CN112769004A - 消除直流***插座电弧的方法及其装置和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种消除直流插座触头电弧的装置和方法，包括主触头M+、M‑和辅助触头S、半导体元件触发和过流保护电路(OCP)、触头M+与负载插头连接状态检测电路(SMC)、消弧单元取能电路(GPC)和由半导体元件T、电容C、电阻R和瞬态抑制二极管TVS组成的负载电流转移吸收电路(TCR)。触头M+与T的输入极、电源正极相连，触头S与T的输出极相连，R和C串联后并联在T两端，TVS也并联在T两端，触头M‑与电源负极相连。本发明通过将传统插座的触头分成主触头M+和辅助触头S，并在触头M+和触头S之间增加本发明提到的负载电流转移吸收电路实现负载插头与插座断开时无电弧。该装置及其方法适用于高压或低压直流插座，简单可靠、实用。

Description

消除直流***插座电弧的方法及其装置和应用
技术领域
本发明属于直流电路中无电弧分断技术领域，尤其涉及一种消除直流插座插拔过程中插头与插座之间电弧的方法及其装置和应用。
背景技术
现有的直流插头在脱离直流插座的过程中都会产生一定的电弧，既影响其插头、插座的使用寿命又妨碍安全，特别是直流电压较高或电流较大的情况下，电弧问题更为突出，灭弧措施十分必要。当前广泛使用的混合式直流断路器的灭弧方法复杂、控制难度大，应用到直流插座上成本高、体积庞大、应用难度较大。新出现的一种利用辅助动触头实现消弧的装置由于需要使用机械装置，导致结构复杂、可靠性低，同时不利于小型化和实用化。另外一类通过物理或化学方法的灭弧方式，是在电弧出现后进行灭弧，结构复杂、成本高，容易烧毁触点导致分断装置寿命短。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种原理简单、科学有效、安全可靠的消除直流插头和插座分离电弧的方法及其装置和应用。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：消除直流插座触头电弧的装置，包括主触头M+、M-和辅助触头S、半导体元件触发和过流保护电路(OCP)、主触头M+与负载插头连接状态检测电路(SMC)、消弧单元取能电路(GPC)和由半导体元件T、电容C、电阻R和瞬态抑制二极管TVS组成的负载电流转移吸收电路(TCR)。固定触头M+与半导体元件T的输入极、电源正极相连接，辅助触头S与半导体元件T的输出级相连，电阻R和电容C串联后并联在半导体元件T的输入极和输出极两端，瞬态抑制二极管TVS并联在半导体元件T的输入极和输出极两端，主触头M-与电源负极相连。
半导体元件T可以使用三极管、金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，也可为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。根据功率和耐压的不同，半导体元件T可以多个器件并联或串联使用。
上述消除直流插座触头电弧的装置可以在高压或低压的直流插座中应用。
具有上述消除直流插座触头电弧的装置，主触头M+和辅助触头S处于同一垂直界面上，均可以于插头可靠接触，并具有一定空间距离。
具有上述消除直流插座触头电弧的装置，其主触头M+、主触头M-和辅助触头S都是固定触头(静触头)，不随插头插拔的过程而运动。
使用上述消除直流插座触头电弧的装置，其辅助触头S可以与主触头M+位于同一垂直界面，配合主触头M+切断电弧，也可以与主触头M-位于同一垂直界面，配合主触头M-切断电弧，两种方式的灭弧原理类似。针对不同的连接方式，半导体元件T可选用不同的型号，便于对半导体元件T的开关控制。
具有上述消除直流插座触头电弧的装置，其工作电源是通过消弧单元取能电路(GPC)直接从装置内部直流电源***上获取，无需接入外部独立电源。
使用上述消除直流插座触头电弧的方法，分断时有四个过程：首先是在负载插头***插座时，由主触头M+与负载插头连接状态检测电路(SMC)检测主触头M+和负载插头接通，同时控制半导体元件T导通，此时负载(Load)由主触头M+和M-供电；拔出负载插头的过程中，负载插头与主触头M+先脱离接触，此时负载电流由主触头M+切换至半导体元件T与辅助触头S组成的回路，负载(Load)由辅助触头S和主触头M-供电；当负载插头与主触头M+断开后，状态检测电路检测主触头M+与负载插头断开，此时控制半导体元件T关断，负载电流由半导体元件T切换至电阻R和电容C组成的回路，负载电流为电容C充电，充电过程中电容C的电压升高，负载电流降低；当负载电流降低为零时，负载电源被切断，实现消弧功能。通过瞬态抑制二极管TVS可以防止电容C因充电电压过高而损坏半导体元件T。
使用上述消除直流插座触头电弧的方法，其主触头M+与辅助触头S连接状态可以通过机械结构实现，具体的方法是：通过在主触点M+处增加位置开关SP，当负载插头与主触头M+接触时位置开关SP闭合，当负载插头与主触头M+脱离时位置开关SP断开。也可以通过电路检测方式实现，具体的方法是：通过在主触点M+与辅助触头S之间增加激励源VS，当负载插头与主触头M+接触时主触点M+与辅助触头S之间电压为0伏，当负载插头与主触头M+脱离时主触点M+与辅助触头S之间电压大于0伏。
上述消除直流插座触头电弧的方法在高压或低压的直流插座中的应用。
针对目前解决直流插座触头电弧缺乏有效措施的问题，发明人设计制作了一种消除直流插座触头电弧的装置，包括主触头M+、M-和辅助触头S、半导体元件触发和过流保护电路(OCP)、主触头M+与负载插座连接状态检测电路(SMC)、消弧单元取能电路(GPC)和由半导体元件T、电容C、电阻R和瞬态抑制二极管TVS组成的负载电流转移吸收电路(TCR)。固定触头M+与半导体元件T的输入极、电源正极相连接，辅助触头S与半导体元件T的输出级相连，电阻R和电容C串联后并联在半导体元件T的输入极和输出极两端，瞬态抑制二极管TVS并联在半导体元件T的输入极和输出极两端，主触头M-与电源负极相连。
本发明通过将传统插座的触头分成主触头M+和辅助触头S，并在主触头M+和辅助触头S之间增加本发明提到的负载电流转移吸收电路(TCR)实现负载插头与插座断开时无电弧产生。该装置及其方法适用于高压或低压的直流插座，而且简单可靠，具有较强实用性。首先，在正常使用时，可以根据插座的功率等级选择不同功率等级、不同类型的半导体元件，同时由于分断过程非常迅速，流过半导体元件的电流持续时间非常短，不会导致元件过热而损坏；其次，由于采用固定触头，减少了机械结构的使用，增加了装置的可靠性和耐久性；第三，通过状态检测电路(SMC)检测插头与插座的连接状态，自动控制负载电流转移到负载电流转移吸收电路(TCR)中，通过控制半导体元件T可靠关断，实现插头和插座分离时的消弧。第四，负载电流转移吸收电路(TCR)中的电容C充电和放电的时间较短，响应速度远大于负载插头***和拔出的动作时间，在重复插拔或插头没有完全拔出就再次***的情况下消弧功能仍然不会失效，极大地增加了直流插头使用时的可靠性和易用性。
附图说明
图1是消除直流***插座触头电弧装置的原理图。
图2是插头与主触头M+、辅助触头S都接触示意图，图中：a结构及状态示意图，b电路原理图。
图3是插头与主触头M+分断、与辅助触头S接触，半导体元件T导通时的示意图，图中：a结构及状态示意图，b电路原理图。
图4是插头与主触头M+分断、与辅助触头S接触，半导体元件T关断时的示意图，图中：a结构及状态示意图，b电路原理图。
图5是插头完全拔出时的示意图，图中：a结构及状态示意图，b电路原理图。
图6是拔出负载插头过程中，负载电压VL和负载电流IL随时间的变化情况的示意图；
图7是一种实施例的示意图，辅助触头S与主触头M-在同一垂直界面。
图8是一种主触头M+与负载插头连通状态检测电路(SMC)实现方式的示意图。图中：a机械检测方式，b外加激励源检测方式。
图9是一种实施例的示意图，多个半导体元件T串联。
图10是另一种实施例的示意图，多个半导体元件T并联。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分，而不是全部。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，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的更好的理解。在附图和下面的描述中，至少部分的公知结构和技术没有被示出，以便避免对本发明造成不必要的模糊；并且，为了清晰，可能夸大了部分结构的尺寸。此外，下文中所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。
下述描述中出现的方位词均为图中示出的方向，并不是对本发明的实施例的具体结构进行限定。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“分断”、“控制”“功能模块”应做广义理解。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明消除直流***插座电弧的装置包括主触头M+、M-和辅助触头S、半导体元件触发和过流保护电路(OCP)、主触头M+与负载插头连接状态检测电路(SMC)、消弧单元取能电路(GPC)和由半导体元件T、电容C、电阻R和瞬态抑制二极管TVS组成的负载电流转移吸收电路(TCR)。
使用上述消除直流插座触头电弧的方法，负载插头与插座分断时有四个阶段,如图2至5所示。
第一阶段，如图2所示，在负载插头***插座时，负载(Load)由主触头M+和M-供电。同时，主触头M+与负载插头连接状态检测电路(SMC)检测到主触头M+和负载插头，由此控制半导体元件T处于导通状态；
第二阶段，如图3所示，在拔出负载插头的过程中，插头与主触头M+先脱离接触，此时负载电流由主触头M+切换至半导体元件T与辅助触头S组成的回路，负载(Load)由辅助触头S和主触头M-供电；由于半导体元件T处于导通状态，前述负载电流由主触头M+切换至半导体元件T与辅助触头S组成的回路的过程中，不会产生电弧；
第三阶段，如图4所示，当负载插头与主触头M+断开后，状态检测电路检测负载插头与主触头M+断开，由此控制半导体元件T关断，负载电流由半导体元件T切换至电阻R和电容C组成的回路，负载电流为电容C充电，充电过程中电容C的电压升高，负载电流迅速降低，直至降至零；通过瞬态抑制二极管TVS可以防止电容C因充电电压过高而损坏半导体元件T；
第四阶段，如图5所示，随着负载插头继续拔出，当插头与主触头M-及辅助触头S脱离接触时，负载电流已经降低为零，负载电源已被切断，因此也不会产生电弧，由此实现了整个分断过程的消弧功能。
图6是拔出负载插头过程中，负载电压VL和负载电流IL随时间的变化情况的示意图；其中，t0至t1为第一阶段，负载插头开始分断，但还没有与主触头M+分离；t1至t2为第二阶段，负载插头与主触头M+分离，但半导体元件T还没有开始关断；t2至t3为第三阶段，半导体元件T关断，负载电流由半导体元件T切换至电阻R和电容C组成的回路，此阶段负载电压VL和负载电流IL迅速降低，直至降至零；t3时刻，负载插头与插座各触头完全分离，完成无电弧分断过程。
一种可选的实施例，如图7所示，将本发明所述半导体元件触发和过流保护电路(OCP)、主触头M+与负载插头连接状态检测电路(SMC)、消弧单元取能电路(GPC)、负载电流转移吸收电路(TCR)和辅助触头S移到直流电源负极侧，配合主触头M-完成消弧分断的功能。该连接方式的灭弧原理与配合主触头M+的原理类似。真对不同的连接方式，半导体元件T可选用不同的型号，便于对半导体元件T的开关控制。
可以理解的是，本发明所述以下电路模块半导体元件触发和过流保护电路(OCP)、主触头M+与负载插头连接状态检测电路(SMC)、消弧单元取能电路(GPC)可以有多种实现方案。例如，一种可选的实施例如8(a)所示，通过在主触点M+处增加位置开关SP，当负载插头与主触头M+接触时位置开关SP闭合，当负载插头与主触头M+脱离时位置开关SP断开。另一种可选的实施案例，主触头M+与负载插头连接状态检测电路(SMC)利用如图8(b)所示方法实现：在主触头M+和辅助触头S间，增加激励源、二极管D、电阻R1、电阻R2。通过采集电阻R2两端电压，判断主触头M+与负载插头的连接状态。当负载插头与主触头M+接触时，电阻R2两端电压为0伏；当负载插头与主触头M+脱离时，电阻R2两端电压大于0伏。
一种可选的实施例，如图9、图10所示，将多个半导体元件T串联或并联，以适应不同的应用需求。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的***、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述电路模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种消除直流插座触头电弧的装置，包括主触头M+、M-，其特征在于还包括辅助触头S、半导体元件触发和过流保护电路(OCP)、主触头M+与负载插头连接状态检测电路(SMC)、消弧单元取能电路(GPC)和由半导体元件T、电容C、电阻R和瞬态抑制二极管TVS组成的负载电流转移吸收电路(TCR)。
2.权利要求1所述的消除直流插座触头电弧的装置，其特征在于：其工作电源是通过消弧单元取能电路(GPC)直接从装置内部直流电源***上获取，无需接入外部独立电源。
3.权利要求1所述的消除直流插座触头电弧的装置，其特征在于：其辅助触头S可以与主触头M+位于同一垂直界面，配合主触头M+切断电弧，也可以与主触头M-位于同一垂直界面，配合主触头M-切断电弧，两种方式的灭弧原理类似。
4.权利要求3所述的消除直流插座触头电弧的装置，其特征在于：针对不同的连接方式，半导体元件T可选用不同的型号，便于对半导体元件T的开关控制。
5.使用权利要求1所述装置消除直流插座触头电弧的方法，其特征在于：分断时有四个过程：首先是在负载插头***插座时，由主触头M+与负载插头连接状态检测电路(SMC)检测主触头M+和负载插头接通，同时控制半导体元件T导通，此时负载(Load)由主触头M+和M-供电；拔出负载插头的过程中，插头与主触头M+先脱离接触，此时负载电流由主触头M+切换至半导体元件T与辅助触头S组成的回路，负载(Load)由辅助触头S和主触头M-供电；当负载插头与主触头M+断开后，状态检测电路检测主触头M+与负载插座断开，此时控制半导体元件T关断，负载电流由半导体元件T切换至电阻R和电容C组成的回路，负载电流为电容C充电，充电过程中电容C的电压升高，负载电流降低；当负载电流降低为零时，负载电源被切断，实现消弧功能。
6.使用权利要求5所述装置消除直流插座触头电弧的方法，其特征在于：通过瞬态抑制二极管TVS防止电容C因充电电压过高而损坏半导体元件T。
7.使用权利要求5所述装置消除直流插座触头电弧的方法，其特征在于：其主触头M+与负载插头连接状态可以通过机械结构实现，具体的方法是：通过在主触点M+处增加位置开关SP，当负载插头与主触头M+接触时位置开关SP闭合，当负载插头与主触头M+脱离时位置开关SP断开；也可以通过电路检测方式实现，具体的方法是：通过在主触点M+与辅助触头S之间增加激励源VS，当负载插头与主触头M+接触时主触点M+与辅助触头S之间电压为0伏，当负载插头与主触头M+脱离时主触点M+与辅助触头S之间电压大于0伏。
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