一种智能电子直流接触器和电气设备的制作方法

1.本技术涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种智能电子直流接触器和电气设备。


背景技术：

2.当前在如地铁、高铁等大型交通工具的控制台等设备上，机械式接触器得到广泛应用。机械式接触器通常采用电磁线圈产生吸力来控制机械触点的吸合，进而实现接入的供电线路的通断。但是，机械式接触器同样存在一些问题，比如频繁进行开关动作会导致材料疲劳，会加速机械结构的寿命消耗；而且在一些较为复杂的使用环境下，机械触点易受外界环境影响，如外界环境的温湿度、盐度等，进而导致可靠性降低。此外，机械式接触器的功能较为单一，无法在出现故障时自动断开，对设备起不到保护作用等。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本技术实施例提供一种智能电子直流接触器和电气设备。
4.第一方面，本技术实施例提供一种智能电子直流接触器，包括：
5.隔离电压转换电路，所述隔离电压转换电路用于接入低压侧电压，对低压侧电电压进行隔离转换，得到高压侧驱动电压；
6.输入隔离电路，连接所述隔离电压转换电路的输出端，用于检测低压侧的开关控制信号，并将所述开关控制信号隔离输出到高压侧；
7.高压侧驱动电路，连接所述隔离电压转换电路和所述输入隔离电路的输出端，用于在接收到所述开关控制信号时，控制输出所述驱动电压；
8.开关主电路，所述开关主电路的输入端用于接入直流电，输出端用于输出直流电，控制端连接所述高压侧驱动电路，所述开关主电路用于根据所述驱动电压驱动所述开关主电路中的各开关管同步导通或截止，进而控制接入的直流供电线路的通断状态。
9.在一些实施例中，所述开关主电路包括第一开关单元和第二开关单元，所述第一开关单元包括第一开关管，所述第二开关单元包括第二开关管；
10.所述第一开关管和所述第二开关管的控制端均连接所述高压侧驱动电路的驱动输出引脚，所述第一开关管的第一信号端用于接入所述直流电，所述第一开关管的第二信号端连接所述第二开关管的第二信号端，所述第二开关管的第一信号端用于输出所述直流电。
11.在一些实施例中，所述开关主电路还包括第三开关单元和第四开关单元，所述第三开关单元包括第三开关管，所述第四开关单元包括第四开关管；
12.所述第三开关管和所述第四开关管的控制端均连接所述驱动输出引脚，所述第三开关管和所述第一开关管的第一信号端相连，所述第三开关管和所述第一开关管的第二信号端相连，所述第四开关管和所述第二开关管的第一信号端相连，所述第四开关管和所述第二开关管的第二信号端相连。
13.在一些实施例中，每个所述开关单元还包括第一电阻、第二电阻和双向二极管；
14.各所述开关管的控制端经各自开关单元中的所述第一电阻连接至所述驱动输出引脚，所述第二电阻和所述双向二极管并联后一端连接所述开关管的控制端，另一端连接所述开关管的第二信号端。
15.在一些实施例中，所述输入隔离电路包括第一光电耦合器、第一稳压二极管、第一rc并联单元和第二rc并联单元；
16.所述第一rc并联单元的一端连接所述第一光电耦合器的发射侧且还用于接入所述开关控制信号，另一端连接低压侧电源地；
17.所述第一光电耦合器的接收侧集电极用于连接供电电压，发射极经所述第一稳压二极管后分别连接所述高压侧驱动电路和所述第二rc并联单元的一端，所述第二rc并联单元的另一端连接高压侧电源地。
18.在一些实施例中，所述高压侧驱动电路包括浮动驱动芯片、调节电容、限流电阻、第一至第二二极管、分压单元和rc串联单元，所述浮动驱动芯片包括多个功能引脚；
19.所述浮动驱动芯片的芯片电源引脚用于连接供电电压，信号输入引脚连接所述输入隔离电路，驱动电源引脚用于经第一二极管接入所述驱动电压，驱动输出引脚分别连接所述开关主电路的控制端和所述限流电阻，电流采样引脚分别连接所述分压单元的分压输出端和所述调节电容；
20.所述限流电阻的另一端和所述分压单元的输入端均通过第二二极管连接所述开关主电路的输入端，所述调节电容的另一端连接高压侧电源地；所述rc串联单元的输入端连接所述开关主电路的输入端，输出端连接所述高压侧电源地。
21.在一些实施例中，该智能电子直流接触器还包括：
22.隔离反馈电路，所述隔离反馈电路的输入端连接所述高压侧驱动电路，输出端用于连接低压侧的控制器；
23.所述高压侧驱动电路还用于采集所述主电路中开关管的压降大小以检测是否发生过流、短路和过载中的任意一种或多种，并在发生至少一种时输出相应检测信号；
24.所述隔离反馈电路用于接收所述检测信号并隔离反馈到所述控制器。
25.在一些实施例中，所述隔离反馈电路包括第二光电耦合器、第二稳压二极管、第三二极管、第三至第六电阻；
26.第三电阻的一端用于连接供电电压，另一端分别连接所述第二稳压二极管的阴极和第四电阻的一端，所述第二稳压二极管的阳极分别连接所述第三二极管的阴极和所述第二光电耦合器的发射侧阳极；
27.所述第四电阻的另一端分别连接所述高压侧驱动电路的检测信号输出端、所述第三二极管的阳极和所述第二光电耦合器的发射侧阴极；
28.所述第二光电耦合器的接收侧集电极用于连接预设工作电压，发射极分别连接第五电阻和第六电阻的一端，第五电阻的另一端连接低电侧电源地，第六电阻的另一端用于连接低压侧的控制器。
29.在一些实施例中，该智能电子直流接触器还包括：保险丝，所述保险丝串的一端连接所述开关主电路的输入端，另一端用于连接所述直流电。
30.第二方面，本技术实施例还提供一种电气设备，所述电气设备包括：微处理器和上述的智能电子直流接触器；
31.所述控制器用于向所述智能电子直流接触器输入开关控制信号；
32.所述智能电子直流接触器用于接入直流电，并根据所述开关控制信号控制接入的所述直流电的输出状态。
33.本技术的实施例具有如下有益效果：
34.本技术实施例的智能电子直流接触器通过隔离电压转换电路接入低压侧电压，并对低压侧电电压进行隔离转换，得到高压侧驱动电压；利用输入隔离电路来检测低压侧的开关控制信号，并将开关控制信号隔离输出到高压侧；再通过高压侧驱动电路在接收到所述开关控制信号时，控制输出该驱动电压，用于驱动开关管导通和关断；最后开关主电路根据驱动电压驱动各开关管同步导通或截止，进而控制接入的直流电的输出状态。相比机械式接触器，本技术的智能电子直流接触具有可控性及较高的可靠性，可几乎不受环境温度、湿度、盐度等外界环境影响，此外还容易实现电压、电流和温度信息采集，以及过流保护，短路保护等功能。
附图说明
35.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
36.图1示出了本技术实施例的智能电子直流接触器的一种结构示意图；
37.图2示出了本技术实施例的智能电子直流接触器的第一种电路示意图；
38.图3示出了本技术实施例的智能电子直流接触器的开关单元两串两并的结构示意图；
39.图4示出了本技术实施例的智能电子直流接触器的第二种电路示意图；
40.图5示出了本技术实施例的智能电子直流接触器的另一种结构示意图。
41.主要元件符号说明：
42.100-智能电子直流接触器；110-隔离电压转换电路；120-输入隔离电路；130-高压侧驱动电路；140-开关主电路。
具体实施方式
43.下面将结合本技术实施例中附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。
44.通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
45.在下文中，可在本技术的各种实施例中使用的术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一
个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
46.此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
47.除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本技术的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本技术的各种实施例中被清楚地限定。
48.请参照图1，为本技术实施例提出的智能电子直流接触器100的一种结构示意图。示范性地，该智能电子直流接触器100包括隔离电压转换电路110、输入隔离电路120、高压侧驱动电路130和开关主电路140，其中，隔离电压转换电路110的输入端用于接入低压侧电压v1，输出端连接输入隔离电路120，高压侧驱动电路130连接隔离电压转换电路110和输入隔离电路120的输出端，开关主电路140的输入端用于接入直流电(对应于图1中的vin_dc)，输出端用于输出直流电(对应于图1中的vout_dc)，控制端连接高压侧驱动电路130的输出端。
49.其中，上述的直流电可以是各种类型的直流信号，尤其可以是高达百伏及以上的高压直流信号。可以理解，智能电子直流接触器100是用于对直流电进行开关控制的装置，相当于电子开关，设于直流电所在的供电线路中，从而用于控制直流供电线路的接通或断开。
50.本实施例中，隔离电压转换电路110主要用于接入的低压侧电压v1进行隔离转换，得到高压侧驱动电压v2；输入隔离电路120用于检测低压侧的开关控制信号，并将检测到的开关控制信号隔离输出到高压侧；而高压侧驱动电路130用于在接收到所述开关控制信号sw_arm时，允许该高压侧的驱动电压输出，以用于驱动开关管的导通或关断；开关主电路140用于根据该驱动电压驱动开关主电路140中的各开关管同步导通或截止，进而控制接入的直流电的输出状态。此外，隔离电压转换电路110还用于隔离输出高压侧电路所需的供电电压。其中，该低压侧的供电电压与高压侧的驱动电压的大小可以相等，也可以不相等，这里不作限定。
51.可以理解，该智能电子直流接触器100主要包括逻辑控制部分和能够流经大电流或大电压的开关主回路部分，尤其当流经的直流电的电压较大时，此时开关主回路部分所需的开关管驱动电压也比较大，本实施例将逻辑控制部分输出的电压信号称为低压侧电压，例如，上述的隔离电压转换电路110接入的即为低压侧电压；而主回路部分所需的开关管驱动电压则称为高压侧驱动电压。
52.为了更好地理解该智能电子直流接触器100，下面对智能电子直流接触器100中的各个组成部分进行详细说明。
53.本实施例中，隔离电压转换电路110主要用于实现低压侧与高压侧之间的电压隔离转换，这样避免接入的高压直流电会影响低压侧控制逻辑的正常工作。在一种实施方式中，如图2所示，该隔离电压转换电路110可以通过一个隔离芯片u3来实现，其中，该隔离芯片u3的输入端连接低压侧电压v1，而输出端则连接高压侧的驱动电压v2。例如，高压侧驱动电路130中驱动芯片u2所需的工作电压为15v，则可以转换输出15v等。相应地，该隔离芯片
u3的输入端和输出端还可以设置一些滤波电容，如图2所示的电容c7～c10，从而减少电源波纹等。可选地，该隔离电压转换电路110也可以采用如隔离变压器等实现。
54.本实施例中，输入隔离电路120主要用于检测位于低压侧的控制器输出的开关控制信号sw_arm，并将所述开关控制信号sw_arm隔离输出到高压侧的高压侧驱动电路130中。可以理解，该低压侧的开关控制信号sw_arm可以是由位于低压侧的控制器(如arm等)输出，例如，当需要控制直流电接通时，则发出一个开控制信号，反之，当需要控制直流电断开时，则发出一个关控制信号，此外还可以发出周期性脉冲信号等。
55.在一种实施方式中，如图2所示，输入隔离电路120包括第一光电耦合器u1、第一稳压二极管d3、第一rc并联单元和第二rc并联单元，其中，第一rc并联单元可由电阻r3和电容c1并联构成，第二rc并联单元可由电阻r11和电容c4并联构成。具体地，第一rc并联单元的一端连接第一光电耦合器u1的发射侧且还用于接入开关控制信号sw_arm，另一端连接低压侧电源地gnd；可选地，第一rc并联单元的一端还可经过一限流电阻r1连接至控制器。第一光电耦合器u1的接收侧集电极用于连接高压侧供电电压，发射极经第一稳压二极管d3后分别连接高压侧驱动电路130和第二rc并联单元的一端，第二rc并联单元的另一端连接高压侧电源地。可以理解，当有开关控制信号sw_arm产生时，则可通过第一光电耦合器u1的发射侧导通，进而第一光电耦合器u1的接收侧接收到光信号后，产生相应的控制信号输入到高压侧驱动电路130。可以理解，为了方便区别不同的电源地，这里将低压侧的逻辑控制部分所参考的低电势称为低压侧电源地(对应图2中的v1-)，同时将高压侧的驱动部分所参考的低电势称为高压侧电源地(对应图2中的v2-)。
56.本实施例中，高压侧驱动电路130主要用于控制开关主回路中各开关管所需的驱动电压的输出状态。此外，高压侧驱动电路130还用于采集主电路中开关管的压降大小以检测是否发生过流、短路等，并在发生过流、短路等时，输出相应检测信号，以及对直流电所在的主回路进行相应及时保护。
57.在一种实施方式中，如图2所示，高压侧驱动电路130包括浮动驱动芯片u2、调节电容c3、限流电阻r2、第一二极管d1、第二二极管d2、分压单元和rc串联单元，其中，浮动驱动芯片u2包括多个功能引脚，分压单元由两个串联的分压电阻r4和r10构成，rc串联单元由电阻r7和电容c2构成。具体地，该浮动驱动芯片u2的芯片电源引脚vcc用于连接芯片所需的工作电压(如15v)，信号输入引脚in连接输入隔离电路120，驱动电源引脚vb用于经第一二极管d1连接高压侧的驱动电压v2，驱动输出引脚ho分别连接开关主电路140的控制端和限流电阻r2，电流采样引脚cs分别连接分压单元的分压输出端和调节电容c3。此外，对于该浮动驱动芯片u2的其他引脚可根据需求来设定，如对于过流检测输出引脚fault，可用于连接相应的隔离反馈电路。限流电阻r2的另一端和分压单元的输入端均通过第二二极管d2连接开关主电路140的输入端，调节电容c3的另一端连接高压侧电源地；rc串联单元的输入端连接开关主电路140的输入端，输出端连接高压侧电源地。
58.其中，通过调节分压单元中电阻r10和r4的比例，可以调节设定的过流点，而电容c3具有两方面的作用，一方面是起到滤波作用，另一方面，由于负载可能是容性负载，开通mos管时会有冲击电流，容易引起误保护，因此，调节电容c3的大小可以调节容性负载的带载能力。例如，该浮动驱动芯片采用如ir2127xx系列等内部集成有自举升压、驱动输出、电流采样等功能的驱动芯片来实现，当然也可以采用由对应功能的分立电路来实现，这里不
作限定。可以理解，通过浮动驱动芯片来实现浮动升压，具体而言，是升压高压侧的电源地所在的电势，以此来获得浮动型驱动电压，即输入到mos管的驱动电压压差不变，只是改变了电势基准，这样可以使得该智能电子直流接触器100能适用于各种具有不同电压大小的直流电的通断控制场景，增加了适用范围。
59.应当明白的是，本实施例中对电阻的连接方式及数量均不作限定，例如，可以是将多个电阻进行串联设置，也可以并联设置，还可以是串并联结合设置等，具体可根据实际需要的电阻大小来确定。
60.本实施例中，该开关主电路140包括串接在线路中的至少两个开关管，开关主电路140用于通过驱动各开关管同步导通或截止，进而控制接入的直流供电线路的通断状态。以两个开关管为例，这两个开关管通过串联连接，并共同一个驱动信号，以实现同步控制，还可以防止直流电的输入输出反接，提高电路可靠性及容错率等。
61.在一种实施方式中，如图2所示，该开关主电路140包括第一开关单元和第二开关单元，其中，第一开关单元包括第一开关管q1，第二开关单元包括第二开关管q2，具体地，第一开关管q1和第二开关管q2的控制端均连接高压侧驱动电路130的驱动输出引脚，第一开关管q1的第一信号端作为第一开关单元的第一端，用于接入直流电，第一开关管q1的第二信号端连接第二开关管q2的第二信号端，第二开关管q2的第一信号端作为第二开关单元的第一端，用于输出直流电。此外，各个开关单元除了包括一开关管外，还包括第一电阻(如图2中的r5和r12)、第二电阻(如图2中的r8和r13)和双向二极管(如图2中的d4和d6)，其中，各开关管的控制端经各自开关单元中的第一电阻连接至高压侧驱动电路130的驱动输出引脚，第二电阻和双向二极管并联后一端连接开关管的控制端，并联后的另一端连接开关管的第二信号端。可选地，在接入直流电时，还可以在开关主电路140的输入端串接一个保险丝f1，以起到保护作用。
62.在另一种实施方式中，在包含两个开关单元的基础上，该开关主电路140还包括另外两个开关单元，即由四个开关单元构成，具体而言是采用两串两并的结构，如图3所示。考虑到两个mos管串联时会增加导通损耗，作为一种可选的方案，还可以采用两路并联的方式，由于并联的两路可以分流且并联内的内阻更小，这样不仅可以减小每个开关管的工作压力，而且还可减少由内阻带来的功耗，进而解决散热问题等。
63.示范性地，开关主电路140还包括第三开关单元和第四开关单元，其中，第三开关单元包括第三开关管q3，第四开关单元包括第四开关管q4；具体地，如图4所示，第三开关管q3和第四开关管q4的控制端均连接驱动输出引脚，即四个开关管q1～q4共用一个驱动信号；第三开关管q3和第一开关管q1的第一信号端相连，第三开关管q3和第一开关管q1的第二信号端相连，第四开关管q4和第二开关管q2的第一信号端相连，第四开关管q4和第二开关管q2的第二信号端相连，即第一开关单元与第三开关单元呈对称设置，且第二开关单元与第四开关单元呈对称设置。
64.其中，上述的各个开关管q1～q4均可以相同结构的mos管、igbt管等能够兼容大功率的具有开关功能的器件来实现。例如，以mos管为例，上述两个开关管采用共源极的连接方式，具体地，mos管的漏极作为开关管的第一信号端，mos管的源极作为开关管的第二信号端，mos管的栅极作为开关管的控制端。
65.基于如图2或图3所示的结构，作为一种可选的方案，该智能电子直流接触器100还
包括隔离反馈电路，隔离反馈电路的输入端连接高压侧驱动电路130，隔离反馈电路的输出端连接至控制器。其中，高压侧驱动电路130还用于采集主电路中开关管的压降大小，以mos管为例，可采用mos管的漏源极之间的压降等，以检测是否发生过流、短路、过载等中的任意一种或多种，并在发生过流、短路、过载等中的至少一种时输出相应检测信号；而隔离反馈电路则用于将接收检测信号并将其隔离反馈到控制器，以使控制器进行相应操作。
66.在一种实施方式中，如图4所示，隔离反馈电路包括第二光电耦合器u4、第二稳压二极管d8、第三二极管d9、第三至第六电阻(即r16～r19)，具体地，第三电阻r16的一端用于连接供电电压，另一端分别连接第二稳压二极管d8的阴极和第四电阻r18的一端，第二稳压二极管d8的阳极分别连接第三二极管d9的阴极和第二光电耦合器u4的发射侧阳极；第四电阻r18的另一端分别连接高压侧驱动电路130的检测信号输出端(如浮动驱动芯片u2的过流检测输出引脚fault)、第三二极管d9的阳极和第二光电耦合器u4的发射侧阴极；第二光电耦合器u4的接收侧集电极用于连接预设工作电压(如5v等)，发射极分别连接第五电阻r17和第六电阻r19的一端，第五电阻r17的另一端连接低电侧电源地，第六电阻r19的另一端用于连接低压侧的控制器。进一步地，还包括连接第六电阻r19的另一端的对地电阻r20，以起到保护作用等。
67.本实施例中，通过采用由至少两个串联的开关管等构成的开关主电路140，所有开关管不仅可以共用一个驱动信号，还方便对所有的开关管进行同步控制，进而实现可靠控制接入的直流电的输出状态；此外，通过两串两并的方案，还可以在实现可靠控制的前提下，减少因开关管串联而带来的内阻损耗，从而可进一步降低系统功耗等。
68.作为一种可选的方案，如图5所示，该智能电子直流接触器还包括，用于检测直流电接入时的输入电压检测电路，用于检测直流电输出时的输出电压检测电路和电流检测电路，以及温度检测电路等。其中，这些电路均与控制器连接，以使得控制器根据这些检测到的信息来进行相应处理，从而实现对电气设备的过流保护、二级过载保护、过温保护等，其中，该智能电子直流接触器还支持可编程过载保护设定。进一步可选地，该智能电子直流接触器100还可以包括用于指示相应状态的指示模块，如led、蜂鸣器等。此外，该智能电子直流接触器还可以通过通讯模块实现与外部设备(如控制后台等)的数据通信，例如，可以上传各种采集数据、日志信息等，以实现数据同步，从而为实现智能化供电控制提供基础。
69.此外，本技术实施例还提出一种电气设备，如各种需要接入直流电的负载设备等，示范性地，该电气设备包括上述实施例中所述的智能电子直流接触器100；其中，智能电子直流接触器100用于接入直流电，并控制接入的直流电的输出状态。可以理解，关于上述实施例中的智能电子直流接触器100的可选项同样适用于本实施例，这里不作重复描述。
70.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。