一种交流电子开关装置

技术领域

本发明属于电气工程技术领域 ，尤其涉及一种可快速开通、关断的交流电子开关装置。

背景技术

交流电子开关也称固态电子开关 ，其可对交流电流的通断进行控制，应用中较多使用晶闸管并联实现，如图1所示。交流电子开关可方便地通过弱电信号控制，如用MCU来进行控制 ，非常方便应用于多种场合，并有很好的应用前景 。

使用晶闸管反并联构成的固态开关，虽然具有高电压、大电流的优点，但其无法通过弱电信号控制其关断，因此在需要快速关断的场合，其使用受到很大局限。

已公开专利201310260839.4公开了一种基于IGBT的电子开关，如图2示，其可快速实现电流的双向切断、导通，但每组开关需要2只电容器及2只放电电阻，若以其组成多路开关（如常用的三相开关），则需要2倍开关数量的电容器及电阻器，因此器件数量多，成本高，且其需要引出开关中点，线路复杂，从而影响装置的可靠性；另外，其电容器电压不可控，当开关处于导通状态时，电容逐步放电至零电压，而当开关再次关断时，主回路电流会继续流经电容器，对电容从零电压开始充电，因此该公开技术的关断时间较长，无法实现快速关断。

如图3所示的已有技术，虽然电路简单，但当发生过流、短路等故障，而开关需要关断时，其中的RC吸收电路难以完全吸收感应电压，因此增加MOV器件，如压敏电阻等，而此类防浪涌保护器件可靠性较低，在冲击能量大或者多次冲击是会失效，致使装置的寿命、可靠性下降。

由此可见 ，现有技术中的固态电子开关电路结构还存在结构复杂、成本高、可靠性低、速度较慢等不 够理想的问题 。有鉴于现有固态电子开关存在的不足 ，有必要对其进行改进 。

发明内容

本发明旨在设计一种结构简单、成本低、损耗小、可靠性高、开关速度快的电力电子开关装置。

本发明的一种交流电子开关装置，包括一个开关模组（1），所述开关模组（1）包含一个电源输入端口A、一个输出端口B及一个中点端口（Z），所述开关模组用于开通或切断输入端口A和输出端口B之间的交流电流通路；

还包括一个吸收电路（2），其与所述开关模组（1）的所述输入端口A、输出端口B、中点端口（Z）及电源N线连接，所述吸收电路（2）内部包含有可储存电能的电容器，用于吸收开关模组（1）关断过程中回路电感中的电能；

还包括一个放电电路（3），其与所述吸收电路（2）的正（+）负（-）端连接，用于保护吸收电路（2）及开关模组（1），避免其由于电压过高而损坏；

还包括一个控制器（15），其与所述开关模组（1）、吸收电路（2）、放电电路（3）信号连接；所述控制器（15）根据接收外部开关操作信号，对开关模组（1）进行通断操作，同时，所述控制器（15）检测所述吸收电路（2）的正（+）负（-）端电压，当电压超过一个设定值时，对所述放电电路（3）发出放电指令，直至所述吸收电路（2）的正（+）负（-）端电压不超过设定值。

本发明的一种交流电子开关装置，所述的开关模组（1）包括反向共源极串联的半导体开关器件（4），其两端分别与输入端口A和输出端口B连接，其中点与所述中点端口（Z）连接，并与与所述吸收电路（2）连接；所述反向串联的半导体开关器件（4）用于切断或连通输入端口A和输出端口B间双向流动的电流，所述半导体开关器件（4）可以是逆导型功率半导体器件IGBT、MOSFET、或IGCT的一种。

本发明的一种交流电子开关装置，所述的开关模组（1）还可以是包括反向共漏极并联的半导体开关器件（5），其两端分别与输入端口A和输出端口B连接，其中点与所述中点端口（Z）连接，并与与所述吸收电路（2）连接；所述反向并联的半导体开关器件（5）用于切断或连通输入端口A和输出端口B间双向流动的电流，所述半导体开关器件（5）可以是逆导型功率半导体器件IGBT、MOSFET、或IGCT的一种。

本发明的一种交流电子开关装置，所述的吸收电路（2）包括一端分别与输入端口A、输出端口B及电源N线连接的三个二极管（D），所述三个二极管（D）的另一端与一个电容（C）连接，所述电容（C）的另一端与所述开关模组（1）的中点端口（Z）连接；当所述开关模组（1）关断时，所述吸收电路（2）用于使输入端口A或输出端口B的电流均流入电容（C），电容（C）吸收回路电感能量；而与N线连接的二极管（D）则可实现对电容（C）的预充电，使电容（C）总保持一个较为稳定的电压。

本发明的一种交流电子开关装置，所述的放电电路（3）包括一个或多个放电电阻（12），用于释放电容（C）所储存的能量；还包括一个半导体开关管（13）或机械式开关（14），其与所述放电电阻（12）串联连接，该串联电路的两端分别与所述吸收电路（2）的正（+）及负（-）端连接，用于控制所述放电电阻（12）的通断。

本发明的一种交流电子开关装置，还可以是包括一个开关模组（6），其包含一个电源输入端口A、一个输出端口B，所述开关模组用于开通或切断输入端口A和输出端口B之间的交流电流通路；

还包括一个吸收电路（7），其与所述开关模组（6）的所述输入端口A、输出端口B及电源N线连接，所述吸收电路（7）内部包含有可储存电能的电容器，用于吸收开关模组（6）关断过程中回路电感中的电能；

还包括一个放电电路（8），其与所述吸收电路（7）的正（+）负（-）端连接，用于保护吸收电路（7）及开关模组（6），避免其由于电压过高而损坏；

还包括一个控制器（16），其与所述开关模组（6）、吸收电路（7）、放电电路（8）信号连接；所述控制器（16）根据接收外部开关操作信号，对开关模组（6）进行通断操作，同时，所述控制器（16）检测所述吸收电路（7）的正（+）负（-）端电压，当电压超过一个设定值时，对所述放电电路（8）发出放电指令，直至所述吸收电路（7）的正（+）负（-）端电压不超过设定值。

本发明的一种交流电子开关装置，所述的开关模组（6）包括反向串联的半导体开关器件（9），其两端分别与输入端口A和输出端口B连接；所述反向串联的半导体开关器件（9）用于切断或连通输入端口A和输出端口B间双向流动的电流，所述半导体开关器件（9）可以是逆导型功率半导体器件IGBT、MOSFET、或IGCT的一种。

本发明的一种交流电子开关装置，所述的开关模组（1）包括反向并联的半导体开关器件（11），其两端分别与输入端口A和输出端口B连接；所述反向并联的半导体开关器件（11）用于切断或连通输入端口A和输出端口B间双向流动的电流，所述半导体开关器件（11）可以是逆止型功率半导体器件IGBT、MOSFET、或IGCT的一种。

本发明的一种交流电子开关装置，所述的吸收电路（2）包括三组正负端串联的二极管，每组串联的二极管中点分别与输入端口A、输出端口B及电源N线连接，所述三组正负端串联的二极管的正极共同与一个电容（C）的一端连接，所述三组正负端串联的二极管的负极共同与一个电容（C）的另一端连接；当所述开关模组（6）关断时，所述正负端串联的二极管可使输入端口A及输出端口B的电流均流入电容（C），则电容（C）可吸收回路电感能量；而与N线连接的正负端串联的二极管则可实现对电容（C）的预充电，使电容（C）总保持一个较为稳定的电压。

本发明的一种交流电子开关装置，所述的放电电路（8）包括一个或多个放电电阻（12），用于释放电容（C）所储存的能量；一个半导体开关管（13）或机械式开关（14），其与所述放电电阻（12）串联连接，该串联电路的两端分别与所述吸收电路（2）的正（+）及负（-）端连接，用于控制所述放电电阻（12）的通断。

附图说明：

图1是一种已有使用晶闸管构成的交流电子开关电路图。

图2 是一种已有的交流电子开关电路图。

图3 是另一种一种已有的交流电子开关电路图。

图4是本发明一种交流电子开关装置实施例原理框图。

图5是本发明开关模组及吸收电路的第一实施例图。

图6是本发明开关模组及吸收电路的第二实施例图。

图7本发明另一种交流电子开关装置实施例原理框图。

图8是本发明另一开关模组及吸收电路的第一实施例图。

图9是本发明另一开关模组及吸收电路的第二实施例图。

图10是本发明另一开关模组及吸收电路的第三实施例图。

图11是本发明放电电路实施例图。

图12是本发明放电电路另一实施例图。

具体实施方式

下面结合附图详细介绍本发明的实施方式。

图4是本发明所设计的一种交流电子开关装置实施例原理框图。输入电从端口A经过开关模组（1）后，至输出端口B，实现开关快速通断功能，分别与端口A、B、Z连接的吸收电路（2），实现了开关快速切断过程中、对回路感性电流产生的能量吸收，并存储于电容中，从而避免了由于开关快速切断感性电流所感应出的过电压。与吸收电路（2）的正（+）负（-）端连接的放电电路（3）用于实现过电压的放电保护。而控制器（15），其与开关模组（1）、吸收电路（2）、放电电路（3）信号连接；控制器（15）根据接收外部开关操作信号，对开关模组（1）进行通断操作，同时，控制器（15）检测所述吸收电路（2）的正（+）负（-）端电压，当电压超过一个设定值时，对所述放电电路（3）发出放电指令，直至所述吸收电路（2）的正（+）负（-）端电压降低至不超过设定值。

图5、图6是本发明开关模组及吸收电路的两个实施例图， 图中两个反向串联的半导体开关器件，构成交流开关电路，其中图5的半导体开关是共源极连接，而图6的半导体开关是共漏极连接，两个半导体开关的连接点构成中点端口（Z）。图中三只二极管（D）的一端分别与输入端口A、输出端口B及电源N线连接，而三只二极管（D）的另一端均与一个电容（C）连接，该电容（C）的另一端与的中点端口（Z）连接，电容器（C）的两端，形成吸收电路（2）的正（+）负（-）端。其工作过程是，当所述开关模组（1）关断时，吸收电路（2）通过二极管使输入端口A或输出端口B的电流均流入电容（C），由电容（C）吸收回路电感能量；而与N线连接的二极管（D）则可实现对电容（C）的预充电，使电容（C）总保持一个较为稳定的电压，可快速吸收能量，实现快速电流关断。所述半导体开关器件（4）可以是逆导型功率半导体器件IGBT、MOSFET、或IGCT的一种。

图7是本发明另一种交流电子开关装置实施例原理框图。输入电从端口A经过开关模组（6）后，至输出端口B，实现开关快速通断功能，分别与端口A、B连接的吸收电路（7），实现了开关快速切断过程中、对回路感性电流产生的能量吸收，并存储于电容中，从而避免了由于开关快速切断感性电流所感应出的过电压。与吸收电路（7）的正（+）负（-）端连接的放电电路（8）用于实现过电压的放电保护。而控制器（16），其与开关模组（6）、吸收电路（7）、放电电路（8）信号连接；控制器（16）根据接收外部开关操作信号，对开关模组（6）进行通断操作，同时，控制器（16）检测所述吸收电路（7）的正（+）负（-）端电压，当电压超过一个设定值时，对所述放电电路（8）发出放电指令，直至所述吸收电路（7）的正（+）负（-）端电压降低至不超过设定值。

图8、图9是本发明开关模组（6）及吸收电路（7）的两个实施例图，图中两个反向串联的半导体开关器件，构成交流开关电路，其中图8的半导体开关是共源极连接，而图9的半导体开关是共漏极连接。图中包括三组两两串联的二极管（D），每组串联二极管的中点分别与输入端口A、输出端口B及电源N线连接，每组串联二极管（D）的正、负端与电容（C）的两端连接，而电容器（C）的两端，形成吸收电路（2）的正（+）负（-）端。其工作过程是，当所述开关模组（6）关断时，吸收电路（7）通过二极管使输入端口A或输出端口B的电流均流入电容（C），由电容（C）吸收回路电感能量；而与N线连接的两只二极管（D）则可实现对电容（C）的预充电，使电容（C）总保持一个较为稳定的电压，可快速吸收能量，实现快速电流关断。所述半导体开关器件（9）可以是逆导型功率半导体器件IGBT、MOSFET、或IGCT的一种。

图10是本发明另一开关模组及吸收电路的第三实施例图。其中构成开关模组（6）的器件是由两只半导体开关器件反向并联而成，而半导体开关器件是逆止型功率半导体器件IGBT、MOSFET、或IGCT的一种。

图11、图12是本发明放电电路的两个实施例图，其包括一个放电电阻（12）和一个与之串联的半导体开关管（13）或机械式开关（14），串联电路的两端分别与吸收电路的正端（+）与负端（-）并联。当半导体开关管（13）或机械式开关（14）导通时，电容器（C）对放电电阻（12）放电，直流端电压降低。当半导体开关管（13）或机械式开关（14）关断时，放电电阻（12）无电流，电容器（C）直流端电压维持不变。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。