CN109921378A - 一种直流开关电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种根据本发明实施例的直流开关电路，设置于直流电源的输入端与输出端之间，其包括开关模块，电感模块，电流传感器，电压传感器，控制模块，驱动模块。另外，本发明还提供一种直流开关电路的控制方法。本发明的直流开关电路及其控制方法，弥补现有的直流开关的缺点，具有可自动控制开关开启和关闭的优点，并且可以在大电流应用场景下应用，比如程控直流分配电等场合，可以安全、有效地进行开通和关断控制，使自动控制得到实现。

Description

一种直流开关电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及电源开关电路技术领域，具体涉及一种直流开关电路及一种直流开关电路控制方法。

背景技术

目前常见的直流开关有：继电器触点类直流开关，过载时跳开的拔动型机械开关和单一晶体管直流开关。

继电器触点类直流开关具有控制简单，开关内阻小的优点，但继电器的开关速度太慢，在负载过载和短路在情况下，无法及时关断输出，保护输入端的直流电源。适用于负载不会出现短路及不会出现严重过载，或者输入端的直流电源允许出现短路及严重过载的场合。过载时跳开的拔动型机械开关且有操作简单，可靠性高的优点，但需要手动控制，合上和断开都需要人工操作，跳开后再合上也需要人工操作，因此常用于不需要经常操作的场合，比如电源总开关位置。单一晶体管直流开关具有控制简单及自动控制的优点，但是单一晶体管直流开关在负载短路或严重过载时，无法抑制电流的过速增长，还来不及控制晶体管关断就已经损坏了晶体管，失去开关功能，并且，单一晶体管直流开关在容性大的负载下打开时，也会因为电流过大而损坏晶体管。因此，单一晶体管直流开关常用于需要自动控制，有输出限流的小功率开关电路。

因此，亟需要一种弥补上述直流开关的缺点，解决需要具有可自动控制，并且在大电流应用场合使用的直流开关电路及其控制方法。

发明内容

本发明提供一种直流开关电路及其控制方法，弥补现有直流开关的缺点，解决了在需要具有可自动控制，并且大电流应用的场合的直流开关选择问题。

根据本发明的一个方面，提供一种直流开关电路，设置于直流电源的输入端与输出端之间，包括：

开关模块，所述开关模块分别连接直流电源的输入端正极和电感模块；

电感模块，所述电感模块连接直流电源的输入端正极和输出端正极之间，并与所述开关模块串联连接；

电流传感器，所述电流传感器设置于直流电源的输入端正极和输出端正极之间，与所述开关模块、所述电感模块串联连接，用于监测所述开关模块的电流信号；

电压传感器，所述电压传感器的检测端分别连接所述直流电源输出端的正极和负极，用于监测所述电感模块的输出电压信号；

控制模块，所述控制模块的第一输入端连接所述电流传感器的信号输出端，所述控制模块的第二输入端连接所述电压传感器的信号输出端，所述控制模块根据所述电流传感器输出的电流信号以及所述电压传感器输出的电压信号生成控制信号；

驱动模块，所述控制模块的输出端通过所述驱动模块连接所述开关模块的控制端；所述控制模块通过所述控制信号控制所述开关模块自动的开启和关闭。

在其中一个实施例中，其中所述控制信号为PWM脉冲信号，所述PWM脉冲信号占空比由零开始增加，当所述PWM脉冲占空比达到100％时控制所述开关模块打开。

在其中一个实施例中，当所述电流传感器监测到的电流值大于电流限定值时，所述控制模块控制所述开关模块断开；

当所述电流传感器监测到的电流值大于额定值并小于所述限定值预定时间时，所述控制模块控制所述开关模块断开；

当所述电压传感器监测到的电压值小于允许值时，所述控制模块控制所述开关模块断开。

在其中一个实施例中，所述控制模块控制所述PWM脉冲信号，在预定时间后、在下一个脉冲周期继续控制所述开关模块打开。

在其中一个实施例中，所述开关模块为功率MOS管、IGBT晶体管；当所述开关模块为功率MOS管时，所述功率MOS管的漏极连接所述直流电源的输入端正极，所述功率MOS管的源极通过串联所述电流传感器以及所述电感模块后连接直流电源输出端的正极；所述功率MOS管的门极连接所述驱动模块。

在其中一个实施例中，所述驱动模块为门极驱动器。

在其中一个实施例中，还包括输入电容，连接在所述直流电源输入端的正极和负极之间；并且/或者还包括滤波电容，连接在所述直流电源输出端的正极和负极之间；并且还包括继流二极管，连接在所述开关模块的输出端与所述直流电源输出端负极之间。

根据本发明的另一个方面，还提供一种直流开关电路控制方法，该方法为通过上述任一所述的直流开关电路控制所述直流电源的打开和关闭，包括：

需要打开直流电路时，控制模块通过控制信号打开所述直流电源；其中，控制模块通过监测直流电源输入端与输出端之间的电流值和输出的电压值生成控制信号；

所述直流电路打开后，当所述电流值大于电流限定值时，所述控制模块控制所述直流开关电路断开；当所述电流值大于额定值并小于所述限定值预定时间时，所述控制模块控制所述直流开关电路断开；当所述电压值小于允许值时，所述控制模块控制所述直流开关电路断开。

在其中一个实施例中，所述控制信号为PWM脉冲信号，所述控制模块通过控制信号打开所述直流电源，为控制所述PWM脉冲信号占空比由零开始增加，当所述PWM脉冲占空比达到100％时控制所述开关模块打开。

在其中一个实施例中，该方法还包括：所述控制模块控制所述PWM脉冲信号，在预定时间后、在下一个脉冲周期继续控制所述开关模块打开。

本发明的有益效果包括：

根据本发明实施例的直流开关电路，设置于直流电源的输入端与输出端之间，开关模块，所述开关模块分别连接直流电源的输入端正极和输出端正极之间；电感模块，所述电感模块分别连接直流电源的输入端正极和输出端负极之间，并与所述开关模块串联连接；电流传感器，所述电流传感器设置于直流电源的输入端正极和输出端负极之间，与所述开关模块、所述电感模块串联连接，用于监测所述开关模块的电流信号；电压传感器，所述电压传感器的检测端分别连接所述直流电源输出端的正极和负极，用于监测所述电感模块的输出电压信号；控制模块，所述控制模块的第一输入端连接所述电流传感器的信号输出端，所述控制模块的第二输入端连接所述电压传感器的信号输出端，所述控制模块根据所述电流传感器输出的电流信号以及所述电压传感器输出的电压信号生成控制信号；驱动模块，所述控制模块的输出端通过所述驱动模块连接所述开关模块的控制端；所述控制模块通过所述控制信号控制所述开关模块自动的开启和关闭。本发明的直流开关电路及其控制方法，弥补以上所述现有的三种直流开关的缺点，具有可自动控制开关开启和关闭的优点，并且可以在大电流应用场景下应用，比如程控直流分配电等场合，可以安全、有效地进行开通和关断控制，使自动控制得到实现。

附图说明

通过阅读以下参照附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显，其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。

图1示出本发明一实施例的直流开关电路示意图；

图2示出本发明另一实施例的直流开关电路示意图；

图3示出图2所示实施例中，不超载情况下开关打开过程的时序图；

图4示出图2所示实施例中，在打开开关时，PWM脉冲的占空比逐渐加大的过程中，出现了电流达到限定电流值时，控制模块的控制时序图；

图5示出图2所示实施例中，在负载超载的情况下，控制模块打开直流开关的控制时序图；

图6示出图2所示实施例中，在直流开关已经处于打开状态时，出现负载过载的情况时，控制模块的反应控制时序图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

下面结合图1所示实施例对本发明直流开关电路进行详细阐述。

图1示出本发明一实施例的直流开关电路示意图。

参考图1，一种直流开关电路100，设置于直流电源的输入端与输出端之间，该电路100包括：开关模块110，电感模块120，电流传感器130，电压传感器140，控制模块150以及驱动模块160。

开关模块110分别连接直流电源的输入端正极和输出端正极之间；电感模块120分别连接直流电源的输入端正极和输出端负极之间，并与开关模块110串联连接；电流传感器130设置于直流电源的输入端正极和输出端负极之间，与所述开关模块110、所述电感模块120串联连接，用于监测所述开关模块110的电流信号；电压传感器140的检测端分别连接所述直流电源输出端的正极和负极，用于监测所述电感模块120的输出电压信号；所述控制模块150的第一输入端连接所述电流传感器130的信号输出端，所述控制模块150的第二输入端连接所述电压传感器140的信号输出端，所述控制模块150根据所述电流传感器130输出的电流信号以及所述电压传感器140输出的电压信号生成控制信号；所述控制模块150的输出端通过所述驱动模块160连接所述开关模块110的控制端；所述控制模块150通过所述控制信号控制所述开关模块110自动的开启和关闭。

其中，所述控制信号为PWM脉冲信号，所述PWM脉冲信号占空比由零开始增加，当所述PWM脉冲占空比达到100％时控制所述开关模块打开。

在开关电路打开之后，控制模块150一直监控开关电路中的电流和电压，当所述电流传感器130监测到的电流值大于电流限定值时，所述控制模块150控制所述开关模块110断开；当所述电流传感器130监测到的电流值大于额定值并小于所述限定值预定时间时，所述控制模块150控制所述开关模块110断开；当所述电压传感器140监测到的电压值小于允许值时，所述控制模块150控制所述开关模块110断开。

在电路关闭之后，经过一段时间自动打开。具体为，所述控制模块150控制所述PWM脉冲信号，在预定时间后、在下一个脉冲周期继续控制所述开关模块110打开。

本发明的直流开关电路100，弥补以上所述现有的三种直流开关的缺点，具有可自动控制开关开启和关闭的优点，并且可以在大电流应用场景下应用，比如程控直流分配电等场合，可以安全、有效地进行开通和关断控制，使自动控制得到实现。

在其中一个实施例中，所述开关模块110可以为功率MOS管、IGBT晶体管。当所述开关模块110为功率MOS管时，所述功率MOS管的漏极连接所述直流电源的输入端正极，所述功率MOS管的源极通过所述电流传感器130再串联所述电感模块120后连接直流电源输出端的正极；所述功率MOS管的门极连接所述驱动模块160。

在其中一个实施例中，所述驱动模块160可以为门极驱动器。

在其中一个实施例中，直流开关电路100还包括输入电容(图未示)，连接在所述直流电源输入端的正极和负极之间；并且/或者还包括滤波电容(图未示)，连接在所述直流电源输出端的正极和负极之间；并且还包括继流二极管(图未示)，连接在所述开关模块110的输出端与直流电源的输出端负极之间。

根据本发明的另一个方面，还提供一种直流开关电路控制方法，该方法为通过上述任一所述的直流开关电路100控制所述直流电源的打开和关闭，包括：

需要打开直流电路时，控制模块150通过控制信号打开所述直流电源；其中，控制模块150通过监测直流电源输入端与输出端之间的电流值和输出的电压值生成控制信号；在所述直流电路打开后，当所述电流值大于电流限定值时，所述控制模块150控制所述直流开关电路断开；当所述电流值大于额定值并小于所述限定值预定时间时，所述控制模块150控制所述直流开关电路断开；当所述电压值小于允许值时，所述控制模块150控制所述直流开关电路断开。

在其中一个实施例中，所述控制信号为PWM脉冲信号，所述控制模块150通过控制信号打开所述直流电源，为控制所述PWM脉冲信号占空比由零开始增加，当所述PWM脉冲占空比达到100％时控制所述开关模块110打开。

在其中一个实施例中，该方法还包括：所述控制模块150控制所述PWM脉冲信号，在预定时间后、在下一个脉冲周期继续控制所述开关模块110打开。

本发明的直流开关电路及其控制方法，弥补以上所述现有的三种直流开关的缺点，在需要具有可自动控制，并且大电流应用，比如程控直流分配电等场合，可以安全、有效地进行开通和关断控制，使自动控制得到实现。

下面以图2所示实施例为例，结合附图2-6，对本发明直流开关电路及其控制方法进行详细阐述。

图2示出本发明另一实施例的直流开关电路示意图；

图3示出图2所示实施例中，不超载情况下开关打开过程的时序图；

图4示出图2所示实施例中，在打开开关时，PWM脉冲的占空比逐渐加大的过程中，出现了电流达到限定电流值时，控制模块的控制时序图；

图5示出图2所示实施例中，在负载超载的情况下，控制模块打开直流开关的控制时序图；

图6示出图2所示实施例中，在直流开关已经处于打开状态时，出现负载过载的情况时，控制模块的反应控制时序图。

参考图2，一种直流开关电路,包含输入电容C1，功率MOS管MOS1，续流二极管D1，电流传感器ISEN1，电感L1，输出电容C2，电压传感器VSEN1，核心控制单元CTR1(即控制模块)和MOS管的门极驱动器ON1。

电源输入的负极与输出的负极直接相连，输入电容C1连接电源输入的正极和负极，功率MOS管的漏极连接电源输入的正极，功率MOS管的源极连接续流二极管D1的负端和电流传感器ISEN1的输入端，二极管D1的正端连接电源的负极，电流传感器ISEN1的输出端连接电感L1的一端，电感L1的另一端连接到电源的输出正极，输出电容C2连接电源输出的正极和负极，电压传感器VSEN1的输入连接电源输出正极和负极，核心控制单元CTR1的两个输入分别连接电压传感器VSEN1的信号输出和电流传感器ISEN1的信号输出，核心控制单元CTR1的输出连接门极驱动器ON1的输入，门极驱动器ON1的输出连接功率MOS管MOS1的门极。

图3所示，为不超载情况下的直流开关打开过程。当需要打开直流开关时，核心控制单元先输出一串PWM脉冲，这串PWM脉冲的占空比从零开始逐渐加大，直到占空比为100％，当占空比到达100％时，直流开关为完全打开状态。在PWM脉冲的占空比逐渐加大的过程中，如果出现了电流达到限定电流值I_limit，将附图3在过流处的图示放大，如图4所示，当电流传感器ISEN1监测到电流达到I_limit值以后，核心控制单元会立即关断ON1的输出，直到下一个PWM周期重新打开；在不超载的情况下，输出电压会很快上升到额定输出电压值，开关处于完全打开状态。

图5所示，在负载超载的情况下，要求打开直流开关时，同样，从时间0开始，核心控制单元先输出一串PWM脉冲，这串PWM脉冲的占空比从零开始逐渐加大，占空比大到一定程度后，ISEN1将监测到电流达到I_limit值。这时，核心控制单元会立即关断ON1的输出，直到下一个PWM周期重新打开；而下一个周期，同样会出现电流达到I_limit值，然后核心控制单元又立即关断门极驱动器ON1的输出。这样，门极驱动器ON1实际上输出的PWM占空比不会达到100％，当时间到达t1时，电压传感器VSEN1监测到输出电压低于V_min的值，这种情况下，核心控制单元会关断门极驱动器ON1的输出，输出电压很快降回零，经过一段时间Tjx后；到达t2，核心控制单元开始另一个开关启动过程。这时，如果负载的过载情况没有消除，直流开关同样无法正常打开，如此不断重复，直到负载过载情况消除或者撤销打开开关指令。

图6所示，在直流开关已经处于打开状态时，突然出现负载过载的情况的示意图。当电流传感器ISEN1监测到电流达到I_limit值时，核心控制单元会立即关断门极驱动器ON1的输出，输出电压很快降回零。经过一段时间Tjx后，开始一个开关打开过程。此时，如果负载过载没有消除，则会出现如上所述图5所示的情况，核心控制单元不断尝试打开开关，直到负载过载情况消除或者撤销打开开关指令。

在直流开关已经处于打开状态时，突然出现负载过载的情况，当电流传感器ISEN1监测到电流超过额定电流I_nom但没达到I_limit值时，则核心控制单元会根据实际情况，在过载持续超过时间Tgz后，关断ON1的输出，再经过时间Tjx后，开始一个开关打开过程。

图2所示直流开关电路的控制方法包括：

当需要打开直流开关时，核心控制单元CTR1先输出一串PWM脉冲，这串PWM脉冲的占空比从零开始逐渐加大，直到占空比为100％，当占空比到达100％时，直流开关为完全打开状态。在这串PWM脉冲的占空比逐渐加大的过程中，以及在占空比达到100％以后，不断地监测ISEN1测到的电流值和VSEN1测到的电压值，凡是监测到电流值达到了警介值以上，则立刻关断PWM脉冲，直到下一个PWM周期继续再输出PWM脉冲，在到达时间t1后，如果发现VSEN1测到的电压值小于最小允许值Vmin，则关断输出，经过时间Tjx后，又重新开始一个开关打开的过程；在PWM脉冲占空比达到100％以后，如果监测到ISEN1测到的电流值持续大于过载值但小于警介值超过时间Tgz，则关断输出，经过时间Tjx后，又重新开始一个开关打开的过程；在PWM脉冲占空比达到100％以后，如果监测到ISEN1测到的电流值大于警介值，则关断输出，经过时间Tjx后，又重新开始一个开关打开的过程；在PWM脉冲占空比达到100％以后，如果监测到VSEN1测到的电压值小于最小允许值Vmin，则关断输出，经过时间Tjx后，又重新开始一个开关打开的过程。根据本发明所述的开关MOS1连接核心控制电路CTR1，该控制电路为了实现直流开关的开通和关断，并且在负载短路或过载时关断输出，负载短路或过载消失后自动恢复输出，采用了精确控制的技术方案。

本发明的直流开关电路及其控制方法，弥补现有的直流开关的缺点，在需要具有可自动控制，并且大电流应用，比如程控直流分配电等场合，可以安全、有效地进行开通和关断控制，使自动控制得到实现。

本领域技术人员还将明白的是，结合这里的公开所描述的各种示例性逻辑块、模块、电路和算法步骤可以被实现为电子硬件、计算机软件或两者的组合。

附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的***和方法的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标记的功能也可以以不同于附图中所标记的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的***来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种直流开关电路，设置于直流电源的输入端与输出端之间，其特征在于，包括：

开关模块，所述开关模块分别连接直流电源的输入端正极和电感模块；

所述电感模块分别连接直流电源的输入端正极和输出端负极，并与所述开关模块串联连接；

电流传感器，所述电流传感器设置于直流电源的输入端正极和输出端正极之间，与所述开关模块、所述电感模块串联连接，用于监测所述开关模块的电流信号；

电压传感器，所述电压传感器的检测端分别连接所述直流电源输出端的正极和负极，用于监测所述电感模块的输出电压信号；

控制模块，所述控制模块的第一输入端连接所述电流传感器的信号输出端，所述控制模块的第二输入端连接所述电压传感器的信号输出端，所述控制模块根据所述电流传感器输出的电流信号以及所述电压传感器输出的电压信号生成控制信号；

驱动模块，所述控制模块的输出端通过所述驱动模块连接所述开关模块的控制端；所述控制模块通过所述控制信号控制所述开关模块自动的开启和关闭。

2.根据权利要求1所述的直流开关电路，其特征在于，其中所述控制信号为PWM脉冲信号，所述PWM脉冲信号占空比由零开始增加，当所述PWM脉冲占空比达到100％时控制所述开关模块打开。

3.根据权利要求1或2所述的直流开关电路，其特征在于，当所述电流传感器监测到的电流值大于电流限定值时，所述控制模块控制所述开关模块断开；

当所述电流传感器监测到的电流值大于额定值并小于所述限定值预定时间时，所述控制模块控制所述开关模块断开；

当所述电压传感器监测到的电压值小于允许值时，所述控制模块控制所述开关模块断开。

4.根据权利要求3所述的直流开关电路，其特征在于，所述控制模块控制所述PWM脉冲信号，在预定时间后、在下一个脉冲周期继续控制所述开关模块打开。

5.根据权利要求1所述的直流开关电路，其特征在于，所述开关模块为功率MOS管、IGBT晶体管；当所述开关模块为功率MOS管时，所述功率MOS管的漏极连接所述直流电源的输入端正极，所述功率MOS管的源极通过串联所述电流传感器以及所述电感模块后连接直流电源输出端的正极；所述功率MOS管的门极连接所述驱动模块。

6.根据权利要求1或5所述的直流开关电路，其特征在于，所述驱动模块为门极驱动器。

7.根据权利要求1所述的直流开关电路，其特征在于，还包括输入电容，连接在所述直流电源输入端的正极和负极之间；并且/或者还包括滤波电容，连接在所述直流电源输出端的正极和负极之间；并且还包括继流二极管，连接在所述开关模块的输出端与所述直流电源输出端负极之间。

8.一种直流开关电路控制方法，其特征在于，为通过权利要求1-7任一所述的直流开关电路控制所述直流电源的打开和关闭，包括：

需要打开直流电路时，控制模块通过控制信号打开所述直流电源；其中，控制模块通过监测直流电源输入端与输出端之间的电流值和输出的电压值生成控制信号；

所述直流电路打开后，当所述电流值大于电流限定值时，所述控制模块控制所述直流开关电路断开；当所述电流值大于额定值并小于所述限定值预定时间时，所述控制模块控制所述直流开关电路断开；当所述电压值小于允许值时，所述控制模块控制所述直流开关电路断开。

9.根据权利要求8所述的直流开关电路控制方法，其特征在于，所述控制信号为PWM脉冲信号，所述控制模块通过控制信号打开所述直流电源，为控制所述PWM脉冲信号占空比由零开始增加，当所述PWM脉冲占空比达到100％时控制所述开关模块打开。

10.根据权利要求9所述的直流开关电路控制方法，其特征在于，还包括：

所述控制模块控制所述PWM脉冲信号，在预定时间后、在下一个脉冲周期继续控制所述开关模块打开。