混合式开关的制作方法

本发明混合式开关属于电学领域，特别是一种适合于交流电网中应用的混合式开关。

背景技术：

目前在交流电网中，混合式开关的应用越来越广泛，如复合开关（采用晶闸管与机械开关并联的运行方式），其采用变压器隔离驱动或高压电子开关驱动晶闸管，其存在以下缺点：

1. 变压器隔离驱动：晶闸管触发信号由变压器提供，需要脉冲信号发生电路、变压器驱动电路、变压器、整流电路，存在脉冲占空比驱动盲区造成过零导通涌流大、脉冲占空比驱动盲区也可造成晶闸管对机械开开分断灭弧效果、性价比低、占用空间大等缺点。

2. 高压电子开关驱动：晶闸管触发信号由晶闸管的主回路通过电阻、高压电子开关（全控型或半控型开关，如MOC3083等高压光电耦合器）到晶闸管的触发极，高压电子开关承受较高电压，并且大部分工况需要多个串联使用，存在可靠性差、容易击穿、误导通、导通涌流大的缺点。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有混合式开关的不足之处提供一种无需触发变压器、无需高压电子开关驱动晶闸管，具有电路简单、性价比高、瞬间触发电流大、可靠性高混合式开关。

实现本发明的目的是通过以下技术方案来达到的：

一种混合式开关，其包括机械开关、晶闸管、第一限流元件、单向导通器件、电容、半导体开关、稳压器件、一控制单元；机械开关主回路两端分别与晶闸管的第一端、晶闸管的第三端连接；控制单元与机械开关的控制端、半导体开关的控制端连接；第一限流元件、单向导通器件、电容串联而成一串联电路，串联电路的一端与晶闸管的第一端连接，串联电路的另一端用于与相对于晶闸管的第一端的另一相线或中性线连接；电容通过半导体开关、晶闸管的第二端、晶闸管的第一端形成放电回路；稳压器件与电容并联，或稳压器件通过单向导通器件与电容并联。

一种混合式开关，包括第一光电耦合器、第二光电耦合器，第一光电耦合器用于控制放电回路，第一光电耦合器的控制端与控制单元连接，半导体开关为一电压检测开关，电压检测开关的检测端与晶闸管的第三端连接，第二光电耦合器的控制端与电压检测开关连接，电容提供第二光电耦合器的驱动能量，第二光电耦合器的输出信号传递至控制单元。

一种混合式开关，包括一电压检测开关、第二光电耦合器，电压检测开关的检测端与晶闸管的第三端连接，第二光电耦合器的控制端与电压检测开关连接，电容提供第二光电耦合器的驱动能量，第二光电耦合器的输出信号传递至控制单元。

一种混合式开关，电压检测开关、半导体开关串联。

一种混合式开关，电压检测开关用于检测机械开关断开，控制单元在电压检测开关检测到机械开关断开时关断晶闸管的导通控制信号。

一种混合式开关，电压检测开关用于检测晶闸管的导通时间。

一种混合式开关，控制单元根据机械开关闭合或断开过程中晶闸管的导通时间，修正控制机械开关的闭合或断开动作时间参数。

一种混合式开关，电压检测开关包括第二限流元件、晶体管。

一种混合式开关，晶闸管为单向晶闸管，晶体管包括第一晶体管、第二晶体管，第一晶体管为PNP型管，第二晶体管为NPN型管，第二晶体管的基极通过第二限流元件与晶闸管的第三端连接，第二晶体管的集电极与第一晶体管的基极连接，第一晶体管的发射极、第一晶体管的集电极串联在放电回路中。

一种混合式开关，晶体管包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管，第二晶体管的基极通过第二限流元件与晶闸管主回路端连接，第二晶体管的发射极与第三晶体管的基极连接，第二晶体管的基极与第三晶体管的发射极连接，第三晶体管的集电极与第四晶体管的基极连接，第二晶体管的集电极、第四晶体管的发射极与第一晶体管的基极连接，第四晶体管的集电极与第二晶体管的发射极连接，第一晶体管的集电极与第二晶体管的基极连接，第一晶体管的发射极、第二晶体管的发射极串联在放电回路中。

一种混合式开关，晶体管包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管，第二晶体管的基极通过第二限流元件与晶闸管主回路端连接，第二晶体管的发射极与第三晶体管的基极连接，第三晶体管的基极与晶闸管的第一端连接，第二晶体管的基极与第三晶体管的发射极连接，第三晶体管的集电极与第四晶体管的基极连接，第二晶体管的集电极、第四晶体管的发射极与第一晶体管的基极连接，第四晶体管的集电极与第二晶体管的发射极连接，第一晶体管的发射极、第一晶体管的集电极串联在放电回路中。

一种混合式开关，电压检测开关还包括第五晶体管，第五晶体管的集电极与第一晶体管的基极连接，第五晶体管的基极与第一晶体管的集电极连接，第一晶体管的发射极、第五晶体管的发射极串联在放电回路中。

一种混合式开关，通过第一限流元件的平均电流小于触发晶闸管导通所需的最小触发电流。

一种混合式开关，半导体开关为一光电耦合器或一光电耦合器驱动晶体管电路。

一种混合式开关，包括一与电容的放电回路串联的限流元件。

一种混合式开关，如图1所示，其包括机械开关K1、晶闸管SCR1（单向晶闸管）、第一限流元件R1（电阻）、单向导通器件D1（二极管）、电容C1、半导体开关OPT1、稳压器件Z1、控制单元（A）；机械开关K1主回路两端分别与晶闸管SCR1的第一端、晶闸管SCR1的第三端连接；控制单元（A）与机械开关K1的控制端（控制线圈）、半导体开关OPT1的控制端连接；第一限流元件R1、单向导通器件D1、电容C1串联而成一串联电路，串联电路的一端与晶闸管SCR1的第一端连接，串联电路的另一端与相对于晶闸管SCR1的第一端的另一相线或中性线连接；电容C1通过半导体开关OPT1、晶闸管SCR1的第二端、晶闸管SCR1的第一端形成放电回路，稳压器件Z1通过单向导通器件D1与电容C1并联（稳压器件Z1也可以直接与电容C1并联，单向导通器件D1耐压要求提高）。 注：半导体开关OPT1与电容C1放电回路的连接方式不限于图1，也可以按如图2所示的连接方式，工作原理相同。

工作原理：晶闸管SCR1上电，充电电流通过第一限流元件R1、单向导通器件D1对电容C1充电至稳压器件Z1的稳压值，在接通过程中，控制单元（A）在晶闸管SCR1的阳极对晶闸管SCR1的阴极为负电位时（最好在晶闸管SCR1的阳极与晶闸管SCR1的阴极之间处于反向偏置电压的峰值时），提供半导体开关OPT1一脉宽大于四分之一周波导通控制信号，电容C1通过半导体开关OPT1、晶闸管SCR1的触发极、晶闸管SCR1的阴极放电触发晶闸管SCR1，在晶闸管SCR1的阳极与晶闸管SCR1的阴极之间为正电位时，晶闸管SCR1无涌流导通，控制单元（A）控制机械开关K1在晶闸管SCR1的阳极对晶闸管SCR1的阴极为正电位时闭合，机械开关K1闭合完成后，晶闸管SCR1截止；在分断过程中，控制单元（A）（注：可以利用其内部电容储能工作）提供半导体开关OPT1一脉宽大于四分之一周波导通控制信号，电容C1通过半导体开关OPT1、晶闸管SCR1的触发极、晶闸管SCR1的阴极放电触发晶闸管SCR1，控制单元（A）控制机械开关K1在满足晶闸管SCR1导通条件的电流方向时（即在晶闸管SCR1的阳极对晶闸管SCR1的阴极为正电位时）分断，达到无电弧分断目的，机械开关K1分断完成后，半导体开关OPT1截止，晶闸管SCR1在下一个电流零点截止。

本发明设计合理，其利用电网电源通过第一限流元件、单向导通器件对电容充电储能，由稳压器件对电容充电电压进行限压，电容的电荷通过半导体开关驱动晶闸管导通，具有无需触发变压器、无需高压电子开关、电路简单、性价比高、可靠性高的优点。

附图说明

图1 是本发明混合式开关的电路原理图一。

图2是本发明混合式开关的电路原理图二。

图3 是本发明混合式开关的实施例一电路原理图。

图4 是本发明混合式开关的实施例二电路原理图。

图5 是本发明混合式开关的电压检测开关电路原理图一。

图6 是本发明混合式开关的电压检测开关电路原理图二。

具体实施方式

本发明混合式开关的实施例一，如图3所示：

一种混合式开关，其包括机械开关K1、晶闸管SCR1（单向晶闸管）、第一限流元件R1（电阻）、单向导通器件D1（二极管）、电容C1、半导体开关（B）、稳压器件Z1、控制单元（A）、第一光电耦合器OPT1、第二光电耦合器OPT2；机械开关K1主回路两端分别与晶闸管SCR1的第一端、晶闸管SCR1的第三端连接；控制单元（A）与机械开关K1的控制端（控制线圈）、半导体开关（B）的控制端连接；第一限流元件R1、单向导通器件D1、电容C1串联而成一串联电路，串联电路的一端与晶闸管SCR1的第一端连接，串联电路的另一端用于与相对于晶闸管SCR1的第一端的另一相线或中性线连接；电容C1通过半导体开关（B）、第二光电耦合器OPT2、晶闸管SCR1的第二端、晶闸管SCR1的第一端形成放电回路，稳压器件Z1通过单向导通器件D1与电容C1并联（稳压器件Z1也可以直接与电容C1并联，单向导通器件D1耐压要求提高），第一光电耦合器OPT1用于控制放电回路，第一光电耦合器OPT1的控制端与控制单元（A）连接，第二光电耦合器OPT2的控制端与半导体开关（B）连接，电容C1提供第二光电耦合器OPT2的驱动能量，第二光电耦合器OPT2的输出信号传递至控制单元（A）。

注：电容C1的放电回路串联的第三电阻R3用于减小放电电流，可以根据需要选用；第二光电耦合器OPT2的控制端不限于与半导体开关（B）的主回路串联，也可以串联在半导体开关（B）的内部电路中；第一光电耦合器OPT1不限于与半导体开关（B）内部电路连接，也可以直接串联在晶闸管SCR1的驱动回路中，即与半导体开关（B）主回路串联。

半导体开关（B）：为一电压检测电路，在此也定义为电压检测开关（B）,用于检测晶闸管SCR1的导通时间，电压检测开关（B）的检测端与晶闸管SCR1的第三端连接，第二光电耦合器OPT2的控制端与电压检测开关（B）连接，电容C1提供第二光电耦合器OPT2的驱动能量，第二光电耦合器OPT2的输出信号传递至控制单元（A），电压检测开关（B）包括第二限流元件R2、第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、二极管D2、第四电阻R4、第五电阻R5、第八电阻R8，第一晶体管Q1为PNP型管，第二晶体管Q2为NPN型管，第二晶体管Q2的基极通过第二限流元件R2与晶闸管SCR1的第三端连接，第二晶体管Q2的集电极通过第八电阻R8、第一光电耦合器OPT1与第一晶体管Q1的基极连接（第一光电耦合器OPT1也可以与第一晶体管Q1的集电极串联），第一晶体管Q1的发射极、第一晶体管Q1的集电极串联在电容C1的放电回路中。第四电阻R4、第五电阻R5、第八电阻R8、二极管D2为非原理性元器件，根据需要选用。

工作原理：晶闸管SCR1上电，充电电流通过第一限流元件R1、单向导通器件D1对电容C1充电至稳压器件Z1的稳压值，在接通过程中，控制单元（A）在晶闸管SCR1的阳极对晶闸管SCR1的阴极为负电位时（最好在晶闸管SCR1的阳极与晶闸管SCR1的阴极之间处于反向偏置电压的峰值时），提供第一光电耦合器OPT1导通控制信号，晶闸管SCR1的阳极与晶闸管SCR1的阴极之间为正电位时，电容C1通过半导体开关（B）、第三电阻R3、第二光电耦合器OPT2的控制端、晶闸管SCR1的触发极、晶闸管SCR1的阴极放电驱动晶闸管SCR1无涌流导通，控制单元（A）控制机械开关K1在晶闸管SCR1的阳极对晶闸管SCR1的阴极为正电位时闭合，机械开关K1闭合完成后，半导体开关（B）截止，电容C1停止放电，晶闸管SCR1截止，控制单元（A）根据机械开关K1闭合过程中晶闸管SCR1的导通时间，修正控制机械开关K1的闭合动作时间参数；在分断过程中，控制单元（A）控制机械开关K1在满足晶闸管SCR1导通条件的电流方向时（即在晶闸管SCR1的阳极对晶闸管SCR1的阴极为正电位时）分断，电容C1通过半导体开关（B）、第三电阻R3、第二光电耦合器OPT2的控制端、晶闸管SCR1的触发极、晶闸管SCR1的阴极放电触发晶闸管SCR1，达到无电弧分断目的；机械开关K1分断完成后，半导体开关（B）截止，晶闸管SCR1在下一个电流零点截止。 控制单元（A）根据机械开关K1断开过程中晶闸管SCR的导通时间，修正控制机械开关K1的断开动作时间参数。注：控制单元（A）可从其工作电源得知电压的实时相位。

本实施例，混合式开关为无需电流互感器的混合式同步开关，不存在电流大小而影响同步开关的投切精度，具有晶闸管导通时间短、性价比高、电路简单的优点。

本发明混合式开关的实施例二，如图4所示：

一种混合式开关，其包括机械开关K1、晶闸管TR1（双向晶闸管）、第一限流元件R1（电阻）、单向导通器件D1（二极管）、电容C1、电压检测开关（B）、稳压器件Z1、控制单元（A）、第一光电耦合器OPT1（此实施例定义为半导体开关）、第二光电耦合器OPT2；机械开关K1主回路两端分别与晶闸管TR1的第一端、晶闸管TR1的第三端连接；控制单元（A）与机械开关K1的控制端（控制线圈）、电压检测开关（B）的控制端连接；第一限流元件R1、单向导通器件D1、电容C1串联而成一串联电路，串联电路的一端与晶闸管TR1的第一端连接，串联电路的另一端用于与相对于晶闸管TR1的第一端的另一相线或中性线连接；电容C1通过第一光电耦合器OPT1、第二光电耦合器OPT2、第三电阻R3、电压检测开关（B）、晶闸管TR1的第二端、晶闸管TR1的第一端形成放电回路，稳压器件Z1通过单向导通器件D1与电容C1并联（稳压器件Z1也可以直接与电容C1并联，单向导通器件D1耐压要求提高），第一光电耦合器OPT1用于控制放电回路，第一光电耦合器OPT1的控制端与控制单元（A）连接，第二光电耦合器OPT2的控制端与电压检测开关（B）连接，电容C1提供第二光电耦合器OPT2的驱动能量，第二光电耦合器OPT2的输出信号传递至控制单元（A）。电压检测开关（B）用于检测机械开关K1断开，控制单元（A）在电压检测开关（B）检测到机械开关K1断开时关断晶闸管TR1的导通控制信号。

注：电容C1的放电回路串联的第三电阻R3用于减小放电电流，可以根据需要选用；第二光电耦合器OPT2的控制端不限于与电压检测开关（B）的主回路串联，也可以串联在电压检测开关（B）的内部电路中；第一光电耦合器OPT1不限于与电压检测开关（B）内部电路连接，也可以直接串联在晶闸管TR1的驱动回路中，即与电压检测开关（B）主回路串联。

电压检测开关（B）的检测端与晶闸管TR1的第三端连接，图4所示的电压检测开关为采用第二限流元件R2、晶闸管TR2电路；

实际使用时建议采用如图5所示的电压检测开关，其包括第二限流元件R2、第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、第三晶体管Q3、第四晶体管Q4，第二晶体管Q2的基极通过第二限流元件R2与晶闸管TR1主回路端连接，第二晶体管Q2的发射极与第三晶体管Q3的基极连接，第二晶体管Q2的基极与第三晶体管Q3的发射极连接，第三晶体管Q3的集电极与第四晶体管Q4的基极连接，第二晶体管Q2的集电极、第四晶体管Q4的发射极与第一晶体管Q1的基极连接，第四晶体管Q4的集电极与第二晶体管Q2的发射极连接，第一晶体管Q1的集电极与第二晶体管Q2的基极连接，第一晶体管Q1的发射极、第二晶体管Q2的发射极串联在电容C1放电回路中。

也可以采用如图6所示的电压检测开关，其包括第二限流元件R2、第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、第三晶体管Q3、第四晶体管Q4、第五晶体管Q5，第二晶体管Q2的基极通过第二限流元件R2与晶闸管TR1主回路端（第二阳极，即第三端）连接，第二晶体管Q2的发射极与第三晶体管Q3的基极连接，第三晶体管Q3的基极与晶闸管TR1的第一端（第一阳极）连接，第二晶体管Q2的基极与第三晶体管Q3的发射极连接，第三晶体管Q3的集电极与第四晶体管Q4的基极连接，第二晶体管Q2的集电极、第四晶体管Q4的发射极与第一晶体管Q1的基极连接，第四晶体管Q4的集电极与第二晶体管Q2的发射极连接，第一晶体管Q1的发射极、第一晶体管Q1的集电极串联在电容C1放电回路中，第五晶体管Q5的集电极与第一晶体管Q1的基极连接，第五晶体管Q5的基极与第一晶体管Q1的集电极连接，第一晶体管Q1的发射极、第五晶体管Q5的发射极串联在电容C1的放电回路中。第五晶体管Q5可省略，当第五晶体管Q5省略时，电压检测开关（B）为全控型开关。

工作原理：晶闸管TR1上电，充电电流通过第一限流元件R1、单向导通器件D1对电容C1充电至稳压器件Z1的稳压值，在分断工作过程中，控制单元（A）先提供第一光电耦合器OPT1导通控制信号，当机械开关K1断开时，其两端存在电位差，电压检测开关（B）导通，电容C1通过第一光电耦合器OPT1、第二光电耦合器OPT2的控制端、第三电阻R3、电压检测开关（B）、晶闸管TR1的触发极、晶闸管TR1的第一阳极放电触发晶闸管TR1，控制单元（A）在电压检测开关（B）检测到机械开关K1分断完成后，关闭第一光电耦合器OPT1导通控制信号，晶闸管TR1在下一个电流零点截止，达到晶闸管TR1导通时间短，机械开关K1无电弧分断目的。

本实施例混合式开关，具有晶闸管导通时间短（短至半个周波）、可靠性高的优点。本实施例，当双向晶闸管改为单向晶闸管时，只要把相关器件的极性调整，晶体管由NPN型改PNP型，PNP型改NPN型即可，工作原理相同。

以上实施例，稳压器件Z1的稳压值可以设定为20V左右，电容C1的电容值可以设定为100微法左右，电容的放电电荷足够满足触发晶闸管（单向晶闸或双向晶闸管）的瞬间触发电流；第一限流元件可以采用电阻，通过第一限流元件的平均电流小于触发晶闸管导通所需的最小触发电流（一般几十安培晶闸管可靠触发导通的触发电流为几十毫安），第一限流元件的电阻值可以比较大，工作电流可以设定为0.1毫安以内，即使设定为0.1毫安，工作电压为380V时，第一限流元件R1功耗仅为0.038W，如工作电压为220V，第一限流元件R1功耗仅为0.022W。

在交流供电系统中使用时，与本发明混合式开关连接的相对于晶闸管的第一端（即晶闸管的主回路端）的另一端电源也定义为中性线。在三相电使用时可以增加相关部件即可，控制单元（A）可以共用。以上实施例一采用一个单向晶闸管与机械开关并联，也可以采用两个单向晶闸管反向并联。

综上所述，本发明混合式开关具有以下优点：

1.晶闸管的驱动信号直接由交流电网通过限流元件提供，无需触发变压器、无需高压电子开关、可靠性高、电路简单、占用空间小、性价比高。

2.采用电容储能触发方式，具有瞬间输出电流大、触发能力强的特点，同时限流元件工作电流远小于触发晶闸管导通的最小触发电流，工作能耗低。

3.当用于电容负载时，不存在由于变压器脉冲占空比和高压电子开关电路的本身电压降带来的过零触发盲区，接通涌流极小。

4.采用电压检测开关，光电反馈设计，晶闸管导通时短，过载能力强，可靠性高。