混合开关隔离装置的制作方法

1.本实用新型实施例涉及固态机械混合开关，具体涉及一种混合开关隔离装置。


背景技术：

2.电力电子领域通常采用机械式开关，如继电器，接触器，断路器等来控制电器通断，一般需要在每一对输入端与输出端之间分别设置一个机械式开关。例如，图11a所示单相开关在输入端(vin)与输出端(vout)分别设置开关k1、kn，图 11b所示三相开关在输入端(va_in，vb_in，vc_in)与输出端((va，vb，vc) 之间分别设置开关ka、kb、kc，这些机械开关在其开通关断过程中同时承受电压电流的变化，会不可避免地产生电弧，必须增加灭弧装置，导致其寿命、可靠性、成本、体积、机械设计难度等方面不可避免地受到影响。
3.为此，市场上出现了使用固态开关与机械开关相结合的混合开关产品。如图 11c所示单相混合开关在其交流输入端a、b和输出端a_out、b_out之间分别设置内含固态开关kss的两个单极开关a、b，由此组成完整的控制电路，可以按照外部控制命令control预设策略控制导通/关断。类似地，三相混合开关也会在每一对交流输入端和输出端之间设置一个固态开关与机械开关组合。这些混合开关结合了固态开关与机械开关的各自优点，有利于消除电弧。
4.上述典型混合开关中，普通混合开关中，固态开关与负载端直接连接，不能实现有效隔离，因而可能出现故障，为此有必要予以改进。


技术实现要素：

5.有鉴于此，针对现有技术存在的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种混合开关隔离装置，以提高产品安全性。
6.为解决以上技术问题，本实用新型提供一种混合开关隔离装置，该混合开关包括通过mcu控制导通/关断的若干固态开关和机械开关，混合开关隔离装置包括串接在输入端口和输出端口之间的主隔离机械开关，以及串接和/或并接于固态开关的辅隔离机械开关和/或承载机械开关。
7.具体地，为单相开关，其中一对火线输入端口和输出端口之间串接有固态开关，一对零线输入端口和输出端口之间串接主隔离机械开关。
8.具体地，为三相三线开关，其中两对相线输入端口和输出端口之间分别串接有固态开关，一对相线输入端口和输出端口之间串接主隔离机械开关。
9.具体地，为三相四线开关，其中三对相线输入端口和输出端口之间分别串接有固态开关，一对中线输入端口和输出端口之间串接主隔离机械开关。
10.具体地，固态开关配置有承载机械开关，其中固态开关与承载机械开关串联。
11.具体地，固态开关配置有承载机械开关，其中固态开关与承载机械开关并联，且承载机械开关和主隔离机械开关构成回路。
12.具体地，固态开关配置有承载机械开关和辅隔离机械开关，其中固态开关与承载
机械开关并联之后再与辅隔离机械开关串联。
13.具体地，固态开关配置有承载机械开关和主隔离机械开关，其中固态开关与辅隔离机械开关串联之后再与承载机械开关并联。
14.具体地，mcu被配置为具有输入输出电压检测模块、外部控制命令模块、pwm 软启动模块或通信模块之一或其组合。
15.具体地，mcu被配置为辅助电源。
16.与现有技术相比，本实用新型实施例中的各个固态开关均串联或并联隔离开关，由此可保证输入输出端的有效隔离，有助于提高混合开关产品的安全性。
17.按照本实用新型实施例得到的混合开关产品为双极及多极，其可以适用于单相交流及三相交流场合，便于形成一个完整的控制电路，完整地控制电源与负载间的电能；同时，通过合理的时序控制，扬长避短，利用机械开关降低导通损耗，由固态开关帮助换流，让机械开关开通关断在零电压零电流状态，由此可以很好地避免电弧。
附图说明
18.图1a为本实用新型实施例1混合开关隔离装置的电路示意图；
19.图1b为图1a中第一种固态开关的拓扑结构；
20.图1c为图1a中第二种固态开关的拓扑结构；
21.图1d为图1a中第三种固态开关的拓扑结构；
22.图1e为图1a中一种混合开关的实施电路图；
23.图1f为本实用新型实施例2混合开关的控制电路框图；
24.图1g为本实用新型实施例1混合开关的控制时序图；
25.图1h为本实用新型实施例1混合开关的信号波形图；
26.图2a为本实用新型实施例2混合开关隔离装置的电路示意图；
27.图2b为本实用新型实施例2混合开关的控制电路框图；
28.图2c为本实用新型实施例2混合开关的控制时序图；
29.图2d为本实用新型实施例2混合开关的信号波形图；
30.图3a为本实用新型实施例3混合开关隔离装置的电路示意图；
31.图3b为本实用新型实施例3混合开关的控制电路框图；
32.图3c为本实用新型实施例3混合开关的控制时序图；
33.图3d为本实用新型实施例3混合开关的信号波形图；
34.图4a为本实用新型实施例4混合开关隔离装置的电路示意图；
35.图4b为本实用新型实施例4混合开关的控制电路框图；
36.图4c为本实用新型实施例4混合开关的控制时序图；
37.图4d为本实用新型实施例4混合开关的信号波形图；
38.图5a为本实用新型实施例5混合开关隔离装置的电路示意图；
39.图5b为本实用新型实施例5混合开关的控制电路框图；
40.图5c为本实用新型实施例5混合开关的控制时序图；
41.图5d为本实用新型实施例5混合开关的信号波形图；
42.图6a为本实用新型实施例6混合开关隔离装置的电路示意图；
43.图6b为本实用新型实施例6混合开关的控制电路框图；
44.图6c为本实用新型实施例6混合开关的控制时序图；
45.图6d为本实用新型实施例6混合开关的信号波形图；
46.图7a为本实用新型实施例7混合开关隔离装置的电路示意图；
47.图7b为本实用新型实施例7混合开关的控制电路框图；
48.图7c为本实用新型实施例7混合开关的控制时序图；
49.图7d为本实用新型实施例7混合开关的信号波形图；
50.图8a为本实用新型实施例8混合开关隔离装置的电路示意图；
51.图8b为本实用新型实施例8混合开关的控制电路框图；
52.图8c为本实用新型实施例8混合开关的控制时序图；
53.图8d为本实用新型实施例8混合开关的信号波形图；
54.图9a为本实用新型实施例9混合开关隔离装置的电路示意图；
55.图9b为本实用新型实施例9混合开关的控制电路框图；
56.图9c为本实用新型实施例9混合开关的控制时序图；
57.图9d为本实用新型实施例9混合开关的信号波形图；
58.图10a为本实用新型实施例10混合开关隔离装置的电路示意图；
59.图10b为本实用新型实施例10混合开关的控制电路框图；
60.图10c为本实用新型实施例10混合开关的控制时序图；
61.图10d为本实用新型实施例10混合开关的信号波形图；图11a为普通单相机械开关的示意图；
62.图11b为普通三相机械开关的示意图；
63.图11c为一般混合式开关的示意图。
具体实施方式
64.本实用新型以下实施例利用电力电子技术，整合机械开关和固态开关，基本消除开通关断过程中的电弧；并且通过在交流电能使用场合下分析优化，加入时序控制后，可以省去一组固态开关；通过加入单片机mcu后，保证集成化混合开关除满足控制逻辑时序之外，还可实现智能通信及多功能化目标。
65.以下进一步结合附图对本实用新型实施例进行详细描述。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。
66.以下实施例1-10中，实施例1-5适用于单相交流场合，实施例6-9适用于三相三线交流场合，实施例10适用于三相四线交流场合。这些实施例通过固态开关与机械电磁配合，可以简化混合开关隔离装置的电路拓扑结构，其中：实施例2、3、 8、9为固态开关与机械电磁配合，可以实现半隔离；实施例1、4、5、6、7、10 增加了联动的小型隔离开关，可以实现全隔离。
67.这些实施例的电力电子开关，通过固态开关帮助机械开关消除电弧，且在特定状态下，固态开关可以关断来降低损耗。在这些实施例的所有技术方案中，整个开关可以工作
在软启动pwm模式，其在增加mcu后可实现智能化，并具有通信功能来与服务器端与用户端交互数据。
68.以下结合有关附图，进一步对本实用新型有关实施例进行详细描述。
69.实施例1：
70.请同时参见图1a-图1g，本实施例具体为一种单相开关，其为单相典型结构。如图1a所示，本实施例涉及元件及符号如下所述。
71.kss：固态开关，可以由igbt、mofet、scr等多种电力电子器件组成，其拓扑结构可以为多种，如正反向并联scr、反向串联scr，等等。更进一步地， kss的拓扑结构具体可以按照如图1b所示共驱动地结构、图1c所示分立结构、图1d所示晶闸管正反结构的任何组合使用；
72.kp、kn、ki:机械开关，具体可以是继电器、接触器、断路器等等，其控制方式可以是全自动切换，或者部分手动切换。
73.其中，各元件的主要作用如下所述。
74.kn：电气隔离，空气间隙；
75.kp：承载负载电流，与kn构成回路；
76.kss：换流，为kp的导通和关断创造零电压条件，基本消除电弧；
77.ki：电气隔离，空气间隙。
78.为简便起见，此处将kn称为主隔离机械开关，ki称为辅隔离机械开关，kp 称为承载机械开关。
79.另外，对应于三相开关场合，则仍沿用单相开关中主隔离机械开关、辅隔离机械开关、承载机械开关的命名方式，但对应于其a、b、c三相，相应的kss、 kp、ki、kn等分别加下标a、b、c进行区分。
80.本实施例中，ki的主要作用是作为隔离开关，可与kn同步，整个开关的工作原理及过程如下所述。
81.隔离状态(isolastion)：t0前、t5后，所有开关关断状态，该状态下输入(vin) 与输出(vout)完全隔离；
82.t0-t1:kn、ki先导通，源和负载(load)间只在一端连接，无电流回路，kn、 ki机械开关零电流导通；
83.t1-t2：kss开始导通，微秒级时间完成，源和负载完成连通，负载电流流经 kss，kp机械开关主触点承受极低的电压，即kss开关导通压降，约2-3v；
84.t2-t3：kp开始零电压导通，由于机械开关导通压降极低，负载电流绝大部分流经kp，整个开关进入正常稳态导通，kss可以关断以减少半导体损耗；
85.t3-t4:进入关断t3前，确保kss在导通状态，t3开始kp断开，负载电流转移到固态开关kss，并保持，其中kp的关断属于零电压关断，不产生电弧；
86.t4-t5：kss关断，切断负载电流，负载与源分离；
87.t5后：kn、ki关断，负载电流已经切断，kn、ki机械开关零电流关断。
88.以上实施例1为基本结构形式。在此基础上，下面对实施例2-10进行说明，其中与实施例1相同部分不重复，必要时可具体参照实施例1部分描述内容。
89.实施例2：
90.请同时参见图2a-图2d，为单相开关，整个开关的工作原理及工作过程如下所述。
91.隔离状态：t0前、t5后，所有开关关断状态，该状态下输入与输出半隔离；
92.t0-t1:kn先导通，源和负载间只在一端连接，无电流回路，kn机械开关零电流导通；
93.t1-t2：kss开始导通，微秒级时间完成，源和负载完成连通，负载电流流经 kss，kp机械开关主触点承受极低的电压，即kss开关导通压降，约2-3v；
94.t2-t3：kp开始零电压导通，由于机械开关导通压降极低，负载电流绝大部分流经kp，整个开关进入正常稳态导通，kss可以关断以减少半导体损耗；
95.t3-t4:进入关断t3前，确保kss在导通状态，t3开始kp断开，负载电流转移到固态开关kss，并保持，kp的关断属于零电压关断，不产生电弧；
96.t4-t5：kss关断，切断负载电流，负载与源分离；
97.t5后：kn关断，负载电流已经切断，kn机械开关零电流关断。
98.实施例3：
99.请同时参见图3a-图3d，为单相开关，整个开关的工作原理及工作过程如下所述。
100.隔离状态：t0前、t3后，所有开关关断状态，该状态下输入与输出半隔离；
101.t0-t1:kn先导通，kss关断状态，源和负载间只在一端连接，无电流回路， kn机械开关零电流导通；
102.t1-t2：kss开始导通，微秒级时间完成，源和负载完成连通，负载电流流经kss；
103.t2-t3：t2开始，kss关断负载电流，源与负载切断，无电流；
104.t3后：kn关断，负载电流已经切断，kn机械开关零电流关断。
105.实施例4：
106.请同时参见图4a-图4d，为单相开关，整个开关的工作原理及工作过程如下所述。
107.隔离状态：t0前、t3后，所有开关关断状态，该状态下输入与输出完全隔离；
108.t0-t1:kn、kp先导通，源和负载间由kss保持关断状态，无电流回路，kn、 kp机械开关零电流导通；
109.t1-t2：kss开始导通，微秒级时间完成，源和负载完成连通，负载电流流经 kss和kp；
110.t2-t3：kss关断，切断负载电流，负载与源断开；
111.t3后：负载电流已经切断，kn、kp关断后源和负载间完全隔离，kn、kp 机械开关零电流关断。
112.实施例5：
113.请同时参见图5a-图5d，为单相开关，整个开关的工作原理及工作过程如下所述。
114.隔离状态：t0前、t5后，所有开关关断状态，该状态下输入与输出完全隔离；
115.t0-t1:kn、ki先导通，源和负载间只在一端连接，无电流回路，kn、ki机械开关零电流导通；
116.t1-t2：kss开始导通，微秒级时间完成，源和负载完成连通，负载电流流经kss，kp机械开关主触点承受极低的电压，即kss开关导通压降，约2-3v；
117.t2-t3：kp开始零电压导通，由于机械开关导通压降极低，负载电流绝大部分流经kp，整个开关进入正常稳态导通，kss可以关断以减少半导体损耗；
118.t3-t4:进入关断t3前，确保kss在导通状态，t3开始kp断开，负载电流转移到固态开关kss，并保持，kp的关断属于零电压关断，不产生电弧；
119.t4-t5：kss关断，切断负载电流，负载与源分离；
120.t5后：kn、ki关断，负载电流已经切断，kn、ki机械开关零电流关断；
121.该实施例5与实施例1的方案不同之处：ki承受了负载电流，且ki也可用作断路保护。
122.实施例6：
123.请同时参见图6a-图6d，为三相三线并联式带隔离开关，其为三相典型结构，整个开关的工作原理及工作过程如下所述。
124.隔离状态：t0前、t5后，所有开关关断状态，该状态下输入(va、vb、vc) 与输出(vao、vbo、vco)完全隔离；
125.t0-t1:kc(对应于实施例1-5中的kn，此处的kc称为主隔离机械开关)、 kia、kib先导通，源和负载间由kssa、kssb保持关断状态，无电流回路，kc、 kia、kib机械开关零电流导通；
126.t1-t2：kssa、kssb开始导通，微秒级时间完成，源和负载完成连通，负载电流流经kssa、kssb、kc，kpa、kpb机械开关主触点承受极低的电压，即kssa、 kssb开关导通压降，约2-3v；
127.t2-t3：kpa、kpb开始零电压导通，由于机械开关导通压降极低，负载电流绝大部分流经kpa、kpb，整个开关进入正常稳态导通，kssa、kssb可以关断以减少半导体损耗；
128.t3-t4:进入关断t3前，确保kssa、kssb在导通状态，t3开始kpa、kpb 断开，负载电流转移到固态开关kssa、kssb，并保持。kpa、kpb的关断属于零电压关断，不产生电弧；
129.t4-t5：kssa、kssb关断，切断负载电流，负载与源分离；
130.t5后：kc、kia、kib关断，负载电流已经切断并隔离，kc、kia、kib机械开关零电流关断；
131.实施例7：
132.请同时参见图7a-图7d，为三相三线串联式开关，整个开关的工作原理及工作过程如下所述。
133.隔离状态：t0前、t3后，所有开关关断状态，该状态下输入与输出完全隔离；
134.t0-t1:kc、kpa、kpb先导通，源和负载间由kssa、kssb保持关断状态，无电流回路，kc、kpa、kpb机械开关零电流导通；
135.t1-t2：kssa、kssb开始导通，微秒级时间完成，源和负载完成连通，负载电流流经kc、kpa、kpb；
136.t2-t3：kssa、kssb关断，切断负载电流，负载与源断开；
137.t3后：负载电流已经切断，kc、kpa、kpb机械开关零电流关断，kc、kpa、 kpb关断后，源和负载间完全隔离。
138.实施例8：
139.请同时参见图8a-图8d，为三相三线纯固态半隔离式开关，整个开关的工作原理及工作过程如下所述。
140.隔离状态：t0前、t3后，所有开关关断状态，该状态下输入与输出半隔离 t0-t1:kc
导通，源和负载间由：kssa、kssb保持关断状态，无电流回路，kc机械开关零电流导通；
141.t1-t2：kssa、kssb开始导通，微秒级时间完成，源和负载完成连通，负载电流流经kc、kssa、kssb；
142.t2-t3：kssa、kssb关断，切断负载电流，负载与源断开；
143.t3后：负载电流已经切断，kc机械开关零电流关断，kc关断后，源和负载间半隔离。
144.实施例9：
145.请同时参见图9a-图9d，为三相三线并联半隔离式开关，整个开关的工作原理及工作过程如下所述。
146.隔离状态：t0前、t5后，所有开关关断状态，该状态下输入与输出完全隔离；
147.t0-t1:kc先导通，源和负载间由kssa、kssb保持关断状态，无电流回路， kc机械开关零电流导通；
148.t1-t2：kssa、kssb开始导通，微秒级时间完成，源和负载完成连通，负载电流流经kssa、kssb、kc，kpa、kpb机械开关主触点承受极低的电压，即kssa、 kssb开关导通压降，约2-3v；
149.t2-t3：kpa、kpb开始零电压导通，由于机械开关导通压降极低，负载电流绝大部分流经kpa、kpb，整个开关进入正常稳态导通，kssa、kssb可以关断以减少半导体损耗；
150.t3-t4:进入关断t3前，确保kssa、kssb在导通状态，t3开始kpa、kpb 断开，负载电流转移到固态开关kssa、kssb，并保持，kpa、kpb的关断属于零电压关断，不产生电弧；
151.t4-t5：kssa、kssb关断，切断负载电流；
152.t5后：kc关断，源与负载间切断并隔离，kc机械开关零电流关断。
153.实施例10：
154.请同时参见图10a-图10d，为三相四线混合并联全隔离开关，整个开关的工作原理及工作过程如下所述。
155.隔离状态：t0前、t5后，所有开关关断状态，该状态下输入与输出完全隔离
156.t0-t1:kn、kia、kib、kic先导通，源和负载间由kssa、kssb、kssc保持关断状态，无电流回路，kn、kia、kib、kic机械开关零电流导通；
157.t1-t2：kssa、kssb、kssc开始导通，微秒级时间完成，源和负载完成连通，负载电流流经kssa、kssb、kssc，kpa、kpb、kpc机械开关主触点承受极低的电压，即kss开关导通压降；
158.t2-t3：kpa、kpb、kpc开始零电压导通，由于机械开关导通压降极低，负载电流绝大部分、流经kpa、kpb，整个开关进入正常稳态导通，kssa、kssb、 kssc可以关断以减少半导体损耗；
159.t3-t4:进入关断t3前，确保kssa、kssb、kssc在导通状态，t3开始kp 断开，负载电流转移到固态开关kssa、kssb、kssc，并保持，kpa、kpb、kpc 的关断属于零电压关断，不产生电弧。
160.t4-t5：kssa、kssb、kssc关断，切断负载电流；
161.t5后：kc关断，源与负载间切断并隔离，kn、kia、kib、kic机械开关零电流关断。
162.以上对本实用新型的有关实施例进行了详细的说明，这些实施例中的技术方案具有但不限于以下优点：
163.(1)机械开关在开通和关断下，基本不产生电弧，安全性提高；
164.(2)机械开关动作无电弧，其寿命及可靠性显著提高；
165.(3)机械开关动作无电弧，其设计简单，成本降低；
166.(4)简洁化设计，以实现功能为目的，减少器件使用；
167.(5)电力电子开关与电磁机械集成化，有助于优化体积和成本；
168.(6)正常通态下，电力电子开关可以关断，其功率损耗完全消除；
169.(7))集成化设计下，电磁设计可以优化控制线圈能耗；
170.(8)多种的控制模式，可以工作在pwm(如kss单独控制状态下)，有助于帮助负载启动；
171.(9)控制电路集成化，控制逻辑时序，自我诊断保护，通信，智能；
172.(10)内置智能通信功能，方便客户二次开发，设定参数时序，升级软件；
173.(11))整个设计融合了电力电子技术和电器技术，便于实现智能化、小型化、高效能、低成本、高寿命、安全目标。
174.以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本实用新型的限制，本实用新型的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。