CN201549395U - 一种机械电子式直流开关 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种机械电子式直流开关,包括正、负极输入接头、正、负极输出接头、DC单元、MCU控制单元、按键开关单元,所述DC单元、MCU控制单元、按键开关单元依次连接,DC单元与正、负极输入接头、负极输出接头连接;还包括主开关单元、隔离灭弧单元,所述主开关单元与隔离灭弧单元并联连接,且其输入端分别与正极输入接头、DC单元连接,输出端与正极输出接头连接;所述MCU控制单元还与主开关单元、隔离灭弧单元连接,通过检测按键开关单元的状态控制主开关单元、隔离灭弧单元的开通和关断。本实用新型中隔离灭弧单元可以消除电弧,同时使正极输入接头和正极输出接头物理隔离,大大延长了使用寿命。

Description

一种机械电子式直流开关
技术领域
本实用新型属于直流开关领域,具体涉及一种机械电子式直流开关。
背景技术
空气开关是目前应用最为广泛的电路器件,在交流电路中起到连通及断开的作用。交流电流具有交变特性,每周期电流都要过零,有自然灭弧作用,但是在交流波的最高点关断时,电流最大,会产生放电拉弧现象。由于直流开关价格高昂,所以空气开关常常也用在直流电路中,但这样在直流电路中连通或断开时会产生放电拉弧,导致触点损坏,使得空气开关寿命大大缩短。
IGBT功率管、MOSFET功率管、NPN功率管等作为直流电子开关应用十分普遍,比较典型的应用是大型开关电源及变频器等等,如中国实用新型专利200520036176所公开的《一种复合式直流继电器》就是其中之一,采用机械继电器与电子开关串联再结合辅助的控制电路形成直流继电器,可以消除断开拉弧现象。但是,所有的电子开关都存在内阻,承受负载时会产生热量,需要配置大块的散热器及选用更大过热保险系数的元件,显然要增加制造成本。再如中国发明专利ZL03110291.3所公开的《混合式直流电磁接触器》虽然能解决直流电的放电拉弧问题,但是采用了半导体元件做灭弧不能保证输入端和输出端物理隔离,有泄露电流存在,有安全隐患。
发明内容
本实用新型目的在于提供一种机械电子式直流开关,有效地解决现有技术中输入端和输出端物理隔离存在泄露电流的问题。本实用新型可以把电子开关的自身发热降低到最低程度,从而极大地延长机械电子式直流开关的寿命,并且降低了直流开关重量、体积和成本。
为解决上述技术问题,本实用新型是通过以下技术方案实现的:
一种机械电子式直流开关,包括正、负极输入接头、正、负极输出接头、DC单元、MCU控制单元(微型控制单元)、按键开关单元,所述DC单元、MCU控制单元、按键开关单元依次连接,DC单元与正、负极输入接头、负极输出接头连接;该机械电子式直流开关还包括主开关单元、隔离灭弧单元,所述主开关单元与隔离灭弧单元并联连接,且其输入端分别与正极输入接头、DC单元连接,输出端与正极输出接头连接;所述MCU控制单元还与主开关单元、隔离灭弧单元连接,通过检测按键开关单元的状态控制主开关单元、隔离灭弧单元的开通和关断。
上述机械电子式直流开关,所述隔离灭弧单元由从开关单元和电子开关单元构成,所述从开关单元、电子开关单元由MCU控制单元控制,用于开通和关断直流电路。
上述机械电子式直流开关,所述电子开关单元至少包括IGBT功率管或MOSFET功率管或NPN功率管。
上述机械电子式直流开关,所述主开关单元是继电器或接触器。
上述机械电子式直流开关,所述从开关单元是继电器或接触器。
上述机械电子式直流开关,所述DC单元是隔离或非隔离电源。
上述机械电子式直流开关,所述按键开关单元是触点式或开关式开关。
上述机械电子式直流开关,所述电子开关单元包括第一、第二IGBT功率管,从开关单元的一端与正极输入接头连接,另一端与第一IGBT功率管的集电极连接,第一IGBT功率管的发射极与第二IGBT功率管的发射极连接,第二IGBT功率管的集电极与正极输出接头连接;所述第一、第二IGBT功率管、从开关单元由所述MCU控制单元控制。
上述机械电子式直流开关,所述电子开关单元包括第一、第二IGBT功率管,第一IGBT功率管的集电极与正极输入接头连接,第一IGBT功率管的发射极与从开关单元的一端连接,从开关单元的另一端与第二IGBT功率管的发射极连接,第二IGBT功率管的集电极与正极输出接头连接;所述第一、第二IGBT功率管、从开关单元由所述MCU控制单元控制。
上述机械电子式直流开关,所述电子开关单元包括第一、第二IGBT功率管,第一IGBT功率管的集电极与正极输入接头连接,第一IGBT功率管的发射极与第二IGBT功率管的发射极连接,第二IGBT功率管的集电极与从开关单元的一端连接,从开关单元的另一端与正极输出接头连接;所述第一、第二IGBT功率管、从开关单元由所述MCU控制单元控制。
上述机械电子式直流开关,所述电子开关单元包括第一、第二IGBT功率管、第一、第二二极管,第一IGBT功率管的集电极、第二IGBT功率管的发射极与正极输入接头连接,第一IGBT功率管的发射极与第一二极管的阳极连接,第一二极管的阴极分别与第二二极管的阳极、从开关单元的一端连接,第二二极管的阴极与第二IGBT功率管的集电极连接,所述从开关单元的另一端与正极输出接头连接;所述第一、第二IGBT功率管、从开关单元由所述MCU控制单元控制。
上述机械电子式直流开关,所述电子开关单元包括第一、第二IGBT功率管、第一、第二二极管,从开关单元的一端与正极输入接头连接,另一端分别与第一IGBT功率管的集电极、第二IGBT功率管的发射极连接,第一IGBT功率管的发射极与第一二极管的阳极连接,第一二极管的阴极分别与第二二极管的阳极、正极输出接头连接,第二二极管的阴极与第二IGBT功率管的集电极连接;所述第一、第二IGBT功率管、从开关单元由所述MCU控制单元控制。
上述机械电子式直流开关,所述电子开关单元包括IGBT功率管和由第一、第二、第三、第四二极管组成的整流桥,从开关单元的一端与正极输入接头连接,另一端分别与第一二极管的阴极、第四二极管的阳极连接,第一二极管的阳极分别与第二二极管的阳极、IGBT功率管的发射极连接,第二二极管的阴极分别与正极输出接头、第三二极管的阳极连接,第三二极管的阴极分别与第四二极管的阴极、IGBT功率管的集电极连接;所述IGBT功率管、从开关单元由所述MCU控制单元控制。
上述机械电子式直流开关,所述电子开关单元包括IGBT功率管和由第一、第二、第三、第四二极管组成的整流桥,第一二极管的阴极、第四二极管的阳极与正极输入接头连接,第一二极管的阳极分别与第二二极管的阳极、IGBT功率管的发射极连接,第二二极管的阴极分别与从开关单元的一端、第三二极管的阳极连接,第三二极管的阴极分别与第四二极管的阴极、IGBT功率管的集电极连接,所述从开关单元的另一端与正极输出接头连接;所述IGBT功率管、从开关单元由所述MCU控制单元控制。
上述机械电子式直流开关,所述电子开关单元包括IGBT功率管和二极管;所述从开关单元的一端与正极输入接头连接,另一端与所述IGBT功率管的集电极连接,IGBT功率管的发射极与所述二极管的阳极连接,二极管的阴极与正极输出接头连接;所述IGBT功率管、从开关单元由MCU控制单元控制。
上述机械电子式直流开关,所述电子开关单元是一IGBT功率管;所述从开关单元的一端与正极输入接头连接,另一端与所述IGBT功率管的集电极连接,IGBT功率管的发射极与正极输出接头连接;所述IGBT功率管、从开关单元由MCU控制单元控制。
上述机械电子式直流开关,所述IGBT功率管可以是带续流二极管的IGBT功率管,也可以是不带续流二极管的IGBT功率管。
本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果:
本实用新型隔离灭弧单元的电子开关单元作为开关在机械电子式直流开关中连通及断开电路,可以消除电弧,导通时间很短,发热量较小;同时,使正极输入接头和正极输出接头物理隔离,不存在拉弧损坏触点问题,大大延长了机械开关的使用寿命,具有广泛的应用价值。
附图说明
图1是本实用新型的机械电子式直流开关的一种电路框图;
图2是本实用新型的机械电子式直流开关的另一种电路框图;
图3是本实用新型的机械电子式直流开关的再一种电路框图;
图4是本实用新型的机械电子式直流开关的第四种电路框图;
图5是本实用新型的机械电子式直流开关的第五种电路框图;
图6是本实用新型的机械电子式直流开关的第六种电路框图;
图7是本实用新型的机械电子式直流开关的第七种电路框图;
图8是本实用新型的机械电子式直流开关的第八种电路框图;
图9是本实用新型的机械电子式直流开关的第九种电路框图。
具体实施方式
为了更好地理解本实用新型,下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步地描述。
请参阅图1,机械电子式直流开关包括正、负极输入接头1和2、正、负极输出接头3和4、DC单元5、MCU控制单元6、按键开关单元7、主开关单元8、隔离灭弧单元9。DC单元5、MCU控制单元6、按键开关单元7依次连接,DC单元5与正、负极输入接头1及2、负极输出接头4连接。主开关单元8与隔离灭弧单元9并联连接,且其输入端分别与正极输入接头1、DC单元5连接,输出端与正极输出接头3连接。MCU控制单元6还与主开关单元8、隔离灭弧单元9连接,通过检测按键开关单元7的状态控制主开关单元8、隔离灭弧单元9的开通和关断。
上述隔离灭弧单元9由从开关单元901和电子开关单元902构成;从开关单元901、电子开关单元902由MCU控制单元6控制,用于开通和关断直流电路。电子开关单元902主要包括IGBT功率管或MOSFET功率管或NPN功率管,IGBT功率管可以是带续流二极管的IGBT功率管,也可以是不带续流二极管的IGBT功率管。主开关单元8是继电器或接触器;从开关单元901是继电器或接触器;DC单元5是隔离或非隔离电源;按键开关单元7是触点式或开关式开关。
以电子开关单元902主要包括IGBT功率管为例,电子开关单元902包括第一、第二IGBT功率管9021和9022,从开关单元901的一端与正极输入接头1连接,另一端与第一IGBT功率管9021的集电极连接,第一IGBT功率管9021的发射极与第二IGBT功率管9022的发射极连接,第二IGBT功率管9022的集电极与正极输出接头3连接,该第一、第二IGBT功率管9021、9022、从开关单元901由MCU控制单元6控制。
当上电加载时,通过按键开关单元7给MCU控制单元6信号,MCU控制单元6先令隔离灭弧单元9的从开关单元901闭合,再令电子开关单元902导通,最后再令主开关单元8闭合,电路开通。隔离灭弧单元9的从开关单元901闭合时,电路未导通,电路无电流,避免电流过大熔毁触点;而在主开关单元8导通时,由于电路已接通,故触点无冲击,避免电流过大而拉弧熔毁触点问题。
下电卸载时,通过按键开关单元7给MCU控制单元6信号,MCU控制单元6先令主开关单元8先断开,隔离灭弧单元9的电子开关单元902再断开,最后隔离灭弧单元9的从开关单元901断开,整个电路断开。主开关单元8断开时,由于隔离灭弧单元9的从开关单元901及电子开关单元902在导通,故主开关单元8断开时不产生拉弧;随后隔离灭弧单元9的电子开关单元902断开,整个电路已断,电路无电流,此时隔离灭弧单元9的从开关单元901断开也同样不会产生拉弧现象,只起到隔离作用。
上述过程中,隔离灭弧单元9的电子开关单元902仅在上电加载和下电卸载的很短时间承担全部负载,发热量有限,可以不用考虑散热装置。
请参阅图2,其与图1的连接方式基本相同,不同之处体现在隔离灭弧单元9的从开关单元和电子开关单元的连接方式。第一IGBT功率管9021的集电极与正极输入接头1连接,第一IGBT功率管9021的发射极与从开关单元901的一端连接,从开关单元901的另一端与第二IGBT功率管9022的发射极连接,第二IGBT功率管9022的集电极与正极输出接头3连接。该第一、第二IGBT功率管9021、9022、从开关单元901也是由MCU控制单元6控制。该电路图功能与图1相同。
请参阅图3,其与图1的连接方式基本相同,不同之处体现在隔离灭弧单元9的从开关单元和电子开关单元的连接方式。第一IGBT功率管9021的集电极与正极输入接头1连接,第一IGBT功率管9021的发射极与第二IGBT功率管9022的发射极连接,第二IGBT功率管9022的集电极与从开关单元901的一端连接,从开关单元901的另一端与正极输出接头3连接。该第一、第二IGBT功率管9021、9022、从开关单元901也是由MCU控制单元6控制。该电路图功能与图1相同。
请参阅图4,电子开关单元902包括第一、第二IGBT功率管9021、9022、第一、第二二极管9023、9024,第一IGBT功率管9021的集电极、第二IGBT功率管9022的发射极与正极输入接头1连接,第一IGBT功率管9021的发射极与第一二极管9023的阳极连接,第一二极管9023的阴极分别与第二二极管9024的阳极、从开关单元901的一端连接,第二二极管9024的阴极与第二IGBT功率管9022的集电极连接;从开关单元901的另一端与正极输出接头3连接。该第一、第二IGBT功率管9021、9022、从开关单元901也是由MCU控制单元6控制。该电路图功能与图1相同。
请参阅图5,电子开关单元902包括第一、第二IGBT功率管9021、9022、第一、第二二极管9023、9024,从开关单元901的一端与正极输入接头1连接,另一端分别与第一IGBT功率管9021的集电极、第二IGBT功率管9022的发射极连接,第一IGBT功率管9021的发射极与第一二极管9023的阳极连接,第一二极管9023的阴极分别与第二二极管9024的阳极、正极输出接头3连接,第二二极管9024的阴极与第二IGBT功率管9022的集电极连接。该第一、第二IGBT功率管9021、9022、从开关单元901也是由MCU控制单元6控制。该电路图功能与图1相同。
请参阅图6,电子开关单元902包括IGBT功率管9021和由第一、第二、第三、第四二极管9025、9026、9027、9028组成的整流桥,从开关单元901的一端与正极输入接头1连接,另一端分别与第一二极管9025的阴极、第四二极管9028的阳极连接,第一二极管9025的阳极分别与第二二极管9026的阳极、IGBT功率管9021的发射极连接,第二二极管9026的阴极分别与正极输出接头3、第三二极管9027的阳极连接,第三二极管9027的阴极分别与第四二极管9028的阴极、IGBT功率管9021的集电极连接.该IGBT功率管9021、从开关单元901也是由MCU控制单元6控制。该电路图功能与图1相同。
请参阅图7,电子开关单元902包括IGBT功率管9021和由第一、第二、第三、第四二极管9025、9026、9027、9028组成的整流桥,第一二极管9025的阴极、第四二极管9028的阳极与正极输入接头连接,第一二极管9025的阳极分别与第二二极管9026的阳极、IGBT功率管9021的发射极连接,第二二极管9026的阴极分别与从开关单元901的一端、第三二极管9027的阳极连接,第三二极管9027的阴极分别与第四二极管9028的阴极、IGBT功率管9021的集电极连接,从开关单元901的另一端与正极输出接头3连接。该IGBT功率管9021、从开关单元901由MCU控制单元6控制。该电路图功能与图1相同。以上这几种连接电路都可以实现安全消除电弧,同时发热量较小,使正极输入接头和正极输出接头物理隔离,并且与电源的极性无关,大大延长了机械开关的使用寿命。
请参阅图8,电子开关单元902包括IGBT功率管9021和二极管9029;从开关单元901的一端与正极输入接头1连接,另一端与IGBT功率管9021的集电极连接,IGBT功率管9021的发射极与二极管9029的阳极连接,二极管9029的阴极与正极输出接头3连接。该IGBT功率管9021、从开关单元901由MCU控制单元6控制。设计时,也可以变换IGBT功率管9021、二极管9029、从开关单元901的顺序,如图8现在的连接顺序依次是从开关单元901、IGBT功率管9021、二极管9029,可以变换为连接顺序依次是IGBT功率管9021、二极管9029、从开关单元901,或连接顺序依次是从开关单元901、二极管9029、IGBT功率管9021,或连接顺序依次是二极管9029、IGBT功率管9021、从开关单元901,或连接顺序依次是二极管9029、从开关单元901、IGBT功率管9021,或连接顺序依次是IGBT功率管9021、从开关单元901、二极管9029。上述几种连接也可以实现本实用新型。
请参阅图9,电子开关单元902为一IGBT功率管9021;从开关单元901的一端与正极输入接头1连接,另一端与IGBT功率管9021的集电极连接,IGBT功率管9021的发射极与正极输出接头3连接。该IGBT功率管9021、从开关单元901由MCU控制单元6控制。设计时,也可以变换IGBT功率管9021、从开关单元901的顺序,如图9现在的连接顺序依次是从开关单元901、IGBT功率管9021,可以变换为连接顺序依次是IGBT功率管9021、从开关单元901。以上这两种连接电路也可以实现本实用新型。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例,并不用以限制本实用新型,应当指出,对于本领域的普通技术人员来说,凡是在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等,均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种机械电子式直流开关,包括正、负极输入接头、正、负极输出接头、DC单元、MCU控制单元、按键开关单元,所述DC单元、MCU控制单元、按键开关单元依次连接,DC单元与正、负极输入接头、负极输出接头连接;其特征在于,还包括主开关单元、隔离灭弧单元,所述主开关单元与隔离灭弧单元并联连接,且其输入端分别与正极输入接头、DC单元连接,输出端与正极输出接头连接;所述MCU控制单元还与主开关单元、隔离灭弧单元连接,通过检测按键开关单元的状态控制主开关单元、隔离灭弧单元的开通和关断。
2.根据权利要求1所述的机械电子式直流开关,其特征在于,所述隔离灭弧单元由从开关单元和电子开关单元构成,所述从开关单元、电子开关单元由MCU控制单元控制,用于开通和关断直流电路。
3.根据权利要求2所述的机械电子式直流开关,其特征在于,所述电子开关单元至少包括IGBT功率管或MOSFET功率管或NPN功率管;所述主开关单元是继电器或接触器;所述从开关单元是继电器或接触器;所述DC单元是隔离或非隔离电源;所述按键开关单元是触点式或开关式开关。
4.根据权利要求2所述的机械电子式直流开关,其特征在于,所述电子开关单元包括第一、第二IGBT功率管,从开关单元的一端与正极输入接头连接,另一端与第一IGBT功率管的集电极连接,第一IGBT功率管的发射极与第二IGBT功率管的发射极连接,第二IGBT功率管的集电极与正极输出接头连接;所述第一、第二IGBT功率管、从开关单元由所述MCU控制单元控制。
5.根据权利要求2所述的机械电子式直流开关,其特征在于,所述电子开关单元包括第一、第二IGBT功率管,第一IGBT功率管的集电极与正极输入接头连接,第一IGBT功率管的发射极与从开关单元的一端连接,从开关单元的另一端与第二IGBT功率管的发射极连接,第二IGBT功率管的集电极与正极输出接头连接;所述第一、第二IGBT功率管、从开关单元由所述MCU控制单元控制。
6.根据权利要求2所述的机械电子式直流开关,其特征在于,所述电子开关单元包括第一、第二IGBT功率管、第一、第二二极管,第一IGBT功率管的集电极、第二IGBT功率管的发射极与正极输入接头连接,第一IGBT功率管的发射极与第一二极管的阳极连接,第一二极管的阴极分别与第二二极管的阳极、从开关单元的一端连接,第二二极管的阴极与第二IGBT功率管的集电极连接,所述从开关单元的另一端与正极输出接头连接;所述第一、第二IGBT功率管、从开关单元由所述MCU控制单元控制。
7.根据权利要求2所述的机械电子式直流开关,其特征在于,所述电子开关单元包括IGBT功率管和由第一、第二、第三、第四二极管组成的整流桥,从开关单元的一端与正极输入接头连接,另一端分别与第一二极管的阴极、第四二极管的阳极连接,第一二极管的阳极分别与第二二极管的阳极、IGBT功率管的发射极连接,第二二极管的阴极分别与正极输出接头、第三二极管的阳极连接,第三二极管的阴极分别与第四二极管的阴极、IGBT功率管的集电极连接;所述IGBT功率管、从开关单元由所述MCU控制单元控制。
8.根据权利要求2所述的机械电子式直流开关,其特征在于,所述电子开关单元包括IGBT功率管和二极管;所述从开关单元的一端与正极输入接头连接,另一端与所述IGBT功率管的集电极连接,IGBT功率管的发射极与所述二极管的阳极连接,二极管的阴极与正极输出接头连接;所述IGBT功率管、从开关单元由MCU控制单元控制。
9.根据权利要求2所述的机械电子式直流开关,其特征在于,所述电子开关单元是一IGBT功率管;所述从开关单元的一端与正极输入接头连接,另一端与所述IGBT功率管的集电极连接,IGBT功率管的发射极与正极输出接头连接;所述IGBT功率管、从开关单元由MCU控制单元控制。
10.根据权利要求3-9任意一项所述的机械电子式直流开关,其特征在于,所述IGBT功率管是带续流二极管的IGBT功率管,或是不带续流二极管的IGBT功率管。
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