[发明专利]适用于高压直流场合的继电器和开关管并联电路

说明书

技术领域

本发明涉及继电器与开关管并联在高电压直流系统中对负载进行切换，尤其涉及继电器与开关管并联的时间逻辑控制电路。

背景技术

继电器有着非常广泛的应用，电磁式继电器是比较常用的一种，大多数电磁式继电器只能切断交流电。在额定负载电流下，常用的功率继电器只能切断30V以内的直流电，切断高于30V的直流电，继电器的触点会出现拉弧而烧坏。但是，许多场合希望继电器能切换更高电压的直流电，如有些汽车中的供电系统，电压超过40V；电力系统中的直流供电系统，电压为110V/220V等。

普通功率继电器线包与触点间的动作与返回延时一般是几到几十毫秒。要使继电器能切换高压直流电，必须要保证在上面两个时间段内触点间不能有电流流过，尤其是断开的时间段内，一旦有电流流过，必然会出现拉弧现象，有些拉弧一次就能烧坏触点。相比继电器动作时间（毫秒级），MOSFET或IGBT的开关时间非常短（小于1uS），可以忽略不计，同时MOSFET或IGBT驱动电压建立完后，几乎不需要驱动维持电流（小于1uA），因此，依靠MOSFET或IGBT本身的寄生电容或外加的电容，没有放电途径的情况下，MOSFET或IGBT能一直维持导通状态很长时间，但是，如果任由驱动端的电压缓慢降低栅（门）极驱动电压至关断电压，而负载电压仍然加在源、漏极上，会导致MOSFET或IGBT关断损耗急剧上升而烧坏，这是使用时同样要注意的。

为了解决对高压直流负荷的切换问题，发展出了直流继电器、固态继电器等，还有的采用功率管替代继电器进行高压直流的切换。其中，直流继电器保持了继电器的主要优点，即隔离和触点损耗低，但是体积、重量大，价格高。固态继电器能切断大功率高压直流负荷，但同样价格昂贵，体积、重量大，而且有一定通态电压，损耗大，需要对其处理散热问题。功率管虽然价格便宜，但同样损耗大，需要散热器散热。

对于继电器与功率管的并联，已经在一些场合使用、出现过，如中国专利200910107593.0中采用可控硅与功率继电器并联，用以保护继电器的触点，但其还是针对交流应用场合。

如果能将普通功率继电器结合开关管用于切换大功率高压直流负荷，会大大降低成本。但是，要想将交流继电器用于切换高压直流电，必须解决如下三个问题：1、电路拓扑要可靠。2、时序上要正确。3、必须有可靠的上、下电防护。上面三个条件任何一个存在问题或隐患将会直接导致继电器或功率管的损坏，这是这种方法一直得不到广泛应用的原因。

发明内容

本发明的目的在于解决普通功率继电器在高压直流场合的应用。本发明采用纯模拟器件，由电阻、二极管、稳压管、电容、三极管、继电器、高压开关管（主要是MOSFET、IGBT）等高可靠性、低成本的元器件构成，这些器件的抗干扰能力强，不易损坏。本发明能够可靠实现继电器和开关管的工作时序，对电路上、下电提供可靠的保护，并能消除正常工作时继电器触点吸合抖动带来的不良影响。同时，由于MOSFET或IGBT导通状态下有负载电流流过的时间很短（几十毫秒），MOSFET或IGBT是无须加散热器的。

为了实现上述功能，本发明提供以下技术方案：

本技术方案是通过对继电器与开关管工作时序控制实现继电器触点吸合、断开直流电时的防护，通过增加上电保护电路和供电电源掉电保护电路提高继电器与开关管并联电路的可靠性。控制信号I/O接到光耦11（不进行强弱电隔离可以不用），光耦11输出一端接到功率继电器线包RL1A，同时接到工作时序电路12，工作时序电路12输出接到开关管驱动电路14，驱动电路14接到主开关管，主开关管与功率继电器的触点RL1B并联。上、下电时序保护电路13的辅助继电器RL2的一常开触点RL2B串接到供电电源和功率继电器RL1的线包RL1A串联路径上；另一常闭触点RL2C并接到主开关管栅极与地（源极），栅极与触点间可以加上一个电阻。

本发明的工作原理如下：

分三个阶段说明继电器与开关管并联工作的原理，一是电路上电；二是正常工作时吸合、断开继电器，附图3给出了一个吸合、断开时序波形；三是电路断电。

功率继电器RL1触点闭合延时时间为t_r1，RL1触点断开延时时间为t_r2。