一种全海深耐压电子开关的制作方法

1.本发明属于电系统中的控制技术领域，具体涉及一种全海深耐压电子开关，适用于直流高压大电流开关场合，特别适合深海船电自动控制。


背景技术：

2.锂电池具有能量密度高，使用维护简单、高效的特点，在深海航行器中大量应用。深海电池组系统为提高能量密度，常采用直接承压式的结构设计，在深海高压环境下，电子开关作为电池管理系统中的重要组成部分需要克服复杂外部压力，控制整个电池组放电回路的开通与断开。当前用于深海电池的电子开关一般只能用于交流工况，或者低压（一般不高于dc24v）直流工况，对于大电流的电池系统会损失较高能量，同时这些电子开关控制回路和主回路不隔离，驱动电路复杂，提高了系统的复杂性，降低了可靠性。
3.为了使深海电池系统在水下正常工作，需要一种能耐受直流容性负载开通时的浪涌电流，或感性负载关断时的浪涌电压且承压的电子开关。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种可在全海深压力环境中使用，适用于dc110v系统的电子开关。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种全海深耐压电子开关，包括外壳内的底板以及依次设置在底板上的控制板、开关板、接线板和线性缓冲板；所述的控制板包括控制供电电路、pwm波发生电路和控制驱动信号调理电路；控制供电电路通过ldo线性稳压电路把额定电压范围的控制信号转换成控制电路电源，包括串联的电阻re1、二极管de1和三端稳压器e1，电阻re1的第一引脚连接开关控制信号正k ，电阻re1的第二引脚连接二极管de1的a脚，二极管de1的k脚和三端稳压器e1的vin引脚之间连接电容ce1的第一引脚，电容ce1的第二引脚连接三端稳压器e1的gnd引脚和控制信号负agnd，三端稳压器e1的vout引脚和gnd引脚之间连接电容ce2；pwm波发生电路采用半桥驱动芯片把控制电路电源转换成pwm波；控制驱动信号调理电路采用隔离变压器t1实现控制信号和主回路隔离，变压器副边经二极管组成的整流器和电容电阻组成的整流滤波电路把控制电路电源转换成驱动电路电源，驱动电路电源经由2个三极管组成的推挽电路驱动开关组；所述的开关板包括开关组和开关板吸收电路；开关组采用两个mos管g1和mos管g2串联实现双向控制，通过多路并联提高开关功率：四个电阻rc1～rc4串联形成一组，两组电阻并联，五个电容c1、c21、c41、c61、c81串联形成一组，二十组电容并联，k1触点通过二极管ds1连接电阻rs1，电阻rs2和电容cs1并联后两端分别连接在mos管g1的栅极和源极两端，k1触点通过二极管ds2连接电阻rs3，电阻rs4和电容cs2并联后两端分别连接在mos管g2的栅极和源极两端，mos管g1和mos管g2的漏极与一组电阻中的电阻rc4/rc8连接，mos管g1和mos管g2的源极连接模拟地，输入端in与电阻组和电容组构成的并联电路连接mos管g1/ g2的
漏极与电容c100/200连接；开关板吸收电路吸收开启和关断时的浪涌电流关闭浪涌电压，由电阻和mos管组成，十个电阻rq1～rq10串联形成一组，然后连接到两个mos管g11和mos管g12的栅极，两个mos管g11和mos管g12的漏极分别连接输入端in和输出端out，两个mos管g11和mos管g12相互连接形成一组总计91组共182个，另外十个电阻rg1～rg10串联形成一组串接到两个mos管g11和mos管g12的源极连接处引出输出端out，两组电阻串联；所述的线性缓冲板通过依次关断与主开关并联的多支电阻以实现阻抗逐渐增大的软关断方式，包括延时开通电路、缓冲板吸收电路和多个多级缓冲电路；所述的延时开通电路用于耐受容性负载开通时产生的浪涌电流，以及感性负载在关断时产生的浪涌电压的冲击，由二极管dk2、稳压管vdk3、三极管pk3～pk4和qk3～qk4、电阻rk7～11、电容ck2和cp4组成，电阻rk7和二极管dk2并联后连接电容ck2，电阻rk7的一端连接稳压管vdk3，稳压管vdk3连接三极管qk3的基极，电阻rk8的一端连接三极管qk3的基极，电阻rk8的另一端接模拟地，三极管qk3的集电极连接电阻rk9，电阻rk9的一端连接三极管pk3的基极，三极管pk3的发射极接接电源端vdd，三极管pk3的集电极连接电阻rk10，电阻rk10的另一端串接电阻rk11，电阻rk11的一端连接三极管qk4和三极管pk4的基极，另一端接模拟地，三极管qk4的发射极与三极管pk4的发射极相连，中间连线引出触点k，在电源端和接地端串接电容cp4，高电平vdd通过稳压管vdk3驱动三极管qk3开通，驱动电路电源经由三极管qk4和三极管pk4组成的推挽电路驱动开关组；所述的缓冲板吸收电路由电阻rh和mos管gh组成，一百零一个电阻rh串联形成一组，两个mos管gh通过栅极和源极形成一组，三组电阻rh并联引出线一端连接in触点，另一端连接mos管gh的漏极，mos管gh的源极连接模拟地gnd，mos管gh的栅极连接依次串联十一个电阻rqh后引出十一个触点s1～s11，按照这种组合方式10组并联；所述的多级缓冲电路用于耐受高压冲击，由十一个二极管dks1～11、稳压管vdu1～vdu5、电阻rk12和电容ck3组成，每个触点k和触点s之间连接一个二极管dks，即触点s～s11之间连接十一个二极管dks1～11，触点s1与模拟地gnd之间连接电容ck3，触点s与模拟地之间连接一个电阻rk12，触点s与触点u1之间串接了4个稳压管vdu2～vdu5，触点in与触点u1之间接了一个稳压管vdu1。
6.所述的一种全海深耐压电子开关，其pwm波发生电路包括二极管dp1～dp4、电阻rt1和rp1、电容ct1和ce3以及半桥驱动器u1；电阻rt1的第一引脚分别连接控制供电电路中三端稳压器e1的vout引脚、二极管dp3的k脚、半桥驱动器u1的第8脚高侧浮动供电引脚和第5脚电源供电vcc脚、二极管dp1的k脚和电容ce3的第一引脚；二极管dp3的a脚连接二极管dp4的k脚和半桥驱动器u1的第4脚lo低侧输出脚；电容ce3的第一引脚连接电阻rt1的第二引脚和半桥驱动器u1的第2脚振荡脚，电容ce3第二引脚分别连接pwm波发生电路中半桥驱动器u1的第1引脚电流检测输入脚、第3引脚电源供电gnd脚、第6引脚浮动电压反馈脚，以及二极管dp4的a脚、二极管dp2的a脚、电容ce3的第二引脚和控制供电电路中的agnd；二极管dp2的k脚连接二极管dp1的a脚，半桥驱动器u1的第7脚ho高侧输出脚和电阻re3的第一引脚。
7.所述的一种全海深耐压电子开关，其控制驱动信号调理电路包括稳压管vdk1～vdk2、pnp型三极管pk1～pk2、npn型三极管qk1～qk2、隔离变压器t1、电阻rk1～rk5及电阻rp2～rp3、电容cp1～cp3及电容ck1和二极管dp5～dp8；隔离变压器t1源边第一脚连接pwm波发生电路中电阻rp1的第二引脚，隔离变压器t1源边第二脚连接pwm波发生电路中半桥驱
动器u1的第4脚lo低侧输出脚；隔离变压器t1副边第三脚（t1源边第一脚同名端）连接二极管dp7的a脚和二极管dp8的k脚；隔离变压器t1副边第四脚连接二极管dp5的a脚和二极管dp6的k脚；电阻rp2的第一引脚连接二极管dp5的k脚、二极管dp7的k脚、电容cp1的第一引脚、稳压管vdk1的k脚、三极管pk1的发射极和三极管qk2的集电极；电阻rp2的第二引脚连接二极管dp6的a脚、二极管dp8的a脚、电容cp1的第二引脚、电阻rk1的第一引脚、三极管qk1的发射极、电阻rk5的第一引脚和三极管pk2的集电极；稳压管vdk1的a脚连接稳压管vdk2 的a脚、电容ck1的第一引脚、电阻rk1的第二引脚和电阻rk2的第一引脚；电阻rk2的第二引脚连接三极管qk1的基极；稳压管vdk2的k脚分别连接电容ck1的第二引脚、三极管pk1的集电极和电阻rk4的第一引脚；电阻rk4的第二引脚分别连接电阻rk5的第二引脚、三极管qk2和三极管pk2的基极；电阻rk3的第一脚连接三极管pk1的基极，第二脚连接三极管qk1的集电极，电容cp2的第一引脚连接vdd，电容cp3的第二引脚连接模拟地gnd，电阻rp3与电容cp2和电容cp3并联。
8.进一步，所述的隔离变压器t1采用板上平面隔离变压器。
9.进一步，所述的电阻、电容、二极管、mos管、三极管均选用实心塑封器件。
10.本发明具有的优点和积极效果如下：1，控制回路和开关主回路之间具有很高的隔离电压等级。
11.2，开关速度可以达到0.1ms以下。
12.3，不超过额定工况时，没有开关次数的寿命限制，稳定性和耐用性能高。
13.4，完善的抗开通浪涌电流电路，具有直接带载大电容负载导通的能力。
14.5，完善的抗关断浪涌电压电路，具有直接带载大电感负载关断的能力。
15.6，开关过程无触点火花，干扰远远小于机械开关，电磁兼容性能完好。
16.7，主开关采用多路mos管并联方式，降低了开关内阻，减小了能量损耗，开关底板散热，减小了开关体积8，在浸油条件下，具有高压工况工作能力，适合在深海的环境中应用。
附图说明
17.图1为本发明的组成结构框图；图2为本发明控制供电电路的原理图；图3为本发明pwm波发生电路的原理图；图4为本发明控制驱动信号调理电路的原理图；图5为本发明开关组的原理图；图6为本发明开关板吸收电路的原理图；图7为本发明延时开通电路的原理图；图8为本发明缓冲板吸收电路的原理图；图9为本发明多级缓冲电路的原理图。
18.各附图标记为：10—底板，11—控制板，12—开关板，13—接线板，14—线性缓冲板。
具体实施方式
19.结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明如下。
20.参照图1所示，本发明公开的一种全海深耐压电子开关，包括外壳内的底板10以及依次设置在底板10上的控制板11、开关板12、线性缓冲板14和接线板13；控制板11包括控制供电电路、pwm波发生电路、控制驱动信号调理电路；开关板12包括开关组和开关板吸收电路；线性缓冲板14通过依次关断与主开关并联的多支电阻以实现阻抗逐渐增大的软关断方式，包括延时开通电路、多个缓冲板吸收电路和多个多级缓冲电路。
21.图2、图3、图4为本发明电子开关的控制板11原理图。
22.参照图2所示，所述的控制供电电路通过ldo线性稳压电路把额定电压范围的控制信号转换成控制电路电源，包括串联的电阻re1、二极管de1和三端稳压器e1，电阻re1的第一引脚连接开关控制信号正k ，电阻re1的第二引脚连接二极管de1的a脚，二极管de1的k脚和三端稳压器e1的vin引脚之间连接电容ce1的第一引脚，电容ce1的第二引脚连接三端稳压器e1的gnd引脚和控制信号负agnd，三端稳压器e1的vout引脚和gnd引脚之间连接电容ce2。
23.参照图3所示，pwm波发生电路采用半桥驱动芯片把控制电路电源转换成pwm波，包括二极管dp1～dp4、电阻rt1和rp1、电容ct1和ce3以及半桥驱动器u1；电阻rt1的第一引脚分别连接控制供电电路中三端稳压器e1的vout引脚、二极管dp3的k脚、半桥驱动器u1的第8脚高侧浮动供电引脚和第5脚电源供电vcc脚、二极管dp1的k脚和电容ce3的第一引脚；二极管dp3的a脚连接二极管dp4的k脚和半桥驱动器u1的第4脚lo低侧输出脚；电容ce3的第一引脚连接电阻rt1的第二引脚和半桥驱动器u1的第2脚振荡脚，电容ce3第二引脚分别连接pwm波发生电路中半桥驱动器u1的第1引脚电流检测输入脚、第3引脚电源供电gnd脚、第6引脚浮动电压反馈脚，以及二极管dp4的a脚、二极管dp2的a脚、电容ce3的第二引脚和控制供电电路中的agnd；二极管dp2的k脚连接二极管dp1的a脚，半桥驱动器u1的第7脚ho高侧输出脚和电阻re3的第一引脚。
24.参照图4所示，控制驱动信号调理电路采用隔离变压器t1实现控制信号和主回路隔离，把控制电路电源转换成驱动电路电源，驱动电路电源驱动开关组，变压器副边经二极管组成的整流器和电容电阻组成的整流滤波电路把控制电路电源转换成驱动电路电源，驱动电路电源经由2个三极管组成的推挽电路驱动开关组，同时采用2个稳压管对开启电压和关闭电压进行限制。
25.控制驱动信号调理电路包括稳压管vdk1～vdk2、pnp型三极管pk1～pk2、npn型三极管qk1～qk2、隔离变压器t1、电阻rk1～rk5及电阻rp2～rp3、电容cp1～cp3及电容ck1和二极管dp5～dp8；隔离变压器t1源边第一脚连接pwm波发生电路中电阻rp1的第二引脚，隔离变压器t1源边第二脚连接pwm波发生电路中半桥驱动器u1的第4脚lo低侧输出脚；隔离变压器t1副边第三脚（t1源边第一脚同名端）连接二极管dp7的a脚和二极管dp8的k脚；隔离变压器t1副边第四脚连接二极管dp5的a脚和二极管dp6的k脚；电阻rp2的第一引脚连接二极管dp5的k脚、二极管dp7的k脚、电容cp1的第一引脚、稳压管vdk1的k脚、三极管pk1的发射极和三极管qk2的集电极；电阻rp2的第二引脚连接二极管dp6的a脚、二极管dp8的a脚、电容cp1的第二引脚、电阻rk1的第一引脚、三极管qk1的发射极、电阻rk5的第一引脚和三极管pk2的集电极；稳压管vdk1的a脚连接稳压管vdk2 的a脚、电容ck1的第一引脚、电阻rk1的第
二引脚和电阻rk2的第一引脚；电阻rk2的第二引脚连接三极管qk1的基极；稳压管vdk2的k脚分别连接电容ck1的第二引脚、三极管pk1的集电极和电阻rk4的第一引脚；电阻rk4的第二引脚分别连接电阻rk5的第二引脚、三极管qk2和三极管pk2的基极；电阻rk3的第一脚连接三极管pk1的基极，第二脚连接三极管qk1的集电极，电容cp2的第一引脚连接vdd，电容cp3的第二引脚连接模拟地gnd，电阻rp3与电容cp2和电容cp3并联。
26.pwm控制器的ho端串接一个电阻rp2后与变压器t1的高端连接，pwm控制器的lo端与变压器的低端连接，变压器t1的输出端与四个二极管组成的整流桥连接，然后与电阻rp3和电容cp1并联，稳压管vdk1与电阻rk1串联后连接三极管pk1的发射极，稳压管vdk2与电容ck1并联后与三极管pk1的集电极相连，电阻rk2与三极管qk1的基极相连，三极管pk1的基极连接电阻rk3，然后与三极管qk1的集电极连接，三极管pk1的集电极与两个电阻串联之后与接地端连接。二极管dk1与三极管qk2的基极和电源端vdd连接，三极管qk2的发射极与三极管pk2的发射极相连，引出触点k1，k2，触点之间接一个电阻rk6，两个电容cp2，cp3串接后与电阻rp3并联后一接电源端，一端接地。
27.图5、图6为本发明开关板12的原理图。
28.参照图5所示，开关组采用两个mos管g1和mos管g2串联实现双向控制，通过多路并联提高开关功率：四个电阻rc1～rc4串联形成一组，两组电阻并联，五个电容c1、c21、c41、c61、c81串联形成一组，二十组电容并联，k1触点通过二极管ds1连接电阻rs1，电阻rs2和电容cs1并联后两端分别连接在mos管g1的栅极和源极两端，k1触点通过二极管ds2连接电阻rs3，电阻rs4和电容cs2并联后两端分别连接在mos管g2的栅极和源极两端，mos管g1和mos管g2的漏极与一组电阻中的电阻rc4/rc8连接，mos管g1和mos管g2的源极连接模拟地，输入端in与电阻组和电容组构成的并联电路连接mos管g1/ g2的漏极与电容c100/200连接。
29.参照图6所示，开关板吸收电路吸收开启和关断时的浪涌电流关闭浪涌电压，由电阻和mos管组成，十个电阻rq1～rq10串联形成一组，然后连接到两个mos管g11和mos管g12的栅极，两个mos管g11和mos管g12的漏极分别连接输入端in和输出端out，两个mos管g11和mos管g12相互连接形成一组总计91组共182个，另外十个电阻rg1～rg10串联形成一组串接到两个mos管g11和mos管g12的源极连接处引出输出端out，两组电阻串联。
30.图7、图8、图9为本发明线性缓冲板14的原理图。采用线性缓冲板14通过依次关断与主开关并联的多支电阻以实现阻抗逐渐增大的软关断方式，多级缓冲的吸收电路完善的抗开通浪涌电流和关断浪涌电压电路，可以直接用于直流高压大电流开关场合。
31.参照图7所示，延时开通电路用于耐受容性负载开通时产生的浪涌电流，以及感性负载在关断时产生的浪涌电压的冲击，由二极管dk2、稳压管vdk3、三极管pk3～pk4和qk3～qk4、电阻rk7～11、电容ck2和cp4组成，电阻rk7和二极管dk2并联后连接电容ck2，电阻rk7的一端连接稳压管vdk3，稳压管vdk3连接三极管qk3的基极，电阻rk8的一端连接三极管qk3的基极，电阻rk8的另一端接模拟地，三极管qk3的集电极连接电阻rk9，电阻rk9的一端连接三极管pk3的基极，三极管pk3的发射极接接电源端vdd，三极管pk3的集电极连接电阻rk10，电阻rk10的另一端串接电阻rk11，电阻rk11的一端连接三极管qk4和三极管pk4的基极，另一端接模拟地，三极管qk4的发射极与三极管pk4的发射极相连，中间连线引出触点k2，在电源端和接地端串接电容cp4，高电平vdd通过稳压管vdk3驱动三极管qk3开通，驱动电路电源经由三极管qk4和三极管pk4组成的推挽电路驱动开关组。
32.参照图8所示，缓冲板吸收电路由电阻rh和mos管gh组成，多路吸收电路并联构成线性缓冲板14的第二部分，一百零一个电阻rh串联形成一组，两个mos管gh通过栅极和源极形成一组，三组电阻rh并联引出线一端连接in触点，另一端连接mos管gh的漏极，mos管gh的源极连接模拟地gnd，mos管gh的栅极连接依次串联十一个电阻rqh后引出十一个触点s1～s11，按照这种组合方式10组并联。
33.最后一部分电路为多级缓冲电路，用于耐受一定范围内的高压冲击，参照图9所示，为在触点s～s11之间连接11个二极管dks1～dks11，触点s1和k1之间接二极管dks12，触点s1与模拟地之间接一个电容ck3，触点s与模拟地之间接一个电阻rk12，触点s与触点u1之间串接了4个稳压管vdu2～vdu5，触点in与触点u1之间接了一个稳压管vdu1。
34.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。