(12)实用新型专利
(10)授权公告号 CN 212935873 U(45)授权公告日 2021.04.09
(21)申请号 202021321322.3(22)申请日 2020.07.07
(73)专利权人 上海京硅智能技术有限公司
地址 200000 上海市浦东新区中国(上海)
自由贸易试验区纳贤路800号1幢B座9楼908-3室(72)发明人 邓小军 袁高普 陈道杰 (74)专利代理机构 重庆中之信知识产权代理事
务所(普通合伙) 50213
代理人 霍维英(51)Int.Cl.
H03K 17/567(2006.01)G05B 19/042(2006.01)H03K 17/51(2006.01)
权利要求书1页 说明书5页 附图3页
(54)实用新型名称
集成式直流混合开关(57)摘要
本实用新型公开了集成式直流混合开关，包括控制模块、位于正母线上的固态开关模块Kss、与所述固态开关模块Kss并联的开关Kp，以及设置在负母线上的隔离开关Kn；所述控制模块分别与所述固态开关模块Kss、开关Kp以及隔离开关Kn连接。本实用新型能避免开关过程中产生电弧，无需额外设置灭弧装置，体积小巧，成本低廉。
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权 利 要 求 书
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1.集成式直流混合开关，其特征在于：包括控制模块、位于正母线上的固态开关模块Kss、与所述固态开关模块Kss并联的开关Kp，以及设置在负母线上的隔离开关Kn；所述控制模
开关Kp以及隔离开关Kn连接。块分别与所述固态开关模块Kss、
2.根据权利要求1所述的集成式直流混合开关，其特征在于：还包括设置在正母线上且与所述控制模块连接的隔离开关Ki，所述隔离开关Ki与所述固态开关模块Kss串联后再与所述开关Kp并联。
3.根据权利要求1所述的集成式直流混合开关，其特征在于：还包括设置在正母线上且与所述控制模块连接的隔离开关Ki，所述开关Kp与所述固态开关模块Kss并联后再与所述隔离开关Ki串联。
4.根据权利要求2或3所述的集成式直流混合开关，其特征在于：所述隔离开关Kn和Ki同步联动通断。
5.根据权利要求1‑3任一项所述的集成式直流混合开关，其特征在于：所述控制模块用于在开关Kp导通时控制所述固态开关模块Kss的通断。6.集成式直流混合开关，其特征在于：包括控制模块、位于正母线上的固态开关模块Kss、与所述固态开关模块Kss串联的隔离开关Ki，以及设置在负母线上的隔离开关Kn；所述控制模块分别与所述固态开关模块Kss、隔离开关Ki以及隔离开关Kn连接。
7.根据权利要求6所述的集成式直流混合开关，其特征在于：所述隔离开关Kn和Ki同步联动通断。8.根据权利要求1‑3、6‑7中任一项所述的集成式直流混合开关，其特征在于：所述固态开关模块Kss包括一个IGBT。9.根据权利要求1‑3、6‑7中任一项所述的集成式直流混合开关，其特征在于：所述固态开关模块Kss包括一个IGBT和正向二极管串联。10.根据权利要求1‑3、6‑7中任一项所述的集成式直流混合开关，其特征在于：所述固态开关模块Kss包括反向串联的两个IGBT或MOSFET。
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说 明 书集成式直流混合开关
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技术领域
[0001]本实用新型属于直流开关技术领域，具体涉及集成式直流混合开关。
背景技术
[0002]传统机械式直流开关，如继电器、接触器、断路器等，其开通关断过程中同时承受电压电流的变化，不可避免产生电弧，必须增加灭弧装置，其寿命，可靠性，成本，体积，机械设计不可避免受到影响。[0003]现有技术中，在直流电能使用的场合为了电气隔离电源与负载，绝大多数设计者使用回路双端布置，带来了体积庞大、成本高的问题，机械式开关本身的缺点还依然存在。实用新型内容
[0004]针对现有技术中所存在的不足，本实用新型公开了一种能避免产生电弧、体积小、成本低的集成式直流混合开关。[0005]集成式直流混合开关，包括控制模块、位于正母线上的固态开关模块Kss、与所述固态开关模块Kss并联的开关Kp，以及设置在负母线上的隔离开关Kn；所述控制模块分别与所述固态开关模块Kss、开关Kp以及隔离开关Kn连接。[0006]进一步地，还包括设置在正母线上且与所述控制模块连接的隔离开关Ki，所述隔离开关Ki与所述固态开关模块Kss串联后再与所述开关Kp并联。[0007]进一步地，还包括设置在正母线上且与所述控制模块连接的隔离开关Ki，所述开关Kp与所述固态开关模块Kss并联后再与所述隔离开关Ki串联。[0008]进一步地，所述隔离开关Kn和Ki同步联动通断。[0009]进一步地，所述控制模块用于在开关Kp导通时控制所述固态开关模块Kss的通断。[0010]集成式直流混合开关，包括控制模块、位于正母线上的固态开关模块Kss、与所述固态开关模块Kss串联的隔离开关Ki，以及设置在负母线上的隔离开关Kn；所述控制模块分别与所述固态开关模块Kss、隔离开关Ki以及隔离开关Kn连接。[0011]进一步地，所述隔离开关Kn和Ki同步联动通断。[0012]进一步地，所述固态开关模块Kss包括一个IGBT。[0013]进一步地，所述固态开关模块Kss包括一个IGBT和正向二极管串联。[0014]进一步地，所述固态开关模块Kss包括反向串联的两个IGBT或MOSFET。[0015]相比于现有技术，本实用新型具有如下有益效果：[0016]1、通过将由固态开关和机械开关组成的混合开关集成在一起作为隔离电源与负载的直流开关，不需要额外的灭弧装置就能实现灭弧功能，体积小巧，成本低廉；[0017]2、通过设置联动的隔离开关Ki和Kn，可确保电源侧与负载侧之间实现完全的电气隔离；
[0018]3、通过在Kp连通时控制Kss适时关断，可有效减少负载电流流经其所在支路的损耗，节能效果好。
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附图说明
[0019]图1为本实用新型中集成式直流混合开关实施例1的电路结构示意图；[0020]图2为本实用新型中集成式直流混合开关实施例1的控制时序图；
[0021]图3为本实用新型中集成式直流混合开关实施例2的电路结构示意图；[0022]图4为本实用新型中集成式直流混合开关实施例2的控制时序图；
[0023]图5为本实用新型中集成式直流混合开关实施例3的电路结构示意图；[0024]图6为本实用新型中集成式直流混合开关实施例3的控制时序图；[0025]图7为本实用新型中集成式直流混合开关实施例4的电路结构示意图；[0026]图8为本实用新型中集成式直流混合开关实施例4的控制时序图。
具体实施方式
[0027]为了使实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。[0028]实施例1：集成式直流混合开关，如图1所示，其输入端正负极可与电源连接，输出端正负极可与负载连接。具体包括控制模块、位于正母线上的固态开关模块Kss、与所述固态开关模块Kss并联的开关Kp，以及设置在负母线上的隔离开关Kn。所述控制模块分别与所述固态开关模块Kss、开关Kp以及隔离开关Kn连接，用于控制上述开关的导通和关断。[0029]其中，所述控制模块可采用MCU。所述Kp和Kn采用机械开关，比如继电器、接触器或断路器等。所述固态开关模块Kss的内部结构可以是多种形式，若是(1)两个固态开关(如IGBT、MOSFET)反向串联，可作为全控型；(2)单个固态开关，可作为半控型；(3)单个固态开关和单个正向二极管串联，可作为单向半控型。[0030]如图2所示，以单个固态开关的Kss为例(适用于单向控制的半控半隔离方案)，所述控制模块可通过如下流程进行控制：[0031]在T0之前和T5之后：所有开关处于关断状态，该状态下输入与输出完全隔离；[0032]T0‑T1：控制Kn先导通，此时电源和负载间只在负端连接，无电流回路，Kss和Kp承受压差；
[0033]T1‑T2：Kss开始导通，在微秒级时间内完成，此时电源和负载完成连通，负载电流流经Kss，开关Kp主路触点承受极低的电压，即Kss开关导通压降，约2‑3V；[0034]T2‑T3：Kp开始零电压导通，由于机械开关导通压降极低，负载电流绝大部分流经Kp，整个开关进入正常稳态导通；[0035]T3‑T4：在进入关断前确保Kss处于导通状态，从T3开始控制Kp断开，此时负载电流转移到固态开关Kss支路，并保持；Kp的关断属于零电压关断，不产生电弧；[0036]T4‑T5：控制Kss关断，切断负载电流，负载与电源分离；[0037]T5后：Kn关断，负载电流已经切断，Kn开关零电流关断。[0038]其中，在导通过程中，控制模块先后控制Kn、Kss和Kp的导通；在关断过程中，控制模块先后控制Kp、Kss和Kn的关断。[0039]作为进一步优化，如图2所示，所述控制模块用于在开关Kp导通时控制所述固态开关模块Kss的通断。在T2‑T3阶段，若混合开关需长时间导通，可适时关断固态开关Kss，这样可以有效减少负载电流流经其所在支路而产生的损耗，节能效果好。可以理解，为了防止在
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Kp关断时产生电弧，只要在进入关断前确保Kss处于导通状态即可。[0040]实施例2：集成式直流混合开关，如图3所示，其输入端正负极可与电源连接，输出端正负极可与负载连接。具体包括控制模块、串联在正母线上的固态开关模块Kss和隔离开关Ki、并联在所述固态开关模块Kss和隔离开关Ki两端的开关Kp，以及设置在负母线上的隔离开关Kn。所述控制模块分别与所述固态开关模块Kss、隔离开关Ki、开关Kp以及隔离开关Kn连接，用于控制上述开关的导通和关断。[0041]其中，所述控制模块可采用MCU。所述Kp、Ki和Kn采用机械开关，比如继电器、接触器或断路器等。所述固态开关模块Kss的内部结构可以是多种形式，如(1)两个固态开关(如IGBT、MOSFET)反向串联，可作为全控型；(2)单个固态开关，可作为半控型；(3)单个固态开关和单个正向二极管串联，可作为单向半控型。[0042]如图4所示，以单个固态开关和单个正向二极管串联的Kss为例(适用于单向控制的半控单向全隔离方案)，所述控制模块可通过如下流程进行控制：[0043]在T0之前和T6之后：所有开关处于关断状态，该状态下输入与输出完全隔离；[0044]T0‑T1：控制KnKi先导通，此时电源和负载间只在一端连接，无电流回路，KnKi开关零电流导通；[0045]T1‑T2：控制Kss开始导通，在微秒级时间内完成，此时电源和负载完成连通，负载电流流经Kss，开关Kp主路触点承受极低的电压，即Kss开关导通压降，约2‑3V；[0046]T2‑T3：Kp开始零电压导通，由于机械开关导通压降极低，负载电流绝大部分流经Kp，整个开关进入正常稳态导通；[0047]T3‑T4：在进入关断前确保Kss在导通状态，从T3开始控制Kp断开，负载电流转移到固态开关Kss，并保持；Kp的关断属于零电压关断，不产生电弧；[0048]T4‑T5：控制Kss关断，切断负载电流，负载与源分离；[0049]T5后：控制KnKi关断，负载电流已经切断，Kn和Ki开关零电流关断。[0050]其中，在导通过程中，控制模块先后控制KnKi、Kss和Kp的导通；在关断过程中，控制模块先后控制Kp、Kss和KnKi的关断。特别地，所述隔离开关Kn和Ki可同步联动通断；由于负母线上的机械开关Kn与正母线上的机械开关Ki处于联动状态，当两者断开时，可确保电源侧与负载侧之间处于电气隔离状态。[0051]作为进一步优化，如图4所示，所述控制模块用于在开关Kp导通时控制所述固态开关模块Kss的通断。在T2‑T3阶段，若混合开关需长时间导通，可适时关断固态开关Kss，这样可以有效减少负载电流流经其所在支路而产生的损耗，节能效果好。可以理解，为了防止在Kp关断时产生电弧，只要在进入关断前确保Kss处于导通状态即可。[0052]实施例3：集成式直流混合开关，如图5所示，其输入端正负极可与电源连接，输出端正负极可与负载连接。具体包括控制模块、位于正母线上的固态开关模块Kss、与所述固态开关模块Kss并联的开关Kp、位于正母线上的隔离开关Ki，以及负母线上的隔离开关Kn。所述开关Kp与所述固态开关模块Kss并联后再与所述隔离开关Ki串联。所述控制模块分别与所述固态开关模块Kss、隔离开关Ki、开关Kp以及隔离开关Kn连接，用于控制上述开关的导通和关断。
[0053]其中，所述控制模块可采用MCU。所述Kp、Ki和Kn采用机械开关，比如继电器、接触器或断路器等。所述固态开关模块Kss的内部结构可以是多种形式，如(1)两个固态开关(如
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IGBT、MOSFET)反向串联，可作为全控型；(2)单个固态开关，可作为半控型；(3)单个固态开关和单个正向二极管串联，可作为单向半控型。[0054]如图6所示，以两个固态开关反向串联的Kss为例(适用于双向控制的全控型全隔离方案)，所述控制模块可通过如下流程进行控制：[0055]在T0之前和T5之后：所有开关处于关断状态，该状态下输入与输出完全隔离；[0056]T0‑T1：控制KnKi先导通，此时电源和负载间只在一端连接，无电流回路，KnKi开关零电流导通；[0057]T1‑T2：控制Kss开始导通，在微秒级时间内完成，此时电源和负载完成连通，负载电流流经Kss，开关Kp主路触点承受极低的电压，即Kss开关导通压降，约2‑3V；[0058]T2‑T3：Kp开始零电压导通，由于机械开关导通压降极低，负载电流绝大部分流经Kp，整个开关进入正常稳态导通；[0059]T3‑T4：在进入关断前确保Kss在导通状态，从T3开始控制Kp断开，负载电流转移到固态开关Kss，并保持；Kp的关断属于零电压关断，不产生电弧；[0060]T4‑T5：Kss关断，切断负载电流，负载与电源分离；[0061]T5后：KnKi关断，负载电流已经切断，Kn和Ki机械开关零电流关断。[0062]其中，在导通过程中，控制模块先后控制KnKi、Kss和Kp的导通；在关断过程中，控制模块先后控制Kp、Kss和KnKi的关断。特别地，所述隔离开关Kn和Ki可同步联动通断；由于负母线上的机械开关Kn与正母线上的机械开关Ki处于联动状态，当两者断开时，可确保电源侧与负载侧之间处于电气隔离状态。本实施例与实施例2的不同之处在于，开关Ki承受了负载电流，Ki还可用作断路保护。[0063]作为进一步优化，如图6所示，所述控制模块用于在开关Kp导通时控制所述固态开关模块Kss的通断。在T2‑T3阶段，若混合开关需长时间导通，可适时关断固态开关Kss，这样可以有效减少负载电流流经其所在支路而产生的损耗，节能效果好。可以理解，为了防止在Kp关断时产生电弧，只要在进入关断前确保Kss处于导通状态即可。[0064]实施例4：集成式直流混合开关，如图7所示，其输入端正负极可与电源连接，输出端正负极可与负载连接。具体包括控制模块、串联在正母线上的固态开关模块Kss和隔离开关Ki，以及设置在负母线上的隔离开关Kn。所述控制模块分别与所述固态开关模块Kss、隔离开关Ki以及隔离开关Kn连接，用于控制上述开关的导通和关断。[0065]其中，所述控制模块可采用MCU。所述Ki和Kn采用机械开关，比如继电器、接触器或断路器等。所述固态开关模块Kss的内部结构可以是多种形式，如(1)两个固态开关(如IGBT、MOSFET)反向串联，可作为全控型；(2)单个固态开关，可作为半控型；(3)单个固态开关和单个正向二极管串联，可作为单向半控型。[0066]如图8所示，以两个固态开关反向串联的Kss为例(适用于双向控制的方案)，所述控制模块可通过如下流程进行控制：[0067]在T0之前和T3之后：所有开关处于关断状态，该状态下输入与输出完全隔离；[0068]T0‑T1：控制KnKi先导通，此时电源和负载间由Kss保持关断状态，无电流回路，KnKi机械开关零电流导通；[0069]T1‑T2：控制Kss开始导通，在微秒级时间内完成，此时电源和负载完成连通，负载电流流经Kss和Ki；
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T2‑T3：Kss关断，切断负载电流，负载与电源分离；
[0071]T3后：负载电流已经切断，KnKi关断后源和负载间完全隔离，KnKi开关零电流关断。[0072]其中，在导通过程中，控制模块先后控制KnKi和Kss的导通；在关断过程中，控制模块先后控制Kss和KnKi的关断。特别地，所述隔离开关Kn和Ki可同步联动通断；由于负母线上的机械开关Kn与正母线上的机械开关Ki处于联动状态，当两者断开时，可确保电源侧与负载侧之间处于电气隔离状态。
[0073]本申请中所述双向控制方案适用于电流从Vin流向Vout和从Vout流向Vin两种工况，单向控制方案只适用于电流从Vin流向Vout的工况。在双向控制方案中，源侧与负载侧地位对等，控制模块可以控制直流电流(或电能)从源侧流向负载侧或从负载侧流向源侧；在单向控制方案中，控制模块只能控制直流电流(或电能)从源侧流向负载侧。控制模块对应的时序控制参数没有具体要求，只需明确固态开关Kss动作时间为微秒级，机械开关Kp、Kn、Ki等动作时间为毫秒级。
[0074]以上所述仅为本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅限于上述实施方式，凡是属于本实用新型原理的技术方案均属于本实用新型的保护范围。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本实用新型的原理的前提下进行的若干改进，这些改进也应视为本实用新型的保护范围。
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