直流灭弧功率器件驱动装置及灭弧装置的制作方法

本发明直流灭弧功率器件驱动装置及灭弧装置属于电学领域，特别是一种适合于直流电子灭弧装置中用于驱动功率器件的直流灭弧功率器件驱动装置，一种用于直流机械开关灭弧的灭弧装置。

背景技术：

在直流电控系统，由于直流电压不存在零点，当继电器等机械开关对负载进行分断控制时，其分断电弧大，存在机械开关的电寿命很短的缺点，为此也出现过利用功率器件与机械开关并联的直流电子灭弧装置，当需要源极或发射极为负载端时，无法从主回路直流电源直接（非隔离）获得功率器件的驱动能量，需要独立的直流驱动信号才能驱动功率器件饱和导通，其存在电路复杂、性价比不高、体积大、很难普及的缺点。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有直流电子灭弧功率器件驱动的不足之处，提供一种直接（非隔离）由主回路直流电源获得功率器件的驱动能量，且能达到驱动功率器件饱和导通的直流灭弧功率器件驱动装置，及一种采用本发明直流灭弧功率器件驱动装置的灭弧装置。

实现本发明的目的是通过以下技术方案来达到的：

一种直流灭弧功率器件驱动装置，包括第一半导体开关、第一电容、第一限流元件、第二半导体开关；第一半导体开关、第一电容、第一限流元件串联而成第一串联电路；第一半导体开关与第一电容串联而成第二串联电路，第二半导体开关与第二串联电路并联；第一串联电路的第一半导体开关端与所需驱动的功率器件的第一端连接，第一串联电路的第一限流元件端与电源端连接；第一半导体开关与第一电容连接的共同端与功率器件的第二端连接；功率器件的第三端、功率器件的第一端分别与所需灭弧的机械开关两端连接。

一种直流灭弧功率器件驱动装置，功率器件的第一端为负载的连接端，第一串联电路与负载并联。

一种直流灭弧功率器件驱动装置，第一限流元件为一电阻，第一半导体开关为一二极管。

一种直流灭弧功率器件驱动装置，包括一稳压器件；稳压器件与第一电容并联，或稳压器件通过第一半导体开关与第一电容并联。

一种直流灭弧功率器件驱动装置，第二半导体开关为半控型开关。

一种直流灭弧功率器件驱动装置，半控型开关至少包括一晶闸管或一晶闸管等效电路。

一种直流灭弧功率器件驱动装置，第二半导体开关的控制端与功率器件的第三端连接。

一种直流灭弧功率器件驱动装置，第二半导体开关包括触发开关、第一晶体管、第二电容，触发开关与第二串联电路并联，功率器件的第三端、功率器件的第一端之间的电位差信号通过第二电容、第一晶体管放大后传递至触发开关的触发极。

一种直流灭弧功率器件驱动装置，触发开关为一晶闸管或一晶闸管等效电路。

一种直流灭弧功率器件驱动装置，包括一电压检测开关，电压检测开关两端分别与功率器件的第二端、功率器件的第一端连接。

一种直流灭弧功率器件驱动装置，电压检测开关在功率器件的第二端与功率器件的第一端之间的电压小于驱动功率器件饱和导通所需的电压时导通。

一种直流灭弧功率器件驱动装置，第一限流元件与第一电容连接的共同端，与电压检测开关的检测端连接。

一种直流灭弧功率器件驱动装置，电压检测开关包括一稳压器件、第二晶体管、第三晶体管、第四电阻、第五电阻，第六电阻，第二晶体管的集电极与第三晶体管的基极连接，第二晶体管的集电极通过第五电阻与第三晶体管的集电极连接，第三晶体管的集电极、第三晶体管的发射极为电压检测开关的主回路端，第四电阻、稳压器件、第二晶体管的基极与第二晶体管的发射极串联而成第三串联电路，第三串联电路与第一电容并联，第六电阻的两端分别与第二晶体管的基极、第二晶体管的发射极连接，第二晶体管的发射极与第三晶体管的发射极连接。

一种直流灭弧功率器件驱动装置，电压检测开关为二端电路。

一种直流灭弧功率器件驱动装置，电压检测开关包括一稳压器件、第二晶体管、第三晶体管、第四电阻、第五电阻，第六电阻、第三电容，第二晶体管的集电极与第三晶体管的基极连接，第二晶体管的集电极通过第五电阻与第三晶体管的集电极连接，第三晶体管的集电极、第三晶体管的发射极为电压检测开关的主回路端，第四电阻、稳压器件、第二晶体管的基极与第二晶体管的发射极串联而成串联电路，该串联电路与电压检测开关的主回路端并联，第六电阻的两端分别与第二晶体管的基极、第二晶体管的发射极连接，第二晶体管的发射极与第三晶体管的发射极连接，第三电容的两端分别与第三晶体管的基极、第三晶体管的发射极连接。

一种直流灭弧功率器件驱动装置，第一半导体开关的阳极与功率器件的第一端连接，功率器件为IGBT、或NPN型三极管、或N沟道场效应管，功率器件的第一端为IGBT的发射极、或三极管的发射极、或场效应管的源极，功率器件的第二端为IGBT的栅极、或三极管的基极、或场效应管的栅极。

一种直流灭弧功率器件驱动装置，包括一光电耦合器，光电耦合器用于使能第二半导体开关，光电耦合器的控制端用于与机械开关的控制端连接。

一种灭弧装置，其包括所述的直流灭弧功率器件驱动装置，还包括功率器件，直流灭弧功率器件驱动装置与功率器件连接。

一种灭弧装置，包括引脚，直流灭弧功率器件驱动装置、功率器件封装在绝缘材料中，直流灭弧功率器件驱动装置、功率器件通过相应引脚用于与机械开关、工作电源连接。

一种灭弧装置，包括一光电耦合器，光电耦合器用于使能第二半导体开关，光电耦合器的控制端用于与机械开关的控制端连接。

一种灭弧装置，包括引脚，直流灭弧功率器件驱动装置、功率器件、光电耦合器封装在绝缘材料中，直流灭弧功率器件驱动装置、功率器件通过相应引脚用于与机械开关、工作电源连接。

一种直流灭弧功率器件驱动装置，如图1所示，其包括第一半导体开关D1、第一电容C1、第一限流元件R1（电阻）、第二半导体开关SCR1；第一半导体开关D1、第一电容C1、第一限流元件R1串联而成第一串联电路；第一半导体开关D1与第一电容C1串联而成第二串联电路，第二半导体开关SCR1与第二串联电路并联；第一串联电路的第一半导体开关D1端与所需驱动的功率器件QA的第一端连接，第一串联电路的第一限流元件R1端与电源端连接；第一半导体开关D1与第一电容C1连接的共同端与功率器件QA的第二端连接；功率器件QA的第三端、功率器件QA的第一端分别与所需灭弧的机械开关K1两端连接。

工作原理：在所需灭弧的机械开关K1闭合后，直流电源通过第一半导体开关D1、第一限流元件R1对第一电容C1快速充电，当机械开关K1断开时，控制第二半导体开关SCR1导通，第一电容C1通过功率器件QA的第二端、功率器件QA的第一端形成驱动回路，功率器件QA在其两端达到其通态电压时导通，达到机械开关K1无电弧分断的目的。

本发明设计合理，具有电路简单、性价比高、可靠性高的优点。

附图说明

图1 是本发明直流灭弧功率器件驱动装置电路原理图。

图2 是本发明直流灭弧功率器件驱动装置及灭弧装置实施例一电路原理图。

图3 是本发明直流灭弧功率器件驱动装置及灭弧装置实施例一的晶闸管等效电路图。

图4 是本发明直流灭弧功率器件驱动装置及灭弧装置实施例一的电压检测电路原理图一。

图5 是本发明直流灭弧功率器件驱动装置及灭弧装置实施例一的电压检测电路原理图二。

图6 是本发明灭弧装置外形图一。

图7 是本发明灭弧装置外形图二。

具体实施方式

本发明直流灭弧功率器件驱动装置及灭弧装置的实施例一，如图2所示：

一种直流灭弧功率器件驱动装置，其包括第一半导体开关D1（二极管）、第一电容C1、第一限流元件R1（电阻）、第二半导体开关（A）、电压检测开关（B）、稳压器件Z1（稳压二极管）、光电耦合器OPT1；第一半导体开关D1、第一电容C1、第一限流元件R1依次串联而成第一串联电路；第一半导体开关D1与第一电容C1串联而成第二串联电路，第二半导体开关（A）与第二串联电路并联；第一串联电路的第一半导体开关D1端与所需驱动的功率器件QA的第一端连接，第一串联电路的第一限流元件R1端与电源端连接；第一半导体开关D1与第一电容C1连接的共同端与功率器件QA的第二端连接；功率器件QA的第三端、功率器件QA的第一端分别与所需灭弧的机械开关K1两端连接，功率器件QA的第一端为负载RL的连接端，第一串联电路与负载RL并联，电压检测开关（B）两端分别与功率器件QA的第二端、功率器件QA的第一端连接；稳压器件Z1通过第一半导体开关D1与第一电容C1电容并联（也可以稳压器件Z1直接与第一电容C1电容并联）。第一限流元件R1与第一电容C1连接的共同端与电压检测开关（B）的检测端连接，当电压检测开关（B）为二端电路时也可以不连接。

光电耦合器OPT1用于使能第二半导体开关（A），光电耦合器OPT1的控制端与机械开关K1的控制端连接，光电耦合器OPT1的输出端与电路的具体连接关系，可以根据具体情况选取，当机械开关K1动作频率要求不是特别高时，光电耦合器OPT1可以省略。

第二半导体开关（A）：为一半控型开关，其控制端与功率器件QA的第三端连接，包括触发开关SCR1（晶闸管）、第一晶体管Q1、第二电容C2，触发开关SCR1与第二串联电路并联，功率器件QA的第三端、功率器件QA的第一端之间的电位差信号通过第二电容C2、第一晶体管Q1放大后传递至触发开关SCR1的触发极。触发开关SCR1可以采用如图3所示的晶闸管等效电路，根据需要晶闸管等效电路也可以增加恒流电路。

电压检测开关（B）：如图4所示，包括稳压器件Z2、第二晶体管Q2、第三晶体管Q3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6，电压检测开关（B）由第一电容C1提供工作能量，第二晶体管Q2的集电极与第三晶体管Q3的基极连接，第二晶体管Q2的集电极通过第五电阻R5与第三晶体管Q3的集电极连接，第三晶体管Q3的集电极、第三晶体管Q3的发射极为电压检测开关（B）的主回路端，第四电阻R4、稳压器件Z2、第二晶体管Q2的基极与第二晶体管Q2的发射极串联而成第三串联电路，第三串联电路与第一电容C1并联，第六电阻R6的两端分别与第二晶体管Q2的基极、第二晶体管Q2的发射极连接，第二晶体管Q2的发射极与第三晶体管Q3的发射极连接。

电压检测开关（B）也可以为二端电路，如图5所示，包括稳压器件Z2、第二晶体管Q2、第三晶体管Q3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第三电容C3，第二晶体管Q2的集电极与第三晶体管Q3的基极连接，第二晶体管Q2的集电极通过第五电阻R5与第三晶体管Q3的集电极连接，第三晶体管Q3的集电极、第三晶体管Q3的发射极为电压检测开关的主回路端，第四电阻R4、稳压器件Z2、第二晶体管Q2的基极、第二晶体管Q2的发射极串联而成串联电路，该串联电路与电压检测开关的主回路端并联，第六电阻R6的两端分别与第二晶体管Q2的基极、第二晶体管Q2的发射极连接，第二晶体管Q2的发射极与第三晶体管Q3的发射极连接，第三电容C3的两端分别与第三晶体管Q3的基极、第三晶体管Q3的发射极连接。

电压检测开关（B）对第一电容C1、功率器件QA结电容的放电，可以防止功率器件QA工作在放大区，提高功率器件QA过载能力，减少温升，加快第二半导体开关（A）截止，提高灭弧装置的二次响应速度。

一种灭弧装置，包括所述的直流灭弧功率器件驱动装置，还包括功率器件QA，直流灭弧功率器件驱动装置与功率器件QA连接。

工作原理：在所需灭弧的机械开关K1闭合后，直流电源通过第一半导体开关D1、第一限流元件R1对第一电容C1快速充电，当机械开关K1断开时，第二半导体开关（A）导通，第一电容C1通过功率器件QA的第二端、功率器件QA的第一端形成驱动回路，功率器件QA在其两端达到其通态电压时导通，电压检测开关（B）在功率器件QA的第二端与功率器件QA的第一端之间的电压小于驱动功率器件QA饱和导通所需的电压时导通，对第一电容C1及对功率器件QA的第二端与功率器件QA的第一端之间结电容电荷快速放电，防止功率器件QA工作在放大区，达到机械开关K1无电弧分断的目的。

以上实施例，第一半导体开关D1的阳极与功率器件QA的第一端连接，功率器件QA可以为IGBT、或NPN型三极管、或N沟道场效应管，功率器件QA的第一端为IGBT的发射极、或三极管的发射极、或场效应管的源极，功率器件QA的第二端为IGBT的栅极、或三极管的基极、或场效应管的栅极。

为了使用方便，如图6、图7（内置光电耦合器）所示，把实施例一的直流灭弧功率器件驱动装置与功率器件连接一体作为灭弧装置，直流灭弧功率器件驱动装置、功率器件封装在一绝缘材料中，直流灭弧功率器件驱动装置、功率器件、光电耦合器（如需要）通过相应引脚用于与所需灭弧的机械开关、工作电源连接。

以上实施例，第三电阻R3用于提高功率器件的工作稳定性，提供第一电容C1放电回路，当功率器件QA内置有电阻时，可以省略，第三电阻R3的两端与功率器件QA的第一端、功率器件QA的第二端连接，与第一电容C1放电回路串联的第二电阻R2用于限流，根据需要使用。

综上所述，本发明直流灭弧功率器件驱动装置及灭弧装置具有以下优点：

1.体积小、性价比高、在机械开关常开状态下无待机功耗。

2.电容容量要求小（十微法以下即可，建议采用为无极性电容，贴片陶瓷电容），可以采用塑封工艺，方便集成化、批量化。

3.过载能力大，温升低、使用方便。

4.本发明的灭弧装置可以无需同步信号，可应用在按钮开关、行程开关等无控制线圈的机械开关使用，适用范围广。