專利名稱：固態(tài)ac開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能夠控制流入負(fù)載的電流和ac線的泄漏電流的交流固態(tài)電源開關(guān)，能夠管理涌流或過流及檢測完全短路或異常電流，可通過一個本地手動按鈕或一個遠(yuǎn)程信號進(jìn)行操作，相比于一個實際的機(jī)電設(shè)備具有較小的尺寸和重量，可用于任何需要安裝全固態(tài)電子開關(guān)的應(yīng)用中，這些電子開關(guān)被設(shè)計得穩(wěn)固、可靠的用于艱苦環(huán)境的安裝設(shè)備中，以獲得較長的壽命，安靜、安全的操作從而對設(shè)備進(jìn)行完全的控制。
背景技術(shù)：
實際上，ac電壓由機(jī)電斷路器或電子設(shè)備控制，后者也稱為固態(tài)繼電器，以下稱為SSR。該機(jī)電斷路器不提供對負(fù)載和該線路的保護(hù)，且不提供關(guān)于該ac線路的狀態(tài)或流入該負(fù)載的電流的信息；只有當(dāng)這些設(shè)備與其他基于熱和磁原理的設(shè)備(但總是機(jī)械設(shè)備)一起使用時或與通常的保險絲一起使用時才能具有這些性能，無論如何，該設(shè)備中必然被增加到主斷路器中的設(shè)備增加了尺寸、成本和配線的復(fù)雜度。
然后，所有的這樣的機(jī)電設(shè)備至少還有一個缺點，沒有持續(xù)的操作壽命，這是由開/關(guān)觸點的機(jī)械結(jié)構(gòu)造成的，常會使得性能下降，尤其當(dāng)安裝在一個存在噪聲或溫度和濕度壓力震動的設(shè)備中時。而且，由于越來越多的出現(xiàn)在其它電子設(shè)備的電子殼體中，也越來越需要降低在開/關(guān)機(jī)械觸點期間產(chǎn)生的電磁噪聲。
而且，正如考慮到機(jī)電噪聲，SSR開關(guān)的使用是很危險的，因為它們具有一個很高的噪聲因子，而且SSR不擔(dān)保對負(fù)載在抗過流方面的更好的保護(hù)，因為它們在斷路故障或過流檢測時運(yùn)行緩慢。如果沒有適當(dāng)?shù)倪B接外部或附加電子器件，該SSR還不能用于監(jiān)視負(fù)載效率或電流流動的電子裝置中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種固態(tài)開關(guān)裝置，尤其是如果用于艱苦的環(huán)境中，能夠解決實際斷路器的機(jī)械結(jié)構(gòu)中的所有問題。
本發(fā)明的該開關(guān)在任何其實際的斷路器沒有滿足需要或必須與其它設(shè)備或電子器件聯(lián)合使用的電子設(shè)備中能夠控制負(fù)載和ac線路。
依靠先進(jìn)的固態(tài)電源開關(guān)技術(shù)，現(xiàn)在這些問題都能夠解決，本發(fā)明就是涉及一種該問題的實際解決方法，提供了一種交流固態(tài)開關(guān)，該開關(guān)能夠有效的代替實際的機(jī)電設(shè)備和SSR。
本發(fā)明的第一個目標(biāo)是提供一種固態(tài)開關(guān)，沒有任何機(jī)械部件，應(yīng)用于交流電壓，能夠容易并且方便的代替機(jī)電設(shè)備和SSR執(zhí)行的功能。
本發(fā)明的另一個目標(biāo)是提供一種交流固態(tài)開關(guān)，可通過手動和/或一個遠(yuǎn)程命令啟動，不需要使用開/關(guān)操作的這樣的機(jī)械裝置。
本發(fā)明的另一個目標(biāo)是提供一種交流固態(tài)開關(guān)，能夠測量流入負(fù)載的電流和線路泄漏電流。
本發(fā)明的另一個目標(biāo)是提供一種交流固態(tài)開關(guān)，能夠在不確定的時間內(nèi)毫無問題地管理異常電流，如過流、尖峰、涌流和完全短路或異常電流或短路電流。
本發(fā)明的另一個目標(biāo)是提供一種交流固態(tài)開關(guān)，對外部環(huán)境因素具有高度免疫性，且自身不會產(chǎn)生電磁噪聲。
本發(fā)明的另一個目標(biāo)是提供一種交流固態(tài)開關(guān)，相比于傳統(tǒng)的機(jī)電設(shè)備具有減小的重量、大小和成本。
本發(fā)明的另一個目標(biāo)是提供一種交流固態(tài)開關(guān)，能夠通過燈的方式指示用戶其狀態(tài)。
本發(fā)明的另一個目標(biāo)是提供一種交流固態(tài)開關(guān)，能夠增加安裝設(shè)備的安全性，減少維護(hù)并積極地降低維護(hù)成本。
本發(fā)明的另一個目標(biāo)是提供一種AC電源開關(guān)，其能夠簡單地替換一個機(jī)電斷路器。
本發(fā)明的另一個目標(biāo)是提供一種AC電源開關(guān)，由于其粗糙和魯棒的結(jié)構(gòu)及不采用螺釘進(jìn)行電纜的連接，因此具有抗環(huán)境因素特別是抗震動的高環(huán)境機(jī)體保護(hù)度。
根據(jù)本發(fā)明，這些目標(biāo)通過一個只采用固態(tài)元件制造、通過一個電子電路控制的交流固態(tài)ac開關(guān)實現(xiàn)，并通過以交流電流安全使用所需的特殊的安全、可靠及保護(hù)方案來實現(xiàn)。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個固態(tài)ac開關(guān)的方框圖。
圖1a是根據(jù)一個優(yōu)選第二實施方式的固態(tài)ac開關(guān)的方框圖。
圖2是主開關(guān)電路的示意圖。
圖3是從該主開關(guān)電路上方看到的平面圖。
圖4是圖3的主電路開關(guān)的側(cè)視圖。
圖5是測量ac線泄漏電流的示意電路。
圖6是低過流狀態(tài)保護(hù)階段的示意圖。
圖7是高過流狀態(tài)保護(hù)階段的示意圖。
圖8是短路狀態(tài)保護(hù)階段的示意圖。
圖9是主開關(guān)電路的頂視圖。
圖10是該開關(guān)的電流源電路的示意圖。
具體實施例方式
下面描述的交流固態(tài)ac開關(guān)可有效地應(yīng)用到很多方面。
圖1的方框圖示出了在電子交流單相線驅(qū)動負(fù)載8的一個應(yīng)用，其中所有的兩條線L(線)和N(中性的)受一個主開關(guān)電路4控制，等價于實現(xiàn)為兩條ac線L和N，但有時候也可應(yīng)用于一條線。
參考圖1，所述ac線L和N的導(dǎo)線和地線H通過適當(dāng)?shù)倪B接終端1，7被連接到該固態(tài)ac開關(guān)，終端1，7是專門設(shè)計來抗震動和溫度壓力的。
從所述的ac線，一個內(nèi)部受保護(hù)的電源13產(chǎn)生該固態(tài)ac開關(guān)所需的所有電壓。
該固態(tài)ac開關(guān)本身及其負(fù)載受一個通常的適當(dāng)保護(hù)設(shè)備2的保護(hù)。
與該交流線L和N相連，可以插入一個測量作為流入所述線路的電流差的泄漏電流3的電路。
該主開關(guān)電路4是該固態(tài)ac開關(guān)最重要的部分，它可通過使用功率FET晶體管18固定在一個合適的散熱片20上來實現(xiàn)，該散熱片對于消耗在異常條件下產(chǎn)生的熱量是必須的。
根據(jù)圖1的第一實施方式，負(fù)載8受電流限制器電路5和電流測量電路6的控制，該電流測量電路6連接到電流范圍設(shè)定電路9，該設(shè)定電路9用于在該同一固態(tài)ac開關(guān)中選擇不同的電流范圍。
該開關(guān)還包括一個溫度控制電路11，用于保護(hù)主開關(guān)電路4，以當(dāng)溫度不正常的升高時中斷電流的流動。
電路3，5，9，10和11與一個控制邏輯電路12相連，主要用于根據(jù)來自用戶的命令和/或來自電路3，5，9，10和11的信號，通過直接驅(qū)動主開關(guān)電路4的晶體管18來開關(guān)負(fù)載8。
假定，控制邏輯電路12具有以下功能最大允許泄漏電流控制，限制電流信號控制，電流范圍設(shè)定控制，最大電流控制，散熱片最大溫度控制，接口信號控制，電路4的開/關(guān)。
控制邏輯電路12的所有功能可通過模擬器件來實現(xiàn)，其中的數(shù)值如定時值或電流閾值或電壓參考值通過電容或精度電阻來獲得。同樣的功能還可以通過使用更靈活及可編程的控制邏輯單元來實現(xiàn)，其中所有的參數(shù)像閾值、定時值及其他更復(fù)雜的函數(shù)可以很容易更好的被實施并被編程或被修改。主開關(guān)電路4可手動操作，也可通過電子信號進(jìn)行控制。
為此，該固態(tài)ac開關(guān)如本申請中所描述的，具有一個手動控制的接口電路15，具有一個按鈕用來使負(fù)載有效或無效，和一個遠(yuǎn)程控制接口電路17，用于通過一個開/關(guān)命令線和其他信號線控制該固態(tài)ac開關(guān)各項功能。
該固態(tài)ac開關(guān)具有信號燈電路16，用多個燈來通知關(guān)于該設(shè)備的功能信息。特別的，希望這些燈指示該開關(guān)與該ac線的連接、開/關(guān)或中斷狀態(tài)(如果可能發(fā)生在保護(hù)模式下)。
當(dāng)檢測到異常狀態(tài)時所述燈可被照明為固定或閃爍模式。
該接口電路15和17和信號電路16通過一個由光絕緣體制成的電氣絕緣電路14，與其他連接至ac電壓的電路電氣隔離。
該固態(tài)ac開關(guān)具有一個低電壓電源電路13，用于以三個獨(dú)立輸出的dc電壓驅(qū)動所有的內(nèi)部電路。三個dc低電壓中，其中一個專用于驅(qū)動控制邏輯電路12，第二個用于驅(qū)動與該L ac線相關(guān)的電路，第三個用于驅(qū)動與N ac線相關(guān)的電路。
為了更深入的理解本發(fā)明，現(xiàn)在將參考與主開關(guān)電路4相關(guān)的圖2，3，4。
最適合交流電流的一種固態(tài)開關(guān)元件是場效應(yīng)管(FET)。兩個單向低成本功率FET 18構(gòu)成主開關(guān)電路4，并被固定在散熱片20上。
每條ac線路L和N上，主開關(guān)4由兩個串聯(lián)背對背連接的功率FET或IGBT晶體管18構(gòu)成。為了避免在保護(hù)階段在消耗掉的功率之后以及少于正常操作中的不同的溫度步幅對該ac固態(tài)開關(guān)造成麻煩，這些晶體管18具有相似的結(jié)構(gòu)。為此，這些晶體管18被固定在散熱片20上。該散熱片的主要作用是在最壞的短路情況下，在整個體積范圍內(nèi)收集并盡可能迅速和均勻地將晶體管18所消耗的熱量分散。該散熱片是由一塊具有高熱導(dǎo)性的堅固的金屬制成，以迅速的在其體積內(nèi)積聚晶體管18產(chǎn)生的熱，尤其當(dāng)過流或電流短路或高梯度溫度發(fā)生時保護(hù)它們。
散熱片20的內(nèi)部插有一個溫度傳感器21，作為防止極限工作溫度電路的保護(hù)設(shè)備。控制邏輯電路12監(jiān)視散熱片20的溫度，以保護(hù)內(nèi)部功率FET的結(jié)點溫度確定地打開主開關(guān)電路4。
該散熱片的時間常數(shù)取決于功率FET晶體管18的熱特性、溫度傳感器11的建立時間、及控制邏輯電路12的速度。主開關(guān)電路4中兩個功率FET晶體管18的選擇是考慮到了用于所提供的交流電流的兩極的良好的電壓阻滯能力，一個功率FET在一極的半個周期期間提供阻滯，另一個功率FET在另一極的半個周期期間提供阻滯。這樣該功率FET的阻滯能力通過使用一個很簡單且很快速的檢測限流的電路5，且設(shè)計為通過在交流電流的零交叉點處激活負(fù)載然后當(dāng)電壓再次相對變低時檢驗故障，而得以改善。
電流限制器電路5能夠很容易且很快速的檢測如由完全短路引起的過流或短路故障或瞬間的電阻短路所引起的異常電流。
功率FET晶體管18類型的性能、電流限制器電路5的設(shè)計以及散熱片的設(shè)計的組合使得能夠?qū)崿F(xiàn)一個具有高度安全阻斷能力的非常具有抵抗性的固態(tài)ac開關(guān)。
最壞的無電電路或短路的情況會出現(xiàn)在周期的頂峰電壓達(dá)到最大值Vpp的時侯，但是，即使這種情況下，控制邏輯電路12經(jīng)過幾微秒的時間就可以恢復(fù)。
主開關(guān)電路4的關(guān)閉總是只在周期的零點被激活，這是為了在較低的約6-8Vms的電壓處測量隨后可能發(fā)生的異常電流。這種方法降低了散熱片上的功率損耗，也允許不定期時間的永久性短路狀態(tài)。
限流電路5用信號通知控制邏輯電路12所有超過電流最大值電路10中設(shè)定的值的電流，該電路10被設(shè)計為一個具有由功率FET晶體管18的特性所決定的值的電流源電路，并實現(xiàn)為一個簡單的分流電阻。
特別的，當(dāng)來自限流電路5的信號被激活時，位于邏輯電路12內(nèi)的第一定時器開始倒計數(shù)，并仍然允許過流或短路電流流經(jīng)晶體管18直到其復(fù)位，此為很短的時間，所有情況下都是幾微秒級的，這個時間總是短于晶體管18在類似的短路電流狀態(tài)的危險情況下所支持的時間。位于邏輯電路12內(nèi)的第二定時器以第一開始計數(shù)，在所有的第二個時間內(nèi)，邏輯電路12激活主開關(guān)4和第一定時器。
當(dāng)?shù)诙〞r器被復(fù)位，它向主開關(guān)電路4發(fā)送命令以明確地從負(fù)載8斷開ac線。
該控制既允許插入需要更高初始電流峰的負(fù)載，又允許以更好的結(jié)果管理短路電流到安全負(fù)載和線路。
電流測量電路6是一個獨(dú)立的電路，是通過一個比較器和一個脈沖調(diào)制設(shè)計來實現(xiàn)的。該電流測量電路6測量的電流值Ims與電流范圍電路9中的精確的參考電壓進(jìn)行比較。
圖5示出了泄漏電流測量電路3的結(jié)構(gòu)原理。該電路利用三個線圈19，19’和19”檢測流經(jīng)導(dǎo)體的電流差來測量ac線L和N的泄漏電流，三個線圈組合安裝在一個獨(dú)立的電路中，該電路也可插在該固態(tài)ac開關(guān)里。
特別的，如果線圈19”上測得的感應(yīng)電壓Udiff大于一個最大值Udiff MAX(取決于安裝設(shè)備的特性)，ac線L或N之一的泄漏電流就太大，主開關(guān)電路4就被來自控制邏輯電路12的一個適當(dāng)?shù)拿顢嚅_。
利用遠(yuǎn)程控制接口電路17，該ac固態(tài)開關(guān)可通過一個外部信號激活，電路17的其它信號可用來了解以下功能電流的流動，過流狀態(tài)，泄漏電流狀態(tài)，較高的溫度狀態(tài)，故障狀態(tài)。
圖1a的方框圖示出了根據(jù)本發(fā)明的第二優(yōu)選實施方式的固態(tài)開關(guān)。與第一實施方式相同的功能框被標(biāo)以相同的參考標(biāo)記。
控制邏輯電路12可編程的設(shè)定主開關(guān)標(biāo)定電流值(Inom)、限制電流值(Ilim)，限制電流值被包括在所述的主開關(guān)標(biāo)定電流值和所述的最大電流值之間，第一時間間隔(Tlim1)，第二時間間隔(Tlim2)和第三時間間隔(Tlim3)。
優(yōu)選地，該限制電流值是能夠無破壞的流經(jīng)負(fù)載的最大電流。
限制電流Ilim和標(biāo)定電流Inom的參考電平可很容易的通過一個標(biāo)定電壓分配器來實現(xiàn)，或編程在一個非易失性可編程電阻器中，以增強(qiáng)整個可編程系統(tǒng)的性能。
電流源電路40與主開關(guān)4和控制邏輯電路12相連，用于規(guī)定晶體管18在惡劣的工作條件下所能支持的最大電流(Imax)。
該電流源電路40通過一對旁路電阻(一個用于每對晶體管18)和小的相關(guān)元件來實現(xiàn)，其用于管理跨經(jīng)這些旁路的電壓并檢測最大電流Imax和負(fù)載電流Iload。
電流源電路40規(guī)定當(dāng)跨經(jīng)旁路的電壓達(dá)到0.6V時的電流為Imax。此時該電流源電路40以線路Offcs斷開主開關(guān)4，并為控制邏輯電路12建立信號Imax。
Iload是流過負(fù)載8的電流值，由電路電流限制器5、電流源電路40和電路電流測量電路6使用。
電路電流測量電路6從信號Iload產(chǎn)生一個脈寬調(diào)制信號Ipwm到控制邏輯電路12，該邏輯電路12計算Ieff的值。
當(dāng)電流超過Imax表示的安全電平時，電流源電路40立即打開晶體管18并產(chǎn)生Imax信號，如圖8所示。
電流限制器電路5用于保護(hù)設(shè)備免受涌流(inrush current)和短路的干擾。
眾所周知，出現(xiàn)涌流時，實際的機(jī)電斷路器的響應(yīng)依賴于雙金屬刀片的機(jī)械結(jié)構(gòu)。機(jī)電斷路器的標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)曲線(B，C，K，Z...)用于匹配特定的負(fù)載與該斷路器。
根據(jù)本發(fā)明，這里提到的該固態(tài)開關(guān)設(shè)計為以所述曲線的軟件仿真作用于涌流。為此，已經(jīng)定義的一些參數(shù)必須通過外部模塊接口17編程到控制邏輯電路12中并用于管理涌流。
這些參數(shù)根據(jù)負(fù)載電電流水平將所有的涌流分為低和高過流和短路狀態(tài)，并由上面提到的Tlim1，Tlim2，Tlim3、Inom和Ilim進(jìn)行定義。
作為一個實施例，如果開關(guān)的標(biāo)定電流是5A(安培)，Ilim可設(shè)定為7A，Tlim1可設(shè)定為500ms，Tlim2設(shè)定為120ms，Tlim3設(shè)定為10ms。
現(xiàn)在重新回到電流限制器電路5，該電路由高速比較器來實現(xiàn)，用以控制電流Ilim、Inom和Iload的電平。
具體而言，該電流限制器5的內(nèi)部有兩個獨(dú)立的比較器一個用于當(dāng)Iload＞Ilim時的高過流條件，另一個用于當(dāng)Iload＞Inom時的低過流條件。
當(dāng)檢測到低過流條件時，控制邏輯電路12讀取由電流限制器5的電路設(shè)定的線路Ovlow，并激活第一定時器Tlim1，如圖06所示。該開關(guān)處于低過流狀態(tài)下，因為已經(jīng)超過電流的標(biāo)定值。Tlim1被激活，該過流狀態(tài)一直保持到Tlim1結(jié)束。之后，如果Iload＜Inom則開關(guān)正常工作，或者通過控制邏輯單元12發(fā)送到主開關(guān)電路4的開/關(guān)命令明確地打開開關(guān)。
當(dāng)電流限制器5檢測到高過流條件時，該限制器設(shè)定線路Offcl，其使得主開關(guān)電路4打開晶體管18?？刂七壿媶卧?2然后讀取也由電流限制器電路5設(shè)定的線路Ovhgh，并在時間Tlim2啟動檢測異常情況的程序，在每個周期激活主開關(guān)。之后，如果Iload＜Inom則開關(guān)正常運(yùn)行，或如果Iload＜Ilim但I(xiàn)load＞Inom則開關(guān)進(jìn)入低過流狀態(tài)，或通過控制邏輯單元12發(fā)送給電路主開關(guān)4的命令明確地打開開關(guān)。
如果涌流開始就大于Imax，則在時間Tlim3啟動短路程序。短路狀態(tài)期間，由旁路電阻50所確定的電流在晶體管18中運(yùn)行并在每個周期直接立即的打開主開關(guān)4。該過程執(zhí)行Tlim3時間，并在后續(xù)周期的零交叉點啟動。
值得注意的是，通常一個涌流負(fù)載以短路狀態(tài)開始，然后經(jīng)過由高到低的過流狀態(tài)，最后步入正常運(yùn)行。
兩種過流條件的管理的不同在于，對于高過流，如圖7所示，負(fù)載8被以類似于短路條件下使用的過程立即分開。
圖6，7和8示出了當(dāng)檢測到異常電流流動時的AC固態(tài)開關(guān)的行為。特別的，圖6是當(dāng)Inom＜Iload＜Ilim時檢測到的低過流狀態(tài)；圖7是Ilim＜Iload時的高過流狀態(tài)；圖8表示短路狀態(tài)Iload＞Imax時的保護(hù)。
值得注意的是，為了安全起見，短路條件的檢測被優(yōu)先且迅速地由電流源電路40管理，并不依賴于控制邏輯單元12的活動。
電路主開關(guān)4可手動操作，或可由一個電信號進(jìn)行控制。
特別的，參考圖2，主開關(guān)4電路是用于檢測分別來自控制邏輯單元12的開/關(guān)信號，以及來自電流源電路40和電流限制器5的Offcs和Offcl信號。
信號Temp從溫度傳感器21處獲得。
來自控制邏輯單元12的開/關(guān)信號由內(nèi)部軟件程序控制，并且僅當(dāng)正常操作時發(fā)揮作用。該信號用于激活/去激活主開關(guān)4。
應(yīng)該注意，控制邏輯單元12只有監(jiān)督功能，當(dāng)異常電流出現(xiàn)時不能干涉所述開關(guān)功能。因為根據(jù)軟件-固件程序，控制邏輯單元12不被用于高速介入。
根據(jù)本發(fā)明的該設(shè)備很謹(jǐn)慎的應(yīng)用數(shù)字技術(shù)，但并且決不用于開關(guān)壽命功能。這些功能受位于電流源電路40中和電流限制器5中的邏輯電路的直接控制。
已經(jīng)決定以這種方式管理該開關(guān)是因為，尤其是在開始時，或當(dāng)短路狀況出現(xiàn)時，電流產(chǎn)生高干擾尖峰，這些尖峰能夠啟動內(nèi)部的看門狗或中斷或復(fù)位控制邏輯單元12的功能，從而帶來必然的立即干擾(以幾微妙級計算的)及對主開關(guān)4壽命的顯著影響。
該固態(tài)ac開關(guān)的電路中還有具有一個按鈕的手動控制接口15，用于激活或去激活負(fù)載，還有電路信號燈16，用于通知關(guān)于設(shè)備的功能性。
特別希望這些燈能夠指示開關(guān)與ac線路的連接、開/關(guān)以及保護(hù)模式下的所有發(fā)生的情況。
該開關(guān)的遠(yuǎn)程控制通過使用控制邏輯電路12和外部模塊接口17間的一個紅外接口14來實現(xiàn)。這種方式簡化了元件數(shù)量，尤其是通常用于分離高壓部分和低壓部分的光耦合器部分?？刂七壿媶卧?2的使用意味著由紅外接口14轉(zhuǎn)發(fā)到外部模塊接口的大量數(shù)據(jù)的管理。所有的參數(shù)通過外部模塊接口17被編程，并且開關(guān)的功能可以通過手動控制和指令利用手動控制接口15和信號燈16來實現(xiàn)為獨(dú)立的模塊，或當(dāng)安裝在外部模塊接口17附近時集成在一個網(wǎng)絡(luò)中。
該紅外接口還被選擇用來避免開關(guān)的主體和接口模塊17間的機(jī)械連接。該方案也已在防水保護(hù)級上得以實現(xiàn)。
接口模塊17所必需的電源從外部網(wǎng)絡(luò)總線和連接中獲得。
通過實施網(wǎng)絡(luò)-總線協(xié)議，確定了一種可通過軟件進(jìn)行編程并控制的產(chǎn)品，可被用作一種網(wǎng)絡(luò)的或獨(dú)立的產(chǎn)品。
通過使用外部模塊接口17，該設(shè)備編程參數(shù)被從外部系統(tǒng)編程到控制邏輯電路12的存儲器60中。
存儲器60也用于存儲開關(guān)在中斷時的工作狀態(tài)。
為了強(qiáng)壯的實現(xiàn)，該設(shè)備的所有電子卡片都集中在一個epossidic的樹脂塊中。這樣可以確保抵抗環(huán)境因素的更好的性能，并確定專門為海洋應(yīng)用而設(shè)計的生產(chǎn)線。
應(yīng)用實施例本發(fā)明涉及一種交流固態(tài)電子斷路器，具有新穎的概念，如涉及海事應(yīng)用。
海事安裝設(shè)備要遭受震動、溫度壓力、濕度、鹽分和電磁噪聲，并且海底電纜總是又復(fù)雜又笨重。
根據(jù)本發(fā)明的AC開關(guān)是一個固態(tài)電子斷路器，用于這種海事應(yīng)用，以避免今天船上存在的問題，如空間、可靠性、重量和大小、安全性、維護(hù)性，減少火災(zāi)的危險，增加船上的安全，具有自動維護(hù)能力和設(shè)備自診斷能力。
該ac固態(tài)電源開關(guān)的一些特性可通過以下應(yīng)用實施例得以更好的說明。
當(dāng)外部系統(tǒng)發(fā)送命令激活負(fù)載8時，與此同時，驗證該ac線路是否沒發(fā)生電流泄漏，由電路泄漏電流3測量并由紅外接口14傳送到外部模塊接口17。
該特性使得在每個激活命令時刻以及在負(fù)載8的所有激活時間內(nèi)能夠了解該ac線路的狀態(tài)，也能通知操作員設(shè)備內(nèi)的什么ac線路出了問題，以進(jìn)行快速安全的維護(hù)。
如果該開關(guān)被安裝在一個復(fù)雜的設(shè)備內(nèi)，并暴露于惡劣的環(huán)境下，并一定要遵守該海事電子安裝設(shè)備所要求的安全規(guī)則時，該能力非常重要。
應(yīng)該注意，如果該ac線路上的泄漏在沒有外部系統(tǒng)的情況下也被檢測到，當(dāng)操作員按動按鈕以激活開關(guān)，信號燈開始閃爍，負(fù)載被立即斷開連接。
第二實施例示出了負(fù)載可被激活的方式。
如果負(fù)載是一個白熾燈，正如公知的，其冷卻時電阻類似于一個短路。當(dāng)檢測到電流Iload大于Imax時電流源電路40啟動短路保護(hù)；立即，該電流源40保護(hù)晶體管18，然后，在下一周期，控制邏輯單元12激活主開關(guān)4，該過程重復(fù)直到經(jīng)過了時間Tlim3，或者Iload的電平降低到一個安全狀態(tài)(如圖8所示)。
如果電流Iload減小，則高過流保護(hù)被激活，行為如圖7所示。
如果大于限制電流Ilim的電流Iload被限制到Ilim，電流限制器電路5重新保護(hù)晶體管18。
控制邏輯單元12檢測線路上的Ovhgh高過流保護(hù)并以時間Tlim2開始一系列重復(fù)性推測。
控制邏輯單元12只監(jiān)督開關(guān)的功能，而不直接控制電流和進(jìn)行保護(hù)，這些功能通過離散的電子元件來實現(xiàn)。
當(dāng)電流限制器電路5檢測到Iload的值低于Ilim但高于Inom而對負(fù)載危險時，以類似的方式操作低過流保護(hù)。
權(quán)利要求
1.用于AC電流的電子開關(guān)，包括，一個雙極性或單極性主開關(guān)電路，用于切換該AC電流從一個AC線路到一個負(fù)載；一個電流測量電路；一個電流源電路，其限定主開關(guān)能夠支持的最大電流(Imax)，所述的電流源被直接連接到所述的主開關(guān)，并被安排成使所述的最大電流產(chǎn)生一個適合于導(dǎo)致斷開該主開關(guān)的電壓；一個可編程的控制邏輯單元，用于設(shè)定一個主開關(guān)標(biāo)定電流值(Inom)、包括在所述的主開關(guān)標(biāo)定電路值和所述的最大電流值之間的限制電流值(Ilim)、第一時間間隔(Tlim1)、第二時間間隔(Tlim2)和第三時間間隔(Tlim3)，所述的控制邏輯單元用于斷開和關(guān)閉所述的主開關(guān)；一個電流限制器電路，用于比較該AC電流和所述標(biāo)定電流及所述的限制電流，所述的電流限制器設(shè)置為用于發(fā)送一個相應(yīng)的命令信號(Ovlow，Ovhgh)給該控制邏輯單元以及直接地斷開該主開關(guān)；其中，當(dāng)出現(xiàn)涌流時，如果所述的涌流大于該最大電流，該電流源電路啟動一個短路過程，其中該電流源電路直接斷開該主開關(guān)并激活該控制邏輯單元以觸發(fā)所述的第三時間間隔，以及在該ac電流的每個周期的零交叉點處關(guān)閉所述的主開關(guān)電路直到所述的第三時間間隔期滿；如果所述的涌流低于該最大電流但高于該限制電流，該電流限制器電路啟動一個高過流過程，其中該電流限制器電路直接斷開該主開關(guān)并激活該控制邏輯單元以觸發(fā)所述的第二時間間隔，以及在該ac電流的每個周期的零交叉點關(guān)閉所述的主開關(guān)電路直到所述的第二時間間隔期滿；如果所述的涌流低于該限制電流但高于該標(biāo)定電流，該電流限制器電路啟動一個低過流過程，其中該電流限制器電路激活該控制邏輯單元以觸發(fā)所述的第一時間間隔，以及關(guān)閉所述的主開關(guān)電路直到該第一時間間隔期滿；其中，在每個所述的過程中，如果所述的涌流在對應(yīng)的時間間隔期滿前沒有降低到對應(yīng)范圍的較低值之下，則該邏輯控制單元最終斷開該主開關(guān)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子開關(guān)，其中該控制邏輯單元是可編程的，以這樣的方式驅(qū)動該主開關(guān)，使得對于短路、高過流和低過流過程的每一個這樣獲得的涌流的波形，模擬機(jī)電斷路器的標(biāo)準(zhǔn)的響應(yīng)曲線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子開關(guān)，其中該限制電流對應(yīng)于流經(jīng)負(fù)載但不破壞負(fù)載的最大電流，其中被允許在高過流過程中流動的涌流被所述電流限制器電路截斷至所述的限制電流值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子開關(guān)，其中該主開關(guān)電路包括用于每一AC線路的至少一對功率FET或IGBT晶體管，所述的晶體管對被固定在一個具有高熱導(dǎo)性或具有排氣口的硬金屬散熱片上，以及一個溫度傳感器插入在散熱片中并與一個溫度控制電路連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電子開關(guān)，其中電流源電路包括一對旁路電阻，用于所述主開關(guān)的每對晶體管。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子開關(guān)，其中電流限制器電路包括至少兩個獨(dú)立的高速比較器電路，第一比較器電路用于比較負(fù)載電流與標(biāo)定電流，第二比較器電路用于比較負(fù)載電流與限制電流。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子開關(guān)，其中該標(biāo)定電流和限制電流的參考電平通過一個電壓分配器而獲得。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子開關(guān)，其中該標(biāo)定電流和該限制電流的參考電平被編程在一個非易失性可編程電阻中。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子開關(guān)，還包括，連接至該AC線路(L和N)的、用于測量作為所述線路中流動的電流之差的泄漏電流的電路，所述電路包括每個AC線路導(dǎo)體上的一個線圈和一個獨(dú)立的線圈，其中感應(yīng)電壓與L和N線路中的電流差成比例。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子開關(guān)，還包括，一個手動控制接口電路和一個遠(yuǎn)程控制接口，用于編程和控制該控制邏輯單元，所述電路被連接到該控制邏輯電路，中間插入一個電絕緣電路。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電子開關(guān)，其中所述的電絕緣電路是一個紅外接口。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子開關(guān)，還包括一個信號燈電路，與該控制邏輯電路連接，所述的信號電路具有至少兩個燈，這些燈被組合在一起并且閃爍或連續(xù)發(fā)光，給出關(guān)于被連接至該ac線路的該ac固態(tài)開關(guān)的信息，被激活或去激活，或是否有保護(hù)操作或錯誤發(fā)生。
13.根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的電子開關(guān)，還包括一個低dc電壓源電路，具有一個或多個與該ac線路電絕緣的輸出，輸出之一用于驅(qū)動控制邏輯電路，其他輸出用于驅(qū)動與線路L和N的交流電壓有關(guān)的其余的電路。
全文摘要
一個只有固態(tài)元件的AC電流電子開關(guān)，包括一個雙極性或單極性主開關(guān)電路，用于切換該AC電流從一個AC線路到一個負(fù)載，至少一個電流限制器電路，一個電流測量電路，一個電流范圍設(shè)定電路，一個最大電流設(shè)定電路，和一個溫度控制電路。所有這些電路受一個控制邏輯電路的控制，主要用于通過一個手動命令和/或根據(jù)來自電路的信號的方式打開及關(guān)閉該開關(guān)電路。
文檔編號H03K17/94GK101030772SQ20061012134
公開日2007年9月5日 申請日期2006年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月2日
發(fā)明者馬西莫·格里索尼 申請人:馬西莫·格里索尼