一种应用于直流系统中的双向通断电路的制作方法

本实用新型属于电力电子领域，涉及一种双向能量流动装置，尤其是一种应用于直流系统中的双向通断电路。

背景技术：

新能源系统能量双向变换中涉及到诸如：储能装置中的DC/DC变换、电动汽车电池到直流微网中的直流母线之间的双向DC/DC变换。要实现能量的双向流动，系统中需要有双向大功率高压直流通断装置。

目前市场上利用高压直流接触器(如继电器)实现直流系统中通路的通断，但是接触器仅仅支持单向功率通断，如果强制做反向的通断，会导致开关触头拉弧，拉弧造成高温和烧蚀，会降低触头寿命。因此，采用该方案实现直流系统中的双向通断，会存在对接触器的利用率低，安全性也比较差的问题。

针对现有技术直流系统中实现双向通断的方案效率低，安全性差的问题，目前还没有有效的解决方案。

在此背景下，有必要提出一种应用于直流系统中的双向通断电路。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种应用于直流系统中的双向通断电路，该电路安全性高、效率高、成本低、应用范围广，能够应用于高压直流的双向通断系统中。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来解决的：

一种应用于直流系统中的双向通断电路：包括微控制器，第一直流端口，第二直流端口，以及连接并控制第一直流端口与第二直流端口双向通断的双向开关组。

进一步，上述双向开关组的第一种方案为：双向开关组包括连接第一直流端口一极与第二直流端口一极的第一开关组，以及连接第一直流端口另一极与第二直流端口另一极的第二开关组；所述第一开关组为一个第三继电器；所述第二开关组包括第一继电器和串联在第一继电器上的第二继电器，所述第二开关组还包括第一二极管、第二二极管、第一全控型半导体器件以及第二全控型半导体器件；第一二极管并联在第一继电器上，第二二极管并联在第二继电器上，第一二极管的阳极和第二二极管的阳极连在一起并且连接点接在第一继电器和第二继电器之间；第一全控型半导体器件并联在第一二极管上，第二全控型半导体器件并联在第二二极管上；所述微控制器通过驱动电路连接双向开关组里所有继电器和所有全控型半导体器件。

进一步，上述双向开关组的第二种方案为：双向开关组包括连接第一直流端口一极与第二直流端口一极的第一开关组，以及连接第一直流端口另一极与第二直流端口另一极的第二开关组和第三开关组；所述第一开关组为一个第三继电器；所述第二开关组包括第一继电器和串联在第一继电器上的第二继电器，所述第二开关组还包括第一二极管、第二二极管、第一全控型半导体器件以及第二全控型半导体器件，第一二极管并联在第一继电器上，第二二极管并联在第二继电器上，第一二极管的阳极和第二二极管的阳极连在一起并且连接点接在第一继电器和第二继电器之间；第一全控型半导体器件并联在第一二极管上，第二全控型半导体器件并联在第二二极管上；所述第三开关组为一个第四继电器；所述微控制器通过驱动电路连接双向开关组里所有继电器和所有全控型半导体器件。

进一步，上述双向开关组的第三种方案为：双向开关组包括连接第一直流端口一极与第二直流端口一极的第二开关组和第三开关组；所述第二开关组包括第一继电器和串联在第一继电器上的第二继电器，所述第二开关组还包括第一二极管、第二二极管、第一全控型半导体器件以及第二全控型半导体器件；第一二极管并联在第一继电器上，第二二极管并联在第二继电器上，第一二极管的阳极和第二二极管的阳极连在一起并且连接点接在第一继电器和第二继电器之间；第一全控型半导体器件并联在第一二极管上，第二全控型半导体器件并联在第二二极管上；所述第三开关组为一个第四继电器；所述微控制器通过驱动电路连接双向开关组里所有继电器和所有全控型半导体器件。

进一步，上述全控型半导体器件为IGBT型。

进一步，上述全控型半导体器件为MOSFET型。

进一步，上述全控型半导体器件为IGCT型。

本实用新型有如下的有益效果：

本实用新型通过设置第一直流端口和第二直流端口作为电路的接入口，采用双向开关组来通断电路；通过微控制器控制双向开关组全控型半导体器件，继电器的时序，并结合二极管的特性，在不使用带灭弧功能的切断装置的条件下，能够实现第一直流端口和第二直流端口双向流通，能够实现高压大电流直流回路的双向通断，且通断瞬间不拉弧，具有安全性高、效率高、成本低、应用范围广的特点，不仅可以满足双向高压大电流系统的双向切合要求，还可以满足双向低压大电流系统的双向切合要求；并实现物理隔离，从而实现双向高压直流系统的安全切断并能保证切合装置和高压直流端口的安全，电路结构设置合理，生产成本低。

一极连线上两个开关组，另一极一个开关组，这样两极均能双向通断，不仅可以应用在高压大电流系统的双向切合系统中，还可以应用在低压大电流双向切合系统中，是本实用新型能够满足不同的应用场景。

只有一极的连线上设置开关组，可以调整一极的状态实现双向切合，在保证电路安全和高效的前提下，节省了安装空间，扩大了本实用新型的使用范围。

全控型半导体器件根据本实用新型中实际使用情况，合理的选择IGBT型，或MOSFET型，或IGCT型；电路更加安全、高效。

采用全控型半导体器件，通过微控制器控制全控型半导体器件以及继电器的时序，控制直流系统中通路的通断，且结合二极管实现通路的双向通断，通过该方案，利用全控型半导体器件的通断来保证继电器的通断，提高了继电器的使用率，且保证了继电器通断时的安全，此外，在正向通路导通或反向通路导通的情况下，相应的二极管起到防反作用，能够防止能量的反向流动，保证电路的安全可靠，因此，提高了直流系统双向通断的效率和安全。

附图说明

图1为本实用新型的第一种结构示意图；

图2为本实用新型的正向通断时序图；

图3为本实用新型的正向导通通路的示意图；

图4为本实用新型的反向通断时序图；

图5为本实用新型的反向导通通路的示意图；

图6为本实用新型的第一种结构的衍生结构示意图；

图7为本实用新型的第二种结构示意图；

图8为本实用新型的第二种结构的衍生结构示意图；

图9为本实用新型的第三种结构示意图；

图10为本实用新型的第三种结构的衍生结构示意图。

其中：1为第一直流端口；2为第二直流端口；3为第一开关组；4为第二开关组；5为第三开关组；K1为第一全控型半导体器件；K2为第二全控型半导体器件；S1为第一继电器；S2为第二继电器；S3为第三继电器；S4为第四继电器；D1为第一二极管；D2为第二二极管；MCU为微控制器。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，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，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：

参见图1—10，一种应用于直流系统中的双向通断电路，包括微控制器MCU，第一直流端口1，第二直流端口2，以及连接并控制第一直流端口1与第二直流端口2双向通断的双向开关组。本实用新型中，第一直流端口1和第二直流端口2的电压可以为高压，也可以为低压。

双向开关组包括连接第一直流端口1一极与第二直流端口2一极的第一开关组3，以及连接第一直流端口1另一极与第二直流端口2另一极的第二开关组4；第一开关组3为一个第三继电器S3；第二开关组4包括第一继电器S1和串联在第一继电器S1上的第二继电器S2，第二开关组还包括第一二极管D1、第二二极管D2、第一全控型半导体器件K1以及第二全控型半导体器件K2；第一二极管D1并联在第一继电器S1上，第二二极管D2并联在第二继电器S2上，第一二极管D1的阳极和第二二极管D2的阳极连在一起并且连接点接在第一继电器S1和第二继电器S2之间；第一全控型半导体器件K1并联在第一二极管D1上，第二全控型半导体器件K2并联在第二二极管D2上；微控制器MCU通过驱动电路连接双向开关组里所有继电器和所有全控型半导体器件。

或者，双向开关组包括连接第一直流端口1一极与第二直流端口2一极的第一开关组3，以及连接第一直流端口1另一极与第二直流端口2另一极的第二开关组4和第三开关组5；第一开关组3为一个第三继电器S3；第二开关组4包括第一继电器S1和串联在第一继电器S1上的第二继电器S2，第二开关组4还包括第一二极管D1、第二二极管D2、第一全控型半导体器件K1以及第二全控型半导体器件K2，第一二极管D1并联在第一继电器S1上，第二二极管D2并联在第二继电器S2上，第一二极管D1的阳极和第二二极管D2的阳极连在一起并且连接点接在第一继电器S1和第二继电器S2之间；第一全控型半导体器件K1并联在第一二极管D1上，第二全控型半导体器件K2并联在第二二极管D2上；第三开关组5为一个第四继电器S4；微控制器MCU通过驱动电路连接双向开关组里所有继电器和所有全控型半导体器件。

或者，双向开关组包括连接第一直流端口1一极与第二直流端口2一极的第二开关组4和第三开关组5；第二开关组4包括第一继电器S1和串联在第一继电器S1上的第二继电器S2，第二开关组4还包括第一二极管D1、第二二极管D2、第一全控型半导体器件K1以及第二全控型半导体器件K2；第一二极管D1并联在第一继电器S1上，第二二极管D2并联在第二继电器S2上，第一二极管D1的阳极和第二二极管D2的阳极连在一起并且连接点接在第一继电器S1和第二继电器S2之间；第一全控型半导体器件K1并联在第一二极管D1上，第二全控型半导体器件K2并联在第二二极管D2上；第三开关组5为一个第四继电器S4；微控制器MCU通过驱动电路连接双向开关组里所有继电器和所有全控型半导体器件。

以上全控型半导体器件为IGBT型。全控型半导体器件或者为MOSFET型。全控型半导体器件或者为IGCT型。

参见图1电路，双向开关组用于双向通断第一直流端口1和第二直流端口2正极和负极时，双向开关组包括第一继电器S1、第一全控型半导体器件K1、第二继电器S2、第二全控型半导体器件K2、二极管D1、二极管D2以及第三继电器S3；第一继电器S1一端与第一直流端口1正极相连，另一端与第二继电器S2一端相连，第二继电器S2另一端与第二直流端口2正极相连；第一全控型半导体器件K1与二极管D1以及第一继电器S1并联，且第一全控型半导体器件K1一端与第一直流端口1正极相连，另一端与第二继电器S2一端相连，且二极管D1阴极与第一直流端口1正极相连，阳极与第二继电器S2一端相连；第二全控型半导体器件K2与二极管D2以及第二继电器S2并联，且第二全控型半导体器件K2一端与第二直流端口2正极相连，另一端与第一继电器S1一端相连，且二极管D2阴极与第二直流端口2正极相连，阳极与第一继电器S1一端相连；第一直流端口1负极经第三继电器S3与第二直流端口2负极相连；第一继电器S1、第一全控型半导体器件K1、第二继电器S2、第二全控型半导体器件K2以及第三继电器S3均由微控制器MCU控制其通断。

电路为图1所示结构，当第一直流端口1为输入端口，第二直流端口2为输出端口时，结合本实用新型的正向通断时序图2，来叙述本实用新型的工作情况：

当第一直流端口1和第二直流端口2之间的通路断开时，第一继电器S1、第一全控型半导体器件K1、第二继电器S2、第二全控型半导体器件K2以及第三继电器S3控制信号均置于低电平。

调整微控制器MCU的控制信号，来控制第一继电器S1、第一全控型半导体器件K1、第二继电器S2、第二全控型半导体器件K2以及第三继电器S3的通断状态，最终控制第一直流端口1和第二直流端口2之间的电路的通断状态，其中，T0～T2表示本实用新型电路中开关器件的闭合过程，T3～T5表示本实用新型电路中开关器件的断开过程。

1)T0～T1：第二继电器S2控制信号维持为低电平，第二全控型半导体器件K2控制信号维持为低电平，第三继电器S3控制信号置高电平，第三继电器S3闭合，第一直流端口1负极和第二直流端口2负极连接，第三继电器S3不承受高压、大电流，不会出现打火或拉弧现象；

2)T1～T2：第二继电器S2控制信号维持为低电平，第二全控型半导体器件K2控制信号维持为低电平，第三继电器S3控制信号维持为高电平，第一全控型半导体器件K1控制信号置高电平，第一直流端口1正极与第二直流端口2正极通过第一代全控型半导体器件K1以及二极管D2连接。如图3中通路1所示，此时第一全控型半导体器件K1承受高压、电流，在这里第一全控型半导体器件选择IGBT型。第三继电器S3不承受高压、大电流，不会出现打火或拉弧现象；

3)T2～T3：第二继电器S2控制信号维持为低电平，第二全控型半导体器件K2控制信号维持为低电平，第三继电器S3控制信号维持为高电平，第一全控型半导体器件K1控制信号维持为高电平。第一继电器S1控制信号置高电平，第一直流端口1正极与第二直流端口2正极通过第一继电器S1以及二极管D2连接。如图3中通路2所示，第一继电器S1不承受高压、大电流，不会出现打火或拉弧现象；

4)T3～T4：第二继电器S2控制信号维持为低电平，第二全控型半导体器件K2控制信号维持为低电平，第三继电器S3控制信号维持为高电平，第一全控型半导体器件K1控制信号维持为高电平。第一继电器S1控制信号置低电平，第一继电器S1断开，第一继电器S1不承受高压、大电流，不会出现打火或拉弧现象；

5)T4～T5：第二继电器S2控制信号维持为低电平，第二全控型半导体器件K2控制信号维持为低电平，第三继电器S3控制信号维持为高电平，第一继电器S1维持为低电平，第一全控型半导体器件K1控制信号置低电平；

6)T5～：第三继电器S3控制信号置低电平，第一继电器S1、第一全控型半导体器件K1、第二继电器S2、第二全控型半导体器件K2、第三继电器S3均断开，第三继电器S3不承受高压、大电流，不会出现打火或拉弧现象。

电路为图1所示结构，当第二直流端口2为输入端口，第一直流端口1为输出端口时，结合本实用新型的反向通断时序图4来叙述本实用新型的工作情况。

调整微控制器MCU的控制信号，来控制第一继电器S1、第一全控型半导体器件K1、第二继电器S2、第二全控型半导体器件K2以及第三继电器S3的通断状态，进一步来控制第一直流端口1和第二直流端口2之间的电路的通断状态，其中，T0～T2表示本实用新型电路中开关器件的闭合过程，T3～T5表示本实用新型电路中开关器件的断开过程。

1)T0～T1：第一继电器S1控制信号维持为低电平，第一全控型半导体器件K1控制信号维持为低电平，第三继电器S3控制信号置高电平，第三继电器S3闭合，第二直流端口2负极和第一直流端口1负极连接，第三继电器S3不承受高压、大电流，不会出现打火或拉弧现象；

2)T1～T2：第一继电器S1控制信号维持为低电平，第一全控型半导体器件K1控制信号维持为低电平，第三继电器S3控制信号维持为高电平，第二全控型半导体器件K2控制信号置高电平，第二直流端口2正极与第一直流端口1正极通过第二全控型半导体器件K2以及二极管D1连接。如图5中通路3所示，此时第二全控型半导体器件K2承受高压、大电流，在这里第二全控型半导体器件K2选择IGBT型。第三继电器S3不承受高压、电流，不会出现打火或拉弧现象；

3)T2～T3：第一继电器S1控制信号维持为低电平，第一全控型半导体器件K1控制信号维持为低电平，第三继电器S3控制信号维持为高电平，第二全控型半导体器件K2控制信号维持高电平。第二继电器S2控制信号置高电平，第二直流端口2正极与第一直流端口1正极通过第二继电器S2和二极管D1连接。如图5中通路4所示，第二继电器S2不承受高压、大电流，不会出现打火或拉弧现象；

4)T3～T4：第一继电器S1控制信号维持为低电平，第一全控型半导体器件K1控制信号维持为低电平，第三继电器S3控制信号维持为高电平，第二全控型半导体器件K2控制信号维持高电平。第二继电器S2控制信号置低电平，第二继电器S2断开，第二继电器S2不承受高压、大电流，不会出现打火或拉弧现象；

5)T4～T5：第一继电器S1控制信号维持为低电平，第一全控型半导体器件K1控制信号维持为低电平，第三继电器S3控制信号维持为高电平，第二继电器S2维持为低电平，第二全控型半导体器件K2控制信号置低电平；

6)T5～：第三继电器S3控制信号置低电平，第一继电器S1、第一全控型半导体器件K1、第二继电器S2、第二全控型半导体器件K2、第三继电器S3均断开，第三继电器S3不承受高压、大电流，不会出现打火或拉弧现象。

以上只是本实用新型电路的一种实现方式，双向直流通断电路中，各个开关器件的互联关系还有多种衍生电路。

参见图6电路，双向开关组用于双向通断第一直流端口1和第二直流端口2正极和负极时，双向开关组包括第一继电器S1、第一全控型半导体器件K1、第二继电器S2、第二全控型半导体器件K2、二极管D1、二极管D2以及第三继电器S3；第一直流端口1正极经第三继电器S3与第二直流端口2正极相连；第一继电器S1一端与第一直流端口1负极相连，另一端与第二继电器S2一端相连，第二继电器S2另一端与第二直流端口2负极相连；第一全控型半导体器件K1与二极管D1以及第一继电器S1并联，且第一全控型半导体器件K1一端与第一直流端口1负极相连，另一端与第二继电器S2一端相连，且二极管D1阴极与第一直流端口1负极相连，阳极与第二继电器S2一端相连；第二全控型半导体器件K2与二极管D2以及第二继电器S2并联，且第二全控型半导体器件K2一端与第二直流端口2负极相连，另一端与第一继电器S1一端相连，且二极管D2阴极与第二直流端口2负极相连，阳极与第一继电器S1一端相连；第一继电器S1、第一全控型半导体器件K1、第二继电器S2、第二全控型半导体器件K2以及第三继电器S3均由微控制器MCU控制其通断。

参见图7电路，双向开关组用于双向通断第一直流端口1和第二直流端口2正极和负极时，双向开关组包括第一继电器S1、第一全控型半导体器件K1、第二继电器S2、第二全控型半导体器件K2、二极管D1、二极管D2、第三继电器S3以及第四继电器S4；第一继电器S1一端与第一直流端口1正极相连，另一端与第二继电器S2一端相连，第二继电器S2另一端与第四继电器S4一端相连，第四继电器S4另一端与第二直流端口2正极相连；第一全控型半导体器件K1与二极管D1以及第一继电器S1并联，且第一全控型半导体器件K1一端与第一直流端口1正极相连，另一端与第二继电器S2一端相连，且二极管D1阴极与第一直流端口1正极相连，阳极与第二继电器S2一端相连；第二全控型半导体器件K2与二极管D2以及第二继电器S2并联，且第二全控型半导体器件K2一端与第四继电器S4一端相连，另一端与第一继电器S1一端相连，且二极管D2阴极与第四继电器S4一端相连，阳极与第一继电器S1一端相连；第二直流端口2负极经第三继电器S3与第一直流端口1负极相连；第一继电器S1、第一全控型半导体器件K1、第二继电器S2、第二全控型半导体器件K2、第三继电器S3以及第四继电器S4均由微控制器MCU控制其通断。

参见图8电路，双向开关组用于双向通断第一直流端口1和第二直流端口2正极和负极时，双向开关组包括第一继电器S1、第一全控型半导体器件K1、第二继电器S2、第二全控型半导体器件K2、二极管D1、二极管D2、第三继电器S3以及第四继电器S4；第一直流端口1正极经第三继电器S3与第二直流端口2正极相连；第一继电器S1一端与第一直流端口1负极相连，另一端与第二继电器S2一端相连，第二继电器S2另一端与第四继电器S4一端相连，第四继电器S4另一端与第二直流端口2负极相连；第一全控型半导体器件K1与二极管D1以及第一继电器S1并联，且第一全控型半导体器件K1一端与第一直流端口1负极相连，另一端与第二继电器S2一端相连，且二极管D1阴极与第一直流端口1负极相连，阳极与第二继电器S2一端相连；第二全控型半导体器件K2与二极管D2以及第二继电器S2并联，且第二全控型半导体器件K2一端与第四继电器S4一端相连，另一端与第一继电器S1一端相连，且二极管D2阴极与第四继电器S4一端相连，阳极与第一继电器S1一端相连；第一继电器S1、第一全控型半导体器件K1、第二继电器S2、第二全控型半导体器件K2、第三继电器S3以及第四继电器S4均由微控制器MCU控制其通断。

参见图9电路，双向开关组用于双向通断第一直流端口1正极和第二直流端口2正极时，双向开关组包括第一继电器S1、第一全控型半导体器件K1、第二继电器S2、第二全控型半导体器件K2、二极管D1、二极管D2以及第四继电器S4；第一继电器S1一端与第一直流端口1正极相连，另一端与第二继电器S2一端相连，第二继电器S2另一端与第四继电器S4一端相连，第四继电器S4另一端与第二直流端口2正极相连；第一全控型半导体器件K1与二极管D1以及第一继电器S1并联，且第一全控型半导体器件K1一端与第一直流端口1正极相连，另一端与第二继电器S2一端相连，且二极管D1阴极与第一直流端口1正极相连，阳极与第二继电器S2一端相连；第二全控型半导体器件K2与二极管D2以及第二继电器S2并联，且第二全控型半导体器件K2一端与第四继电器S4一端相连，另一端与第一继电器S1一端相连，且二极管D2阴极与第四继电器S4一端相连，阳极与第一继电器S1一端相连；第二直流端口2负极与第一直流端口1负极相连；第一继电器S1、第一全控型半导体器件K1、第二继电器S2、第二全控型半导体器件K2以及第四继电器S4均由微控制器MCU控制其通断。

参见图10电路，双向开关组用于双向通断第一直流端口1负极和第二直流端口2负极时，双向开关组包括第一继电器S1、第一全控型半导体器件K1、第二继电器S2、第二全控型半导体器件K2、二极管D1、二极管D2以及第四继电器S4；第一直流端口1正极与第二直流端口2正极相连；第一继电器S1一端与第一直流端口1负极相连，另一端与第二继电器S2一端相连，第二继电器S2另一端与第四继电器S4一端相连，第四继电器S4另一端与第二直流端口2负极相连；第一全控型半导体器件K1与二极管D1以及第一继电器S1并联，且第一全控型半导体器件K1一端与第一直流端口1负极相连，另一端与第二继电器S2一端相连，且二极管D1阴极与第一直流端口1负极相连，阳极与第二继电器S2一端相连；第二全控型半导体器件K2与二极管D2以及第二继电器S2并联，且第二全控型半导体器件K2一端与第四继电器S4一端相连，另一端与第一继电器S1一端相连，且二极管D2阴极与第四继电器S4一端相连，阳极与第一继电器S1一端相连；第一继电器S1、第一全控型半导体器件K1、第二继电器S2、第二全控型半导体器件K2以及第四继电器S4均由微控制器MCU控制其通断。

通过本实用新型上述实施例，可以实现双向高压大电流、高压小电流及低压大电流的双向通断。具体可以实现高压直流单独正极双向切合、高压直流单独负极双向切合或正负均双向切合的功能。利用全控型半导体器件的通断来保证继电器的通断，提高了继电器的使用率，且保证了继电器通断时的安全，因此，提高了直流系统双向通断的效率和安全。