CN204732954U - 双电源转换开关、双电源供电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双电源转换开关。本实用新型针对现有技术所存在的无法精确控制电源转换速度的问题，利用桥式开关电路为电磁铁提供驱动电流，当桥式开关电路导通时，储能电容通过电磁铁放电，电流迅速上升产生电磁力驱动双电源开关快速转换；当桥式开关电路关断后，电磁铁中的电流在储能电容C的反向电势及回路等效电阻消耗的作用下，电磁力很快消失，从而实现对转换速度的精确控制。本实用新型还公开了一种双电源供电装置。相比现有技术，本实用新型既可以实现双电源快速转换，又能防止转换速度不能精确控制而导致的两路电源短路风险；同时还具有机械式开关所固有的使用寿命长、制造成本低的优点，具有较高的应用价值。

Description

双电源转换开关、双电源供电装置

技术领域

本实用新型涉及一种双电源转换开关，属于低压电气技术领域。

背景技术

在工业、医疗、商业等很多领域有许多对供电连续性敏感的负载，此类负载对于供电的连续性有着很高的要求，一旦中间断电超过一定时间，就会引起严重的后果，造成很大的损失。为了保证对此类负载的持续供电，最常见的方法是采用双电源转换开关进行主、备两路电源的转换。但是，传统的机械式开关转换时间最快也要几十ms，无法满足一些对供电持续性要求更高的负载（例如金属卤素灯）的要求。半导体开关虽然能够进行快速地双电源切换，但是在切入备用电源过程中会产生很大的冲击电流，可能威胁到半导体开关的安全，安全可靠性较差，同时半导体开关的寿命也较短，成本较高。

为此，一些厂商提出了一些方法以提高采用机械式开关的双电源转换开关的切换速度，图1即显示了一种现有方案。在图1的方案中由一个功率器件T实现对电磁铁的控制，电磁铁产生的磁力驱动转换机构（如触头系统）动作从而实现电源转换。为了提高双电源的转换速度，往往提高储能电容C的电压，从而使电磁铁中的电流在功率器件T开通后迅速上升，但在功率器件T关闭后，电磁铁中的电流并不能很快变为0，而是通过续流二极管D续流，续流电流按照由电磁铁线圈电感和回路总等效电阻决定的时间常数的指数规律缓慢减小，续流电流在电磁铁中产生的电磁力会继续驱动双电源转换机构加速动作，因此该方案无法通过功率器件的开通时间来对电源转换速度进行准确控制。这样就可能带来严重的安全问题：如果当触头分断所产生的电弧尚未消失，而触头已与另一路电源导通，则会使两路电源短路，从而对系统的安全性产生十分不利的影响。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种能够同时具有较快转换速度和较高安全可靠性的双电源转换开关。

本实用新型所采用的技术方案具体如下：

一种双电源转换开关，包括用于双电源转换开关进行转换的转换机构、用于驱动转换机构进行动作的驱动单元，所述驱动单元包括储能电容、电磁铁以及连接于储能电容和电磁铁之间的开关电路、用于对开关电路进行控制的控制单元；所述开关电路为桥式开关电路。

优选方案之一、所述开关电路为半桥式开关电路，包括两个全控型功率开关管：第一功率开关管、第二功率开关管，以及两个续流二极管：第一续流二极管、第二续流二极管；所述储能电容的正极与第一功率开关管的集电极和第二续流二极管的阴极相连，储能电容的负极与第二功率开关管的发射极和第一续流二极管的阳极相连，所述电磁铁的一端与第一功率开关管的发射极和第一续流二极管的阴极相连，电磁铁的另一端与第二功率开关管的集电极和第二续流二极管的阳极相连，所述控制单元分别与第一功率开关管、第二功率开关管的门极相连。

优选方案之二、所述开关电路为全桥式开关电路，包括四个全控型功率开关管：第一～第四功率开关管；所述储能电容的正极与第一功率开关管的集电极和第四功率开关管的集电极相连，储能电容的负极与第二功率开关管的发射极和第三功率开关管的发射极相连，所述电磁铁的一端与第一功率开关管的发射极和第三功率开关管的集电极相连，电磁铁的另一端与第二功率开关管的集电极和第四功率开关管的发射极相连，所述控制单元与分别与第一～第四功率开关管的门极相连。

上述全控型功率开关管可以是IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管），也可以是MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, 金属-氧化物半导体场效应晶体管）。

由于采用了桥式开关电路，因此可以采用成熟的PWM方法来对该双电源转换开关进行更精确地控制，以下为两种优选的控制方法：

第一种优选控制方法：在进行电源转换时，控制单元利用PWM方法对所述桥式开关电路进行控制，从而控制所述电磁铁所通过电流的大小，进而实现对所述双电源转换开关转换速度的控制。

第二种优选控制方法：在非电源转换时刻，控制单元使用预设的PWM控制信号对所述桥式开关电路进行控制，使得通过所述电磁铁的电流大于0但小于电磁铁驱动所述转换机构动作所需的最小电流。

上述两种优选控制方法也可以结合使用。

一种双电源供电装置，包括以上任一技术方案所述双电源转换开关。

相比现有技术，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型利用桥式开关电路为电磁铁提供驱动电流，当桥式开关电路导通时，储能电容通过电磁铁放电，电流迅速上升产生电磁力驱动双电源开关快速转换；当桥式开关电路关断后，电磁铁中的电流在储能电容C的反向电势及回路等效电阻消耗的作用下会很快衰减到0，电磁力很快消失，从而实现对转换速度的精确控制。利用本实用新型，既可以实现双电源快速转换，又能防止转换速度不能精确控制而导致的两路电源短路风险，保证了系统的可靠性。

附图说明

图1为一种现有双电源转换开关的结构原理示意图；

图2为采用半桥开关电路的双电源转换开关的结构原理示意图；

图3为采用全桥开关电路的双电源转换开关的结构原理示意图；

图4为对本实用新型双电源转换开关进行预励磁控制的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案进行详细说明：

本实用新型针对现有技术所存在的无法精确控制电源转换速度的问题，利用桥式开关电路为电磁铁提供驱动电流，当桥式开关电路导通时，储能电容通过电磁铁放电，电流迅速上升产生电磁力驱动双电源开关快速转换；当桥式开关电路关断后，电磁铁中的电流在储能电容C的反向电势及回路等效电阻消耗的作用下会很快衰减到0，电磁力很快消失，从而实现对转换速度的精确控制。

本实用新型的桥式开关电路既可采用半桥的形式，也可采用全桥形式。下面分别对这两种实现方式进行详细说明。

图2显示了采用半桥开关电路的双电源转换开关的基本结构。如图2所示，该双电源转换开关（如专利号为201420811583.1中所述的自动转换开关）包括用于双电源转换开关进行转换的转换机构（如专利号为201420811583.1中所述的传动机构）、用于驱动转换机构进行电源转换的驱动单元，所述驱动单元包括储能电容C、电磁铁L（如专利号为201420811583.1中所述的电磁装置，其线圈部分接入驱动单元）以及连接于储能电容C和电磁铁L之间的开关电路、用于对开关电路进行控制的控制单元。该方案中的开关电路为半桥开关电路，如图2所示，其包括2个全控型功率开关管T1、T2和2个续流二极管D1、D2；储能电容C的正极与功率开关管T1的集电极和二极管D2的阴极相连；储能电容C的负极与功率开关管T2的发射极和二极管D1的阳极相连；电磁铁L的一端与功率开关管T1的发射极和二极管D1的阴极相连；电磁铁L的另一端与功率开关管T2的集电极和二极管D2的阳极相连；控制单元与分别与各功率开关管的门极相连。

正常状态下，控制单元控制全控型功率开关管T1、T2的门极为低电平，则所有全控型功率开关管全部关闭，此时电磁铁不产生电磁力，双电源开关不转换；当主电源发生故障或主电源恢复正常等情况出现，需要双电源开关进行电源转换时，控制单元控制全控型功率开关管T1、T2的门极为高电平，全控型功率开关管T1与T2开通，储能电容C通过全控型功率开关管T1、T2对电磁铁放电，电流迅速上升，电磁铁迅速产生电磁力驱动转换机构中的触头快速斥开；到达预设时间后，控制单元关闭全控型功率开关管T1、T2，电流通过储能电容C与续流二极管D1、D2续流，电磁铁中的电流在储能电容C的反向电势及回路等效电阻消耗的作用下，迅速衰减到0，电磁铁停止对转换机构的驱动，转换机构中的触头仅在惯性的作用下继续运动。这样即可通过开关管T1、T2的开通时间实现对转换速度的精确控制，从而避免转换速度不可控所导致的两路电源短路风险。

图3显示了采用全桥开关电路的双电源转换开关的基本结构。如图3所示，所述全桥开关电路包括4个全控型功率开关管T1、T2、T3、T4；储能电容C的正极与全控型功率开关管T1的集电极和全控型功率开关管T4的集电极相连；储能电容C的负极与全控型功率开关管T2的发射极和全控型功率开关管T3的发射极相连；电磁铁L的一端与全控型功率开关管T1的发射极和全控型功率开关管T3的集电极相连；电磁铁L的另一端与全控型功率开关管T2的集电极和全控型功率开关管T4的发射极相连；控制单元分别与各全控型功率开关管的门极相连。

正常状态下，控制单元控制全控型功率开关管T1、T2、T3、T4的门极均为低电平，则所有全控型功率开关管全部关闭，此时电磁铁不产生电磁力，双电源开关不转换；当主电源发生故障或主电源恢复正常等情况出现，需要双电源开关进行电源转换时，控制单元控制全控型功率开关管T1、T2（或者功率开关管T3、T4）的门极为高电平，全控型功率开关管T1与T2（或者功率开关管T3、T4）开通，储能电容C通过功率开关管T1、T2（或者功率开关管T3、T4）对电磁铁放电，电流迅速上升，电磁铁迅速产生电磁力驱动转换机构中的触头快速斥开。短时间后，关闭功率开关管T1、T2（或者功率开关管T3、T4），电流通过储能电容C与全控型功率开关管T3、T4（或者功率开关管T1、T2）中的续流二极管续流，电磁铁中的电流在储能电容C的反向电势及回路等效电阻消耗的作用下，迅速衰减到0，电磁铁停止对转换机构中的驱动，转换机构中仅在惯性的作用下继续运动。这样即可通过开关管T1、T2（或者功率开关管T3、T4）的开通时间实现对转换速度的精确控制，从而避免转换速度不可控所导致的两路电源短路风险。

所述全控型功率开关管可以采用IGBT或MOSFET。

由于本实用新型双电源开关采用了桥式开关电路，因此可以采用成熟的PWM方法来对该双电源转换开关进行更精确地控制，以下为两种优选的控制方法：

第一种优选控制方法：在进行电源转换时，控制单元利用PWM方法对所述桥式开关电路进行控制，从而控制所述电磁铁所通过电流的大小，进而实现对所述双电源转换开关转换速度的控制。可根据实际情况预先在控制单元中设定合适的PWM控制信号，不同的PWM控制信号对应于电磁铁不同大小的电磁力以及不同大小的开关转换速度；当进行电源转换时，控制单元向桥式开关电路输入相应的PWM控制信号，双电源转换开关即可按照该PWM控制信号所对应的速度进行电源转换。

特别的，在进行双电源转换时，控制单元对桥式开关电路进行控制，使得电磁铁中的电流以最快速度增大（以图2为例，即控制单元控制全控型功率开关管T1、T2的门极为高电平，全控型功率开关管T1与T2开通，储能电容C通过全控型功率开关管T1、T2对电磁铁放电，电流迅速上升），并在达到预设的时间T时，控制单元对开关电路进行控制，使得电磁铁中的电流以最快速度衰减（以图2为例，即控制单元关闭全控型功率开关管T1、T2，电流通过储能电容C与续流二极管D1、D2续流，电磁铁中的电流在储能电容C的反向电势及回路等效电阻消耗的作用下，迅速衰减到0）。

第二种优选控制方法：在非电源转换时刻，控制单元使用预设的PWM控制信号对所述桥式开关电路进行控制，使得通过所述电磁铁的电流大于0但小于电磁铁驱动所述转换机构动作所需的最小电流。该控制方法实际上是对电磁铁进行了预励磁，这样，当需要进行电源转换时，电磁铁会快速产生所需的电磁力，驱动转换机构快速动作，从而提高电源转换速度。

由于以上两种控制方法分别作用于转换时刻和非转换时刻，因此两者也可以结合使用。

图4显示了对本实用新型双电源转换开关进行预励磁控制的基本原理。如图4所示，在非电源转换时刻，控制单元以一定占空比的PWM方式控制桥式开关电路中功率开关管的开通和关断，使得电磁铁线圈中维持一定的电流I1，从而产生电磁驱动力，然而该电磁驱动力并不足以使转换机构进行转换动作，亦即对电磁铁进行预励磁。如在t2时刻需要双电源开关进行转换时，控制单元控制半桥开关电路中的功率开关管T1、T2开通，或者控制全桥开关电路中的功率开关管T1、T2开通，则此时电磁铁中的电流可更快的上升到I2以驱动机构转换；至t3时，关闭功率开关管T1、T2，电流在反向电势及回路总电阻的消耗下迅速衰减到0，触头仅在惯性的作用下继续转换。实际上，在t2～t3时段内，也可采用第一种优选控制方法，即按照对应于某一转换速度的预设PWM控制信号对桥式开关电路进行控制。

上述控制方法所涉及的PWM技术为现有成熟技术，为简便起见，此处不再赘述其详细内容。

相比现有技术，本实用新型既可以实现双电源快速转换，又能防止转换速度不能精确控制而导致的两路电源短路风险；同时还具有机械式开关所固有的使用寿命长、制造成本低的优点，具有较高的应用价值。

Claims (6)

1.一种双电源转换开关，包括转换机构、用于驱动转换机构进行电源转换的驱动单元，所述驱动单元包括储能电容、电磁铁以及连接于储能电容和电磁铁之间的开关电路、用于对开关电路进行控制的控制单元；其特征在于，所述开关电路为桥式开关电路。

2.如权利要求1所述双电源转换开关，其特征在于，所述开关电路为半桥式开关电路，包括两个全控型功率开关管：第一功率开关管、第二功率开关管，以及两个续流二极管：第一续流二极管、第二续流二极管；所述储能电容的正极与第一功率开关管的集电极和第二续流二极管的阴极相连，储能电容的负极与第二功率开关管的发射极和第一续流二极管的阳极相连，所述电磁铁的一端与第一功率开关管的发射极和第一续流二极管的阴极相连，电磁铁的另一端与第二功率开关管的集电极和第二续流二极管的阳极相连，所述控制单元分别与第一功率开关管、第二功率开关管的门极相连。

3.如权利要求1所述双电源转换开关，其特征在于，所述开关电路为全桥式开关电路，包括四个全控型功率开关管：第一～第四功率开关管；所述储能电容的正极与第一功率开关管的集电极和第四功率开关管的集电极相连，储能电容的负极与第二功率开关管的发射极和第三功率开关管的发射极相连，所述电磁铁的一端与第一功率开关管的发射极和第三功率开关管的集电极相连，电磁铁的另一端与第二功率开关管的集电极和第四功率开关管的发射极相连，所述控制单元与分别与第一～第四功率开关管的门极相连。

4.如权利要求2或3所述双电源转换开关，其特征在于，所述全控型功率开关管为IGBT。

5.如权利要求2或3所述双电源转换开关，其特征在于，所述全控型功率开关管为MOSFET。

6.一种双电源供电装置，包括如权利要求1～3任一项所述双电源转换开关。