一种抗短路电子开关制造技术

本发明专利技术公开了一种抗短路电子开关，与负载相串联，适用于直流或交流供电场合的负载控制，具有抗负载过电流及短路功能，主开关元件和正反馈门极元件之间构成截止型正反馈保护触发电路，该截止型正反馈保护触发电路的反馈路径经过一个电压跟随器元件，该电压跟随器元件的输出跟随电压在主开关元件处于关断状态时输出不依赖于外部供电的稳定电压供低功耗装置使用。大大提高了电子开关抗高电压负载短路的能力，并拓宽了其应用范围，同时也大幅度降低了保护电路的控制功耗，具有负载故障信号及保护功能，负载故障后重启动功能，控制电源VCC低电压闭锁功能UVLO，开关过温信号及保护功能，主开关元件故障信号功能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种抗短路电子开关，尤其涉及到含有负载过电流及短路保护功能的电子开关，可以替代现有不具备抗短路保护功能的相角控制、PWM电子开关以及部分替代现有的机械触点的开关、继电器和接触器，属于电力电子领域
技术介绍
目前现有的交直流负载开关电路当中，例如各类高中低压的照明、马达、变压器、电加热装置的开启、关断控制，功率调制电路的相角控制及PWM的控制中，当主开关处于较高电压状态下，如果负载在运行当中或启动时出现过电流或短路，其故障电压的变化率dv/dt极高，普通的电子化开关难以应对如此高的瞬间变化从而极易被击穿，采用独立的电子触发保护电路通常需要消耗一定的功耗，并需要增加辅助电源，导致装置结构复杂，无法应用在一些低成本、超低功耗以及两线制应用场合，因此这类高电压场合的负载过电流、短路保护目前仍旧由金属熔断器和机械式断路器配合可控硅元件、机械触点开关和机械触点继电器占据主导位置，这类传统的电子元件、机械开关、断路器存在造价高、精度低、动作迟缓等缺点，机械触点结构在开关操作时存在电弧和火花，不仅会造成安全性下降，也会产生强烈的电磁干扰影响周边电子设备的工作，同时火花和电弧也会逐步烧蚀触点本身，造成开关寿命缩短，而当负载出现过电流和短路时，传统的熔断器、断路器甚至由于参数误差大或电磁操动机构老化而造成故障状态下的拒动，因此无法满足未来社会交直流负载控制的安全化、低成本化、网络化和智能化的要求。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提出一种抗短路电子开关，与负载串联，直接控制负载进行启动、打开和关闭操作，当负载打开或启动过程中电流检测单元检测到负载启动电流或运行电流超越预设阈值时，内部的截止型正反馈保护触发电路动作，从而切断串联负载的电流，实现负载过电流和短路保护。本电子开关可以直接作为负载开关使用，且本身就具备负载过电流及保护功能，保护精度高，响应速度快，可以进行可复归的负载故障保护和单次、多次重启动功能，可以构成诸如通用抗短路电子开关、两线制抗短路电子开关、抗短路电子继电器和抗短路相角控制或抗短路PWM电子功率元件。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：本专利技术提供了一种应用于直流电路的抗短路电子开关，包括直流主开关元件、门极电流限制元件、电压跟随器元件、正反馈门极元件、反馈设置元件、直流电流检测单元和控制单元，其中：所述的直流主开关元件的输入端连接到正反馈门极元件的输出端和门极电流限制元件的一端，所述门极电流限制元件的另一端连接到门控输入端Gate，所述的直流主开关元件的输出端连接到第一直流串联输出端PD1并同时连接到电压跟随器元件的输出端，所述的直流主开关元件的公共端连接到直流电流检测单元的输入端，所述直流电流检测单元的公共端连接到第二直流串联输出端PD2并同时连接到控制地，所述直流电流检测单元的输出端连接到所述直流主开关元件的输入端、门极电流限制元件的一端和正反馈门极元件的输出端，所述正反馈门极元件的公共端连接控制地，所述电压跟随器元件的输入端连接到一个稳定的偏置电压源，所述电压跟随器元件的公共端连接到反馈设置元件的一端，所述反馈设置元件的另一端连接到正反馈门极元件的输入端并同时连接到控制单元的启动输出端ST；所述控制单元的电源输入端连接到控制电源VCC，其第二输入端连接到门控输入端Gate，其第一输入端连接到电压跟随器的公共端，所述控制单元具有内部禁止输出端Inhibit1和外部禁止输出端Inhibit2，所述内部禁止输出端Inhibit1连接到门极正反馈元件的输出端，所述外部禁止输出端Inhibit2连接到外部门极驱动器的禁止输入端；当所述直流主开关元件处于关断状态时，在门控输入端Gate输入第一控制电压或第一控制电流，如果此时通过直流负载DL的负载电流低于保护预设值，则控制单元通过启动输出端ST输出启动信号至正反馈门极元件的输入端实施负载启动和打开操作，此时直流主开关元件会从截止区域转入放大区域到达饱和导通区域，从而使直流主开关元件处于开通状态；当直流主开关元件处于开通状态时，如果在门控输入端Gate输入第二开关控制电压或第二控制电流时，直流主开关元件会从饱和导通区域转入放大区域并最终到达截止区域，从而使直流主开关元件处于关断状态；当直流电流检测单元检测到负载电流高于保护预设值时，所述截止型正反馈保护触发电路被触发，关断直流主开关元件。作为优选，所述直流主开关元件和正反馈门极元件之间构成截止型正反馈保护触发电路，所述截止型正反馈保护触发电路的反馈路径经过电压跟随器元件，所述直流主开关元件是所述截止型正反馈保护触发电路的一部分。作为优选，所述截止型正反馈保护触发电路的反馈路径分别经过：直流主开关元件的输出端到电压跟随器元件的输出端到电压跟随器元件的公共端到反馈设置元件到正反馈门极元件的输入端到正反馈门极元件的输出端到直流主开关元件的输入端。作为优选，所述电压跟随器元件的输出跟随电压VR在直流主开关元件处于关断状态时输出不依赖于外部供电的稳定电压供低功耗装置使用。作为优选，所述控制单元的功能包括：负载故障信号及保护功能，负载故障后重启动功能，控制电源VCC低电压闭锁功能，开关过温信号及保护功能，主开关元件故障信号功能；所述控制单元的功能具体为：控制单元的第一输入端接收电压跟随器元件的跟随输出电压值VR，第二输入端接收门控输入端Gate的控制电压或电流值，如果电压跟随器元件的输出跟随电压VR和门控输入端Gate的测量值表示出直流主开关元件实质上为负载故障关断状态时，控制单元可以根据该逻辑结果输出负载故障信号，同时可以根据预设要求通过输出端ST对正反馈门极元件的输入端实施或不实施负载故障后重启动；控制单元的第一输入端接收跟随器输出电压值VR，第二输入端接收门控输入端Gate的控制电压或电流值，如果电压跟随器元件的输出跟随电压VR和门控输入端Gate的测量值表示出直流主开关元件实质上为主开关元件故障状态时，控制单元可以根据该逻辑结果输出主开关元件故障信号；负载故障后重启动的实施方法为：当控制单元检测到负载故障发生后，如果预设方案中包含有负载故障重启动功能要求且门控输入端Gate仍旧为第一控制电压或第一控制电流，则在负载故障发生后的一段延时后实施负载故障后重启，启动过程具体为，输出端ST对正反馈门极元件的输入端施加瞬间脉冲信号，使得正反馈门极元件退出饱和导通状态，直流主开关元件退出截止状态，如果此时串联的直流负载DL的启动或运行电流低于保护预设值，则截止型正反馈保护触发电路使得直流主开关元件进入饱和导通状态，从而使负载正常启动和打开；如果此时串联的直流负载的启动或运行电流仍旧高于保护预设值，则截止型正反馈保护触发电路使得直流主开关元件退出截止状态进入导通状态后再度迅速回到截止状态；根据直流主开关元件的功率耐量可以实施负载故障后的单次重启或多次重启或多次重启无效后停止重启；控制单元通过检测与直流主开关元件贴近的温度传感器元件的传感值，来感知直流主开关元件的温度，如果感知温度超过过温预设值，则控制单元输出主开关元件过温信号而不关断直流主开关元件，或通过内部禁止端Inhibit1关断直流主开关元件并同时输出主开关元件过温信号。本专利技术提供了一种应用于交流电路的抗短路电子开关，包括交流主开关元件、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用于直流电路的抗短路电子开关，包括直流主开关元件(10)、门极电流限制元件(14)、电压跟随器元件(20)、正反馈门极元件(30)、反馈设置元件(25)、直流电流检测单元(40)和控制单元(50)，其特征在于：所述的直流主开关元件(10)的输入端连接到正反馈门极元件(30)的输出端和门极电流限制元件(14)的一端，所述门极电流限制元件(14)的另一端连接到门控输入端Gate，所述的直流主开关元件(10)的输出端连接到第一直流串联输出端PD1并同时连接到电压跟随器元件(20)的输出端，所述的直流主开关元件(10)的公共端连接到直流电流检测单元(40)的输入端，所述直流电流检测单元(40)的公共端连接到第二直流串联输出端PD2并同时连接到控制地，所述直流电流检测单元(40)的输出端连接到所述直流主开关元件(10)的输入端、门极电流限制元件(14)的一端和正反馈门极元件(30)的输出端，所述正反馈门极元件(30)的公共端连接控制地，所述电压跟随器元件(20)的输入端连接到一个稳定的偏置电压源，所述电压跟随器元件(20)的公共端连接到反馈设置元件(25)的一端，所述反馈设置元件(25)的另一端连接到正反馈门极元件(30)的输入端并同时连接到控制单元(50)的启动输出端ST；所述控制单元(50)的电源输入端连接到控制电源VCC，其第二输入端(520)连接到门控输入端Gate，其第一输入端(510)连接到电压跟随器的公共端，所述控制单元(50)具有内部禁止输出端Inhibit1和外部禁止输出端Inhibit2，所述内部禁止输出端Inhibit1连接到正反馈门极元件(30)的输出端，所述外部禁止输出端Inhibit2连接到外部门极驱动器的禁止输入端；当所述直流主开关元件(10)处于关断状态时，在门控输入端Gate输入第一控制电压或第一控制电流，如果此时通过直流负载DL的负载电流低于保护预设值，则控制单元(50)通过启动输出端ST输出启动信号至正反馈门极元件(30)的输入端实施负载启动和打开操作，此时直流主开关元件(10)会从截止区域转入放大区域到达饱和导通区域，从而使直流主开关元件(10)处于开通状态；当直流主开关元件(10)处于开通状态时，如果在门控输入端Gate输入第二开关控制电压或第二控制电流时，直流主开关元件(10)会从饱和导通区域转入放大区域并最终到达截止区域，从而使直流主开关元件(10)处于关断状态；当直流电流检测单元(40)检测到负载电流高于保护预设值时，所述截止型正反馈保护触发电路被触发，关断直流主开关元件(10)。...

【技术特征摘要】
1.一种应用于直流电路的抗短路电子开关，包括直流主开关元件(10)、门极电流限制元件(14)、电压跟随器元件(20)、正反馈门极元件(30)、反馈设置元件(25)、直流电流检测单元(40)和控制单元(50)，其特征在于：所述的直流主开关元件(10)的输入端连接到正反馈门极元件(30)的输出端和门极电流限制元件(14)的一端，所述门极电流限制元件(14)的另一端连接到门控输入端Gate，所述的直流主开关元件(10)的输出端连接到第一直流串联输出端PD1并同时连接到电压跟随器元件(20)的输出端，所述的直流主开关元件(10)的公共端连接到直流电流检测单元(40)的输入端，所述直流电流检测单元(40)的公共端连接到第二直流串联输出端PD2并同时连接到控制地，所述直流电流检测单元(40)的输出端连接到所述直流主开关元件(10)的输入端、门极电流限制元件(14)的一端和正反馈门极元件(30)的输出端，所述正反馈门极元件(30)的公共端连接控制地，所述电压跟随器元件(20)的输入端连接到一个稳定的偏置电压源，所述电压跟随器元件(20)的公共端连接到反馈设置元件(25)的一端，所述反馈设置元件(25)的另一端连接到正反馈门极元件(30)的输入端并同时连接到控制单元(50)的启动输出端ST；所述控制单元(50)的电源输入端连接到控制电源VCC，其第二输入端(520)连接到门控输入端Gate，其第一输入端(510)连接到电压跟随器的公共端，所述控制单元(50)具有内部禁止输出端Inhibit1和外部禁止输出端Inhibit2，所述内部禁止输出端Inhibit1连接到正反馈门极元件(30)的输出端，所述外部禁止输出端Inhibit2连接到外部门极驱动器的禁止输入端；当所述直流主开关元件(10)处于关断状态时，在门控输入端Gate输入第一控制电压或第一控制电流，如果此时通过直流负载DL的负载电流低于保护预设值，则控制单元(50)通过启动输出端ST输出启动信号至正反馈门极元件(30)的输入端实施负载启动和打开操作，此时直流主开关元件(10)会从截止区域转入放大区域到达饱和导通区域，从而使直流主开关元件(10)处于开通状态；当直流主开关元件(10)处于开通状态时，如果在门控输入端Gate输入第二开关控制电压或第二控制电流时，直流主开关元件(10)会从饱和导通区域转入放大区域并最终到达截止区域，从而使直流主开关元件(10)处于关断状态；当直流电流检测单元(40)检测到负载电流高于保护预设值时，所述截止型正反馈保护触发电路被触发，关断直流主开关元件(10)。2.根据权利要求1所述的应用于直流电路的抗短路电子开关，其特征在于：所述直流主开关元件(10)和正反馈门极元件(30)之间构成截止型正反馈保护触发电路，所述截止型正反馈保护触发电路的反馈路径经过电压跟随器元件(20)，所述直流主开关元件(10)是所述截止型正反馈保护触发电路的一部分。3.根据权利要求2所述的应用于直流电路的抗短路电子开关，其特征在于：所述截止型正反馈保护触发电路的反馈路径分别经过：直流主开关元件(10)的输出端到电压跟随器元件(20)的输出端到电压跟随器元件(20)的公共端到反馈设置元件(25)到正反馈门极元件(30)的输入端到正反馈门极元件(30)的输出端到直流主开关元件(10)的输入端。4.根据权利要求1所述的应用于直流电路的抗短路电子开关，其特征在于：所述电压跟随器元件(20)的输出跟随电压VR在直流主开关元件(10)处于关断状态时输出不依赖于外部供电的稳定电压供低功耗装置使用。5.根据权利要求1-4任一项所述的应用于直流电路的抗短路电子开关，其特征在于：所述控制单元(50)的功能包括：负载故障信号及保护功能，负载故障后重启动功能，控制电源VCC低电压闭锁功能，开关过温信号及保护功能，主开关元件故障信号功能；所述控制单元(50)的功能具体为：控制单元(50)的第一输入端(510)接收电压跟随器元件(20)的跟随输出电压值VR，第二输入端(520)接收门控输入端Gate的控制电压或电流值，如果电压跟随器元件(20)的输出跟随电压VR和门控输入端Gate的测量值表示出直流主开关元件(10)实质上为负载故障关断状态时，控制单元(50)可以根据该逻辑结果输出负载故障信号，同时可以根据预设要求通过输出端ST对正反馈门极元件(30)的输入端实施或不实施负载故障后重启动；控制单元(50)的第一输入端(510)接收跟随器输出电压值VR，第二输入端(520)接收门控输入端Gate的控制电压或电流值，如果电压跟随器元件(20)的输出跟随电压VR和门控输入端Gate的测量值表示出直流主开关元件(10)实质上为主开关元件故障状态时，控制单元(50)可以根据该逻辑结果输出主开关元件故障信号；负载故障后重启动的实施方法为：当控制单元(50)检测到负载故障发生后，如果预设方案中包含有负载故障重启动功能要求且门控输入端Gate仍旧为第一控制电压或第一控制电流，则在负载故障发生后的一段延时后实施负载故障后重启，启动过程具体为，输出端ST对正反馈门极元件(30)的输入端施加瞬间脉冲信号，使得正反馈门极元件(30)退出饱和导通状态，直流主开关元件(10)退出截止状态，如果此时串联的直流负载DL的启动或运行电流低于保护预设值，则截止型正反馈保护触发电路使得直流主开关元件(10)进入饱和导通状态，从而使负载正常启动和打开；如果此时串联的直流负载(DL)的启动或运行电流仍旧高于保护预设值，则截止型正反馈保护触发电路使得直流主开关元件(10)退出截止状态进入导通状态后再度迅速回到截止状态；根据直流主开关元件(10)的功率耐量可以实施负载故障后的单次重启或多次重启或多次重启无效后停止重启；控制单元(50)通过检测与直流主开关元件(10)贴近的温度传感器元件的传感值，来感知直流主开关元件(10)的温度，如果感知温度超过过温预设值，则控制单元(50)输出主开关元件过温信号而不关断直流主开关元件(10)，或通过内部禁止端Inhibit1关断直流主开关元件(10)并同时输出主开关元件过温信号。6.一种应用于交流电路的抗短路电子开关，包括交流主开关元件(1A)、门极电流限制元件(14)、电压跟随器元件(20)、正反馈门极元件(30)、反馈设置元件...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐云松，约翰·凯文·格雷迪，
申请(专利权)人：徐云松，
类型：发明
国别省市：江苏;32