接触器驱动电路、驱动方法以及储能电容状态自适应方法与流程

本发明涉及驱动电路，具体涉及一种接触器驱动电路、驱动方法以及储能电容状态自适应方法。

背景技术：

1、大功率交流接触器在吸合瞬间需要克服复位弹簧的反作用力与衔铁惯量，其线圈必须具备足够的安匝数，因而启动瞬间需要极大的峰值功率；而在衔铁吸合、气隙闭合之后，维持吸合所需的功率则大幅下降。启动与维持之间的功率差异可达数十倍，这一特性决定了接触器驱动电路必须在瞬时强激与长期低功耗之间取得平衡。

2、目前，大功率交流接触器的控制回路普遍采用以下两类方案：

3、方案一：直接直流或交流驱动。直接使用额定电压，例如48v直流或220v交流，通过继电器或光耦触发接触器线圈。为保证可靠吸合，电源电压必须足够高以克服大弹簧的反作用力。

4、方案二：降压维持驱动。针对启动与维持功耗差异巨大的特点，采用双线圈结构，或在控制电路中串联大功率电阻进行降压：在启动瞬间提供全电压大电流，在接触器吸合后通过电阻分压或切换至维持线圈，将电压和电流降低，从而降低维持功耗。

5、上述现有技术存在如下缺陷：

6、电源及电路损耗大：常规大功率接触器启动瞬间需要极大的峰值功率，例如2000w量级。若直接由48v电源提供，瞬间电流可达40a以上，对前端电源的带载能力要求极高，容易导致电源电压跌落，甚至损坏前级电路；若采用串联电阻限流，则电阻发热严重，系统整体效率极低。

7、驱动响应速度慢：受限于前级电源的电流输出能力，线圈电流的上升速率受限，接触器的吸合动作时间较长，响应延迟明显。

8、电磁干扰严重：启动瞬间的巨大浪涌电流会产生强烈的电磁干扰，影响周围敏感电子设备。

9、储能电容充放电管理缺失：虽然有部分方案使用储能电容辅助启动，但往往缺乏精确的充电控制：充电电流不受控会导致电源负担过重、母线电压跌落；且在多次连续动作下，容易因电容充电不足而导致接触器无法正常吸合。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有大功率交流接触器驱动方案中，启动峰值功率全部由前端电源承担而导致电源容量需求高、母线电压跌落、电磁干扰强、吸合响应慢，以及串联电阻降压方案发热严重、储能电容辅助启动方案缺乏精确充电管理的技术问题。

2、为了实现上述发明目的，本发明一方面提供一种接触器驱动电路，应用于大功率交流接触器；包括：

3、主电源、参考地与使能控制电路；

4、接触器线圈（km），所述接触器线圈（km）的一端构成第一节点（p），另一端构成第二节点（m）；所述第一节点（p）连接主电源；

5、储能电容（c1），串联于所述接触器线圈（km）的驱动回路中，所述储能电容（c1）的正极连接所述第一节点（p），所述储能电容（c1）的负极构成第三节点（n）；

6、第一开关管（q1），其源极连接所述主电源、其漏极连接所述第三节点（n）、其栅极构成第四节点（s）；

7、第二开关管（q2），其漏极连接所述参考地、其源极连接所述第二节点（m）、其栅极连接所述使能控制电路的输出端；

8、栅极上拉支路，包括连接于所述主电源与所述第四节点（s）之间上拉电阻组；

9、栅极驱动支路，包括稳压管（zd1）与第一电阻（r1），连接于所述第二节点（m）与所述第四节点（s）之间；所述稳压管（zd1）的阳极连接所述第二节点（m）、阴极经第一电阻（r1）连接所述第四节点（s），用于在所述第二开关管（q2）导通时将所述第四节点（s）的电位相对所述第二节点（m）钳位；

10、恒流充电电路，包括三极管（q3）、发射极电阻（r2）以及基极偏置电阻；所述三极管（q3）的集电极连接所述第三节点（n）、发射极经所述发射极电阻（r2）连接所述参考地、基极经所述基极偏置电阻连接所述第一节点（p），取得偏置电位；

11、第一二极管（d1），其阳极连接所述三极管（q3）的基极、其阴极连接所述第二节点（m）；

12、下拉电阻（r3），连接于所述第三节点（n）与所述参考地之间；

13、其中，

14、在所述使能控制电路的输出信号无效时，所述第二开关管（q2）关断，所述第二节点（m）经所述接触器线圈（km）浮置于所述第一节点（p）的电位而使所述接触器线圈（km）两端电压为零，所述第一开关管（q1）因其栅极被所述栅极上拉支路上拉至所述主电源的电位而关断，所述三极管（q3）工作于放大区而以恒定电流对所述储能电容（c1）充电；

15、在所述使能控制电路的输出信号有效时，所述第二开关管（q2）导通而将所述第二节点（m）拉低至所述参考地的电位，使所述第四节点（s）经所述栅极驱动支路被拉低而使所述第一开关管（q1）导通，将所述第三节点（n）抬升至所述主电源的电位，使所述第一节点（p）的电位被同步抬升至所述储能电容（c1）两端电压与所述主电源电压之和而形成泵升启动电压；使所述第一二极管（d1）正偏导通而将所述三极管（q3）的基极钳位在低电平以使所述恒流充电电路停止工作；

16、在所述接触器线圈（km）进入维持吸合阶段后，所述第一开关管（q1）保持导通，以将所述第三节点（n）维持在所述主电源的电位而使所述储能电容（c1）保持放电完毕的状态，避免所述储能电容（c1）在下一次启动前被重新充电而导致泵升失效。

17、优选的，还包括阳极连接所述主电源，阴极连接所述第一节点（p）的第二二极管（d2）；在所述储能电容（c1）放电结束后，所述第二二极管（d2）正偏导通而将所述储能电容（c1）旁路，并将所述第一节点（p）的电位钳制在所述主电源电压减去所述第一二极管正向压降的水平，使所述接触器线圈（km）由所述主电源维持吸合，同时防止所述储能电容（c1）被反向充电。

18、优选的，所述上拉电阻组包括并联连接的第二电阻（r4）和第三电阻（r5）。

19、优选的，还包括跨接于所述第四节点（s）与所述主电源之间的加速电容（c2），用于在所述第二开关管（q2）导通或关断时使所述第四节点（s）的电位跟随所述第二节点（m）快速变化，以加速所述第一开关管（q1）的开通与关断。

20、优选的，包括续流二极管（d3）；所述续流二极管（d3）反向并联于所述接触器线圈（km）的两端，所述续流二极管（d3）的阴极连接所述第一节点（p），所述续流二极管（d3）的阳极连接所述第二节点（m）。

21、优选的，包括连接于所述主电源与所述参考地之间的母线支撑电容（c3），用于在所述泵升启动电压形成的瞬间向所述主电源补充瞬时电流，以抑制所述主电源的电压跌落。

22、优选的，所述使能控制电路包括光耦（u）与限流电阻（r6）；所述光耦（u）的输入端经所述限流电阻（r6）接收外部使能信号，输出端连接所述第二开关管（q2）的栅极。

23、优选的，所述恒流充电电路由恒流二极管、或由可编程精密基准源配合三极管、或由降压型恒流dc-dc变换器替代实现。

24、基于上述接触器驱动电路，本发明另一方面还提供一种接触器驱动方法，包括以下步骤：

25、s100、在所述使能控制电路的输出信号无效期间，所述第二开关管（q2）关断，使所述第二节点（m）经所述接触器线圈（km）浮置于所述第一节点（p）的电位而令所述接触器线圈（km）两端电压为零，同时使所述第四节点（s）被所述栅极上拉支路上拉至所述主电源的电位而令所述第一开关管（q1）关断，并由所述三极管（q3）以恒定电流对所述储能电容（c1）充电；

26、s200、在所述使能控制电路的输出信号有效时，导通所述第二开关管（q2）而将所述第二节点（m）拉低至所述参考地的电位，同时使所述第四节点（s）经所述栅极驱动支路被拉低而令所述第一开关管（q1）导通，将所述第三节点（n）抬升至所述主电源的电位，基于电容两端电压不能突变的特性使所述第一节点（p）的电位被同步抬升至所述储能电容（c1）两端电压与所述主电源电压之和，形成泵升启动电压；并且同时使所述第一二极管（d1）正偏导通而将所述三极管（q3）的基极钳位在低电平，令所述恒流充电电路停止工作；

27、s300、使所述储能电容（c1）经所述接触器线圈（km）放电，其两端电压按指数规律衰减，所述第一节点（p）的电位随之由所述泵升启动电压平滑回落至所述主电源电压；

28、s400、在所述储能电容（c1）放电结束后，由所述第二二极管（d2）正偏导通而将所述储能电容（c1）旁路，并将所述第一节点（p）的电位钳制在所述主电源电压减去所述第一二极管正向压降的水平，使所述接触器线圈（km）由所述主电源维持吸合；且在此阶段保持所述第一开关管（q1）导通，使所述第三节点（n）维持在所述主电源的电位而令所述储能电容（c1）保持放电完毕的状态；

29、s500、在所述使能控制电路的输出信号撤销后，关断所述第二开关管（q2），使所述接触器线圈（km）的电流经所述续流二极管（d3）构成的回路泄放至零；

30、s600、使所述第一二极管（d1）恢复反偏、所述三极管（q3）重新进入放大区，由所述主电源经所述第二二极管（d2）以恒定电流为所述储能电容（c1）再次充电。

31、优选的，在步骤s100中所述三极管（q3）以恒定电流对所述储能电容（c1）充电，所述恒定电流的电流i由所述三极管（q3）的基极偏置电位vb、集电极电位vbe与所述发射极电阻（r2）共同确定，满足=，且所述恒定充电的电流小于所述接触器线圈（km）的吸合阈值电流；在所述储能电容（c1）接近充满时因所述三极管（q3）的集电极电压耗尽、退出放大区而自动终止。

32、优选的，在所述下拉电阻（r3）的阻值选取上，满足：在步骤s400中所述第三节点（n）维持在所述主电源的电压时，流经所述下拉电阻（r3）的漏电流及其功耗不超过预设值；并且所述下拉电阻（r3）在所述第一开关管（q1）关断时为所述第三节点（n）提供确定的低电位。

33、优选的，所述储能电容（c1）的电容值c与所述接触器线圈（km）的等效电阻r之积所确定的放电时间常数=，与所述接触器线圈（km）的吸合动作时间处于同一量级，使所述泵升启动电压的完整持续时间覆盖所述接触器的整个吸合过程。

34、基于上述接触器驱动方法，本发明第三方面还提供一种储能电容状态自适应方法，包括以下步骤：

35、t100、在每一次启动步骤s300时，采集所述储能电容（c1）两端的放电电压曲线；

36、t200、测量所述放电电压曲线由放电初始值下降至该初始值的36.8%所经历的时间，得到放电时间常数；

37、t300、在步骤s400中，在所述储能电容（c1）放电结束后，获取接触器线圈（km）的稳态维持电压与稳态维持电流，求得所述接触器线圈（km）的等效电阻；

38、t400、以所述放电时间常数除以所述等效电阻，得到所述储能电容（c1）的实际电容值；

39、t500、将所述实际电容值与标称电容值比对得到老化系数，并在所述老化系数低于预设阈值时输出告警信号、提示更换所述储能电容（c1），或禁止下一次使能动作；

40、t600、根据所述实际电容值计算所述储能电容（c1）充满所需的充电时间，并据此设定两次使能动作之间的最小动作间隔，使每次启动前所述储能电容（c1）均已完成充能。

41、优选的，还包括：根据所述储能电容（c1）在放电起始瞬间的电压跌落值与放电电流的比值，计算所述储能电容（c1）的等效串联电阻；并在所述等效串联电阻超过预设上限时输出告警信号。

42、采用本发明提供的技术方案，能够达到以下有益效果：通过储能电容的充电、泵升和放电的能量搬运机制，将原本需要电源直接提供的瞬时大功率部分转换为由电容提供的瞬时能量，显著降低前端电源的峰值电流压力与容量需求，大幅减小前端电源负担，降低系统电源成本；利用约两倍额定电压的泵升高压启动，线圈电流的上升速率成倍提高，大幅缩短吸合动作的响应时间；启动完成后迅速回落至低压维持，且启动高压与维持低压之间的过渡不经过任何耗能元件，避免了串联电阻方案带来的严重发热问题，延长电路寿命；恒流充电设计使电容充电过程平稳可控，既避免了前级电源因过大充电电流而造成的电压跌落，又保证在连续动作周期内电容均能被稳定充能，提高系统可靠性；启动能量主要来自储能电容的平稳放电而非电源的浪涌输出，主电源侧的电流变化率大幅下降，从而抑制传导与辐射干扰，电磁干扰显著降低；第二开关管的单个导通动作同时完成接通线圈回路、开通第一开关管实现泵升、关断恒流充电电路三项功能，充电工况与泵升工况天然互斥，无需额外的互锁逻辑电路；第一二极管兼具充电通路、防止泵升高压反向灌流以及在放电结束后旁路储能电容的三重作用，续流二极管吸收线圈关断时的反向电动势并钳位开关管，稳压管对第一开关管栅源电压实施钳位保护，确保强电磁干扰环境下的长期稳定运行，实现多重保护机制；可在不增设任何传感器或激励注入电路的前提下，利用放电曲线本身在线辨识储能电容的实际容值与等效串联电阻，及时发现电容老化并在其影响驱动性能前发出告警或禁止动作，提升长期运行的可靠性；通过采集每一次启动动作的放电曲线反推电容实际容值，再据以设定最小动作间隔或在电容劣化时禁止动作，使驱动电路在电容全寿命周期内均可获得一致且可预期的吸合性能。