CN220754419U - 静态切换开关及电源转换电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种静态切换开关及电源转换电路，其静态切换开关包括接入主电路的开关电路，还包括在主电路中并联于开关电路两端的开关电路；开关电路具有并联接入主电路的第五晶闸管Q5、第六晶闸管Q6；开关电路的桥式切换电路的两个端口连接至LC谐振电路两端，另两个端口连接至开关电路的两端，实现受控地改变LC谐振电路的谐振电流进入开关电路的方向。该静态切换开关通过并联在主电路中的开关电路与强制过零电路不仅实现了对主电路的开合控制，而且可以加速开关电路中晶闸管的过零过程，因此可以极大的降低主电路的动作延时，保证开关电路的状态切换快速可靠，从而实现无缝的电源切换。

Description

静态切换开关及电源转换电路

技术领域

本实用新型涉及静态切换开关技术领域，具体涉及一种静态切换开关及电源转换电路。

背景技术

在大量的应用场景下，用电设备的可靠运行都十分重要，比如武器系统的电力供应、基础设施稳定运行等等。但是仍然存在设备电源不稳定的情况存在，考虑到这样的风险，在要求高可靠性的特定场景下，要求在主电源异常或者主电源掉电时能够无缝切换至备用电源。因此需要设计一种静态切换开关实现在异常情况下的电源的自动开关切换。

现有的电源切换方式一般地是通过晶闸管的开关特性实现对主/备电源供电回路的通断控制，但是注意到晶闸管的断开不仅要求其控制极上的触发电压消失，还要求晶闸管中的电流过零才能使得晶闸管可靠关断。在此基础上，意味着即使对晶闸棺的控制极作出了控制，主电路的断开也不一定即时响应该控制指令，而可能需要在主电路中的交流电电流过零后才断开。也就是说仅仅基于晶闸管设计的静态切换开关还难以实现即时响应电路异常快速关断。

实用新型内容

针对现有情况下电源异常时需要实现主备电源的无缝切换，然而基于晶闸管的静态切换开关难以做到对电路异常的即时响应的问题，本实用新型提供一种静态切换开关及电源转换电路。

本实用新型的技术方案提供一种静态切换开关，包括接入主电路的开关电路，还包括在主电路中并联于开关电路两端的开关电路；

开关电路具有并联接入主电路的第五晶闸管Q5、第六晶闸管Q6，两者的阳极和阴极在主电路中的连接方向相反，分时导通；

开关电路具有含外部充电接口的LC谐振电路用于生成谐振电流；开关电路还包括桥式切换电路，桥式切换电路的两个端口连接至LC谐振电路两端，另两个端口连接至开关电路的两端，实现受控地改变LC谐振电路的谐振电流进入开关电路的方向。

优选地，所述LC谐振电路包括在LC谐振电路的两端点之间串联的谐振电感L1、谐振电阻R1以及谐振电容C1。

优选地，所述谐振电容C1的两端分别接入外部充电接口的正负极。

优选地，所述桥式切换电路具有两组连接在所述LC谐振电路两端的支路，在每一支路上同向连接两个晶闸管，两支路中的晶闸管方向均相同；其中一支路上的第一晶闸管Q1与第二晶闸管Q2之间的公共接点连接至开关电路一端；另一支路上的第三晶闸管Q3与第四晶闸管Q4之间的公共接点连接至开关电路的另一端。

优选地，还包括并联于开关电路两端的开关电路，开关电路中接入功率电阻R2以及用于控制开关电路通断的开关器件。

优选地，所述开关器件包括与功率电阻R2串联的第一绝缘栅双极型晶体管Q7与第二绝缘栅双极型晶体管Q8，第一绝缘栅双极型晶体管Q7与第二绝缘栅双极型晶体管Q8在开关电路中反向连接。

本实用新型还提供一种电源转换电路，包括接入负载的多路电源，在每一路电源的每一相中均接入上述任一项所述的静态切换开关。

本实用新型的静态切换开关通过并联在主电路中的开关电路与强制过零电路不仅实现了对主电路的开合控制，而且由于强制过零电路的存在可以加速开关电路中晶闸管的过零过程，因此可以极大的降低主电路的动作延时，保证开关电路的状态切换快速可靠，从而实现无缝的电源切换。该静态切换开关还具有并联于开关电路两端的瞬时电流抑制电路，可以通过瞬时电流抑制电路的导通吸收切换过程中在负载上可能造成的电势差，吸收了由此造成的电流冲击，从而保证了切换电路以及主电路的稳定可靠工作。

附图说明

图1为本实用新型的静态切换开关的示意图；

图2为本实用新型的电源转换电路的示意图。

图中，

1:开关电路2:强制过零电路3:瞬时电流抑制电路21:LC谐振电路22:桥式切换电路Q1:第一晶闸管Q2:第二晶闸管Q3:第三晶闸管Q4:第四晶闸管Q5:第五晶闸管Q6:第六晶闸管Q7:第一绝缘栅双极型晶体管Q8:第二绝缘栅双极型晶体管L1:谐振电感R1:谐振电阻C1:谐振电容R2:功率电阻

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本实用新型进行详细说明，在本说明书中，附图尺寸比例并不代表实际尺寸比例，其只用于体现各部件之间的相对位置关系与连接关系，名称相同或标号相同的部件代表相似或相同的结构，且仅限于示意的目的。

图1为本静态切换开关的示意图。其包括接入主电路中的开关电路1，还包括在主电路中并联于开关电路1两端的强制过零电路2。其中开关电路1用于执行对主电路的开通或者关断任务，可以使用晶闸管实现该功能。由于主电路中为交流电负载，为了保证在电流方向变化下，主电路的正常导通，开关电路1中具有两个并联接入主电路的晶闸管，分别记为第五晶闸管Q5、第六晶闸管Q6，两者的阳极和阴极在主电路中的连接方向相反。在两者的控制极均施加控制电平下，两者都处于导通状态，于是在主电路的交流电分别处于正向电流与反向电流的状态下分别经第五晶闸管Q5、第六晶闸管Q6导通。

由于晶闸管的特性，即使在控制极不再维持在控制电平下，自阳极到阴极的电流通路也不能立即断开，而是需要在没有控制电平的前提下，等待晶闸管中流过的电流过零后，才能实现晶闸管的阳极与阴极间的关断。这同时意味着不论是第五晶闸管Q5还第六晶闸管Q6，在控制其控制端电平置低后，均不能快速响应控制端的变化实现对主电路通断的快速响应。为了加速第五晶闸管Q5与第六晶闸管Q6的关断效率，提高静态切换开关的实时性，可以在主电路中开关电路1的两端并联强制过零电路2，实现在切换时加速第五晶闸管Q5与第六晶闸管Q6的电流过零时间，从而实现开关电路1的快速响应。具体的强制过零电路2通过选择性的在关断过程中向第五晶闸管Q5或者第六晶闸管Q6中提供相对于主电路中的反向电流以加速第五晶闸管Q5或者第六晶闸管Q6的过零时间。

强制过零电路2包括一具有外部充电接口的LC谐振电路21，该LC谐振电路21用于生成谐振电流并最终反向接入主电路的第五晶闸管Q5或者第六晶闸管Q6上。LC谐振电路21的两端点之间串联谐振电感L1、谐振电阻R1以及谐振电容C1。为了实现对谐振电容C1的充电，保证LC谐振电路21工作时谐振电容C1上已经充满电，谐振电容C1的两端分别接入外部充电电路的正负极，实现对谐振电容C1的受控充电。

由于主电路的切换时机是随机的，不能确定具体是在第五晶闸管Q5还是第六晶闸管Q6导通时需要断电切换，即需要LC谐振电路21的反向接入，因此LC谐振电路21需要能够实现适应主电路中的电流方向的反向接入。在强制过零电路2中这通过连接至LC谐振电路21两端的桥式切换电路22实现。桥式切换电路22由四组组成桥式电路的第一晶闸管Q1、第二晶闸管Q2、第三晶闸管Q3以及第四晶闸管Q4连接而成。具体地，桥式切换电路22具有两组连接在LC谐振电路21两端的支路，在每一支路上同向连接两个晶闸管，两支路中的晶闸管方向也相同。第一支路的两晶闸管，第一晶闸管Q1与第二晶闸管Q2的公共接点连接至开关电路1一端；第二支路的两晶闸管，第三晶闸管Q3与第四晶闸管Q4的公共接点连接至开关电路1的另一端。

工作时，正常工作时开启第五晶闸管Q5与第六晶闸管Q6的控制极的触发脉冲，使第五晶闸管Q5与第六晶闸管Q6均可以正常导通。如果主电路异常需要快速关断，以此时主电路中第五晶闸管Q5电流通过为例，则首先立即开启第一晶闸管Q1和与第四晶闸管Q4的控制极触发脉冲，这时谐振电容C1和开始谐振放电，谐振电流反向流过第五晶闸管Q5，与第五晶闸管Q5中主电路电流之间抵消，并谐振电路的快速周期变化下，在很短时间内使第五晶闸管Q5的总电流过零。从而使得第五晶闸管Q5在关闭其控制极的触发电拼音后快速过零关断，同样地可以类似方法关断第六晶闸管Q6。

该静态切换开关还包括并联于开关电路1两端的瞬时电流抑制电路3，瞬时电流抑制电路3中接入一功率电阻R2，并同时与功率电阻R2串联两个反向的场效应管，第一绝缘栅双极型晶体管Q7与第二绝缘栅双极型晶体管Q8。第一绝缘栅双极型晶体管Q7与第二绝缘栅双极型晶体管Q8也可以使用其他的开关器件代替，以实现瞬时电流抑制电路3支路的通断控制。第一绝缘栅双极型晶体管Q7与第二绝缘栅双极型晶体管Q8分别为N型、P型IGBT(绝缘栅双极型晶体管)，其内部还内置有体二极管，于是可以根据瞬时电流抑制电路3中电流方向控制第一绝缘栅双极型晶体管Q7或第二绝缘栅双极型晶体管Q8导通，使瞬时电流抑制电路3形成通路，吸收负载能量。通过瞬时电流抑制电路3可以有效防止主电路接入时的电流反向冲击。具体的现有技术中，在主电路中，负载可能是含感性的负载，比如电动机，此时在一路电源隔离下，负载仍然在运行，因此会在负载的接电端产生感应电动势，在此情况下，如果贸然将新的电源接入副负载中，由于接入电源与负载电动势不同步，会在主电路中产生电压差，并进而在主电路中产生电流冲击，并可能导致部分元件的破坏。瞬时电流抑制电路3可以抑制该问题的发生，即在向电路中接入主电源时，或者说，接通第五晶闸管Q5与第六晶闸管Q6前，在切换过程中的一个较小的区间内，提前将第一绝缘栅双极型晶体管Q7与第二绝缘栅双极型晶体管Q8打开并维持较下的时间间隔，比如500ns，保证主电路与负载之间先经瞬时电流抑制电路3连接，瞬时电流抑制电路3中接入的功率电阻R2为功率电阻，可以短时耐受大电压、大电流，从而可使得主电路与负载间的压差由功率电阻R2释放，然后接通第五晶闸管Q5与第六晶闸管Q6就可以有效避免负载端的感生电压对电路的冲击。

基于上述静态切换开关，本实用新型还提供一种电源转换电路。在接入负载的每一路电源的每一相中均接入该静态切换开关。在该电源转换电路中，任意电源之间的无缝切换均可以通过协调控制任意两电源的静态切换开关的协调动作实现，且在切换过程中，通过如上所述设置各晶闸管以及场效应管的工作方式，可以实现电源间的快速无缝切换且保证电路运行平稳，不会产生大电流冲击，从而可以保证电路安全可靠。

上述内容仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种静态切换开关，其特征在于，包括接入主电路的开关电路(1)，还包括在主电路中并联于开关电路(1)两端的强制过零电路(2)；

开关电路(1)具有并联接入主电路的第五晶闸管Q5、第六晶闸管Q6，两者的阳极和阴极在主电路中的连接方向相反，分时导通；

强制过零电路(2)具有含外部充电接口的LC谐振电路(21)用于生成谐振电流；强制过零电路(2)还包括桥式切换电路(22)，桥式切换电路(22)的两个端口连接至LC谐振电路(21)两端，另两个端口连接至开关电路(1)的两端，实现受控地改变LC谐振电路(21)的谐振电流进入开关电路(1)的方向。

2.如权利要求1所述的静态切换开关，其特征在于，所述LC谐振电路(21)包括在LC谐振电路(21)的两端点之间串联的谐振电感L1、谐振电阻R1以及谐振电容C1。

3.如权利要求2所述的静态切换开关，其特征在于，所述谐振电容C1的两端分别接入外部充电接口的正负极。

4.如权利要求1所述的静态切换开关，其特征在于，所述桥式切换电路(22)具有两组连接在所述LC谐振电路(21)两端的支路，在每一支路上同向连接两个晶闸管，两支路中的晶闸管方向均相同；其中一支路上的第一晶闸管Q1与第二晶闸管Q2之间的公共接点连接至开关电路(1)一端；另一支路上的第三晶闸管Q3与第四晶闸管Q4之间的公共接点连接至开关电路(1)的另一端。

5.如权利要求1所述的静态切换开关，其特征在于，还包括并联于开关电路(1)两端的瞬时电流抑制电路(3)，瞬时电流抑制电路(3)中接入功率电阻R2以及用于控制瞬时电流抑制电路(3)通断的开关器件。

6.如权利要求5所述的静态切换开关，其特征在于，所述开关器件包括与功率电阻R2串联的第一绝缘栅双极型晶体管Q7与第二绝缘栅双极型晶体管Q8，第一绝缘栅双极型晶体管Q7与第二绝缘栅双极型晶体管Q8在开关电路(1)中反向连接。

7.一种电源转换电路，包括接入负载的多路电源，其特征在于，在每一路电源的每一相中均接入如权利要求1-6任一项所述的静态切换开关。