專利名稱：柔性電力電子控制與保護(hù)開關(guān)組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種新型電力電子開關(guān)組件，屬電工學(xué)科，電力電子分支技術(shù)領(lǐng)域。
電氣工程中典型的一個(gè)難題是量大面廣的傳統(tǒng)電磁開關(guān)的技術(shù)缺陷問題。由于電磁開關(guān)自身機(jī)電本體技術(shù)局限，雖然在重要功能與性能上可以滿足使用要求，但是要自我克服存在的一些缺陷幾乎不可能。這就是諸如電磁開關(guān)接通重負(fù)載時(shí)的觸點(diǎn)抖動(dòng)或分?jǐn)喔行载?fù)載時(shí)的起弧，均可發(fā)生電弧造成觸點(diǎn)損傷、高幅值電壓尖峰與電能損失。這一方面不但增大了對(duì)電器或設(shè)備的安全防護(hù)要求，限制了其使用范圍，而且使其電氣壽命遠(yuǎn)低于機(jī)械壽命。高幅值電壓尖峰就是一種強(qiáng)電磁干擾(EMI)。EMI對(duì)公用電網(wǎng)、弱電系統(tǒng)以及電信網(wǎng)絡(luò)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾。這個(gè)技術(shù)難題的解決在電氣工程中有重大意義。另一方面，由半導(dǎo)體電力電子開關(guān)器件為主構(gòu)成的固態(tài)電子開關(guān)，雖然是無觸點(diǎn)通斷(亦無電弧發(fā)生)、動(dòng)態(tài)開關(guān)特性優(yōu)越、抗機(jī)械應(yīng)力能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但其導(dǎo)通損耗大、耐電、熱應(yīng)力能力差、成本高。因此，盡管半導(dǎo)體等電子元器件價(jià)格日漸下降，但由于上述缺陷仍使其使用受到極大限制。特別是由于電磁開關(guān)在強(qiáng)電上的眾多優(yōu)勢，在該領(lǐng)域電子開關(guān)目前還無法完全取代它。因此較優(yōu)的技術(shù)方案應(yīng)當(dāng)是利用電力電子開關(guān)器件作為無觸點(diǎn)開關(guān)與電磁開關(guān)的觸點(diǎn)并聯(lián)，電子開關(guān)的控制電路與電磁開關(guān)的勵(lì)磁線圈并聯(lián)；在不影響電磁開關(guān)接線與工作條件下，混和使用電子技術(shù)與機(jī)電技術(shù)，以一方的優(yōu)勢屏蔽另一方的缺陷，構(gòu)成兩者優(yōu)勢互補(bǔ)的混和型電磁開關(guān)技術(shù)。顯然，由于是優(yōu)勢互補(bǔ)而不是取代或折中，故這種技術(shù)在一般場合有望獲得高性能價(jià)格比。
本專利設(shè)計(jì)者先前提出的一項(xiàng)專利(專利權(quán)人林周布，專利號(hào)ZL 98227257.X，專利名稱自適應(yīng)高頻變換器式混合型互補(bǔ)式電磁開關(guān))，就是一種將高頻電力電子技術(shù)應(yīng)用于電磁開關(guān)上，達(dá)到兩者優(yōu)勢互補(bǔ)的混和型互補(bǔ)式電磁開關(guān)新技術(shù)。更進(jìn)一步，從系統(tǒng)工程來看，同所有電子新技術(shù)一樣，要實(shí)現(xiàn)其商品化，必須同時(shí)解決如何保證其工作高可靠性、低成本、微型化以及要與原有使用條件完全兼容主要四個(gè)技術(shù)問題。顯然，要同時(shí)解決這些問題是很困難的，特別是要直接降低新產(chǎn)品的成本很困難。有效的辦法是間接降低成本。所采取的有力措施是保證新產(chǎn)品具有1、很高的可靠性，少出現(xiàn)失效返修；2、多功能化，使物有所值；3、全電子化構(gòu)成，且達(dá)到通用化，以便于大批量生產(chǎn)，同時(shí)利用電子產(chǎn)品價(jià)格日益降低的有利因素來顯著降低生產(chǎn)成本。
本發(fā)明的目的就是為全面解決上述問題且為了實(shí)現(xiàn)上述功能要求，而提出一種在上述本人前專利基礎(chǔ)上，以柔性工程方法，用電子化技術(shù)構(gòu)成一種高性能價(jià)格比的新型通用電力電子控制與保護(hù)開關(guān)模塊的新技術(shù)。
本發(fā)明的技術(shù)依據(jù)是基于柔性工程方法提出的用屏蔽手段柔性解決上述電磁開關(guān)與電子開關(guān)兩類開關(guān)缺陷，并實(shí)現(xiàn)上述功能要求的新概念。電磁開關(guān)觸點(diǎn)負(fù)載主要有觸點(diǎn)接通時(shí)可能出現(xiàn)浪涌大電流、斷開時(shí)可能出現(xiàn)高電壓而生電弧兩種最惡劣工作條件。此外，對(duì)觸點(diǎn)來說，在交流電路中，要求最好在負(fù)載電壓與工作電源電壓在零壓差時(shí)接通、在負(fù)載電流過零時(shí)斷開等以降低觸點(diǎn)電應(yīng)力和避免對(duì)外界產(chǎn)生高電磁騷擾等要求。而當(dāng)它作為控制與保護(hù)部件使用時(shí)，當(dāng)負(fù)載電路出現(xiàn)過流或短路故障時(shí)，或當(dāng)電磁開關(guān)因故障而跳閘斷路時(shí)，則要在電磁開關(guān)斷開時(shí)(當(dāng)互補(bǔ)使用時(shí))，利用自動(dòng)限制電子開關(guān)導(dǎo)通與關(guān)斷比值來控制通過電子開關(guān)的電流大小，并通過過熱檢測與保護(hù)電路，在具有自我保護(hù)前提下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)限流保護(hù)或斷路保護(hù)功能。在上述這些不同工作條件下，混合型電磁開關(guān)中電子元件必須在解決電磁開關(guān)動(dòng)態(tài)特性差的同時(shí)，也應(yīng)在低附加成本下保證自身工作穩(wěn)定、可靠，而且在穩(wěn)態(tài)時(shí)應(yīng)能將開關(guān)任務(wù)移交給電磁開關(guān)，同時(shí)以待機(jī)方式退出運(yùn)行。實(shí)際上這些要求很難滿足。在不同條件下應(yīng)用柔性工程方法，使用不同的互補(bǔ)工作模式就不但能滿足在解決電磁開關(guān)缺陷的同時(shí)，亦能保證高可靠性、低附加成本以及要與原有使用條件完全兼容等實(shí)際應(yīng)用要求，而且還能使組件全電子化以實(shí)現(xiàn)組件多功能化與微型化。另一方面，充分利用電子開關(guān)的動(dòng)作快速性與靈活可控性特性，結(jié)合控制技術(shù)構(gòu)成控制與保護(hù)兩大功能均能獲得的新型開關(guān)組件，擴(kuò)大混合型開關(guān)的使用功能，這將大大拓寬混合型電器的應(yīng)用領(lǐng)域，符合當(dāng)代開關(guān)電器的發(fā)展要求，也是促進(jìn)開關(guān)電器新技術(shù)商品化的重要因素。因此，這里的屏蔽概念是電子開關(guān)除了以其優(yōu)越動(dòng)態(tài)特性與快速可控性來解決電磁開關(guān)動(dòng)態(tài)特性差缺陷外，還應(yīng)能借助電磁開關(guān)或自身電路解決固有的電應(yīng)力與熱應(yīng)力較差的缺陷，即在兩者互補(bǔ)應(yīng)用時(shí)能避免出現(xiàn)可能出現(xiàn)的不良效應(yīng)。顯然，這不是用一種技術(shù)取代另一種技術(shù)，也不是在兩種技術(shù)中取折中。這是以屏蔽方式實(shí)現(xiàn)兩種技術(shù)理想化互補(bǔ)的結(jié)果。
本發(fā)明提出以柔性電力電子控制與保護(hù)開關(guān)組件為核心的五種典型的基本電子開關(guān)與電磁開關(guān)互補(bǔ)方式工作的模式，為柔性實(shí)現(xiàn)電子技術(shù)與機(jī)電技術(shù)理想化互補(bǔ)，以屏蔽手段滿足實(shí)際應(yīng)用要求，奠定了條件。提出的五種基本工作模式分別適用于實(shí)際不同性質(zhì)的負(fù)載與電路保護(hù)模式，如表一所示?；谌嵝怨こ谭椒?，由此將各基本模式組合應(yīng)用，還有其它工作模式。這里以典型的五種基本工作模式為例說明本發(fā)明的使用特點(diǎn)，突出本發(fā)明的技術(shù)特色與創(chuàng)新之處。
表一所提出的電子開關(guān)基本工作模式表
對(duì)基本模式1，電子開關(guān)先于電磁開關(guān)導(dǎo)通，以電子開關(guān)串聯(lián)電阻來抵御大浪涌沖擊電流，電磁開關(guān)的觸點(diǎn)得到保護(hù)，電子開關(guān)則有電阻限流也得到保護(hù)。該電阻可以是電阻線或非線性電阻如正溫度系數(shù)電阻、負(fù)溫度系數(shù)電阻等，視實(shí)際應(yīng)用要求與制作成本綜合考慮而選擇最合適的電阻。對(duì)基本模式2，接通時(shí)以電磁開關(guān)來承受接通瞬間的較大電流，電子開關(guān)幾乎同時(shí)導(dǎo)通并保持一段導(dǎo)通時(shí)間，從而有效地防止了電磁開關(guān)觸點(diǎn)吸合接通電路時(shí)因觸點(diǎn)彈跳、抖動(dòng)而生電弧的缺陷；斷開時(shí)導(dǎo)通的電子開關(guān)較電磁開關(guān)滯后一段時(shí)間后再關(guān)斷，避免了觸頭釋放分?jǐn)嚯娐窌r(shí)而生電弧的缺陷。這樣兩種開關(guān)分別以各自的優(yōu)勢為對(duì)方屏蔽缺陷。對(duì)基本模式3，充分利用電子開關(guān)快速與完全可控性，在電磁開關(guān)吸合期間(一般大于工頻半個(gè)周期時(shí)間---10mS)中選擇觸點(diǎn)負(fù)載(當(dāng)其為零狀態(tài)無初始電壓時(shí))處于零電壓或負(fù)載電壓(有初始電壓時(shí))與源電壓間為零壓差時(shí)接通。這樣保證了接通電應(yīng)力最小，不出現(xiàn)接通浪涌沖擊電流。一個(gè)典型例子是借助該模式電路就可以用普通接觸器代替特殊的切換電容器式接觸器，而且同時(shí)也提高了接觸器性能。對(duì)基本模式4，是在電磁開關(guān)觸點(diǎn)斷開后，選擇在當(dāng)負(fù)載電流過零時(shí)，立即將導(dǎo)通的電子開關(guān)關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷，從而使斷開交流電路的電應(yīng)力最小，有害作用最小。上述使用時(shí)，對(duì)時(shí)間的時(shí)序邏輯是以微秒級(jí)的電子開關(guān)快速動(dòng)作以及以毫秒級(jí)作為電子開關(guān)持續(xù)工作為控制要求的，這樣保證了與電磁開關(guān)最佳地實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)工作。作為控制與保護(hù)功能使用時(shí)，則要利用限制電子開關(guān)導(dǎo)通與關(guān)斷比值來控制通過電子開關(guān)的電流大小，從而實(shí)現(xiàn)限流保護(hù)或斷路保護(hù)功能。其使用方法是在上述互補(bǔ)式使用(或在單獨(dú)使用)時(shí)，當(dāng)負(fù)載電路出現(xiàn)過流或短路故障時(shí)，電磁開關(guān)跳閘斷路時(shí)(互補(bǔ)使用時(shí))，電子開關(guān)立即轉(zhuǎn)為高頻脈沖通斷比很小的限流電路，結(jié)合小電感小電容組成的二階低通濾波器，就成為電子自動(dòng)限流開關(guān)，不但避免了設(shè)備或負(fù)載可能受到的電流浪涌沖擊，而且也保證了用電安全，無電弧出現(xiàn)。這是將控制與保護(hù)作為一體的第五種基本工作模式。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的
本實(shí)用新型柔性電力電子控制與保護(hù)開關(guān)組件(DKM)，是由自穩(wěn)壓反激式高頻直流變換器，機(jī)械觸點(diǎn)實(shí)時(shí)全狀態(tài)電子傳感器，互補(bǔ)式控制與保護(hù)集成化電路及電力電子開關(guān)電路四個(gè)部分共裝在一塊印刷線路板上構(gòu)成的(1)對(duì)輸入直流電壓源變化不需閉環(huán)反饋調(diào)整就能使輸出電壓穩(wěn)定的低成本自穩(wěn)壓反激式高頻直流變換器，在柔性電力電子控制與保護(hù)開關(guān)組件中，這個(gè)變換器由二個(gè)小功率NPN三極管、三個(gè)電阻、二個(gè)電容、二個(gè)小功率穩(wěn)壓二極管、一個(gè)小功率開關(guān)二極管、一個(gè)高頻變壓器構(gòu)成，高頻變壓器的磁芯為用低成本錳鋅鐵氧體R2K材料制作的可飽和小磁環(huán)，它類似典型的自反激式DC/DC變換器，與通常的自反激式DC/DC變換器主要不同的是，高頻變壓器用易飽和的小磁環(huán)制作(傳統(tǒng)的是用不易飽和的磁芯制作)，再加上由穩(wěn)壓二極管支路構(gòu)成了自穩(wěn)壓電路，高頻變壓器的可飽和特性使得自激振蕩的波形為占空比很小的矩形波，這就自動(dòng)限制了輸出功率，適用于驅(qū)動(dòng)功率很小且?guī)缀醪蛔兊膱隹匦碗娏﹄娮娱_關(guān)器件，而且從次邊繞組的另一端(非同名端)，因不加電容濾波，故還可輸出用于限流的幅度越為16伏的占空比很小的窄脈沖矩形波，兩個(gè)外接端子用來接到電磁開關(guān)的勵(lì)磁電壓上，一個(gè)控制端作為外接控制端，當(dāng)它外接低電平時(shí)，輸出兩端輸出直流電壓約為15伏，它接高電平時(shí)，輸出電壓為零。
(2)互補(bǔ)式開關(guān)機(jī)械觸點(diǎn)實(shí)時(shí)全狀態(tài)電子傳感器，在(DKM)中，該電路由高頻可飽和變壓器的一個(gè)次邊繞組(直接利用上述自穩(wěn)壓反激式高頻直流變換器的變壓器)、一條穿過該變壓器磁環(huán)一匝的導(dǎo)線、一個(gè)小容量電容器、一個(gè)小阻值的電阻構(gòu)成，高頻可飽和變壓器次邊繞組的一端(非同名端)連接電容的一端，電容的另一端與小電阻值的電阻一端連接，電阻的另一端接穿過磁環(huán)(1匝)的導(dǎo)線，導(dǎo)線的一端與電磁開關(guān)觸點(diǎn)的一端連接，電磁開關(guān)觸點(diǎn)的另一端與次邊繞組的另一端連接，對(duì)直流電路該接點(diǎn)也接電力電子開關(guān)管，對(duì)交流電路該接點(diǎn)通過二極管再與電力電子開關(guān)管連接，當(dāng)電磁開關(guān)觸點(diǎn)閉合時(shí)，無論電力電子開關(guān)管是否導(dǎo)通或關(guān)斷，高頻變壓器都是處于過載狀態(tài)，可飽和變壓器的性質(zhì)就使輸出電壓明顯降低，檢測該電壓的電平，就能對(duì)電磁開關(guān)觸點(diǎn)的閉合或斷開狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)快速判定，這是自適應(yīng)控制的必要條件，一個(gè)電容接在次邊繞組上，由于工作頻率高，次邊繞組上的電壓較高，故雖然電容量較小(在高壓電路使用時(shí)，電容器的容量大會(huì)顯著增大成本)，但與該電容串聯(lián)的小電阻值的電阻的作用已夠達(dá)到過載要求，再結(jié)合(1)的技術(shù)，無論在何種工作模式中，無論電力電子開關(guān)管是否導(dǎo)通(包括導(dǎo)通電壓降無論多小)或關(guān)斷，也無論輸入電壓在額定范圍內(nèi)作如何變化，都能在與開關(guān)電路完全電隔離下，以電子方式對(duì)電磁開關(guān)觸點(diǎn)的閉合或斷開狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)快速可靠地檢測判定。
(3)互補(bǔ)式控制與保護(hù)集成化電路(KB)，該電路的引出端子共有十個(gè)，內(nèi)部電路全部為易實(shí)現(xiàn)集成電路化的小功率低壓(耐壓低于20伏)半導(dǎo)體器件與電阻元件構(gòu)成，由四個(gè)比較器、二個(gè)運(yùn)放器(或五個(gè)比較器、一個(gè)運(yùn)放器)、二十一個(gè)電阻、四個(gè)NPN三極管、七個(gè)二極管、三個(gè)穩(wěn)壓二極管組成，其中第一個(gè)比較器作為電磁開關(guān)觸點(diǎn)閉合或斷開兩狀態(tài)檢測判定器，當(dāng)觸點(diǎn)閉合時(shí)，輸入電壓值降低，比較器的輸出為低電平，反之則為輸出高電平，第一個(gè)三極管則作為反相器，將該比較器的輸出反相，第二個(gè)比較器以反相端作控制端，第三個(gè)比較器以同相端作控制端，第四個(gè)比較器的反相端及第二個(gè)運(yùn)放器(或第五個(gè)比較器)的同相端，作為(KB)的一個(gè)端子外接測溫傳感器(由兩個(gè)二極管間接采樣，每個(gè)二極管的正向電壓的溫度特性為-2mV/℃，應(yīng)用這個(gè)特性作溫度偏差采樣)時(shí)，第四個(gè)比較器作為電力電子開關(guān)管殼溫過熱保護(hù)器，第三個(gè)三極管在第四個(gè)比較器輸出高電平信號(hào)時(shí)，立即將輸送給電力電子開關(guān)管的柵極電壓置于低電平并將第二個(gè)三極管關(guān)斷，(KB)有一個(gè)端子外接一個(gè)二極管的陽極，該二極管的陰極接電力電子開關(guān)管的高電位極時(shí)，電力電子開關(guān)管的導(dǎo)通電壓就能直接檢測，第一個(gè)運(yùn)放器對(duì)該電壓進(jìn)行反相差動(dòng)放大，輸出電壓直接通過控制第二個(gè)三極管來控制電力電子開關(guān)管的柵極電壓的大小，在電力電子開關(guān)管嚴(yán)重過載或外電路因故障出現(xiàn)短路時(shí)，柵極電壓及時(shí)拉低后再置于零，有助于電力電子開關(guān)管提高抗過載與短路能力，第二個(gè)運(yùn)放器(或第五個(gè)比較器)通過比較電力電子開關(guān)管的導(dǎo)通電壓，就可以對(duì)交流負(fù)載電路的電流過零點(diǎn)輸出高電平信號(hào)，將此信號(hào)接在第三個(gè)比較器的同相端上，就能實(shí)現(xiàn)電力電子開關(guān)的零電流關(guān)斷，(KB)中提供一個(gè)外接端子，當(dāng)其外接一個(gè)高阻值電阻的一端，該電阻的另一端若接電力電子開關(guān)管的高電位極時(shí)，就能對(duì)電力電子開關(guān)兩極間的電壓檢測，當(dāng)電力電子開關(guān)管斷開時(shí)，就相應(yīng)可檢測出供給負(fù)載的交流電源電壓的零點(diǎn)，第四個(gè)三極管作為電壓過零接通開關(guān)，(KB)中有一個(gè)端子外接電容，作為故障信號(hào)鎖存，僅當(dāng)電磁開關(guān)閉合時(shí)才復(fù)位，同時(shí)亦作為電子開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間限定，另有一個(gè)端子也外接電容，作為閉合的電磁開關(guān)在斷開后，導(dǎo)通的的電子開關(guān)要延遲一段時(shí)間后再關(guān)斷(工作模式2)，當(dāng)為工作模式1時(shí)，該端子則要與輸入電壓連接；需要限流工作模式時(shí)，配合電子開關(guān)的限流電路，將(KB)中一個(gè)限流驅(qū)動(dòng)端子接在(1)中的高頻變壓器次邊繞組非同名端上，利用該次邊繞組輸出的窄脈沖(低占空度)，在第二個(gè)三極管關(guān)斷時(shí)，供給電力電子開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電壓也為窄脈沖，經(jīng)電子開關(guān)的限流電路，自然為幾乎無高頻分量(滿足電磁騷擾限制要求)的小電流(可以達(dá)到過載電流的十分之一以下)。
(4)電力電子開關(guān)電路(DK)，它為全電子化微型柔性控制與保護(hù)電力電子開關(guān)組件(DKM)中的一部分，作為模式1、2、3、4使用時(shí)為普通接法，作為限流模式5接法使用時(shí)，為新接法，對(duì)作為直流電路限流開關(guān)使用時(shí)，該接法電路由一個(gè)場控型電力電子開關(guān)器件(功率場效應(yīng)管MOSFET器件或場控雙極型IGBT器件)、一個(gè)功率開關(guān)二極管、一個(gè)高頻不飽和功率電感器、一個(gè)電容器構(gòu)成，對(duì)作為交流電路限流開關(guān)使用時(shí)，該接法電路由一個(gè)場控型電力電子開關(guān)器件(功率場效應(yīng)管MOSFET器件或場控雙極型IGBT器件)、一個(gè)功率開關(guān)二極管、四個(gè)功率整流二極管、一個(gè)高頻不飽和功率電感器、一個(gè)電容器構(gòu)成，對(duì)直流限流模式DC，場控型電力電子開關(guān)器件，其高電位極接高頻不飽和電感器的一端及功率開關(guān)二極管的陽極，電感器的另一端與功率開關(guān)二極管的陰極接在一起，電容器的一端作為一個(gè)外接端子，其另一端與電力電子開關(guān)器件的低電位極接在一起，對(duì)交流限流模式AC，加入由四個(gè)功率二極管接成典型的整流全橋，全橋的正極(兩共陰接法的二極管)與功率開關(guān)二極管的陰極接在一起，全橋的陰極(兩共陽接法的二極管)與電力電子開關(guān)器件的低電位極接在一起，全橋的一個(gè)交流極(兩串聯(lián)接法的二極管的接點(diǎn))作一個(gè)外接接端子，全橋的另一個(gè)交流極(兩串聯(lián)接法的二極管的接點(diǎn))作一個(gè)外接接端子與電容器的一個(gè)端子接在一起該端子與電容器的另一端子同時(shí)與電磁開關(guān)的兩觸點(diǎn)并聯(lián)，當(dāng)電力電子開關(guān)器件的柵極端子輸入窄脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，高頻不飽和電感器能限流，并與電容組成LC二階低通濾波器，使限流后的電流幾乎不含高頻分量，以符合電磁兼容要求；對(duì)交流電路則用整流橋變換為直流以滿足電子開關(guān)工作條件要求。
作為一種新型的具有控制與保護(hù)兩大功能的通用電力電子開關(guān)組件(DKM)，主要應(yīng)用于低壓電路上。它具有對(duì)組件內(nèi)電力電子開關(guān)器件過載、短路、過熱自保護(hù)功能，可單獨(dú)作為控制與保護(hù)開關(guān)電器使用。更有實(shí)用意義的是將其與電磁開關(guān)互補(bǔ)使用，構(gòu)成機(jī)電一體化的混合型開關(guān)，能有效地改善后者的動(dòng)態(tài)性能特性，顯著地提高后者的電氣壽命；同時(shí)將電子開關(guān)的不良效應(yīng)減少到最低限度，從而獲得較高性能價(jià)格比。
在上述說明中

圖1為電力電子開關(guān)電路(DK)圖。
圖2為互補(bǔ)式控制與保護(hù)集成化電路(KB)圖。
圖3為柔性電力電子控制與保護(hù)開關(guān)組件(DKM)圖。
圖4為由本發(fā)明提出的新技術(shù)的具體應(yīng)用示例圖。
參照圖1。電力電子開關(guān)電路(DK)，對(duì)用于控制工作模式1、2、3、4，圖1a為直流電路使用的電子開關(guān)DC，圖1b為交流電路使用的電子開關(guān)AC；對(duì)用于限流保護(hù)工作模式5，圖1c為直流電路使用的電子開關(guān)DC，對(duì)圖1c的直流電路使用的電子開關(guān)DC而言，對(duì)直流限流模式(DC)，場控型電力電子開關(guān)管V(以功率場效應(yīng)管MOSFET器件為例，也一樣適用于場控雙極型IGBT器件)的柵極接端子g，其高電位極接端子VH，同時(shí)接在該端子的還有高頻不飽和電感器L的一端及功率開關(guān)二極管V1的陽極，電感器L的另一端與二極管V1的陰極接在一起，該接點(diǎn)也作為端子Q1，電力電子開關(guān)管V的低電位極接端子VL，電容器C的一端接端子Q2，電容C的另一端接端子DC，該端子也與端子VL接在一起；圖1d為交流電路使用的電子開關(guān)AC，對(duì)交流限流模式AC，場控型電力電子開關(guān)管V(以功率場效應(yīng)管MOSFET器件為例，也一樣適用于場控雙極型IGBT器件)的柵極接端子g，其高電位極接端子VH，同時(shí)接在該端子的還有高頻不飽和電感器L的一端及功率開關(guān)二極管V1的陽極，電容L的另一端與二極管V1的陰極接在一起，電力電子開關(guān)管的低電位極接端子VL，四個(gè)功率二極管V2～V5接成典型的整流全橋，全橋的正極(兩共陰接法的二極管)接二極管V1的陰極，全橋的陰極(兩共陽接法的二極管)接端子VL，全橋的一個(gè)交流極(兩串聯(lián)接法的二極管的接點(diǎn))接端子Q1，全橋的另一個(gè)交流極(兩串聯(lián)接法的二極管的接點(diǎn))接端子AC，電容器C的一端接端子Q2，電容C的另一端接端子AC。其工作原理為端子g輸入窄脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，高頻不飽和電感器L能限流，并與電容C組成LC二階低通濾波器，使限流后的電流幾乎不含高頻分量，以符合電磁兼容要求；對(duì)交流電路則用整流橋變換為直流以滿足電子開關(guān)工作條件要求。
參照圖2柔性構(gòu)成包括能實(shí)現(xiàn)先通后斷、同步通后斷、零電壓接通、零電流關(guān)斷、自動(dòng)限流等與電磁開關(guān)以互補(bǔ)方式工作的五種以上工作模式的互補(bǔ)式控制與保護(hù)集成化電路(KB)，引出端子共有十個(gè)，內(nèi)部電路全部為易實(shí)現(xiàn)集成電路化的小功率低壓(耐壓低于20伏)半導(dǎo)體器件與電阻元件構(gòu)成，電阻R1的一端接端子1-Ui，電阻R1的另一端接電阻R2的一端，該接點(diǎn)同時(shí)接比較器N1的同相端(+)，電阻R3的一端接1-Ui，電阻R3的另一端接穩(wěn)壓二極管V1(VZ=5.6伏)的陰極，該接點(diǎn)作為基準(zhǔn)電壓源Vref同時(shí)連接比較器N1、比較器N3的反相端(-)及比較器N2的同相端，電阻R2的另一端與二極管V1的陽極接在一起，該接點(diǎn)連接10-COM端子，比較器N1的輸出端與電阻R4、電阻R5、電阻R7、電阻R9的一端及二極管V3的陰極連接，二極管V3的陽極與電阻R7的另一端連接，該接點(diǎn)同時(shí)接在比較器N2的反相端上，作為引出端8-C1，電阻R4的另一端接1-Ui端，電阻R5的另一端接NPN三極管V2的基極，電阻R9的另一端與二極管V5的陽極連接，三極管V2的集電極與電阻R6、電阻R8的一端及二極管V4的陽極連接，三極管V2的發(fā)射極接端子10-COM，電阻R6的另一端接1-Ui端，電阻R8的另一端與二極管V4、二極管V5的陰極連接，該接點(diǎn)同時(shí)與比較器N3的同相端連接，亦作為端子9-C2，比較器N2、比較器N3的輸出端子并接在一起，該接點(diǎn)同時(shí)與電阻R10的一端、NPN三極管V6的基極接在一起，電阻R10的另一端接端子1-Ui，三極管V6的集電極接端子1-Ui，三極管V6的發(fā)射極接電阻R11的一端，該接點(diǎn)同時(shí)作為引出端子3-Ug，電阻R11的另一端接開關(guān)二極管V7的陰極，二極管V7的陽極作為引出端子2-Us，電阻R12、電阻R14的一端都接二極管V1的陰極(Vref)，電阻R12的另一端與電阻R13的一端連接，該接點(diǎn)同時(shí)接在比較器N4的同相端上，電阻R13的另一端接在端子9-COM上，電阻R14的另一端接在比較器N4的反相端上，該接點(diǎn)作為引出端子7-T，比較器N4的輸出端與電阻R15、電阻R16的一端及二極管V8的陽極連接，二極管V8的陰極接端子8-C1，電阻R15的另一端接端子1-Ui，電阻R16的另一端接NPN三極管V10的基極，該接點(diǎn)也與穩(wěn)壓二極管V9(VZ=15～18伏)的陽極連接，三極管V10的集電極與二極管V9的陰極連接，該接點(diǎn)也接在端子3-Ug上，三極管V10的發(fā)射極接在10-COM端子上，比較器N1、比較器N2、比較器N3、比較器N4的V+端接端子1-Ui，比較器N4的V-端接10-COM端子上，電阻R17的一端接3-Ug，電阻R17的另一端接端子4-D，電阻R18的一端接端子3-Ug，電阻R18的另一端接10-COM，運(yùn)放器N5的同相端(+)接二極管V1的陰極(Vref)，運(yùn)放器N5的反相端(-)與電阻R19、電阻R20的一端接在一起，電阻R19的另一端接端子4-D，電阻R20的另一端接運(yùn)放器N5的輸出端，運(yùn)放器N5的接法是典型的差動(dòng)放大器接法，電阻R21的一端也接運(yùn)放器N5的輸出端，電阻R21的另一端接三極管V6的基極，運(yùn)放器(或比較器，以運(yùn)放器為例)N6的同相端接端子6-T，運(yùn)放器N6的反相端接端子4-D，運(yùn)放器N6的輸出端接二極管V11的陽極，二極管V11的陰極接端子6-I0，運(yùn)放器N5、運(yùn)放器N6的V+端接端子3-Ug，V-端接10-COM端子，穩(wěn)壓二極管V12(VZ=5～8伏)的陽極接端子10-COM，二極管V12的陰極接二極管V13的陽極，該接點(diǎn)作為端子5-R，二極管V13的陰極接NPN三極管V14的基極，三極管V14的集電極接二極管V5的陽極，三極管V14的發(fā)射極接端子10-COM，使用時(shí)端子1-Ui外接直流電壓高電平，端子2-Us外接窄寬度(占空度很小)的正脈沖(僅當(dāng)按限流工作模式5使用時(shí)才這樣接，否則應(yīng)使該端子開路)，端子3-Ug外接電力電子開關(guān)管的柵極g，端子4-D外接高壓二極管(當(dāng)開關(guān)電路為高壓時(shí))的陽極，高壓二極管的陰極連接電力電子開關(guān)管的漏極(對(duì)MOSFET)或集電極(對(duì)IGBT)，端子5-R外接高阻值電阻的一端，該電阻的另一端若接高壓二極管的陰極，就能對(duì)電力電子開關(guān)管的導(dǎo)通電壓降檢測，當(dāng)電力電子開關(guān)管斷開時(shí)，就相應(yīng)可檢測電力電子開關(guān)管上的交流電壓過零，端子7-T與端子10-COM之間外接兩個(gè)按正向串聯(lián)接法的二極管，這兩個(gè)二極管作為電力電子開關(guān)管殼溫傳感器，緊貼在管殼上安裝，端子8-C1外接電容器，端子9-C2也外接電容器(但對(duì)工作模式1，該端子則要與端子1-Ui接在一起)，端子10-COM則外接直流電壓低電平。其工作原理為由于1-Ui端子接柔性電力電子控制與保護(hù)開關(guān)組件(DKM)(圖3)的Ui，故比較器N1作為電磁開關(guān)觸點(diǎn)閉合或斷開兩狀態(tài)檢測判定器，當(dāng)觸點(diǎn)閉合時(shí)，Ui值降低，N2的輸出為低電平，反之則為輸出高電平；三極管V2則作為反相器，將N2的輸出反相；比較器N2以反相端作控制端，比較器N3以同相端作控制端；2-T端外接測溫傳感器(由兩個(gè)二極管間接采樣，其每個(gè)二極管的正向電壓Uf的溫度特性為-2mV/℃)時(shí)，比較器N4作為電力電子開關(guān)管殼溫過熱保護(hù)器，三極管V10在N4輸出保護(hù)高電平信號(hào)時(shí)，立即將輸送給電力電子開關(guān)管的柵極電壓Ug置于低電平并將三極管V6關(guān)斷；4-D端子外接二極管陽極，該二極管的陰極接電力電子開關(guān)管的高電位極VH時(shí)，電力電子開關(guān)管的導(dǎo)通電壓就能直接檢測；運(yùn)放器N5對(duì)該電壓進(jìn)行反相差動(dòng)放大，輸出電壓直接通過控制V6控制Ug的大小，在電力電子開關(guān)管嚴(yán)重過載或外電路因故障出現(xiàn)短路時(shí)，Ug的電壓及時(shí)拉低后再置于零，有助于電力電子開關(guān)管提高抗過載與短路能力；運(yùn)放器(或比較器)N6通過比較電力電子開關(guān)管的導(dǎo)通電壓，就可以對(duì)交流負(fù)載電路的電流過零點(diǎn)輸出高電平信號(hào)，將6-I0端子接在8-C1端子上，就能實(shí)現(xiàn)電力電子開關(guān)的零電流關(guān)斷；端子5-R外接高阻值電阻的一端，該電阻的另一端若接電力電子開關(guān)管的高電位極VH時(shí)，就能對(duì)電力電子開關(guān)兩極間的電壓檢測，當(dāng)電力電子開關(guān)管斷開時(shí)，就相應(yīng)可檢測出供給負(fù)載的交流電源電壓的零點(diǎn)，三極管V14作為電壓過零接通開關(guān)；端子8-C1外接電容，作為故障信號(hào)鎖存，僅當(dāng)電磁開關(guān)閉合時(shí)才復(fù)位，同時(shí)亦作為電子開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間限定，其值約為電阻R7與外接電容的乘積；端子9-C2外接電容，作為閉合的電磁開關(guān)在斷開后，導(dǎo)通的的電子開關(guān)要延遲一段時(shí)間后再關(guān)斷(工作模式2)，延遲時(shí)間由電阻R8與外接電容的乘積決定，當(dāng)為工作模式1時(shí)，9-C2端子則要與端子1-Ui連接；需要限流工作模式時(shí)，配合圖1電子開關(guān)的限流電路，將2-Us端子接在圖3的Ns上的Us上，利用Us的窄脈沖(低占空度)，在V6關(guān)斷時(shí)，供給電力電子開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電壓也為窄脈沖，經(jīng)圖1電子開關(guān)的限流電路，自然為幾乎無高頻分量(滿足電磁騷擾限制要求)的小電流(可以達(dá)到過載電流的十分之一以下)。
參照圖3圖3即為柔性電力電子控制與保護(hù)開關(guān)組件(DKM)的電路組成圖，它是由自穩(wěn)壓反激式高頻直流變換器，機(jī)械觸點(diǎn)實(shí)時(shí)全狀態(tài)電子傳感器，互補(bǔ)式控制與保護(hù)集成化電路KB(圖2)及電力電子開關(guān)電路DK(圖1)四個(gè)部分共裝在一塊印刷線路板上構(gòu)成的一個(gè)全電子化微型開關(guān)組件。其中之一部為對(duì)輸入直流電壓源變化不需閉環(huán)反饋調(diào)整就能使輸出電壓穩(wěn)定的低成本自穩(wěn)壓反激式高頻直流變換器(DC/DC)，在該變換器中，小功率NPN三極管V1的基極為端子X2-Uc，其集電極與電阻R1的一端連接，該接點(diǎn)同時(shí)與小功率NPN三極管V2的基極連接在一起，電阻R1的另一端接到端子X1-U+，三極管V1、三極管V2的發(fā)射極均與端子X3-U-相連，電阻R2的一端與三極管V1的集電極相連，其另一端與電容C1的一端相連，電容C1的另一端與高頻變壓器T1的Nc繞組的同名端(打點(diǎn)端)連接，Nc繞組的另一端(非同名端)與端子X3-U-相連，高頻變壓器T1的Np繞組的同名端(打點(diǎn)端)與端子X1-U+連接，Np繞組的另一端(非同名端)與三極管V2的集電極相連，小功率穩(wěn)壓二極管V3的陰極也與三極管V2的集電極連接，二極管V3的陽極與小功率穩(wěn)壓二極管V4的陰極連接，二極管V4的陽極與小電阻值的電阻R3的一端連接，電阻R3的另一端與端子X3-U-連接，高頻變壓器11的Ns繞組的的同名端(打點(diǎn)端)與電容C2連接，作為端子X4-VL，Ns繞組的另一端(非同名端)與小功率開關(guān)二極管V5的陽極連接，二極管V5的陰極與電容C2的另一端連接，高頻變壓器T1的磁芯為用低成本錳鋅鐵氧體R2K材料制作的可飽和小磁環(huán)，X1-U+端子外接勵(lì)磁電壓的高電平，X3-U-端子外接勵(lì)磁電壓的低電平，控制端X2-Uc外接低電平時(shí)，電容C2兩端輸出直流電壓(Ui)，二極管V5的陰極為輸出電壓的高電平，X4-VL為低電平，控制端X2-Uc接高電平時(shí)，輸出電壓為零。其工作原理為V2、V5、R1、R2、C1、C2、T1構(gòu)成類似典型的自反激式DC/DC變換器，這里與自反激式DC/DC變換器主要不同的是，高頻變壓器11用易飽和的小磁環(huán)制作(傳統(tǒng)的T1是用不易飽和的磁芯制作)，再加上V3、V4、R3組成的串聯(lián)支路構(gòu)成自穩(wěn)壓電路；當(dāng)輸入電壓U+↑,→輸入電流↑,→T1的磁能↑,→V3、V4支路的電流(當(dāng)V2關(guān)斷時(shí))↑,→V2ce(即為V3、V4支路限制的電壓)↑,→Vpr(Np繞組的反激電壓)=V2ce-U+幾乎不變，→Ui=UC2=VprNs/Np幾乎不變；T1的可飽和特性使得自激振蕩的波形為占空比很小的矩形波，這就自動(dòng)限制了輸出功率，適用于驅(qū)動(dòng)功率很小且?guī)缀醪蛔兊膱隹匦碗娏﹄娮娱_關(guān)器件，而且從Ns繞組的另一端(非同名端)，因不加電容濾波，故還可輸出用于限流的占空比很小的窄脈沖矩形波(Us)；R3用于對(duì)流經(jīng)V3、V4的電流限流。其中之一部為互補(bǔ)式開關(guān)機(jī)械觸點(diǎn)實(shí)時(shí)全狀態(tài)全電子化采樣檢測電路，在該電路中，高頻可飽和變壓器T1的Ns繞組的另一端(非同名端)連接電容C5的一端，電容C5的另一端與小電阻值的電阻R4的一端連接，電阻R4的另一端接高頻變壓器T1的Nq繞組的X6-Q1端，Nq繞組為穿過T1磁環(huán)(1匝)的導(dǎo)線，導(dǎo)線的一端作X6-Q1，另一端作X7-Q2與電磁開關(guān)觸點(diǎn)的一端連接，電磁開關(guān)觸點(diǎn)的另一端或與X4-VL連接(對(duì)DK的直流電子開關(guān)DC)，或通過二極管與端子X4-VL(對(duì)DK的交流電子開關(guān)AC)連接。其工作原理為當(dāng)電磁開關(guān)觸點(diǎn)閉合時(shí)，無論電力電子開關(guān)管V(見圖1)是否導(dǎo)通或關(guān)斷，高頻變壓器T1都是處于過載狀態(tài)，可飽和變壓器的性質(zhì)就使電容C2上的電壓(輸出電壓Ui)明顯降低，檢測該電壓的電平，就能對(duì)電磁開關(guān)觸點(diǎn)的閉合或斷開狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)快速判定，這是自適應(yīng)控制的必要條件；C5接在Ns上，由于T1工作頻率高，Ns上的電壓較高，故雖然C5容量較小(在高壓電路使用時(shí)，電容器的容量大會(huì)顯著增大成本)，但小電阻值的電阻R4的作用已夠達(dá)到過載要求；Nq繞組與電力電子開關(guān)電路(DK)串聯(lián)，當(dāng)電力電子開關(guān)管V導(dǎo)通時(shí)，可對(duì)電磁開關(guān)觸點(diǎn)的閉合或斷開狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)快速判定(對(duì)非限流工作模式1、2、3、4)，而當(dāng)開關(guān)管V關(guān)斷時(shí)，則不起作用；Ns、C5、R4不與電力電子開關(guān)電路(DK)串聯(lián)，與Nq繞組結(jié)合使用，再結(jié)合1．的技術(shù)，無論在何種工作模式中，無論電力電子開關(guān)管V(見圖1)是否導(dǎo)通(包括導(dǎo)通電壓降無論多小)或關(guān)斷，也無論輸入電壓在額定范圍內(nèi)如何變化，都能在與開關(guān)電路完全電隔離下，以電子方式對(duì)電磁開關(guān)觸點(diǎn)的閉合或斷開狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)快速可靠地檢測判定。(DKM)的另兩部分為(DK)、(KB)，已如上(圖1、圖2)所述。
由于柔性電力電子控制與保護(hù)開關(guān)組件(DKM)中的四個(gè)組成部分全由電子元器件構(gòu)成，體積小、重量輕，因此它很容易在一個(gè)印刷線路板上裝配成一個(gè)微型組件，這就為與電磁開關(guān)互補(bǔ)工作創(chuàng)造了條件，也就達(dá)到了上述的對(duì)電子新技術(shù)商品化的要求。
本發(fā)明的具體實(shí)施示例見圖4。下面結(jié)合圖4作進(jìn)一步說明。圖4為由本發(fā)明提出的新技術(shù)的具體應(yīng)用示例圖。在圖四中，與電磁開關(guān)相對(duì)應(yīng)，柔性電力電子控制與保護(hù)開關(guān)組件(DKM)的電路也分為兩部分，即控制驅(qū)動(dòng)部分與開關(guān)執(zhí)行部分。控制驅(qū)動(dòng)部分同電磁開關(guān)的勵(lì)磁線圈(DKX)一樣，為執(zhí)行部分元件--開關(guān)(Q)，輸送按控制要求進(jìn)行通斷動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)能量。這里開關(guān)執(zhí)行部分由場控型電力電子器件構(gòu)成，以保證驅(qū)動(dòng)能量最小、完全能控制且開關(guān)速度快。按實(shí)際應(yīng)用要求分為直流開關(guān)DC與交流開關(guān)AC兩類電路(DK)，具體見圖1。其中圖1a、1b為模式1、2、3、4使用，圖1c、1d則為限流模式5使用，電力電子開關(guān)管(MOSFET)V也一樣能用IGBT管代替；L為高頻不飽和電感器。對(duì)圖1a，端子VH與端子Q1、端子VL與端子DC連接在一起；對(duì)圖1c，端子VL與端子DC連接在一起。圖2為可制作成半導(dǎo)體集成電路的微電子化互補(bǔ)式控制與保護(hù)電路(KB)，其全部為易實(shí)現(xiàn)集成電路化的小功率低壓(耐壓低于20伏)半導(dǎo)體器件與電阻元件。對(duì)工作模式1(先通后斷)，(KB)中的8-C2端子與2-Ui端子接在一起；對(duì)工作模式5(自動(dòng)限流)，2-Us端子才如圖2接法，對(duì)其它模式2-Us端子則是開路；對(duì)工作模式3(零電壓接通)，要加用電阻R5并接在DK的5-R端與(DK)的VH端之間；對(duì)工作模式4(零電流斷開)，要將(DK)的6-I0端與7-C1端接在一起；二極管V7、V8作為電力電子開關(guān)管殼溫傳感器，緊貼著管殼安裝。圖3則為以圖1與圖2為基礎(chǔ)構(gòu)成的柔性電力電子控制與保護(hù)開關(guān)組件(DKM)。圖3中(KB)見圖2，(DK)見圖1。圖4中RL為負(fù)載，Us為直流DC或交流AC電源，Q為電磁開關(guān)，兩端分別接在KB的端子Q2、DC/AC上；對(duì)直流電路，要使電源Us的電壓極性與(KB)的端子一致，Q2接高電平；圖4中R1、C1、V5用于降壓，當(dāng)勵(lì)磁電壓較高時(shí)要用上，勵(lì)磁電壓較低時(shí)(小于30伏)不要用；對(duì)直流勵(lì)磁，C1不用，R1用小阻值電阻；對(duì)交流勵(lì)磁，C1要用，R1用高阻值電阻，目的是在斷電時(shí)給C1放電。根據(jù)不同工作模式，選用由不同的引出腳與外接電子元件構(gòu)成的相應(yīng)電路，就可以滿足對(duì)上述不同模式的電路要求。裝在印刷線路板上的柔性控制與保護(hù)電力電子開關(guān)組件只有五個(gè)外接通用端子，端子X4-Q2、X5-DC/AC直接與電磁開關(guān)Q觸點(diǎn)兩端并聯(lián)；端子X1-U+、X2-Uc、X3-U-與專利《林周布ZL 98227257.X自適應(yīng)高頻變換器式混合型互補(bǔ)式電磁開關(guān)》的輸入控制電路(SKD)聯(lián)接，就構(gòu)成新一代多用途高性能價(jià)格比的混合型控制與保護(hù)開關(guān)。
所提出的柔性電力電子控制與保護(hù)開關(guān)組件技術(shù)特色是對(duì)強(qiáng)電電路中的電磁開關(guān)觸點(diǎn)工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)全狀態(tài)檢測，電力電子開關(guān)器件按工作模式的時(shí)序邏輯要求而被控制，既達(dá)到低成本、多功能、微型化和滿足強(qiáng)弱電隔離，即控制信號(hào)對(duì)觸點(diǎn)開關(guān)電壓間的電氣隔離等要求；又具有對(duì)組件內(nèi)電力電子開關(guān)器件過載、短路、過熱自保護(hù)功能，保證了其可靠性。本發(fā)明達(dá)到了這些要求，獲得了新技術(shù)。綜上所述，體現(xiàn)在本發(fā)明的新技術(shù)內(nèi)容有三大主要方面1．對(duì)輸入直流電壓源變化不需閉環(huán)反饋調(diào)整就能使輸出電壓穩(wěn)定的低成本自穩(wěn)壓反激式高頻直流變換器(DC/DC)；2．在專利《林周布ZL98227257.X自適應(yīng)高頻變換器式混合型互補(bǔ)式電磁開關(guān)》基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的互補(bǔ)式開關(guān)機(jī)械觸點(diǎn)實(shí)時(shí)全狀態(tài)電子傳感器，該電子傳感器能對(duì)互補(bǔ)式開關(guān)中的機(jī)械電磁開關(guān)觸點(diǎn)閉合或斷開兩種狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，準(zhǔn)確地給出相應(yīng)的狀態(tài)識(shí)別信號(hào)電平，而與電力電子開關(guān)管是否導(dǎo)通或關(guān)斷完全無關(guān)，這是混合型開關(guān)第二種基本模式所必須具備的電磁開關(guān)工作狀態(tài)采樣要求。
3．首創(chuàng)能柔性構(gòu)成五種以上基本互補(bǔ)工作模式的全電子化微型控制與保護(hù)電力電子開關(guān)組件(DKM)。其為互補(bǔ)式控制與保護(hù)集成化電路(KB)(圖2)及含有限流功能的電力電子開關(guān)電路(DK)(圖1)，再與上述自穩(wěn)壓反激式高頻直流變換器及機(jī)械觸點(diǎn)實(shí)時(shí)全狀態(tài)電子傳感器四個(gè)部分共裝在一塊印刷線路板上聯(lián)合構(gòu)成的一個(gè)全電子化微型開關(guān)組件。這是集控制與保護(hù)開關(guān)及自我保護(hù)諸功能為一身的，具有實(shí)用意義的高可靠全電子化組件，為開關(guān)電器增添一個(gè)高性能價(jià)格比的新產(chǎn)品。
權(quán)利要求1柔性電力電子控制與保護(hù)開關(guān)組件(DKM)，其特征在于它由自穩(wěn)壓反激式高頻直流變換器，機(jī)械觸點(diǎn)實(shí)時(shí)全狀態(tài)電子傳感器，互補(bǔ)式控制與保護(hù)集成化電路(KB)及電力電子開關(guān)電路(DK)四個(gè)部分共裝在一塊印刷線路板上構(gòu)成一個(gè)全電子化微型開關(guān)組件；(1)對(duì)輸入直流電壓源變化不需閉環(huán)反饋調(diào)整就能使輸出電壓穩(wěn)定的低成本自穩(wěn)壓反激式高頻直流變換器(DC/DC)，在柔性電力電子控制與保護(hù)開關(guān)組件(DKM)中，小功率NPN三極管V1的基極為端子X2-Uc，其集電極與電阻R1的一端連接，該接點(diǎn)同時(shí)與小功率NPN三極管V2的基極連接在一起，電阻R1的另一端接到端子X1-U+，三極管V1、三極管V2的發(fā)射極均與端子X3-U-相連，電阻R2的一端與三極管V1的集電極相連，其另一端與電容C1的一端相連，電容C1的另一端與高頻變壓器T1的Nc繞組的同名端(打點(diǎn)端)連接，Nc繞組的另一端(非同名端)與端子X3-U-相連，高頻變壓器T1的Np繞組的同名端(打點(diǎn)端)與端子X1-U+連接，Np繞組的另一端(非同名端)與三極管V2的集電極相連，小功率穩(wěn)壓二極管V3的陰極也與三極管V2的集電極連接，二極管V3的陽極與小功率穩(wěn)壓二極管V4的陰極連接，二極管V4的陽極與小電阻值的電阻R3的一端連接，電阻R3的另一端與端子X3-U-連接，高頻變壓器T1的Ns繞組的的同名端(打點(diǎn)端)與電容C2連接，作為端子X4-VL，Ns繞組的另一端(非同名端)與小功率開關(guān)二極管V5的陽極連接，二極管V5的陰極與電容C2的另一端連接，高頻變壓器T1的磁芯為用低成本錳鋅鐵氧體R2K材料制作的可飽和小磁環(huán)，X1-U+端子外接勵(lì)磁電壓的高電平，X3-U-端子外接勵(lì)磁電壓的低電平，控制端X2-Uc外接低電平時(shí)，電容C2兩端輸出直流電壓(Ui)，二極管V5的陰極為輸出電壓的高電平，X4-VL為低電平，控制端X2-Uc接高電平時(shí)，輸出電壓為零，在這里三極管V2、二極管V5、電阻R1、電阻R2、電容C1、電容C2、高頻變壓器T1構(gòu)成類似典型的自反激式DC/DC變換器，與通常的自反激式DC/DC變換器主要不同的是，高頻變壓器T1用易飽和的小磁環(huán)制作(傳統(tǒng)的T1是用不易飽和的磁芯制作)，再加上二極管V3、二極管V4、電阻R3組成的串聯(lián)支路構(gòu)成自穩(wěn)壓電路，當(dāng)輸入電壓U+↑,→輸入電流↑,→高頻變壓器T1的磁能↑,→二極管V3、二極管V4支路的電流(當(dāng)V2關(guān)斷時(shí))↑,→三極管V2ce(即為V3、V4支路限制的電壓)↑,→Vpr(高頻變壓器Np繞組的反激電壓)=V2ce-U+幾乎不變，→Ui=UC2=VprNs/Np幾乎不變，高頻變壓器T1的可飽和特性使得自激振蕩的波形為占空比很小的矩形波，這就自動(dòng)限制了輸出功率，適用于驅(qū)動(dòng)功率很小且?guī)缀醪蛔兊膱隹匦碗娏﹄娮娱_關(guān)器件，而且從高頻變壓器Ns繞組的另一端(非同名端)，因不加電容濾波，故還可輸出用于限流的占空比很小的窄脈沖矩形波(Us)，電阻R3用于對(duì)流經(jīng)二極管V3、二極管V4的電流限流；(2)互補(bǔ)式開關(guān)機(jī)械觸點(diǎn)實(shí)時(shí)全狀態(tài)電子傳感器，在柔性電力電子控制與保護(hù)開關(guān)組件(DKM)中，高頻可飽和變壓器T1的Ns繞組的另一端(非同名端)連接電容C5的一端，電容C5的另一端與小電阻值的電阻R4的一端連接，電阻R4的另一端接高頻變壓器T1的Nq繞組的X6-Q1端，Nq繞組為穿過T1磁環(huán)(1匝)的導(dǎo)線，導(dǎo)線的一端作X6-Q1，另一端作X7-Q2與電磁開關(guān)觸點(diǎn)的一端連接，電磁開關(guān)觸點(diǎn)的另一端或與X4-VL連接(對(duì)DK的直流電子開關(guān)DC)，或通過二極管與端子X4-VL(對(duì)DK的交流電子開關(guān)AC)連接，當(dāng)電磁開關(guān)觸點(diǎn)閉合時(shí)，無論電力電子開關(guān)管V是否導(dǎo)通或關(guān)斷，高頻變壓器T1都是處于過載狀態(tài)，可飽和變壓器的性質(zhì)就使電容C2上的電壓(輸出電壓Ui)明顯降低，檢測該電壓的電平，就能對(duì)電磁開關(guān)觸點(diǎn)的閉合或斷開狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)快速判定，這是自適應(yīng)控制的必要條件，電容C5接在高頻變壓器的繞組Ns上，由于高頻變壓器工作頻率高，繞組Ns上的電壓較高，故雖然電容C5容量較小(在高壓電路使用時(shí)，電容器的容量大會(huì)顯著增大成本)，但小電阻值的電阻R4的作用已夠達(dá)到過載要求，高頻變壓器的Nq繞組與電力電子開關(guān)電路(DK)串聯(lián)，當(dāng)電力電子開關(guān)管V導(dǎo)通時(shí)，可對(duì)電磁開關(guān)觸點(diǎn)的閉合或斷開狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)快速判定(對(duì)非限流工作模式1、2、3、4)，而當(dāng)電力電子開關(guān)V關(guān)斷時(shí)，則不起作用，高頻變壓器的繞組Ns、電容C5、電阻R4不與電力電子開關(guān)電路(DK)串聯(lián)，與Nq繞組結(jié)合使用，再結(jié)合(1)的技術(shù)，無論在何種工作模式中，無論電力電子開關(guān)管V是否導(dǎo)通(包括導(dǎo)通電壓降無論多小)或關(guān)斷，也無論輸入電壓在額定范圍內(nèi)如何變化，都能在與開關(guān)電路完全電隔離下，以電子方式對(duì)電磁開關(guān)觸點(diǎn)的閉合或斷開狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)快速可靠地檢測判定；(3)柔性構(gòu)成包括能實(shí)現(xiàn)先通后斷、同步通后斷、零電壓接通、零電流關(guān)斷、自動(dòng)限流等與電磁開關(guān)以互補(bǔ)方式工作的五種以上工作模式的互補(bǔ)式控制與保護(hù)集成化電路(KB)，引出端子共有十個(gè)，內(nèi)部電路全部為易實(shí)現(xiàn)集成電路化的小功率低壓(耐壓低于20伏)半導(dǎo)體器件與電阻元件構(gòu)成，電阻R1的一端接端子1-Ui，電阻R1的另一端接電阻R2的一端，該接點(diǎn)同時(shí)接比較器N1的同相端(+)，電阻R3的一端接1-Ui，電阻R3的另一端接穩(wěn)壓二極管V1(VZ=5.6伏)的陰極，該接點(diǎn)作為基準(zhǔn)電壓源Vref同時(shí)連接比較器N1、比較器N3的反相端(-)及比較器N2的同相端，電阻R2的另一端與二極管V1的陽極接在一起，該接點(diǎn)連接10-COM端子，比較器N1的輸出端與電阻R4、電阻R5、電阻R7、電阻R9的一端及二極管V3的陰極連接，二極管V3的陽極與電阻R7的另一端連接，該接點(diǎn)同時(shí)接在比較器N2的反相端上，作為引出端8-C1，電阻R4的另一端接1-Ui端，電阻R5的另一端接NPN三極管V2的基極，電阻R9的另一端與二極管V5的陽極連接，三極管V2的集電極與電阻R6、電阻R8的一端及二極管V4的陽極連接，三極管V2的發(fā)射極接端子10-COM，電阻R6的另一端接1-Ui端，電阻R8的另一端與二極管V4、二極管V5的陰極連接，該接點(diǎn)同時(shí)與比較器N3的同相端連接，亦作為端子9-C2，比較器N2、比較器N3的輸出端子并接在一起，該接點(diǎn)同時(shí)與電阻R10的一端、NPN三極管V6的基極接在一起，電阻R10的另一端接端子1-Ui，三極管V6的集電極接端子1-Ui，三極管V6的發(fā)射極接電阻R11的一端，該接點(diǎn)同時(shí)作為引出端子3-Ug，電阻R11的另一端接開關(guān)二極管V7的陰極，二極管V7的陽極作為引出端子2-Us，電阻R12、電阻R14的一端都接二極管V1的陰極(Vref)，電阻R12的另一端與電阻R13的一端連接，該接點(diǎn)同時(shí)接在比較器N4的同相端上，電阻R13的另一端接在端子9-COM上，電阻R14的另一端接在比較器N4的反相端上，該接點(diǎn)作為引出端子7-T，比較器N4的輸出端與電阻R15、電阻R16的一端及二極管V8的陽極連接，二極管V8的陰極接端子8-C1，電阻R15的另一端接端子1-Ui，電阻R16的另一端接NPN三極管V10的基極，該接點(diǎn)也與穩(wěn)壓二極管V9(VZ=15～18伏)的陽極連接，三極管V10的集電極與二極管V9的陰極連接，該接點(diǎn)也接在端子3-Ug上，三極管V10的發(fā)射極接在10-COM端子上，比較器N1、比較器N2、比較器N3、比較器N4的V+端接端子1-Ui，比較器N4的V-端接10-COM端子上，電阻R17的一端接3-Ug，電阻R17的另一端接端子4-D，電阻R18的一端接端子3-Ug，電阻R18的另一端接10-COM，運(yùn)放器N5的同相端(+)接二極管V1的陰極(Vref)，運(yùn)放器N5的反相端(-)與電阻R19、電阻R20的一端接在一起，電阻R19的另一端接端子4-D，電阻R20的另一端接運(yùn)放器N5的輸出端，運(yùn)放器N5的接法是典型的差動(dòng)放大器接法，電阻R21的一端也接運(yùn)放器N5的輸出端，電阻R21的另一端接三極管V6的基極，運(yùn)放器(或比較器，以運(yùn)放器為例)N6的同相端接端子6-T，運(yùn)放器N6的反相端接端子4-D，運(yùn)放器N6的輸出端接二極管V11的陽極，二極管V11的陰極接端子6-I0，運(yùn)放器N5、運(yùn)放器N6的V+端接端子3-Ug,V-端接10-COM端子，穩(wěn)壓二極管V12(VZ=5～8伏)的陽極接端子10-COM，二極管V12的陰極接二極管V13的陽極，該接點(diǎn)作為端子5-R，二極管V13的陰極接NPN三極管V14的基極，三極管V14的集電極接二極管V5的陽極，三極管V14的發(fā)射極接端子10-COM，使用時(shí)端子1-Ui外接直流電壓高電平，端子2-Us外接窄寬度(占空度很小)的正脈沖(僅當(dāng)按限流工作模式5使用時(shí)才這樣接，否則應(yīng)使該端子開路)，端子3-Ug外接電力電子開關(guān)管的柵極g，端子4-D外接高壓二極管(當(dāng)開關(guān)電路為高壓時(shí))的陽極，高壓二極管的陰極連接電力電子開關(guān)管的漏極(對(duì)MOSFET)或集電極(對(duì)IGBT)，端子5-R外接高阻值電阻的一端，該電阻的另一端若接高壓二極管的陰極，就能對(duì)電力電子開關(guān)管的導(dǎo)通電壓降檢測，當(dāng)電力電子開關(guān)管斷開時(shí)，就相應(yīng)可檢測電力電子開關(guān)管上的交流電壓過零，端子7-T與端子10-COM之間外接兩個(gè)按正向串聯(lián)接法的二極管，這兩個(gè)二極管作為電力電子開關(guān)管殼溫傳感器，緊貼在管殼上安裝，端子8-C1外接電容器，端子9-C2也外接電容器(但對(duì)工作模式1，該端子則要與端子1-Ui接在一起)，端子10-COM則外接直流電壓低電平，在這里由于1-Ui端子接柔性電力電子控制與保護(hù)開關(guān)組件(DKM)中的Ui，故比較器N1作為電磁開關(guān)觸點(diǎn)閉合或斷開兩狀態(tài)檢測判定器，當(dāng)觸點(diǎn)閉合時(shí)，Ui值降低，比較器N2的輸出為低電平，反之則為輸出高電平，三極管V2則作為反相器，將比較器N2的輸出反相，比較器N2以反相端作控制端，比較器N3以同相端作控制端，2-T端外接測溫傳感器(由兩個(gè)二極管間接采樣，每個(gè)二極管的正向電壓的溫度特性為-2mV/℃這個(gè)特性作為溫度偏差度量)時(shí)，比較器N4作為電力電子開關(guān)管殼溫過熱保護(hù)器，三極管V10在N4輸出保護(hù)高電平信號(hào)時(shí)，立即將輸送給電力電子開關(guān)管的柵極電壓Ug置于低電平并將三極管V6關(guān)斷，4-D端子外接二極管陽極，該二極管的陰極接電力電子開關(guān)管的高電位極VH時(shí)，電力電子開關(guān)管的導(dǎo)通電壓就能直接檢測，運(yùn)放器N5對(duì)該電壓進(jìn)行反相差動(dòng)放大，輸出電壓直接通過控制三極管V6控制3-Ug端的電壓大小，在電力電子開關(guān)管嚴(yán)重過載或外電路因故障出現(xiàn)短路時(shí)，3-Ug端的電壓及時(shí)拉低后再置于零，有助于電力電子開關(guān)管提高抗過載與短路能力，運(yùn)放器(或比較器)N6通過比較電力電子開關(guān)管的導(dǎo)通電壓，就可以對(duì)交流負(fù)載電路的電流過零點(diǎn)輸出高電平信號(hào)，若將6-I0端子接在8-C1端子上，就能實(shí)現(xiàn)電力電子開關(guān)的零電流關(guān)斷，端子5-R外接高阻值電阻的一端，該電阻的另一端若接電力電子開關(guān)管的高電位極VH時(shí)，就能對(duì)電力電子開關(guān)兩極間的電壓檢測，當(dāng)電力電子開關(guān)管斷開時(shí)，就相應(yīng)可檢測出供給負(fù)載的交流電源電壓的零點(diǎn)，三極管V14作為電壓過零接通開關(guān)，端子8-C1外接電容，作為故障信號(hào)鎖存，僅當(dāng)電磁開關(guān)閉合時(shí)才復(fù)位，同時(shí)亦作為電力電子開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間限定，其值約為電阻R7與外接電容的乘積，端子9-C2外接電容，作為閉合的電磁開關(guān)在斷開后，導(dǎo)通的的電力電子開關(guān)管要延遲一段時(shí)間后再關(guān)斷(工作模式2)，延遲時(shí)間由電阻R8與外接電容的乘積決定，當(dāng)為工作模式1時(shí)，9-C2端子則要與端子1-Ui連接，需要限流工作模式時(shí)，配合電力電子開關(guān)電路(DK)，將2-Us端子接在(DKM)中高頻變壓器的Ns繞組的Us上，利用Us的窄脈沖(低占空度)，在三極管V6關(guān)斷時(shí)，供給電力電子開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電壓也為窄脈沖，經(jīng)電力電子開關(guān)電路(DK)中的限流電路，自然為幾乎無高頻分量(滿足電磁騷擾限制要求)的小電流(可以達(dá)到過載電流的十分之一以下)。
專利摘要柔性電力電子控制與保護(hù)開關(guān)組件,它由能使輸出電壓穩(wěn)定的低成本自穩(wěn)壓反激式高頻直流變換器,電磁開關(guān)機(jī)械觸點(diǎn)實(shí)時(shí)全狀態(tài)電子傳感器,能柔性構(gòu)成包括實(shí)現(xiàn)先通后斷、同步通后斷、零電壓接通、零電流關(guān)斷、自動(dòng)限流等五種以上與電磁開關(guān)互補(bǔ)工作模式的互補(bǔ)式控制與保護(hù)集成化電路及能限流的電力電子開關(guān)電路四個(gè)部分共裝在一塊印刷線路板上構(gòu)成的,這是集控制與保護(hù)開關(guān)及過載、過熱自我保護(hù)為一身的全電子化微型組件。
文檔編號(hào)H01H47/00GK2440259SQ9923055
公開日2001年7月25日 申請日期1999年12月25日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月25日
發(fā)明者林周布 申請人:福州大學(xué)