專利名稱：適用于高壓直流場合的繼電器和開關(guān)管并聯(lián)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及繼電器與開關(guān)管并聯(lián)在高電壓直流系統(tǒng)中對負(fù)載進(jìn)行切換，尤其涉及 繼電器與開關(guān)管并聯(lián)的時間邏輯控制電路。
背景技術(shù)：
繼電器有著非常廣泛的應(yīng)用，電磁式繼電器是比較常用的一種，大多數(shù)電磁式繼 電器只能切斷交流電。在額定負(fù)載電流下，常用的功率繼電器只能切斷30V以內(nèi)的直流電， 切斷高于30V的直流電，繼電器的觸點會出現(xiàn)拉弧而燒壞。但是，許多場合希望繼電器能切 換更高電壓的直流電，如有些汽車中的供電系統(tǒng)，電壓超過40V;電力系統(tǒng)中的直流供電系 統(tǒng)，電壓為110V/220V等。普通功率繼電器線包與觸點間的動作與返回延時一般是幾到幾十毫秒。要使繼電 器能切換高壓直流電，必須要保證在上面兩個時間段內(nèi)觸點間不能有電流流過，尤其是斷 開的時間段內(nèi)，一旦有電流流過，必然會出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，有些拉弧一次就能燒壞觸點。相比 繼電器動作時間(毫秒級)，MOSFET或IGBT的開關(guān)時間非常短(小于luS)，可以忽略不計， 同時MOSFET或IGBT驅(qū)動電壓建立完后，幾乎不需要驅(qū)動維持電流(小于luA)，因此，依靠 MOSFET或IGBT本身的寄生電容或外加的電容，沒有放電途徑的情況下，MOSFET或IGBT能 一直維持導(dǎo)通狀態(tài)很長時間，但是，如果任由驅(qū)動端的電壓緩慢降低柵(門)極驅(qū)動電壓至 關(guān)斷電壓，而負(fù)載電壓仍然加在源、漏極上，會導(dǎo)致MOSFET或IGBT關(guān)斷損耗急劇上升而燒 壞，這是使用時同樣要注意的。為了解決對高壓直流負(fù)荷的切換問題，發(fā)展出了直流繼電器、固態(tài)繼電器等，還有 的采用功率管替代繼電器進(jìn)行高壓直流的切換。其中，直流繼電器保持了繼電器的主要優(yōu) 點，即隔離和觸點損耗低，但是體積、重量大，價格高。固態(tài)繼電器能切斷大功率高壓直流負(fù) 荷，但同樣價格昂貴，體積、重量大，而且有一定通態(tài)電壓，損耗大，需要對其處理散熱問題。 功率管雖然價格便宜，但同樣損耗大，需要散熱器散熱。對于繼電器與功率管的并聯(lián)，已經(jīng)在一些場合使用、出現(xiàn)過，如中國專利 200910107593.0中采用可控硅與功率繼電器并聯(lián)，用以保護(hù)繼電器的觸點，但其還是針對 交流應(yīng)用場合。如果能將普通功率繼電器結(jié)合開關(guān)管用于切換大功率高壓直流負(fù)荷，會大大降低 成本。但是，要想將交流繼電器用于切換高壓直流電，必須解決如下三個問題1、電路拓?fù)?要可靠。2、時序上要正確。3、必須有可靠的上、下電防護(hù)。上面三個條件任何一個存在問題 或隱患將會直接導(dǎo)致繼電器或功率管的損壞，這是這種方法一直得不到廣泛應(yīng)用的原因。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決普通功率繼電器在高壓直流場合的應(yīng)用。本發(fā)明采用純模 擬器件，由電阻、二極管、穩(wěn)壓管、電容、三極管、繼電器、高壓開關(guān)管(主要是MOSFET、IGBT ) 等高可靠性、低成本的元器件構(gòu)成，這些器件的抗干擾能力強(qiáng)，不易損壞。本發(fā)明能夠可靠實現(xiàn)繼電器和開關(guān)管的工作時序，對電路上、下電提供可靠的保護(hù)，并能消除正常工作時繼 電器觸點吸合抖動帶來的不良影響。同時，由于MOSFET或IGBT導(dǎo)通狀態(tài)下有負(fù)載電流流 過的時間很短(幾十毫秒)，MOSFET或IGBT是無須加散熱器的。為了實現(xiàn)上述功能，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案
本技術(shù)方案是通過對繼電器與開關(guān)管工作時序控制實現(xiàn)繼電器觸點吸合、斷開直流電 時的防護(hù)，通過增加上電保護(hù)電路和供電電源掉電保護(hù)電路提高繼電器與開關(guān)管并聯(lián)電路 的可靠性?？刂菩盘朓/O接到光耦11 (不進(jìn)行強(qiáng)弱電隔離可以不用)，光耦11輸出一端接 到功率繼電器線包RL1A，同時接到工作時序電路12，工作時序電路12輸出接到開關(guān)管驅(qū)動 電路14，驅(qū)動電路14接到主開關(guān)管，主開關(guān)管與功率繼電器的觸點RLlB并聯(lián)。上、下電時 序保護(hù)電路13的輔助繼電器RL2的一常開觸點RL2B串接到供電電源和功率繼電器RLl的 線包RLlA串聯(lián)路徑上；另一常閉觸點RL2C并接到主開關(guān)管柵極與地(源極)，柵極與觸點間 可以加上一個電阻。本發(fā)明的工作原理如下
分三個階段說明繼電器與開關(guān)管并聯(lián)工作的原理，一是電路上電；二是正常工作時吸 合、斷開繼電器，附圖3給出了一個吸合、斷開時序波形；三是電路斷電。功率繼電器RLl觸點閉合延時時間為tri，RLl觸點斷開延時時間為、2。 上電過程1、如果光耦11輸出端是低電平(光耦副邊導(dǎo)通狀態(tài))，則三極管Ql處于 關(guān)斷狀態(tài)，上電延時電路13會封鎖線包RLlA供電和主開關(guān)管驅(qū)動一段時間，這段時間由電 阻R6、R7電容C2和穩(wěn)壓管D3決定，設(shè)為t,13A，這段時間結(jié)束后，三極管Q2導(dǎo)通，輔助繼電 器經(jīng)過本身的延時后其常閉觸點RL2C斷開，常開觸點RL2B吸合，由于Ql是截止?fàn)顟B(tài)，VCC 通過驅(qū)動電阻R4、R5給主開關(guān)管驅(qū)動端供電，主開關(guān)管Q3迅速導(dǎo)通，同時，經(jīng)過繼電器RLl 本身的延時t,2后，觸點RLlB也閉合，大功率高壓直流負(fù)荷通路接通，之后主開關(guān)管和功率 繼電器觸點RLlB也一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，這個過程無誤動作。2、如果光耦11輸出端是高電 平(光耦副邊截止?fàn)顟B(tài))，上電延時電路13同樣會封鎖線包RLlA供電和主開關(guān)管驅(qū)動一段 時間，在這段時間等于或略微大于工作時序電路12中電源VCC通過電阻R3、R1、電容Cl和 穩(wěn)壓管D2形成延時時間(tri2A)，trl3A結(jié)束后，三極管Ql處于導(dǎo)通，輔助繼電器經(jīng)過本身的延 時后其常閉觸點RL2C斷開，常開觸點RL2B吸合，由于11輸出端是高電平，功率繼電器線包 RLlA無工作電流，觸點RLlB仍然斷開，同時，由于Ql處于導(dǎo)通狀態(tài)，主開關(guān)管的驅(qū)動不會建 立驅(qū)動電壓。主開關(guān)管和觸點RLlB均處于斷開狀態(tài)，之后主開關(guān)管和功率繼電器觸點RLlB 也一直處于斷開狀態(tài)，這個過程也無誤動作。需要說明的是，主開關(guān)管和觸點與I/O 口之間 會存在一定的延時，上電過程中I/O 口輸出不穩(wěn)定也不會造成主開關(guān)管和觸點的損壞。
正常工作時上、下電時序保護(hù)電路13是不起作用的，其常閉觸點一直處于斷開 狀態(tài)，常開觸點一直處于閉合狀態(tài)。1、當(dāng)I/O 口發(fā)出閉合繼電器命令時，光耦11的輸出端為 低電平，供電電壓立刻加到繼電器線包上，同時時序電路12中的電容Cl通過加速放電電阻 R2、二極管Dl迅速放電，三極管Ql迅速關(guān)斷，供電電源通過電阻R4、R5對主開關(guān)管的柵極 電容C3迅速充電，當(dāng)達(dá)到門極開通電壓后，主開關(guān)管導(dǎo)通，由于繼電器線包加電到觸點的 吸合一般有幾毫秒的延時，主開關(guān)管會比繼電器觸點略微提前一點導(dǎo)通，使負(fù)載電流首先 流過開關(guān)管，消除了觸點端電壓抖動，接著繼電器觸點完全吸合，負(fù)載電流再轉(zhuǎn)到觸點上流 過；在觸點閉合狀態(tài)下，主開關(guān)管一直處于導(dǎo)通狀態(tài)。2、當(dāng)I/O 口發(fā)出斷開繼電器命令時，光耦11的輸出端為高電平(截止)，繼電器線包電流通路被切斷，雖然有部分的電流流過繼 電器線包RL1A、工作時序電路12中電阻Rl給電容Cl充電，但由于限流電阻Rl的影響，線 包電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于觸點維持的電流，觸點開始斷開；經(jīng)過時間t,12A，觸點RLlB已經(jīng)完全斷開， 三極管Ql導(dǎo)通，主開關(guān)管的柵極電荷通過、放電電阻R5、三極管Ql迅速放電，主開關(guān)管Q3 關(guān)斷，整個高壓直流負(fù)載電路切斷。觸點RL2B斷開時兩端的電壓只有開關(guān)管的導(dǎo)通電壓， 能夠安全的斷開，不會出現(xiàn)拉弧，負(fù)載電流由觸點轉(zhuǎn)移到主開關(guān)管上，等觸點完全斷開后， 主開關(guān)管略微延時導(dǎo)通一段時間也斷開，這樣，負(fù)載電流被切斷，直流電壓加到主開關(guān)管和 繼電器的觸點上，觸點斷開狀態(tài)時承受一定的高直流電壓是沒有任何問題的。同時，由于主 開關(guān)管只承受很短時間的負(fù)載電流，發(fā)熱很小，無須加散熱器。正常工作時序圖見附圖3。斷電過程1、光耦11輸出端是低電平，VCC斷電，這時繼電器線包RLlA的電流迅 速降到零，繼電器觸點RLlB開始斷開；Ql原來是處于截止?fàn)顟B(tài)，主開關(guān)管柵極電容C3沒有 放電回路，主開關(guān)管會繼續(xù)維持導(dǎo)通狀態(tài)，上、下電時序保護(hù)電路13中的儲能電容C4會使 輔助繼電器維持工作一段時間t,13B，然后Q2關(guān)斷，通過本身的延時后，觸點RL2C閉合，trl3B 和輔助繼電器的延時時間t 2之和略微大于繼電器RLl觸點斷開延時時間為(trl3B + trr2> t,2)，觸點RL2C閉合后，主開關(guān)管的柵極電容C3通過放電電阻R5迅速放電，主開關(guān)管 關(guān)斷。觸點和主開關(guān)管處于斷開狀態(tài)。2、光耦11輸出端是高電平，VCC斷電，功率繼電器 觸點RLlB原來就是處于斷開狀態(tài)，主開關(guān)管也是處于斷開狀態(tài)，斷電后兩者還是處于斷開 狀態(tài)。本發(fā)明的時序能保證各種工作狀態(tài)及過程中，主功率管和功率繼電器觸點的正確 配合工作。本發(fā)明具有以下優(yōu)點
(1)本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)簡單；
(2)元器件可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，成本低；
(3)只需一個控制端口，執(zhí)行部分是純模擬電路；
(4)可以根據(jù)需要選取不同的功率繼電器和主開關(guān)管，實現(xiàn)對不同電壓、負(fù)載場合的應(yīng)
用；
(5 )能夠消除繼電器觸點吸合引起的端電壓跳動。


圖1繼電器并聯(lián)開關(guān)管的時序原理框圖， 圖2是本發(fā)明的具體實施電路，
圖3是正常工作時序圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對說明本發(fā)明進(jìn)一步說明，圖1繼電器并聯(lián)開關(guān)管的時序原理框 圖，圖2是本發(fā)明的具體實施電路，供電電源VCC接到輔助繼電器常開觸點RL2B的一端， RL2B的另一端接到繼電器RLl線包RLlA的正端，RLlA的負(fù)端接到光耦11 (或I/O 口)的 輸出端A，RL1A并聯(lián)續(xù)流二極管DR1，RL2B可以和RLlA互換位置；電阻R3的一端接到VCC， 另一端接到A，電阻Rl的一端接到A，另一端B接到電容Cl的一端，電容Cl的另一端接到地(0端)，B端接穩(wěn)壓管D2的陰極，穩(wěn)壓管D2的陽極接到三極管Ql的基極，Ql的發(fā)射極接 到地，Ql的集電極接到電阻R4的一端D，R4的另一端接到二極管D5的陰極，D5的陽極接 到電源VCC，輔助繼電器的常閉觸點RL2C的一端接到D，另一端接到地，電阻R5的一端接到 D，另一端接E到主開關(guān)管Q3的柵極，電容C3的一端接到E，另一端接到地，主開關(guān)管的漏極 接到地，功率繼電器觸點RLlB的一端接到地，另一端接到主開關(guān)管的漏極Y，Y和源極(地、 X)串接到大功率直流負(fù)荷回路中。二極管D4的陽極接到供電電源VCC，D4的陰極接到輔助繼電器RL2的線包RL2A 的正端F，電容C4的一端接到F，另一端接地，電阻R6的一端接到F，另一端接到電阻R7的 一端G，電容C2的一端接到G，另一端接到地，穩(wěn)壓管D3的陰極接到G，D3的陽極接到三極 管Q2的基極H，Q3發(fā)射極接地，Q3集電極I接到繼電器線包RL2A的負(fù)端，二極管DR2并聯(lián) 在繼電器線包RL2A的兩端。節(jié)點A和B之間的電路可以是另外一種連接方式，即電阻Rl和R2串聯(lián)，二極管Dl 反并在電阻Rl上。節(jié)點A、B、C、D、E、F、G、H、I、地(0)、VCC相互間，以及Ql集電極與D之間，Q3柵極
與E之間，如果刻意加上一些電阻、電容、電感、晶體管等不影響電路特性的屬于本發(fā)明范 圍內(nèi)。如果對一些元器件進(jìn)行類似功能的器件替換(如將三極管換成MOS管等)也屬于本發(fā) 明范圍內(nèi)。上述描述可能不能涵蓋所有的變形電路，但是所有以本發(fā)明為基礎(chǔ)，進(jìn)行一定的 變形，但具有實現(xiàn)同樣原理描述功能的也屬于本發(fā)明范圍內(nèi)。以本發(fā)明為基礎(chǔ)，進(jìn)行某些功能的刪減(如去掉上、下電時序電路)，但保留其它主 要功能的也屬于本發(fā)明范圍內(nèi)。圖3中給出了主要的工作時序關(guān)系，圖中Vds是主開關(guān)管導(dǎo)通后的電壓，VH是繼電 器觸點和主開關(guān)管均斷開時高壓直流回路加在上面的電壓。Vro是主開關(guān)管柵極驅(qū)動電壓。
權(quán)利要求
1.適用于高壓直流場合的繼電器和開關(guān)管并聯(lián)電路，其特征在于，包括供電電源VCC 接到輔助繼電器常開觸點RL2B的一端，輔助繼電器常開觸點RL2B的另一端接到繼電器RLl 線包RLlA的正端，繼電器RLl線包RLlA的負(fù)端接到光耦11的輸出端A，繼電器RLl線包 RLlA并聯(lián)續(xù)流二極管DRl ；電阻R3的一端接到供電電源VCC，另一端接到A，電阻Rl的一端 接到A，另一端B接到電容Cl的一端，電容Cl的另一端接到地，B端接穩(wěn)壓管D2的陰極，穩(wěn) 壓管D2的陽極接到三極管Ql的基極，三極管Ql的發(fā)射極接到地，三極管Ql的集電極接到 電阻R4的一端D，R4的另一端接到二極管D5的陰極，D5的陽極接到供電電源VCC，輔助繼 電器的常閉觸點RL2C的一端接到D，另一端接到地，電阻R5的一端接到D，另一端接E到主 開關(guān)管Q3的柵極，電容C3的一端接到E，另一端接到地，主開關(guān)管Q3的漏極接到地，功率繼 電器觸點RLlB的一端接到地，另一端接到主開關(guān)管Q3的漏極Y，漏極Y和源極串接到大功 率直流負(fù)荷回路中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于高壓直流場合的繼電器和開關(guān)管并聯(lián)電路，其特征在 于，還包括二極管D4的陽極接到供電電源VCC，D4的陰極接到輔助繼電器RL2的線包RL2A 的正端F，電容C4的一端接到F，另一端接地，電阻R6的一端接到F，另一端接到電阻R7的 一端G，電容C2的一端接到G，另一端接到地，穩(wěn)壓管D3的陰極接到G，D3的陽極接到三極 管Q2的基極H，Q3發(fā)射極接地，Q3集電極I接到繼電器線包RL2A的負(fù)端，二極管DR2并聯(lián) 在繼電器線包RL2A的兩端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的適用于高壓直流場合的繼電器和開關(guān)管并聯(lián)電路，其 特征在于，繼電器RLl線包RLlA的負(fù)端接到I/O 口的的輸出端A。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的適用于高壓直流場合的繼電器和開關(guān)管并聯(lián)電路，其 特征在于，輔助繼電器常開觸點RL2B和繼電器RLl線包RLlA互換位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于高壓直流場合的繼電器和開關(guān)管并聯(lián)電路，其特征在 于用時序電路控制繼電器并聯(lián)開關(guān)管電路。
全文摘要
適用于高壓直流場合的繼電器和開關(guān)管并聯(lián)電路，光耦11輸出一端接到功率繼電器線包RL1A，同時接到工作時序電路12，工作時序電路12輸出接到開關(guān)管驅(qū)動電路14，驅(qū)動電路14接到主開關(guān)管，主開關(guān)管與功率繼電器的觸點RL1B并聯(lián)。上、下電時序保護(hù)電路13的輔助繼電器RL2的一常開觸點RL2B串接到供電電源和功率繼電器RL1的線包RL1A串聯(lián)路徑上；另一常閉觸點RL2C并接到主開關(guān)管柵極與地(源極)，柵極與觸點間可以加上一個電阻。本發(fā)明能保證各種工作狀態(tài)及過程中，主功率管和功率繼電器觸點的正確配合工作。
文檔編號H02H7/22GK102064047SQ201010555090
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月23日
發(fā)明者丁志剛, 周華良, 夏雨, 張東欣, 白鐘, 范學(xué)功, 馬玉龍 申請人:國網(wǎng)電力科學(xué)研究院