CN203799201U - 电源控制装置 - Google Patents

Abstract

一种电源控制装置包括开关模块、检测模块与控制模块。开关模块连接于输入模块与电源供应端口之间，并具有电磁式继电器、固态式继电器、三端双向控制硅开关与保护单元。检测模块检测电源供应端口的负载功率值。控制模块分别连接于开关模块及检测模块，并根据负载功率值来指示开关模块的导通状态，以及于交流电压进入第一零交点之前致能电磁式继电器，使得电磁式继电器、固态式继电器、三端双向控制硅开关与保护单元于电压零交点的时点同时导通。因此，本实用新型是藉由并联各开关电路与时序的计算来防止电磁式继电器在导通的瞬间产生电弧。

Description

电源控制装置

技术领域

本实用新型是关于一种电源控制装置，特别的是一种防止继电器产生电弧的电源控制装置。

背景技术

在现代生活中，电器的使用已经相当普及，人们对于电器的需求也日益增加，许多家庭或办公场所会为了增加电器的使用而添购电力延长线，更有些人会为了兼顾省电与用电安全而选择了智能型电力延长线，此智能型电力延长线通常会具有智慧开关，智慧开关可以在用电过度或负载过大时自动关闭或接受控制而进行导通切换。

以目前的技术而言，智慧开关的作动组件基本上是由继电器所组成，其中又以电磁式继电器最为普遍，电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁与触点电极等组成。在使用时只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，此时衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服弹簧的拉力而吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点电极与静触点电极的吸合；当线圈断电后，电磁效应所产生的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力下返回原来的位置，使动触点电极与原来的静触点电极接触，这样的吸合与释放动作，便达到了在电路中的导通与切断的目的。

然而，于电磁式继电器的动触点电极与静触点电极释放与吸合的瞬间，由于在这个瞬间中动触点电极与静触点电极之间的距离甚小，往往会造成极大的反电势，此时动触点电极与静触点电极之间便很容易产生电弧(Arc)，电弧是一种气体放电现象，即电流通过某些绝缘介质(例如空气)时所产生的瞬间火花，当电磁式继电器的两触点电极间跳火花，便会造成电极表面积碳，进而导致两触点电极间的接触不良。

因此，是否有一种电源控制装置，能够在电磁式继电器导通的瞬间，藉由其它保护电路来防止电弧的产生，不仅保持电磁式继电器的使用寿命，也提升了居家或办公的用电安全。

实用新型内容

依据上述的需求，本实用新型提出一种电源控制装置，是包括一开关模块、一检测模块与一控制模块。开关模块电性连接于一输入模块与一电源供应端口之间，以自输入模块接收一交流电压，以及传送交流电压至电源供应端口。检测模块电性连接于输入模块的另一端与电源供应端口的另一端之间，以检测电源供应端口的一负载功率值。控制模块是分别电性连接于开关模块及检测模块，并根据检测模块所检测到的负载功率值来切换开关模块的状态，其中控制模块是于交流电压进入一第一零交点之前致能开关模块。

于一实施例，所述控制模块是于所述交流电压进入一第一零交点之前致能所述开关模块。

于一实施例，所述开关模块包括：

一第一开关单元，是电性连接于所述输入模块与所述电源供应端口之间，并电性连接于所述控制模块，所述第一开关单元具有一启动状态及一跳转状态；

一第二开关驱动单元，是电性连接于所述输入模块，且与所述第一开关单元互相并联，并电性连接于所述控制模块；

一第二开关单元，是分别电性连接于所述输入模块与所述

第二开关驱动单元；以及

一保护单元，是电性连接于所述第二开关单元与所述电源供应端口之间，并电性连接于所述控制模块与所述第一开关单元，以输出一紧急讯号至所述控制模块与所述第一开关单元。

其中，所述第二开关驱动单元、所述第二开关单元与所述保护单元是连动的，当所述第二开关驱动单元被所述控制模块致能时，所述第二开关单元与所述保护单元也会导通。

于一实施例，所述第一开关单元是一电磁式继电器，所述第二开关单元是一个三端双向可控硅开关。

于一实施例，所述第一开关单元是于一第一零交点的时点自所述启动状态进入所述跳转状态。

于一实施例，所述第二开关驱动单元、所述第二开关单元与所述保护单元是于所述第一零交点的时点导通。

于一实施例，所述第二开关驱动单元、所述第二开关单元与所述保护单元是于所述交流电压进入所述第一开关单元的所述跳转状态结束后的一第二零交点时停止导通。

于一实施例，所述控制模块是于所述负载功率值在一预设时间中持续小于一过载阀值，且所述第一开关单元导通，而所述第二开关单元不导通时，导通所述第二开关驱动单元、所述第二开关单元及所述保护单元，并使得所述第一开关单元不导通。

于一实施例，所述保护单元是于所述负载功率值大于所述过载阀值，且所述第二开关单元导通，而所述第一开关单元不导通时产生所述紧急讯号。

因此，相较于现有的电源控制装置及电源保护方法，本实用新型的电源控制装置可以藉由时序的计算来使得电磁式继电器、固态式继电器、三端双向控制硅开关与保护单元于电压零交点时同时导通，并使得固态式继电器、三端双向控制硅开关与保护单元在电磁式继电器进入跳转状态时分担负载，以降低电磁式继电器两端的电位差，不仅保持电磁式继电器的使用寿命，也增加居家用电安全。

附图说明

图1为本实用新型的电源控制装置的模块示意图。

图2为本实用新型的电源控制装置的开关模块的模块示意图。

图3为本实用新型的保护规则的流程图。

图4为本实用新型的电源保护方法的流程图。

【主要组件符号说明】

1   电源控制装置

10  输入模块

12  电源供应端口

14  检测模块

16  开关模块

18  控制模块

160 第一开关单元

162 第二开关驱动单元

164 第二开关单元

166 保护单元

具体实施方式

请参考图1至图3，图1为本实用新型的电源控制装置的模块示意图，图2为本实用新型的电源控制装置的开关模块的模块示意图，图3为本实用新型的保护规则的流程图。如图所示，本实用新型的电源控制装置1可以是一电源延长装置，其具有一输入模块10与一电源供应端口12，并包括有一检测模块14、一开关模块16及一控制模块18。

输入模块10可以是电源延长装置的插头，其连接于一市电供应装置以接收并提供一交流电压至电源控制装置1，电源控制装置1则藉由电源供应端口12将交流电压传输到一电子设备(例如：电器)；检测模块14是连接于输入模块10的一端与电源供应端口12的一端之间，并连接于控制模块18，以检测电源供应端口12的负载，以及将检测的结果输出至控制模块18；开关模块16是连接于输入模块10的另一端与电源供应端口12的另一端之间，并连接于控制模块18，以根据控制模块18的指示来切换导通状态。

检测模块14连接于电源供应端口12与输入模块10之间，以检测电源供应端口12的负载，当使用者将一电器的插头插入(Plug-in)电源供应端口12时，检测模块14便会检测到电源供应端口12有一负载需求，并检测此电器所需的功率，以及依检测结果产生一负载功率值，其中，负载功率值可以包括有一电压值、一电流值以及一电功率值。

请配合参考图2，开关模块16包括有一第一开关单元160、一第二开关驱动单元162、一第二开关单元164及一保护单元166，第一开关单元160是一端连接于输入模块10，另一端连接于电源供应端口12，第二开关单元164是与第一开关单元160并联，并透过第二开关驱动单元162连接于控制模块18，保护单元166是连接于第二开关单元164与电源供应端口12之间，第二开关驱动单元162与第二开关单元164的组合可以被视为一固态式继电器(Solid state Relay,SSR)，且第二开关驱动单元162、第二开关单元164与保护单元166是连动的，也就是当第二开关驱动单元162被控制模块18致能时，第二开关单元164与保护单元166也会被致能，因此第二开关驱动单元162也可以被视为固态式继电器的驱动单元。可以理解的是，开关模块16具有两种输电通道，一个是透过第一开关单元160来自输入模块10接收交流电压并传输交流电压至电源供应端口12，另一个是藉由第二开关驱动单元162，经第二开关单元164与保护单元166来自输入模块10接收交流电压并传输交流电压至电源供应端口12，也就是说，开关模块16可以藉由第一开关单元160及第二开关单元164的导通切换来改变其导通状态。

控制模块18具有一检测接脚及多个控制接脚，并根据一保护规则来指示开关模块16的导通状态，检测接脚连接于检测模块14，以自检测模块14持续地读取负载功率值；各控制接脚分别连接于开关模块16的第一开关单元160及第二开关驱动单元162，并藉由指示第一开关单元160与第二开关驱动单元162的切换导通来控制开关模块16的电力输出，也就是可以控制第一开关单元160与第二开关单元164的导通时间与顺序，另外，控制模块18连接于第一开关单元160的控制接脚另连接于保护单元166，以及控制模块18连接于第二开关驱动单元162的控制接脚也另连接于保护单元166。

于本实施例中，第一开关单元160是一电磁式继电器(Electromechanical Relay,EMR)，其具有一启动状态及一跳转状态，当控制模块18致能(enable)第一开关单元160时，由于电磁式继电器的导通过程必须经过一开启延迟时间(RelayON-delay time)才能进入跳转状态并完成导通，因此于开启延迟时间中，第一开关单元160是处于启动状态，并在开启延迟时间结束后进入跳转状态，也就是进入一导通跳转时间(Relay ONContact Bouncing time)，以及待导通跳转时间结束，也就是跳转状态结束之后，电磁式继电器才会进入稳定的导通状态。另外，在控制模块18禁能(disable)电磁式继电器时，也必须经过一关闭延迟时间(Relay OFF-delay time)，此时电磁式继电器则进入一关闭状态，并待关闭延迟时间过后，也就是关闭状态结束之后，才能使电磁式继电器不导通。当然，上述的各种延迟时间、跳转时间与关闭时间的长短皆会因为各种电磁式继电器彼此的不同而有所差异，因此，一般来说，控制模块18会预先储存有装置中所装设的各电磁式继电器的开启延迟时间、导通跳转时间与关闭延迟时间，以提供致能时间与禁能时间点的计算。

第二开关单元164是相对于第一开关单元160，具有较快的反应速度的特性，其可以在微秒级之内开通与关断，例如一个三端双向可控硅开关(Triac)，可以理解的是，当控制模块18致能第二开关驱动单元162时，第二开关单元164几乎可以于第二开关驱动单元162被致能的同时完成导通。

要说明的是，前述包括有第二开关驱动单元162与第二开关单元164的固态式继电器是具有驱动时所需消耗功率小与开关速度快的特性，不过，固态式继电器虽具有导通快与低耗能的特性，但却对大电流负载时所产生的温度变化十分敏感，因此无法稳定地承受大功率输出，而第一开关单元160(电磁式继电器)对温度变化相对影响较小，因此能够承受较大电流的负载。据此，于本实施例中，控制模块可以藉由第一开关单元160与第二开关单元164之间的导通切换，让开关模块16的负载得以在一高功率模式与一低耗能模式之间运作，达到高效率与节能互相搭配切换的效果。

进一步的，上述的低耗能模式是定义为当第二开关单元164导通而第一开关单元160不导通的时候，一般来说，固态式继电器会具有一过载阀值，因此，当前述的负载功率值大于过载阀值时，就应该要禁能第二开关单元164，以避免固态式继电器因为过大的负载而过热损毁，而高功率模式则定义为当第一开关单元160导通而第二开关单元164不导通的时候，当负载功率值小于过载阀值时，则可以固态式继电器代替第一开关单元160来进行导通，也就是以第二开关驱动单元162与第二开关单元164来代替第一开关单元160，进而降低能源的消耗。

保护单元166即为保护电路，其可以包括有至少一电阻、一开关与一正反器(未于图中表示)，于本实施例中，保护单元166是串接于第二开关单元164与电源供应端口12之间，并以正反器(例如：一延迟触发器(D Flip-Flop,DFF)或其它型态正反器)连接于控制模块18与第一开关单元160，以输出一紧急讯号至控制模块18与第一开关单元160。

可以理解的是，由于第二开关驱动单元162、第二开关单元164与保护单元166几乎可以在瞬间同步被致能，因此当控制模块18切换开关模块16为低耗能模式时，是不必保留导通前的延迟时间。另外，本实施例的保护单元166是在所输入的交流电压小于过载阀值时不会有任何输出，反之，一旦所输入的交流电压超过过载阀值时便会被导通，并以正反器输出紧急讯号至控制模块18与第一开关单元160，以迅速的致能第一开关单元160，并让控制模块18得知第一开关单元160已经被致能，也就是开关模块16应该要自低耗能模式转换至高效率模式，此时控制模块18便会在第一开关单元160的跳转状态结束之后禁能第二开关驱动单元162，进而禁能了第二开关单元164与保护单元166。

请配合参考图3，一般来说，电源控制装置1会另具有一手动开关，以提供使用者以手动的方式来控制输入模块10与市电供应装置之间的开路或短路，而当输入模块10与市电供应装置之间短路时，电源控制装置1的电源供应端口12可能已经连接于电器而立即会需要电力的输出，甚至可能会直接有高电流导通的需求(例如：连接于冰箱、烤箱或未关闭开关的吹风机)，因此，为了避免包括有第二开关驱动单元162与第二开关单元164的固态式继电器瞬间承受过大的负载，本实用新型的控制模块18是于输入模块10与市电供应装置之间短路时，依保护规则来指示开关模块16的导通状态，保护规则包括步骤S20于交流电压进入一第一零交点(voltage zero crossing)之前致能开关模块的第一开关单元，使得第一开关单元160恰于第一零交点的时点自启动状态进入跳转状态，并且S21于第一零交点致能第二开关驱动单元，使得第二开关单元与保护单元同时导通。

可以理解的是，为了避免当第一开关单元160自启动状态进入跳转状态的瞬间，由于第一开关单元160两端的电位差过大而产生电弧(Arc)破坏第一开关单元160的接触面，且由于第一开关单元160(电磁式继电器)驱动时间较长，而第二开关驱动单元162与第二开关单元164(三端双向可控硅开关)驱动时间极短，因此根据上述的保护规则，本实用新型的控制模块18便能于第一开关单元160的开启状态结束，也就是第一开关单元160将要进入跳转状态的同时依步骤S21来致能第二开关单元164，如此方能同时导通电磁式继电器、固态式继电器与保护电路，以避免第一开关单元160受电弧的影响而耗损，当第一开关单元160在进入跳转状态时，便会因为第二开关单元164的分压而使得第一开关单元160两端的电位差甚小，以至于无法产生电弧，进而延长了第一开关单元160的使用寿命。

接着，待第一开关单元160的跳转状态结束，也就是电磁式继电器稳定导通后，本实用新型的控制模块18便会根据步骤S22于交流电压进入一第二零交点前禁能第二开关驱动单元，并使得第二开关单元与保护单元同时不导通，即保持电磁式继电器的导通，而在第二零交点的时点同时让第二开关驱动单元162、第二开关单元164与保护单元166不导通，使得开关模块16在第一开关单元160稳定的导通后由第一开关单元160来接收与传导交流电压，此时开关模块16即处于高功率模式。

然而，在高功率模式下，也有可能不再需要高功率的输出，甚至是电源供应端口12并未连接于电器，因此需要将开关模块16自高功率模式切换至低耗能模式，以节省电能的消耗，则保护规则另包括S23自检测模块读取负载功率值，并比较负载功率值与一过载阀值，若负载功率值于一预设时间中持续小于过载阀值，则依步骤S24致能第二开关驱动单元，使得第二开关单元与保护单元连动导通，并禁能第一开关单元，即让开关模块16自高功率模式切换至低耗能模式，另外，若负载功率值未于预设时间中持续小于过载阀值，则根据步骤S25维持第一开关单元导通，且第二开关驱动单元、第二开关单元与保护单元不导通。

接着，在低耗能模式下，随着电器的运作，电器所产生的负载功率值也有可能突然大于过载阀值，若无法在短时间内就将开关模块16自低耗能模式切换至高功率模式，则如此突波或高负载便有可能导致第二开关单元164(三端双向可控硅开关)受损，因此，本实用新型是藉由保护单元166来快速致能第一开关单元160，即节省了控制模块18读取负载功率值、比较大小与输出的时间，可以理解的是，当开关模块16为低耗能模式时，第二开关驱动单元162、第二开关单元164与保护单元166都是导通的，如此一来，当有突波进入开关模块16时，保护单元166便会被驱动，使得正反器输出前述的紧急讯号至第一开关单元160，以快速致能第一开关单元160，而控制模块18也会接收到此紧急讯号，也就是说，当控制模块18接收到紧急讯号时，即表示开关模块16的导通模式应该要被切换，且第一开关单元160已经被致能，据此，前述的保护规则另包括步骤S26待第一开关单元的跳转状态结束后，禁能第二开关驱动单元，并使得第二开关单元与保护单元同时不导通。如此便完成了高功率模式与低耗能模式之间的切换。

举例来说，如果使用者所插入的电器是为一吹风机，而吹风机的开关在插入时正好是开启(ON)状态(即插电后直接导通加热及运转)，且吹风机在运转时的负载功率值为800瓦(Watt,W)、本实用新型的过载阀值设定为150W，则在本实用新型的电源控制装置1被使用者开启的同时，控制模块18便会依步骤S20来开始致能第一开关单元160，并依步骤S21来使得第一开关单元160、第二开关驱动单元162、第二开关单元164与保护单元166同时导通，以及依步骤S22来禁能第二开关单元164，使得开关模块16的初始模式是处于高功率模式，避免第二开关单元164承受过大的过载。

接着，在高功率模式下，若此时使用者将吹风机的开关关闭，使得吹风机为关闭(OFF)状态，则此时吹风机所需消耗负载功率直为0，又本实施例设定前述的预设时间为3分钟，如果此时控制模块18于3分钟内持续比较出自检测模块14所读取的负载功率值小于过载阀值，则本实用新型的控制模块18便会根据步骤S24来切换开关模块16为低耗能模式，以节省不必要的额外用电。

当然，如果负载功率值并未在3分钟内持续小于过载阀值，也就是使用者可能在这3分钟内又开启了吹风机，则控制模块18不会改变开关模块16的状态，且会在负载功率值大于过载阀值时重新开始计算预设时间，并持续比较负载功率值与过载阀值。

再者，假设目前开关模块16已经是低耗能模式，也就是吹风机已经超过3分钟没有被开启，这时若使用者在低耗能模式下开启吹风机，则吹风机的功耗便会瞬间回到应有的800W，此时，本实用新型的保护单元166便会直接致能第一开关单元160，而不会由控制模块18来开启，要说明的是，由于此时第二开关驱动单元162、第二开关单元164与保护单元166皆还处于导通状态，因此，当第一开关单元160于这次的导通过程中自启动状态进入跳转状态时，第一开关单元160也会因为第二开关驱动单元162、第二开关单元164与保护单元166的分压而不至于产生电弧。接着，控制模块18会在接收到前述的紧急讯号后依步骤S26来禁能第二开关驱动单元162，并使得第二开关单元164与保护单元166同时不导通，以完成导通模式的切换，如此便能缩短自低耗能模式切换至高功率模式的时间，避免突然的过载需求造成第二开关单元164的损坏。

当然，在使用者使用吹风机时，本实用新型的控制模块18还是会持续读取负载功率值，并待使用者使用完吹风机，再次将吹风机关闭后3分钟，控制模块18便会确认负载功率值在预设时间中持续低于过载阀值，并根据前述的步骤S24来设定开关模块16为低耗能模式，依此类推来切换开关模块16的导通。

请参考图4，图4为本实用新型的电源保护方法的流程图。本实用新型的电源保护方法是可以应用于前述的电源控制装置1，电源保护方法包括S30并联固态式继电器、三端双向可控硅开关与保护电路于电磁式继电器，固态式继电器、三端双向可控硅开关与保护电路是互相串联、S31自输入模块接收一交流电压、S32于交流电压的第一零交点之前致能电磁式继电器，使得电磁式继电器于第一零交点的时点自启动状态进入跳转状态、S33于第一零交点的时点致能固态式继电器，进而使三端双向可控硅开关与保护电路导通以及S34在电磁式继电器的跳转状态结束后，于交流电压进入一第二零交点前禁能固态式继电器，进而使三端双向可控硅开关与保护电路不导通，其特征在于，第二零交点是交流电压的第一零交点的下一电压零交点，此时，前述的开关模块16便会处于高效率模式。

接着，S35于高功率模式下，确认负载功率值于一时间区间中持续小于过载阀值，其特征在于，负载功率值是经由检测模块14检测电源供应端口12而得知的，若负载功率值于时间区间中持续小于过载阀值，且开关模块16是为高功率模式，即电磁式继电器导通而固态式继电器未导通，根据步骤S36致能固态式继电器，使得三端双向可控硅开关与保护电路连动导通，并禁能电磁式继电器，让开关模块16处于低耗能模式。

反之，若负载功率值未于时间区间中持续小于过载阀值，则不会对开关模块16进行模式的改变，即维持开关模块16于高功率模式中。

再者，根据步骤S37于低耗能模式下，确认负载功率值大于过载阀值，即固态式继电器导通而电磁式继电器未导通时，若来自于电源供应端口12的负载功率值随时大于过载阀值，则根据步骤S38藉由保护电路致能电磁式继电器，并待电磁式继电器的跳转状态结束后根据步骤S39禁能固态式继电器，使得三端双向可控硅开关与保护电路连动不导通，如此便能使开关模块16自低耗能模式切换为高效率模式。

因此，相较于现有的电源控制装置，本实用新型的电源控制装置可以藉由时序的计算来使得电磁式继电器、固态式继电器、三端双向控制硅开关与保护单元于电压零交点时同时导通，并使得固态式继电器、三端双向控制硅开关与保护单元在电磁式继电器进入跳转状态时分担负载，以降低电磁式继电器两端的电位差，不仅保持电磁式继电器的使用寿命，也增加居家用电安全。

Claims (9)

1.一种电源控制装置，包括：

一开关模块，电性连接于一输入模块与一电源供应端口之间，以自所述输入模块接收一交流电压，以及传送所述交流电压至所述电源供应端口；

一检测模块，电性连接于所述输入模块的另一端与所述电源供应端口的另一端之间，以检测所述电源供应端口的一负载功率值；以及

一控制模块，是分别电性连接于所述开关模块及所述检测模块，并根据所述检测模块所检测到的所述负载功率值来切换所述开关模块的状态。

2.如权利要求1所述的电源控制装置，其特征在于，所述控制模块是于所述交流电压进入一第一零交点之前致能所述开关模块。

3.如权利要求1所述的电源控制装置，其特征在于，所述开关模块包括：

一第一开关单元，是电性连接于所述输入模块与所述电源供应端口之间，并电性连接于所述控制模块，所述第一开关单元具有一启动状态及一跳转状态；一第二开关驱动单元，是电性连接于所述输入模块，且与所述第一开关单元互相并联，并电性连接于所述控制模块；一第二开关单元，是分别电性连接于所述输入模块与所述第二开关驱动单元；以及

一保护单元，是电性连接于所述第二开关单元与所述电源供应端口之间，并电性连接于所述控制模块与所述第一开关单元，以输出一紧急讯号至所述控制模块与所述第一开关单元；其中，所述第二开关驱动单元、所述第二开关单元与所述保护单元是连动的，当所述第二开关驱动单元被所述控制模块致能时，所述第二开关单元与所述保护单元也会导通。

4.如权利要求3所述的电源控制装置，其特征在于，所述第一开关单元是一电磁式继电器，所述第二开关单元是一个三端双向可控硅开关。

5.如权利要求3所述的电源控制装置，其特征在于，所述第一开关单元是于一第一零交点的时点自所述启动状态进入所述跳转状态。

6.如权利要求5所述的电源控制装置，其特征在于，所述第二开关驱动单元、所述第二开关单元与所述保护单元是于所述第一零交点的时点导通。

7.如权利要求6所述的电源控制装置，其特征在于，所述第二开关驱动单元、所述第二开关单元与所述保护单元是于所述交流电压进入所述第一开关单元的所述跳转状态结束后的一第二零交点时停止导通。

8.如权利要求7所述的电源控制装置，其特征在于，所述控制模块是于所述负载功率值在一预设时间中持续小于一过载阀值，且所述第一开关单元导通，而所述第二开关单元不导通时，导通所述第二开关驱动单元、所述第二开关单元及所述保护单元，并使得所述第一开关单元不导通。

9.如权利要求8所述的电源控制装置，其特征在于，所述保护单元是于所述负载功率值大于所述过载阀值，且所述第二开关单元导通，而所述第一开关单元不导通时产生所述紧急讯号。