专利名称：混合式直流开关电器的制作方法
技术领域：
本实用新型直流开关电器是指在直流电路中用于电路通断的器件，包括断路器、接触器和继电器等，属于电器技术与电子开关技术的组合。
技术背景低压开关电器在大气中开断电路时，只要电压超过12V～20V，被开断电流超过0.25～1A，在触头间隙中通常产生一团温度极高、发出强光和能够导电的开关电弧。由于开关电弧的发生使电路仍旧保持导通状态，不仅延迟了电路的开断，而且电弧高温作用将烧损触头，甚至可能破坏绝缘，在最严重的情况下，能引起开关电器的爆炸和火灾。因而开关电弧是影响其工作可靠性和工作寿命的关键因素。
发明内容
本实用新型目的是公开一种混合式直流开关电器，在已研究的混合开关时序配合模型的基础上，利用电力电子技术实现直流开关电器的电流转移，在连续的开断过程中可以无电弧操作，实现了完全灭弧，将电磁开关的电流转移到电子开关，按照时序配合逻辑设计高速的逻辑触发电路。机械开关和电子开关的逻辑时序实现最优配合，能够适应多种复杂环境。本实用新型具有操作频率高、使用寿命长、动作时间短等优点。用其配合电磁开关在通断瞬态过程中转移电流，而在稳态时由电磁开关承载电流。在混合时序控制下能够完成电流的快速转移。只要电磁开关通断瞬态的电流和电压小于生弧阀值电压，可实现无弧通断。
本实用新型其组成电磁开关和电子开关，其特征是电子开关Q包括执行部分和控制部分，电磁开关K与电子开关Q并联于负载电路中，在电磁开关K通断瞬态时间范围内，实现电流从电磁开关到电子开关的快速转移。
本实用新型所述的电子开关的控制部分，由电平检测模块、控制逻辑触发模块、隔离安全转换模块和快速驱动恢复模块组成。所述的电平检测模块对线圈控制信号的准确识别，检测出开关电平上升沿和下降沿，作为控制的起始点和结束点；同时能够提供足够的驱动能量作为芯片工作的电源，使用电力变流技术存储能量，为断电工作的配供电源；所述的控制逻辑触发模块，对信号进行通道选择分析，包括通道的选择和信号的变换。针对上升沿和下降沿进行按通道检测选择；其中，信号触发电路输入前沿由两个端口组成的；信号变换要求能够对各种检测信号的幅度进行线性比例变换，转化成为下一级工作的可用信号。通过信号触发，能够按照时序发生所需的控制电平信号，要求信号快速发生且符合模型，达到时序上的最有配合；所述的隔离安全转换模块，有两种变换信号的方式，即正/负电平变换，根据最终执行的电子开关输入和输出的工作电压范围进行选择和设计，隔离变换电路可以是电子变压器即脉冲变压器和光耦隔离器；所述的快速驱动恢复模块，采用电子开关元件多以MOSFET开关或以MOSFET为门级去驱动控制功率器件IGBT；在开启时，驱动电压快速的达到目标值；关闭时，控制极能快速泄放电荷实现快速导通和关断电路。
本实用新型所述的电子开关控制部分的电平检测模块1，实现不同输入电平信号到控制电路可用电平信号的转换由分压电路和开关延时电路把线圈输入进来的110V电平信号转换为14.5V可用信号，同时U25把输入的电平信号转换为芯片可用的12.5V信号输出到VCC侧，其中Q5、Q4、C5、R12共同组成开关延时电路；控制逻辑触发模块2分别实现上电触发和下电触发时刻脉冲的触发输入的14.5V可用信号经稳压电路转换为12.5V可用信号，在上升沿来临时经过核心为U2A、U2B触发电路触发闭合延时脉冲，而下降沿来临时经过核心为U2C、U2D触发电路触发分段延时脉冲，这两个输出脉冲信号作为下一级的输入信号；隔离安全转换模块3，实现触发脉冲信号到驱动控制电平信号的转换由U23、U24联合组成电平转换电路，把输入电平信号转换为驱动范围可用的电平信号；快速驱动恢复模块4，实现对不同类型的电子开关的开断状态的快速驱动转换由Q20、D20、R21、C20、R22共同组成上升加速充电和下降加速放电电路，完成电子开关的最后驱动输出；关断触发时间T由R12、C5、R15、R16、R11、R13和环境温度共同决定，构成信号检测和电源输入环节；关断触发时间T由C2、R2、C1、R4和环境温度共同决定，构成逻辑分断时序配合环节；关断触发时间T由C3、R5、C4、R6和环境温度共同决定，构成逻辑闭合时序配合环节；驱动脉冲时间T由R20、C20、R22和驱动电流共同决定；而关断速度由Q1实现电荷泄放加速。构成隔离传输和快速驱动环节。
本实用新型另一方案是，所述的电子开关的控制部分电平检测模块1，实现不同输入电平信号到控制电路可用电平信号的转换线圈电平信号48V输入进来，由分压电路转换为14.5V可用信号；控制逻辑触发模块2，分别实现上电触发和下电触发时刻脉冲的触发输入的14.5V可用信号经稳压电路转换为12.5V可用信号，在上升沿来临时经过核心为U2A、U2B触发电路触发闭合延时脉冲，而下降沿来临时经过核心为U2C、U2D触发电路触发分段延时脉冲，这两个输出脉冲信号作为下一级的输入信号；隔离安全转换模块3，实现触发脉冲信号到驱动控制电平信号的转换由U23、U24联合组成电平转换电路，把输入电平信号转换为驱动范围可用的电平信号；快速驱动恢复模块4，实现对不同类型的电子开关的开断状态的快速驱动转换由Q20、D20、R21、C20、R22共同组成上升加速充电和下降加速放电电路，完成电子开关的最后驱动输出。
图1为本实用新型混合开关主触头原理图；图2为本实用新型电子开关的控制部分原理框图；图3为本实用新型实施例1的电子开关执行环电路图；图4为本实用新型实施例1的电路图；图5为本实用新型实施例2的电子开关执行环电路图；
图6为本实用新型实施例2的电路图。
具体实施方式
如图所示控制部分可采用数模混合电路。器件选择逻辑部分为CD4001，模拟部分NPN9014，557，定时为精度0.5％的贴片和直插式电阻、无极电容及有极电解电容耐压200V，20uF。检测部分可采用高压快速三极管557、5401和功率电阻5K，10W及贴片电阻。隔离驱动部分可采用光复隔离器件和三极管开关。光复隔离器件为TLP190和PNP型9012三极管。执行部分为MOSFET高速场效应管和IGBT。2SK1506可实现参数110V 40A混合式直流接触器；IFQ30N10可实现参数为48V，20A混合式直流继电器。
主要性能指标(1)直流负载额定电流5A～150A；/5A～40A；(2)负载额定工作电压48V～110V；/24V～48V；(3)最大功耗15w/10w；(4)允许线圈电压范围48V～130V；(5)快速相应，转换延时时间小于2ms；(6)输入与输出隔离；(7)适应温度范围-20℃～75℃；(8)工作寿命大于200万次，小于500万次；(9)无电弧通断，可防爆；(10)开断负载类型电阻性，电感性，电机类；本实用新型混合时序控制就是把电子开关和电磁机械开关时序相配合导通的控制方式，即利用电子开关在电磁开关通断延时范围内，提前导通实现电子开关分流，即分断压降已经不能达到生弧电压，最终达到通断的稳态，完成无弧的电流转移过程。
无电弧通断直流主电路，保证整个电力系统的高可靠运行。其具有的高可靠性、长寿命、防爆、绿色环保等特。设计的时序配合方法为混合直流接触器的实现奠定了基础；为整个电力系统的正常运行提供了可靠保障；同时混合开关时序配合技术为大功率直流接触器的性能和可靠性的提高提供了有效的技术支持。
本实用新型的优点是，能够实现无电弧通断直流主电路，高可靠性、长寿命，达到了绿色环保的标准，消除电弧发生引起电磁辐射和噪声的空气污染。高可靠性大功率无弧继电器接触器在震动和冲击条件下的可靠动作；耐冲击各种无弧直流接触器能够具有耐过流、过压能力，并在适应冲击、振动和高湿度环境工作，保证电气线路系统的高可靠正常运行；长寿命研究试验大功率继电器接触器主触头的电寿命，达到尽可能长的电寿命期限；实现耐久的可靠的分断能力；结构模块化如40A，110V无弧接触器实现模块为70mm×40mm×20mm，可模块化安装。广泛的适应性能够适阻性负载、感性负载和电机负载及综合性负载下的正常工作。
额定电流电压5～150A，48V～110V无弧直流接触器。实现安全防爆功能。
额定电流电压5～40A，24V～48V无弧直流继电器。实现安全防爆功能。
权利要求1.一种混合式直流开关电器，其组成电磁开关和电子开关，其特征是电子开关Q包括执行部分和控制部分，电磁开关K与电子开关Q并联于负载电路中，在电磁开关K通断瞬态时间范围内，实现电流从电磁开关到电子开关的快速转移。
2.根据权利要求1所述的混合式直流开关电器，其特征是电子开关的控制部分由电平检测模块(1)、控制逻辑触发模块(2)、隔离安全转换模块(3)和快速驱动恢复模块(4)组成。所述的电平检测模块对线圈控制信号的准确识别，检测出开关电平上升沿和下降沿，作为控制的起始点和结束点；同时能够提供足够的驱动能量作为芯片工作的电源，使用电力变流技术存储能量，为断电工作的配供电源；所述的控制逻辑触发模块，对信号进行通道选择分析，包括通道的选择和信号的变换。针对上升沿和下降沿进行按通道检测选择；其中，信号触发电路输入前沿由两个端口组成的；信号变换要求能够对各种检测信号的幅度进行线性比例变换，转化成为下一级工作的可用信号。通过信号触发，能够按照时序发生所需的控制电平信号，要求信号快速发生且符合模型，达到时序上的最有配合；所述的隔离安全转换模块，有两种变换信号的方式，即正/负电平变换，根据最终执行的电子开关输入和输出的工作电压范围进行选择和设计，隔离变换电路可以是电子变压器即脉冲变压器和光耦隔离器(optically coupled isolator)；所述的快速驱动恢复模块，采用电子开关元件多以MOSFET场效应开关管或以MOSFET为门级驱动控制功率器件(IGBT)；在开启时，驱动电压快速的达到目标值；关闭时，控制极能快速泄放电荷实现快速导通和关断电路。
3.根据权利要求2所述的混合式直流开关电器，其特征是电子开关控制部分的电平检测模块(1)，实现不同输入电平信号到控制电路可用电平信号的转换由分压电路和开关延时电路把线圈输入进来的110V电平信号转换为14.5V可用信号，同时U25把输入的电平信号转换为芯片可用的12.5V信号输出到VCC侧，其中Q5、Q4、C5、R12共同组成开关延时电路；控制逻辑触发模块(2)分别实现上电触发和下电触发时刻脉冲的触发输入的14.5V可用信号经稳压电路转换为12.5V可用信号，在上升沿来临时经过核心为U2A、U2B触发电路触发闭合延时脉冲，而下降沿来临时经过核心为U2C、U2D触发电路触发分段延时脉冲，这两个输出脉冲信号作为下一级的输入信号；隔离安全转换模块(3)实现触发脉冲信号到驱动控制电平信号的转换由U23、U24联合组成电平转换电路，把输入电平信号转换为驱动范围可用的电平信号；快速驱动恢复模块(4)，实现对不同类型的电子开关的开断状态的快速驱动转换由Q20、D20、R21、C20、R22共同组成上升加速充电和下降加速放电电路，完成电子开关的最后驱动输出；关断触发时间T由R12、C5、R15、R16、R11、R13和环境温度共同决定，构成信号检测和电源输入环节；关断触发时间T由C2、R2、C1、R4和环境温度共同决定，构成(2)逻辑分断时序配合环节；关断触发时间T由C3、R5、C4、R6和环境温度共同决定，构成逻辑闭合时序配合环节；驱动脉冲时间T由R20、C20、R22和驱动电流共同决定；而关断速度由Q1实现电荷泄放加速。构成隔离传输和快速驱动环节。
4.根据权利要求2所述的混合式直流开关电器，其特征是电子开关的控制部分电平检测模块(1)，实现不同输入电平信号到控制电路可用电平信号的转换线圈电平信号48V输入进来，由分压电路转换为14.5V可用信号；控制逻辑触发模块(2)，分别实现上电触发和下电触发时刻脉冲的触发输入的14.5V可用信号经稳压电路转换为12.5V可用信号，在上升沿来临时经过核心为U2A、U2B触发电路触发闭合延时脉冲，而下降沿来临时经过核心为U2C、U2D触发电路触发分段延时脉冲，这两个输出脉冲信号作为下一级的输入信号；隔离安全转换模块(3)，实现触发脉冲信号到驱动控制电平信号的转换由U23、U24联合组成电平转换电路，把输入电平信号转换为驱动范围可用的电平信号；快速驱动恢复模块(4)实现对不同类型的电子开关的开断状态的快速驱动转换由Q20、D20、R21、C20、R22共同组成上升加速充电和下降加速放电电路，完成电子开关的最后驱动输出。
专利摘要本实用新型公开一种混合式直流开关电器，在已研究的混合开关时序配合模型的基础上，利用电力电子技术实现直流开关电器的电流转移，在连续的开断过程中可以无电弧操作，实现了完全灭弧，将电磁开关的电流转移到电子开关。本实用新型其组成电磁开关和电子开关，其特征是电子开关Q包括执行部分和控制部分，电磁开关K与电子开关Q并联于负载电路中，在电磁开关K通断瞬态时间范围内，实现电流从电磁开关到电子开关的快速转移。电子开关的控制部分由电平检测模块1、控制逻辑触发模块2、隔离安全转换模块3和快速驱动恢复模块4组成。
文档编号H01H9/54GK2779579SQ200420063569
公开日2006年5月10日 申请日期2004年10月15日 优先权日2004年10月15日
发明者翟国富, 陈亮, 张辉 申请人:翟国富