CN216489723U - 一种应用于固态断路器的保护电路及固态断路器设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种应用于固态断路器的保护电路及固态断路器设备，所述保护电路包括：开关控制单元、故障检测单元、参数比较单元和中控单元，其中，参数比较单元具有预设数量的参数状态对应的信号输出端；参数比较单元各信号输出端均与开关控制单元的控制端电连接；开关控制单元的输出端与固态断路器的主拓扑功率管的门极电连接；故障检测单元的控制端连接在主拓扑功率管所在的主拓扑电路上；故障检测单元的输出端与中控单元电连接，中控单元分别与参数比较单元各信号输出端电连接。通过参数比较单元的比较信号，能够直接通过开关控制单元控制主拓扑功率管的通断，从而能够低成本、快速的实现对固态断路器主拓扑电路的保护。

Description

一种应用于固态断路器的保护电路及固态断路器设备

技术领域

本实用新型涉及电力技术领域，具体而言，涉及一种应用于固态断路器的保护电路及固态断路器设备。

背景技术

固态断路器(Solid State Circuit Breaker)主要依托于现代电子技术，通过无触点开关实现对断路器操动速度和准确性的控制。固态断路器主拓扑电路的功率器件往往会因为电流运行的各类参数变化而造成固态断路器的损坏，因此，需要一种能够适应各类参数变化的固态断路器的保护电路。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种应用于固态断路器的保护电路及固态断路器设备，具体方案如下：

第一方面，本申请实施例提供了一种应用于固态断路器的保护电路，所述保护电路包括：参数比较单元、开关控制单元、故障检测单元和中控单元，其中，所述参数比较单元具有预设数量的参数状态对应的信号输出端；

所述参数比较单元各信号输出端均与所述开关控制单元的控制端电连接；

所述开关控制单元的输出端与固态断路器的主拓扑功率管的门极电连接；

所述故障检测单元的控制端连接在所述主拓扑功率管所在的主拓扑电路上；

所述故障检测单元的输出端与所述中控单元电连接，所述中控单元分别与所述参数比较单元各信号输出端电连接。

根据本申请实施例的一种具体实施方式，所述参数状态包括过压、欠压、过流和过温，所述参数比较单元包括过压比较电路、欠压比较电路、过流比较电路和过温比较电路；

其中，所述过压比较电路的信号输出端、所述欠压比较电路的信号输出端、所述过流比较电路的信号输出端和所述过温比较电路的信号输出端均通过一个二极管与所述开关控制单元的控制端电连接。

根据本申请实施例的一种具体实施方式，所述主拓扑功率管包括第一功率管和第二功率管，所述开关控制单元包括第一驱动芯片、第二驱动芯片和第三功率管；

所述第一驱动芯片的信号输出端用于连接所述第一功率管的门极，所述第二驱动芯片的信号输出端用于连接所述第二功率管的门级；

所述第一功率管的门极和所述第二功率管的门极还分别通过一个二极管与第三功率管的集电极电连接；

所述第三功率管的集电极还通过一个保护电阻连接电源，所述第三功率管的发射极接地。

根据本申请实施例的一种具体实施方式，所述第一驱动芯片包括第一三极管和第二三极管；

其中，所述第一三极管的发射极和所述第二三极管的发射极均用于连接所述固态断路器的第一主拓扑功率管的门极，所述第一三极管的基极和所述第二三极管的基极均用于与所述固态断路器中第一PWM电机的输出端电连接；

所述第二驱动芯片包括第三三极管和第四三极管；

其中，所述第三三极管的发射极和所述第四三极管的发射极均用于连接所述固态断路器的第一主拓扑功率管的门极，所述第三三极管的基极和所述第四三极管的基极均用于与所述固态断路器中第二PWM电机的输出端电连接。

根据本申请实施例的一种具体实施方式，所述开关控制单元还包括滤波电路；

所述第三功率管的门极通过所述滤波电路接地。

根据本申请实施例的一种具体实施方式，所述第一功率管、第二功率管和第三功率管的发射极和集电极均通过一个二极管相互连接，所述二极管的阳极与发射极连接，所述二极管的阴极与集电极连接。

根据本申请实施例的一种具体实施方式，所述第一功率管、所述第二功率管和所述第三功率管的类型为IGBT功率管、MOSFET功率管、NPN功率管、晶闸管和IGCT功率管中的任意一种功率管。

根据本申请实施例的一种具体实施方式，所述故障检测单元包括检测电阻和信号采集芯片；

所述检测电阻和所述固态断路器的主拓扑功率管串联连接在所述主拓扑电路中，所述信号采集芯片采集端连接在所述检测电阻的两端；

所述信号采集芯片的信号输出端与所述中控单元电连接。

根据本申请实施例的一种具体实施方式，所述中控单元包括预设数量的保护信号输出端，各保护信号输出端与一个参数状态对应的输出端电连接。

第二方面，本申请实施例提供了一种固态断路器设备，包括第一方面所述的应用于固态断路器的保护电路。

本实用新型提供的一种应用于固态断路器的保护电路及固态断路器设备，所述保护电路包括：开关控制单元、故障检测单元、参数比较单元和中控单元，其中，所述参数比较单元具有预设数量的参数状态对应的信号输出端；所述参数比较单元各信号输出端均与所述开关控制单元的控制端电连接；所述开关控制单元的输出端与固态断路器的主拓扑功率管的门极电连接；所述故障检测单元的控制端连接在所述主拓扑功率管所在的主拓扑电路上；所述故障检测单元的输出端与所述中控单元电连接，所述中控单元分别与所述参数比较单元各信号输出端电连接。通过参数比较单元的比较信号，能够直接通过开关控制单元控制所述主拓扑功率管的通断，从而能够低成本、快速的实现对固态断路器主拓扑电路的保护。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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相关的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种应用于固态断路器的保护电路的结构模块示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种应用于固态断路器的保护电路的电路示意图。

图标：应用于固态断路器的保护电路-100；参数比较单元-110；开关控制单元-120；故障检测单元-130；中控单元-140；

固态断路器主拓扑电路-200。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通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，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

请参阅图1，本实施例提供了一种应用于固态断路器的保护电路100的模块结构示意图，本实施例提供的应用于固态断路器的保护电路100，如图1所示，所述保护电路包括：参数比较单元110、开关控制单元120、故障检测单元130和中控单元140，其中，所述参数比较单元110具有预设数量的参数状态对应的信号输出端；

所述参数比较单元110各信号输出端均与所述开关控制单元120的控制端电连接；

所述开关控制单元120的输出端与固态断路器的主拓扑功率管的门极电连接；

所述故障检测单元130的控制端连接在所述主拓扑功率管所在的主拓扑电路上；

所述故障检测单元130的输出端与所述中控单元140电连接，所述中控单元140分别与所述参数比较单元110各信号输出端电连接。

在具体实施例中，断路器是负责开合和断开正常回路状态下的电流，并能闭合、承载在规定时间内异常回路状态下电流的开关装置。固态断路器(Solid State CircuitBreaker)是断路器智能化形式之一，主要结构可以分为开关模块、主控模块、电源模块、冷却保护模块以及信号处理模块五大部分组成。

如图1所示，所述参数比较单元110可以为实现过压、欠压、过流、过温等检测的基准比较电路，所述参数比较单元110设置于所述固态断路器的主拓扑电路上，具体的，所述基准比较电路可以参考现有技术中任意一种参数比较单元110的设置，此处不一一赘述。

具体的，所述参数比较单元110对应各种参数状态的输出端用于输出参数状态信号，当所述参数比较单元110的各种参数状态均处于正常状态时，例如所述固态断路器正处于正常电压、正常电流、正常温度的状态时，所述参数比较单元110对应每一参数状态的输出端均输出低电平信号。

当所述固态断路器的任意一种参数状态处于异常状态时，所述参数比较单元110对应所述异常参数状态的输出端输出高电平信号，例如当所述固态断路器处于过压状态时，所述参数比较单元110对应过压状态的输出端输出高电平信号。

所述参数比较单元110将所述高电平信号/低电平信号输出至所述开关控制电路的控制端，从而控制所述开关控制电路的信号走向。所述开关控制电路的输出端与所述固态断路器主拓扑电路200的上的主拓扑功率管的门极电连接。

所述故障检测单元130用于检测所述固态断路器主拓扑电路200的工作状态，当所述主拓扑功率管因为所述开关控制电路的输出信号而关断时，所述主拓扑电路因为主拓扑功率管的关断而被截断。所述故障检测电路通过检测所述主拓扑电路的电流或电压值，判断所述主拓扑电路是否因为开关保护作用而断电，若所述主拓扑电路处于断电状态，向主控单元发送故障信号，以使所述主控芯片针对具体参数状态实现对固态断路器的保护。

所述主控芯片分别接收所述故障检测单元130发送的故障信号和参数比较单元110对应各状态的输出端发送的输出信号。当所述主控芯片检测到所述固态断路器的主拓扑电路出现故障，根据参数比较单元110中各输出端的输出情况判断具体是哪一中参数出现异常，而导致的所述固态断路器自行关断。并调用对应所述异常状态的保护程序，对所述固态断路器实现保护。

根据本申请实施例的一种具体实施方式，所述参数状态包括过压、欠压、过流和过温，所述参数比较单元110包括过压比较电路、欠压比较电路、过流比较电路和过温比较电路；

其中，所述过压比较电路的信号输出端、所述欠压比较电路的信号输出端、所述过流比较电路的信号输出端和所述过温比较电路的信号输出端均通过一个二极管与所述开关控制单元120的控制端电连接。

在具体实施例中，如图2所示，所述参数状态包括过压(over voltage，简称OV)、欠压(under-voltage，简称UV)、过流(over current，简称OC)和过温(over temp，简称OT)。

所述参数比较单元110对应各参数状态的电路包括过压比较电路、欠压比较电路、过流比较电路和过温比较电路，所述过压比较电路、所述欠压比较电路、所述过流比较电路和所述过温比较电路均可以为现有技术中常用的基准比较电路，用于检测所述固态断路器主拓扑电路200上的各类参数状态，通过输出端输出正常信号或异常信号。

各比较电路均通过一个二极管与所述开关控制单元120的控制端电连接，各比较电路的输出端连接所述二极管的阳极，所述开关单元的控制端连接所述二极管的阴极，从而能够防止开关控制单元120的电流逆流，造成所述参数比较单元110的输出端的电流不稳定。

具体的，各比较电路的输出端直接与所述中控单元140电连接。如图2所示，二极管D5、二极管D6、二极管D7和二极管D8的阴极连接所述开关单元的控制端，二极管D5、二极管D6、二极管D7和二极管D8的阳极连接各比较电路的输出端。

根据本申请实施例的一种具体实施方式，所述主拓扑功率管包括第一功率管Q1和第二功率管Q2，所述开关控制单元120包括第一驱动芯片U1、第二驱动芯片U2和第三功率管Q3；

所述第一驱动芯片U1的信号输出端用于连接所述第一功率管Q1的门极，所述第二驱动芯片U2的信号输出端用于连接所述第二功率管Q2的门级；

所述第一功率管Q1的门极和所述第二功率管Q2的门极还分别通过一个二极管与第三功率管Q3的集电极电连接；

所述第三功率管Q3的集电极还通过一个保护电阻连接电源，所述第三功率管Q3的发射极接地。

在具体实施例中，如图2所示，所述开关控制单元120由第三功率管Q3、第一驱动芯片U1和第二驱动芯片U2组成。当所述参数比较单元110任一参数状态对应的输出端输出异常信号时，所述第三功率管Q3的门极电压由低电平转换为高电平状态，此时，所述第三功率管Q3导通。

所述第一驱动芯片U1发送的第一驱动信号DRV1和所述第二驱动芯片U2发送的第二驱动信号DRV2均为高电平信号，所述第一驱动芯片U1的输出端与所述第一功率管Q1的控制端电连接，所述第二驱动芯片U2的输出端与所述第二功率管Q2的控制端电连接。所述第一驱动芯片U1的输出端还通过二极管D3与所述第三功率管Q3的集电极电连接。所述第二驱动芯片U2的输出端还通过二极管D4与所述第三功率管Q3的集电极电连接。

当所述固态断路器处于正常状态时，所述第三功率管Q3的控制端保持低电平状态，第三功率管Q3截止。所述第一驱动芯片U1和所述第二驱动芯片U2的输出信号能够保持所述第一功率管Q1和所述第二功率管Q2的导通。

当所述固态断路器处于异常状态时，所述第三功率管Q3的控制端从低电平状态转变为高电平状态，所述第三功率管Q3导通。所述第一驱动芯片U1和所述第二驱动芯片U2的输出信号经过所述第三功率管Q3接地，使得所述第一功率管Q1和所述第二功率管Q2的门极电压由高电平状态转变为低电平状态，从而使得第一功率管Q1和第二功率管Q2截止，阻断所述固态断路器的主拓扑电路。

根据本申请实施例的一种具体实施方式，所述开关控制单元120还包括滤波电路；

所述第三功率管Q3的门极通过所述滤波电路接地。

具体的，所述滤波电路由电容C1和电阻R3并联组成，从而通过所述电容的低通滤波作用，保证所述第三功率管Q3门极接收的电平信号的稳定，从而保证所述保护电路的稳定实施。

根据本申请实施例的一种具体实施方式，所述第一驱动芯片U1包括第一三极管和第二三极管；

其中，所述第一三极管的发射极和所述第二三极管的发射极均用于连接所述固态断路器的第一主拓扑功率管的门极，所述第一三极管的基极和所述第二三极管的基极均用于与所述固态断路器中第一PWM电机的输出端电连接；

所述第二驱动芯片U2包括第三三极管和第四三极管；

其中，所述第三三极管的发射极和所述第四三极管的发射极均用于连接所述固态断路器的第一主拓扑功率管的门极，所述第三三极管的基极和所述第四三极管的基极均用于与所述固态断路器中第二PWM电机的输出端电连接。

在具体实施例中，所述固态断路器的驱动模块为所述第一驱动芯片U1和所述第二驱动芯片U2提供驱动信号，具体的，所述驱动模块可以为第一PWM电机和第二PWM电机，所述驱动信号为PWM驱动信号。

所述第一三极管和所述第三三极管均为NPN型三极管，所述第二三极管和所述第四三极管均为PNP型三极管。

通过所述第一驱动芯片U1和所述第二驱动芯片U2的连接关系，能够将驱动模块发送的PWM波形信号转换为第一驱动信号DRV1和第二驱动信号DRV2，其中，所述第一驱动信号DRV1和所述第二驱动信号DRV2均为高电平信号。

根据本申请实施例的一种具体实施方式，所述第一功率管Q1、第二功率管Q2和第三功率管Q3的发射极和集电极均通过一个二极管相互连接，所述二极管的阳极与发射极连接，所述二极管的阴极与集电极连接。

在具体实施例中，所述第一功率管Q1、所述第二功率管Q2和所述第三功率管Q3的发射极均通过一个二极管与集电极连接，所述二极管用于实现稳压限制保护和反压泄放保护，保证所述固态断路器主拓扑电路200的稳定。

根据本申请实施例的一种具体实施方式，所述第一功率管Q1、所述第二功率管Q2和所述第三功率管Q3的类型为IGBT功率管、MOSFET功率管、NPN功率管、晶闸管和IGCT功率管中的任意一种功率管。

在具体实施例中，所述第一功率管Q1、所述第二功率管Q2和所述第三功率管Q3的类型可以相同，也可以不同，具体根据实际应用场景进行自适应替换，此处不作具体限定。

根据本申请实施例的一种具体实施方式，所述故障检测单元130包括检测电阻和信号采集芯片U3；

所述检测电阻和所述固态断路器的主拓扑功率管串联连接在所述主拓扑电路中，所述信号采集芯片U3采集端连接在所述检测电阻的两端；

所述信号采集芯片U3的信号输出端与所述中控单元140电连接。

在具体实施例中，所述信号采集芯片U3可以为电压采集芯片U3或电流采集芯片U3，所述信号采集芯片U3的采集端连接在所述固态断路器主拓扑电路200的检测电阻两端，用于采集所述检测电阻两端的电压信号或电流信号。

所述信号采集芯片U3的信号输出端与所述中控单元140电连接，用于检测所述固态断路器主拓扑电路200的通断状态，并输出正常信号和故障信号至所述中控单元140，以实现对于固态断路器各种异常状态的保护。

根据本申请实施例的一种具体实施方式，所述中控单元140包括预设数量的保护信号输出端，各保护信号输出端与一个参数状态对应的输出端电连接。

在具体实施例中，如图2所示，所述中控单元可以为控制芯片U4。

所述中控单元140中预设有对应每一种参数状态的保护程序。当所述中控单元140接收到所述故障检测单元130发送的故障信号后，所述中控单元140根据预设的保护程序，检测所述参数比较单元110各输出端输出的参数状态，并根据对应参数状态的保护程序实现对所述固态断路器的保护。

本实施例提供的一种应用于固态断路器的保护电路，能够采用简单的电路连接结构实现对于固态断路器各种异常状态的快速响应，通过低成本的方式有效保护固态断路器。

另外，本申请实施例还提供了一种固态断路器设备，包括上述实施例中的应用于固态断路器的保护电路100。

综上所述，本申请实施例提供了一种应用于固态断路器的保护电路及固态断路器设备，通过参数比较单元、开关控制单元、故障检测单元和中控单元的设置，能够采用低成本的方式实现对于固态短路器的快速保护。而且，通过在中控单元中提前设置对应参数异常状态的保护程序，从而实现对于固态断路器各种异常情况的快速保护处理，有效提升了固态断路器的安全性。另外，本申请实施例提供的固态断路器设备的具体实施方式可以参考上述电路实施例的具体实施方式，此处不再赘述。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡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、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种应用于固态断路器的保护电路，其特征在于，所述保护电路包括：参数比较单元、开关控制单元、故障检测单元和中控单元，其中，所述参数比较单元具有预设数量的参数状态对应的信号输出端；

所述参数比较单元各信号输出端均与所述开关控制单元的控制端电连接；

所述开关控制单元的输出端与固态断路器的主拓扑功率管的门极电连接；

所述故障检测单元的控制端连接在所述主拓扑功率管所在的主拓扑电路上；

所述故障检测单元的输出端与所述中控单元电连接，所述中控单元分别与所述参数比较单元各信号输出端电连接。

2.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述参数状态包括过压、欠压、过流和过温，所述参数比较单元包括过压比较电路、欠压比较电路、过流比较电路和过温比较电路；

其中，所述过压比较电路的信号输出端、所述欠压比较电路的信号输出端、所述过流比较电路的信号输出端和所述过温比较电路的信号输出端均通过一个二极管与所述开关控制单元的控制端电连接。

3.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述主拓扑功率管包括第一功率管和第二功率管，所述开关控制单元包括第一驱动芯片、第二驱动芯片和第三功率管；

所述第一驱动芯片的信号输出端用于连接所述第一功率管的门极，所述第二驱动芯片的信号输出端用于连接所述第二功率管的门级；

所述第一功率管的门极和所述第二功率管的门极还分别通过一个二极管与第三功率管的集电极电连接；

所述第三功率管的集电极还通过一个保护电阻连接电源，所述第三功率管的发射极接地。

4.根据权利要求3所述的保护电路，其特征在于，所述第一驱动芯片包括第一三极管和第二三极管；

其中，所述第一三极管的发射极和所述第二三极管的发射极均用于连接所述固态断路器的第一主拓扑功率管的门极，所述第一三极管的基极和所述第二三极管的基极均用于与所述固态断路器中第一PWM电机的输出端电连接；

所述第二驱动芯片包括第三三极管和第四三极管；

其中，所述第三三极管的发射极和所述第四三极管的发射极均用于连接所述固态断路器的第一主拓扑功率管的门极，所述第三三极管的基极和所述第四三极管的基极均用于与所述固态断路器中第二PWM电机的输出端电连接。

5.根据权利要求3所述的保护电路，其特征在于，所述开关控制单元还包括滤波电路；

所述第三功率管的门极通过所述滤波电路接地。

6.根据权利要求3所述的保护电路，其特征在于，所述第一功率管、第二功率管和第三功率管的发射极和集电极均通过一个二极管相互连接，所述二极管的阳极与发射极连接，所述二极管的阴极与集电极连接。

7.根据权利要求3所述的保护电路，其特征在于，所述第一功率管、所述第二功率管和所述第三功率管的类型为IGBT功率管、MOSFET功率管、NPN功率管、晶闸管和IGCT功率管中的任意一种功率管。

8.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述故障检测单元包括检测电阻和信号采集芯片；

所述检测电阻和所述固态断路器的主拓扑功率管串联连接在所述主拓扑电路中，所述信号采集芯片采集端连接在所述检测电阻的两端；

所述信号采集芯片的信号输出端与所述中控单元电连接。

9.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述中控单元包括预设数量的保护信号输出端，各保护信号输出端与一个参数状态对应的输出端电连接。

10.一种固态断路器设备，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的应用于固态断路器的保护电路。

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