的固态断路器，其特征在于，所述短路保护单元(30)还包括第三稳压二极管(D8)；

所述第三稳压二极管(D8)的正极与所述第一或门(OR1)的输出端连接。

8.如权利要求3所述的固态断路器，其特征在于，所述功率器件包括功率管(Q1)；

所述功率管(Q1)的栅极耦合至所述第一或门(OR1)的输出端，以通过所述第一或门(OR1)输出端输出的信号控制所述功率器件单元(20)导通或断开。

9.如权利要求8所述的固态断路器，其特征在于，所述电阻模块包括与功率管(Q1)串联的测量电阻；

所述工作电压为所述测量电阻两端的电压与所述功率管(Q1)两端电压之和。

10.一种固态断路器控制方法，其特征在于，所述固态断路器包括功率器件单元(20)以及短路保护单元(30)，所述方法包括：

所述短路保护单元(30)获取参考电压以及所述功率器件单元(20)的工作电压，其中，所述功率器件单元(20)包括串联于所述电源回路(10)中的电阻模块以及功率器件，所述工作电压为所述电阻模块两端的电压与所述功率器件两端的电压之和；

所述短路保护单元(30)比较所述参考电压与所述功率器件单元(20)的工作电压，以判断所述电源回路(10)是否短路。

11.如权利要求10所述的固态断路器控制方法，其特征在于，所述短路保护单元(30)比较所述参考电压与所述功率器件单元(20)的工作电压的步骤包括：

当所述工作电压大于所述参考电压时，所述短路保护单元(30)处于自锁状态以保持输出第一时刻的比较结果；

其中，所述第一时刻为所述工作电压大于所述参考电压的初始时刻。

12.如权利要求11所述的固态断路器控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

当所述功率器件单元(20)断开后，所述短路保护单元(30)解除自锁状态并进行复位。

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