钳位降压的固态电子开关及混合开关的制作方法

本实用新型实施例涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种钳位降压的固态电子开关及混合开关。

背景技术：

固态电子开关，也称无触点开关，一般由电力电子技术实现，应用中较多使用双向固态电子开关。如图1所示，传统的双向固态电子开关基本由完全控制开通关断的电力电子器件(如igbt、mosfet等)组成。如图2所示，固态电子开关kss经常会与机械开关kn等组合成混合开关，且可以方便地通过配置mcu来进行控制，市场应用前景良好。

众所周知，电力电子器件耐压要求决定于输入输出电压。对于高压直流开关场合，尤其是1500v以上场合，1200v电力电子器件无法使用，特别是1700v器件很难找到性能价格比合适的产品。实践中，通过电力电子器件的串联技术可以用来解决器件耐压不足的问题，即用一半及以下电压等级的器件实现，如1500v场合使用750v器件。目前市场上已有此类产品，简述如下。

如图3和图4所示，分别示出两种典型的高压直流断路器的电路结构。图3中，断路器开关ds、cb及电感l配置串联的固态电子开关来进行控制，其中各开关模组中使用moa/mov器件降压或限制电力电子器件，其单个模组承受的电压由压敏器件限制，问题在于压敏器件短路失效模式存在巨大的安全隐患。图4中，断路器开关ds也配置有固态电子开关沐足，其中的fbsm利用全桥钳位方式，单个模组内所有器件的实际电压由钳位电容电压决定，器件使用数量较多，控制复杂。

由此可见，现有技术中的固态电子开关电路结构还存在结构复杂或安全性方面不够理想的问题。有鉴于现有固态电子开关存在的不足，有必要对其进行优化。

技术实现要素：

针对现有技术存在的缺陷，本实用新型旨在提供一种结构简单、安全性好的钳位降压的固态电子开关及混合开关。

为解决以上技术问题，本实用新型提供的技术方案如下：

一种钳位降压的固态电子开关包括串接且对称配置的两开关模组，每一开关模组串接有一正向电能控制器件和一反向电能控制器件，固态电子开关输入侧和固态电子开关输出侧分别设置有降压电路，其中每一降压电路的降压点分别通过一钳位二极管连接至相应开关模组的正向电能控制器件和反向电能控制器件的串接点。

可选地，正向电能控制器件和反向电能控制器件分别为三极管，相应三极管的集电极-发射极之间并接有反向二极管。

可选地，正向电能控制器件的三极管和反向电能控制器件的三极管共地驱动。

另一种钳位降压的固态电子开关包括串接且对称配置的两开关模组，每一开关模组串接有一正向电能控制器件和一反向截止器件，固态电子开关输入侧和固态电子开关输出侧分别设置有降压电路，其中每一降压电路的降压点分别通过一钳位二极管连接至相应开关模组的正向电能控制器件和反向截止器件的串接点。

可选地，正向电能控制器件为三极管，反向截止器件为反向截止二极管，其中三极管的集电极-发射极之间并接反向二极管。

又一种钳位降压的固态电子开关包括串接且对称配置的两开关模组，每一开关模组配置有正向电能控制器件且反向自由，固态电子开关输入侧或固态电子开关输出侧中的一侧设置有降压电路，该降压电路的降压点通过一钳位二极管连接至两个开关模组的正向电能控制器件之间的串接点。

可选地，正向电能控制器件为三极管，反向自由短接，其中三极管的集电极-发射极之间并接反向二极管。

可选地，以上每一开关模组配置有串接的阻容调整元件。

可选地，以上降压电路通过串接两降压电容来进行降压。

在此基础上，本实用新型实施例还提供一种混合开关，其包括至少一机械开关和至少一以上所述固态电子开关的组合。

与现有技术相比，本实用新型实施例利用高压直流场合下双极正负配电组合的特点，用钳位降压法来提高固态电子开关串接模组的耐压能力，其实现电路配置简洁，可以通过避免使用压敏器件来提高产品安全性。

附图说明

图1为一种现有固态电子开关的电路简图；

图2为一种现有混合开关的电路简图；

图3为一种现有高压直流断路器的电路简图；

图4为另一种现有高压直流断路器的电路简图。

图5a为本实用新型实施例一固态电子开关的电路简图；

图5b为本实用新型实施例一固态电子开关的驱动电压波形图；

图5c为本实用新型实施例一固态电子开关正向开通过程图；

图5d为本实用新型实施例一固态电子开关正向关断过程图；

图5e为本实用新型实施例一固态电子开关反向开通过程图；

图5f为本实用新型实施例一固态电子开关反向关断过程图；

图6为本实用新型实施例二固态电子开关的电路简图；

图7为本实用新型实施例三固态电子开关的电路简图；

图8为一种应用本实用新型实施例固态电子开关的混合式开关的电路简图。

具体实施方式

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。

本实用新型以下实施例中的固态电子开关串接有对称配置的两开关模组，其中固态电子开关输入侧和固态电子开关输出侧中一侧或两侧设置基于钳位降压的降压电路，且降压电路的降压点相应连接至两开关模组来加入电压。

实施例一

请同时参见图5a-图5f，为本实施例一示出的固态电子开关。该实施例一采用了钳位分压法，适用于双向电能通断控制。

如图5a所示，该固态电子开关的两开关模组为双向可控，其中每一开关模组串接有一正向电能控制器件和一反向电能控制器件；固态电子开关输入侧和固态电子开关输出侧分别设置有钳位降压的降压电路，其中每一降压电路的降压点分别通过一钳位二极管连接至相应开关模组的正向电能控制器件和反向电能控制器件的串接点。

具体地，该固态电子开关的具体电路结构如下所述。

输入侧开关模组由正向电能控制器件qp1和反向电能控制器件qn1构成，两者为功率器件，具体可以是三极管且共地驱动，其中qp1、qn1的集电极-发射极之间并接反向二极管；类似地，输出侧开关模组由正向电能控制器件qp2和反向电能控制器件qn2构成，两者也共地驱动，通过保持双向开关共地驱动，驱动电路配置相对简洁。此外，各控制器件还相应配置阻容调整元件，即qp1并联串接的电阻rs1和电容cs1,qp2并联串接的电阻rs2和电容cs2，即qp3并联串接的电阻rs3和电容cs3,qp4并联串接的电阻rs4和电容cs4，这样可以根据实际负载状况及电子开关低频通断特点，使得电力电子器件的rc吸收参数可以调整较大电容值，如10nf以上。

输入侧降压电路由串接的降压电容cp1和cn1来进行降压，其中cp1和cn1的容值可以相等，这样可以进行半值压降压；同理，输入侧降压电路由串接的降压电容cp2和cn2来进行降压，其中cp2和cn2的容值相等以进行半值降压。这样，通过采用降压电力电子器件串联来进行降压，降压后相应通过钳位二极管dc1、dc2加入到两开关模组，由此有效实现了两开关模组的钳位减压。

该实施例一中，输入侧和输出侧降压电路的降压点之间分别通过钳位二极管dc1、dc2来与两开关模组中的正向电能控制器件和反向电能控制器件串接点相连。输入输出侧电压通过降压电容通过降压电容cp1、cn1及cp2、cn2将输入输出电压降到一半，由此可以在高压直流场合有效利用低压器件简单的钳位降压技术，不增加电路复杂度及成本。

以下进一步对该固态电子开关的工作原理及工作过程进行说明。

本实施例一的工作原理是如下：

1、qp1、qp2为正向控制功率器件，qn1、qn2为反向控制功率器件；输入输出侧电压通过分压电容cp1、cn1及cp2、cn2将输入输出电压分到一半；

2、qp1、qn1与qp2、qn2分别组合成双向开关，共驱动地，用以简化驱动及控制电路；

3、电容cp1、cn1及cp2、cn2的中点用钳位二极管dc1dc2连接到qp1和qn2；

4、当qp1、qn2的电压大于钳位电容电压cp1、cp2时，dc1、dc2导通并将电能释放到电容中；

5、实际设计中，qp1、qn2的rc参数稍微快或门极关断稍快，以便其分得偏高的电压，由此相应触发钳位电路。

参见图5b，示出各个开关模块的驱动电压波形，根据驱动电压qp1_drv、qp2_drv及qn1_drv、qn2_drv的波形可分析各个功率器件的导通和关断过程，进一步说明如下。

分别参见图5c～图5f，分别示出固态电子开关输入电压vin、输出电压vout及相应控制元件的波形，其中波形横轴为时间，纵轴为各元件电压。为方便起见，以下将qp1、qp2导通及关断时的电压分别以vgp1、vgp2及vqp1、vqp2表示；将qn1、qn2导通及关断时的电压以vgn1、vgn2及vqn1、vqn2表示。

(1)正向导通

如图5c所示，示出固态电子开关正向导通的时序，具体如下所述。

t0之前：无输入。

t0-t1:电路有输入电压但开关处于关断状态，其输入电压vin平均分配到qp1、qp2，而qn1、qn2处于正向偏置状态，其电压基本为零。此时，输出端电压为零。

t1-t2：qp2先导通，qp1导通前承受的电压上升，当qp1的电压大于0.5vin时钳位电路自动开启。电能通过二极管存贮到电容cp1中，此过程时间几十ns，对应于开关qp1、qp2导通设定偏差。

t2之后：qp1、qp2已经导通，输出电压等于输入，dc1、dc2二极管截止。

(2)正向关断

如图5d所示，示出固态电子开关正向关断的时序，具体如下所述。

t0之前：开关导通状态。

t0-t1:对应于qp1、qp2关断时刻，qp1先关断，其承受的电压上升，当qp1的电压大于0.5vin时钳位电路自动开启。电能通过二极管存贮到电容cp1中，此过程时间几十ns，对应于开关qp1、qp2关断设定偏差。到达t1时刻，qp2关断，其承受输入电压一半。

t1-t2：电路有输入电压但开关处于关断状态，其输入电压vin平均分配到qp1、qp2，而qn1、qn2处于正向偏置状态，其电压基本为零。此时，输出端电压为零

t2之后：输入电压消失，电子开关承受的电压随之归零。

以上对正向开通及关断过程进行了描述，以下类似对反向开通及关断过程进行描述。其中，由于电路的对称设计，反向状态下qn1、qp1和qn2、qp2工作状态对调，具体如下所述。

(3)反向导通

如图5e所示，示出固态电子开关反向导通的时序，具体如下所述。

t0之前：无输入。

t0-t1:电路有输入电压但开关处于关断状态，其电压vout平均分配到qn1、qn2，而qp1、qp2处于正向偏置状态，其电压基本为零。此时，输出端电压为零

t1-t2：qn1先导通，qn2导通前承受的电压上升，当qn2的电压大于0.5vin时钳位电路自动开启。电能通过二极管存贮到电容cp2中，此过程时间几十ns，对应于开关qn1、qn2导通设定偏差。

t2之后：qn1、qn2已经导通，输出电压等于输入，dc1、dc2二极管截止。

(4)反向关断

如图5f所示，示出固态电子开关反向关断的时序，具体如下所述。

t0之前：开关导通状态。

t0-t1:对应于qn1、qn2关断时刻，qn2先关断，其承受的电压上升，当qn2的电压大于0.5vou时t钳位电路自动开启。电能通过二极管存贮到电容cp2中，此过程时间几十ns，对应于开关qp1、qp2关断设定偏差。到达t1时刻，qp1关断，其承受输入电压一半。

t1-t2：电路有输入电压但开关处于关断状态，其电压vout平均分配到qp1、qp2，而qn1、qn2处于正向偏置状态，其电压基本为零。此时，输出端电压为零。

t2之后：输入电压消失，电子开关承受的电压随之归零。

以上为本实用新型实施例固态电子开关的基本结构形式，其利用高压直流场合下双极正负配电组合的特点，用钳位降压法来提高固态电子开关串接模组的耐压能力，其实现电路配置简洁，可以通过避免使用压敏器件来提高产品安全性。

在此基础上，在单向电能控制或者反向不控场合，电路拓扑可以进行简化，例如：在单向电能控制场合，如只需正向控制反向截止，qn1、qn2可以改为二极管；在单向电能控制场合，如反向不控，qn1、qn2可以去除以短路代替。

下面对实施例二和实施例三进行说明，其中各实施例之间的相同部分内容不重复，必要时可具体参照实施例一部分描述内容。

实施例二

参见图6，为本实用新型实施例二示出的固态电子开关。其与实施例一的区别在于：正向电能控制，反向截止，即每一开关模组串接有一正向电能控制器件和一反向截止器件，具体可以是将实施例一中两个反向电能控制器件的三极管qn1、qn2去除，而分别以反向截止二极管代替。更具体地，正向电能控制器件为三极管，反向截止器件为反向截止二极管，而其中的三极管的集电极-发射极之间并接反向二极管。此时，固态电子开关输入侧和固态电子开关输出侧分别设置有降压电路，其中每一降压电路的降压点分别通过钳位二极管dc1、dc2连接至相应开关模组的正向电能控制器件和反向截止器件的串接点，这样降低了相应开关模组承受的电压。

实施例三

参见图7，为本实用新型实施例三示出的固态电子开关。其与实施例一的区别在于：正向电能控制，反向不控，即每一开关模组串接有一正向电能控制器件和一反向不控器件。具体地，正向电能控制器件为三极管，反向自由短接以实现不控，其中三极管的集电极-发射极之间并接反向二极管。相应地，固体态电子开关输入侧和固态电子开关输出侧中的一侧设置有降压电路，其中降压电路的降压点之间通过一钳位二极管来与两开关模组的串接点相连。当然，也可以在固态电子开关输出侧中的一侧设置降压电路，原理及过程与正向设置降压电路相同，不再赘述。

以上对本实用新型多个实施例的固态电子开关进行了详细的描述，该固态电子开关可以作为单独器件，也可以与机械开关组合成固态机械混合开关，以下简要进行说明。

参见图8，为本实用新型实施例示出的混合开关，其由至少一机械开关和至少固态电子开关组合而成，由此形成多种混合式开关。图8中，机械开关可以为多个，如kn、ks、kp等，其中的kp可跨接整个连接，具体工作方式请参考现有技术文献，不再赘述。

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。