CN219998141U - 用于开关装置的供电电路和开关装置 - Google Patents

Abstract

本公开的实施例提供了一种用于开关装置的供电电路和开关装置。该供电电路包括电流互感单元，包括输出侧，并且适于在输出侧输出具有输出电压的供电信号；脱扣驱动器电路，耦合至电流互感器组件的输出侧；控制器供电电路，与脱扣驱动器电路并联地耦合在电流互感器组件的输出侧；以及分时电路单元，连接在脱扣驱动器电路中，并且包括阈值电路，阈值电路用于在输出电压低于阈值电压的情况下提供控制信号以使分时电路单元切断脱扣驱动器电路与输出侧之间的连接，而使得供电信号只为控制器供电电路供电。由此，可以保证控制器的工作电源能够快速建立，从而提高开关装置的可靠性。

Description

用于开关装置的供电电路和开关装置

技术领域

本公开的示例实施例总体涉及开关装置的领域，特别地涉及一种用于开关装置的供电电路和开关装置。

背景技术

瞬时保护脱扣是一种电气保护措施，用于在发生电气故障时，尽快地切断电路，以保护电气设备和防止事故出现。瞬时保护脱扣是电气保护中最基本的保护功能之一，通常被用于对电气设备的瞬时过载、短路电流等进行保护。该保护功能通常由电流互感器采集电路电流信号，并由保护继电器进行处理，并进行相应的动作，以切断电气设备的电源。在实际应用中，瞬时保护脱扣常常与其他保护措施综合应用，以保护电气设备的安全运行。

传统的瞬时保护脱扣，会出现电源建立时间长的问题。

实用新型内容

本公开的目的是提供一种用于开关装置的供电电路和开关装置，以至少部分地解决传统的开关装置中存在的上述问题和/或其他潜在问题。

在本公开的第一方面，提供了一种用于开关装置的供电电路。该电路包括：电流互感单元，包括输出侧，并且适于在输出侧输出具有输出电压的供电信号；脱扣驱动器电路，耦合至电流互感器组件的输出侧；控制器供电电路，与脱扣驱动器电路并联地耦合在电流互感器组件的输出侧；以及分时电路单元，连接在脱扣驱动器电路中，并且包括阈值电路，阈值电路用于在输出电压低于阈值电压的情况下提供控制信号，来使分时电路单元切断脱扣驱动器电路与输出侧之间的连接，而使供电信号只为控制器供电电路供电。

在根据本公开的实施例中，当输出电压低于阈值电压时，通过分时电路单元控制并切断向脱扣驱动器电路供电，只为控制器供电电路供电，当输出电压大于阈值电压时，通过分时电路单元控制并导通向脱扣驱动器电路供电，同时向控制器供电电路供电。从而通过分时电路单元使脱扣驱动器电路与控制器供电电路形成充电时序，可以快速建立工作电源。

在一些实施例中，分时电路单元还包括：控制电路，与阈值电路并联地连接在脱扣驱动器电路中，并且用于根据阈值电路提供的控制信号来控制脱扣驱动器电路与输出侧之间的通断。

在一些实施例中，控制电路包括金属-氧化物半导体场效应晶体管。

在一些实施例中，阈值电路包括稳压二极管。

在一些实施例中，阈值电路用于在输出电压大于阈值电压的情况下提供控制信号以接通脱扣驱动器电路与输出侧之间的连接，以使得供电信号同时为脱扣驱动器电路和控制器供电电路供电。

在一些实施例中，电流互感单元包括：铁芯电流互感器，包括输出端和耦合至开关装置的主回路的输入端；以及整流电路，耦合至铁芯电流互感器的输出端，并且用于将输出端的电信号整流后从输出侧输出具有输出电压的供电信号。

在一些实施例中，控制器供电电路包括：升压单元，包括至少一个电容器，至少一个电容器适于被供电信号充电；以及直流转换器，串联连接在升压单元的输出端，并且适于将从输出端的电信号转换为具有供控制器工作的工作电压的工作电信号。

在一些实施例中，脱扣驱动器电路耦合至开关装置的脱扣线圈，来为脱扣线圈供电。

在本公开的第二方面，提供了一种开关装置。该装置包括：根据上述第一方面的供电电路；控制器，耦合至供电电路的控制器供电电路；以及脱扣线圈，耦合至供电电路的脱扣驱动器电路。

在一些实施例中，开关装置包括断路器。

应当理解，本内容部分中所描述的内容并非旨在限定本公开的实施例的关键特征或重要特征，也不用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的描述而变得容易理解。

附图说明

结合附图并参考以下详细说明，本公开各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。在附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素，其中：

图1示出了根据本公开的一些实施例的开关装置的供电电路的示意图；以及

图2示出了根据本公开的一些实施例的开关装置的框图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中示出了本公开的某些实施例，然而应当理解的是，本公开可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反，提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本公开。应当理解的是，本公开的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本公开的保护范围。

需要注意的是，本文中所提供的任何节/子节的标题并不是限制性的。本文通篇描述了各种实施例，并且任何类型的实施例都可以包括在任何节/子节下。此外，在任一节/子节中描述的实施例可以以任何方式与同一节/子节和/或不同节/子节中描述的任何其他实施例相结合。

在本公开的实施例的描述中，术语“包括”及其类似用语应当理解为开放性包含，即“包括但不限于”。术语“基于”应当理解为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”或“该实施例”应当理解为“至少一个实施例”。术语“一些实施例”应当理解为“至少一些实施例”。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。术语“第一”、“第二”等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。

如前文所简要提及的，瞬时保护脱扣是一种断路器保护机制，用于在电路中出现过载或短路等异常条件下快速切断电源以避免设备损坏、火灾等安全问题。断路器的控制器通过主回路电流供电，确保在有过载或短路电流条件下，能够有足够的能量能够触发脱扣机构脱扣，实现保护。当电流超过预设值(通常为额定电流的几倍)时，瞬时保护脱扣会迅速触发并将断路器从主回路上分离，从而实现对负载的有效保护。当发生电流瞬间超载或短路故障时，为了避免设备损坏和安全事故，断路器需要尽快切断电源并实现对负载的保护。因此，在这种情况下要求断路器能够快速响应并迅速跳闸。

然而，由于在切换过程中需要进行多项复杂操作(如检测、计算、确认等)，以及受到外界环境影响(如温度、湿度、噪声等)等因素制约，所以跳闸时间不可能是完全零延迟，并且会有一定的波动范围。同时，在某些场景下还需要考虑工作电源建立时间问题。因为断路器闭合时，在非常高的故障电流下瞬时跳闸，时间非常短。断路器的控制器需要在1.5ms内发出跳闸命令，所以电源的快速建立非常的重要。

如果工作电源建立时间较长，则意味着在开关合上后必须经过相应的预处理和稳定化操作才能正常运行，并且其启动前可能会产生一些干扰信号或噪音等影响性能表现。这样就会导致在高频率或紧急异常情况下无法满足对快速反应和精准控制的需求，从而影响断路器的跳闸速度和可靠性。

为了解决或者至少部分地解决传统的开关装置中存在的上述问题或者其他潜在问题，本公开的实施例提供了一种用于开关装置的供电电路。根据本公开实施例中所提到的开关装置可以包括断路器。当然，应当理解的是，在一些替代的实施例中，开关装置也可以是其他需要对线圈充放电并由控制器控制脱扣的任意适当的其他开关装置。下文中主要以断路器作为开关装置的示例来描述根据本公开的构思。应当理解的是，对于开关装置为其他类型的开关装置的情况也是类似的，在下文中将不再分别赘述。

该供电电路包括电流互感单元、脱扣驱动器电路、控制器供电电路和分时电路单元。电流互感单元包括输出侧，并且适于在输出侧输出具有输出电压的供电信号。脱扣驱动器电路耦合至电流互感器组件的输出侧。控制器供电电路与脱扣驱动器电路并联地耦合在电流互感器组件的输出侧。分时电路单元连接在脱扣驱动器电路中，并且包括阈值电路，阈值电路用于在输出电压低于阈值电压的情况下提供控制信号以切断脱扣驱动器电路与输出侧之间的连接，而使得供电信号只为控制器供电电路供电。本公开中的分时电路单元使用两级阈值电路，在启动充电电路(上文中的控制器供电电路，例如包括VBOOST电路以及与其连接的DC/DC电源电路)和脱扣驱动器电路(例如包括MITOP驱动器电路以及与其连接的VMITOP充电电路)之间通过阈值调节两级电路的充电时间，利用不同的电压来实现时序，从而提高整体电源的建立时间。本文中所提到的MITOP是一种线圈(下文中又被称为脱扣线圈)，可驱动开关装置的分闸机构使开关装置跳闸。

图1示出了根据本公开的一些实施例的开关装置的供电电路100的示意图。图1中示出了断路器的供电电路100总体上包括电流互感单元110、调节电路120、VMITOP充电电路150和MITOP驱动器电路160(两者在本文中又被称为启动充电电路)、VBOOST电路170和DC/DC电源电路180(两者在本文中又被称为脱扣驱动器电路)以及连接在脱扣驱动器电路中的分时电路单元。

在一些实施例中，电流互感单元110包括：铁芯电流互感器，包括输出端和耦合至开关装置的主回路的输入端；以及整流电路，耦合至铁芯电流互感器的输出端，并且用于将输出端的电信号整流后从输出侧输出具有输出电压的供电信号。断路器在闭合时，在电流互感单元110中，由于整流电路的输入端连接铁芯电流互感器的输出端，电流沿铁芯电流互感器线圈流向整流电路，将交流(AC)信号转换为直流(DC)信号，并从电流互感单元的输出侧(又被称为PWR+端)输出来为脱扣线圈和控制器供电。在PWR+端处设置有调节电路120，用于控制和保护断路器本身以及被其所保护的负载。电流流过控制器的PWR+端口后被分成两条支路电流，一路流向MITOP充电电路160，为脱扣驱动器电路供电，另一路则流向DC/DC电源电路180，为控制器进行供电。

具体地说，电流互感单元110中的铁芯电流互感器的工作开始于电流通过其主线圈，电流产生的磁场在铁芯中的次线圈上感应出感应电流。次线圈上的电流与主线圈上的电流成比例存在，通常次线圈的电流会比主线圈的电流小很多，这样就可以在不影响整个电路的情况下安全地测量出电流值。铁芯电流互感器在断路器中非常重要，因为它可以用来检测过载或短路条件。

当电流超过预设的安全值时，互感器会向断路器的调节电路120发送信号。由于调节电路120需要的是直流电源，所以需要在电流互感单元110中配置一个整流电路进行整流，使交流电转换为直流电。在一些实施例中，整流电路可以是四个二极管以特定连接方式连接的整流桥。通过整流电路接收交流电输入，通过其四个二极管的特定连接方式，使得输出电流总是在同一方向流动，从而产生直流电。

整流后的直流电供电给调节电路120，使其能够执行必要的操作，如切断电源，以防止电路过载或短路。这个过程通常涉及到驱动一个或多个执行元件，如继电器或电磁铁，这些元件可以物理地打开或关闭电路，从而切断电源。总的来说，铁芯电流互感器和整流电路在断路器中共同工作，保护电路不受过载或短路的影响。铁芯电流互感器负责检测电流，而整流电路则将交流电转换为直流电，供电给调节电路120，使其能够执行必要的保护操作。

在一些实施例中，调节电路120通常由多种元件组成，例如稳压芯片、比较器、逻辑门等。其中一个重要功能是对瞬变过流进行检测和响应。当发生故障时，如过电流或短路等异常情况会导致负载上出现高峰值电流，此时调节电路120可以根据设定阈值来快速判断该状态并通过触发机构将开关动作打开或关闭从而切断故障源头,保证***安全运行。另外，在一些特殊场合下也可能需要使用到其他类型的调节电路120元件，例如可编程逻辑阵列(PLD)中的数字信号处理模块(DSP)，用于实现更加灵活自定义化的控制策略与数据采集分析需求。调节电路120配置有地(即GND)，GND可以为连接到整个电气***的接地线。当出现故障时，比如过载或短路等情况下，断路器会自动切断电源，并将信号通过GND接口引导到大地上。

在一些实施例中，分时电路单元还包括控制电路130。控制电路130与阈值电路140并联地连接在脱扣驱动器电路中。控制电路130用于根据阈值电路140所提供的控制信号来控制脱扣驱动器电路与输出侧之间的通断。在一些实施例中，控制电路130可以包括金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。在一些实施例中，MOSFET可以采用P型MOSFET。

在一些实施例中，阈值电路140包括稳压二极管。例如，稳压二极管可以用于为断路器提供可靠的参考电压，并确保其工作在正确范围内。MOSFET则可以作为开关控制元件，根据需要打开或关闭输出信号。

具体地说，MOSFET连接到稳压二极管之前，当输入信号传输到MOSFET时，它将决定是否将其传输到接下来的阶段(即，是否传输到脱扣驱动器电路)。如果MOSFET被打开，则信号将继续向后面部分传输；如果MOSFET被关闭，则信号会停止在此处，并相应减小输出端口上获得的直流功率。以此实现对断路器进行精确控制和保护。

当输出电压低于阈值电压时，阈值电路140会提供控制信号以使控制电路130切断向脱扣驱动器电路供电，只为控制器供电电路供电。

在一些实施例中，当输出电压高于阈值电压时，阈值电路140能够提供控制信号以使控制电路130接通脱扣驱动器电路与电流互感单元的输出侧之间的连接，以使得供电信号同时为脱扣驱动器电路和控制器供电电路供电。以此方式，可以通过分时电路单元使脱扣驱动器电路与控制器供电电路形成充电时序，可以快速建立工作电源。

在一些实施例中，控制器供电电路包括：升压单元(例如前文中所提到的VBOOST电路)，包括至少一个电容器，至少一个电容器适于被供电信号充电。控制器供电电路还包括直流转换器(例如前文中所提到的DC/DC电源电路)，串联连接在升压单元的输出端，并且适于将从输出端的电信号转换为具有供控制器工作的工作电压(例如3.3V)的工作电信号。

在一些实施例中，脱扣驱动器电路(例如前文中所提到的MITOP驱动器电路160和VMITOP电路)耦合至开关装置的脱扣线圈，来为脱扣线圈供电。MITOP驱动器电路160是断路器脱扣线圈的驱动电路。

在一些实施例中，阈值电压可以为7.5V。例如，当PWR+端口的电压值小于7.5V时，阈值电路140会向控制电路发送控制信号，从而使控制电路130切断PWR+端口到脱扣驱动器电路之间的连接，此时PWR+端口的输入电流全部流向控制器供电电路(即，VBOOST电路170)来为控制器供电电路充电。VBOOST电路170的电压快速上升，从而使得DC/DC电源电路180快速启动，并可以快速建立3.3V电源电压来为控制器供电。当PWR+端口的电压值高于7.5V时，阈值电路140会向控制电路发送控制信号，从而使控制电路130接通PWR+端口到脱扣驱动器电路之间的连接，来使得PWR+端口输出的电信号同时为脱扣线圈和控制器供电。以此，利用控制电路130和阈值电路140相互配合有序地实现切断或导通脱扣驱动器电路，使得脱扣驱动器电路和控制器供电电路的充电有序进行，并可以减少脱扣驱动器电路中的电容充电电流，使得控制器供电电路的充电时长大于MITOP驱动器电路160的充电时长，并且使得电源管理的控制逻辑变得比较简单。

应当理解的是，前文中阈值电源为7.5V的示例只是示意性的，并不旨在限制本公开的保护范围。本公开实施例中的阈值电压可以采用其他任意适当的电压值，例如8.5V、9V或12V等等。

通过仿真实验可以得出，传统的断路器的VBOOST电路170和MITOP驱动器电路160中的电压一起同步上升，从而导致VBOOST电路170电流较小，用于控制器的3.3V电源电压的建立时间较长。相比之下，通过使用本公开实施例的供电电路，在PWR+端的电压小于阈值电压时，先单独为控制器供电电路充电来满足控制器的供电需求，随后在PWR+端的电压大于阈值电压时，VMITOP充电电路150才会被接通，从而允许后续为脱扣线圈供电。以此方式，控制器供电电路建立3.3V电源电压比传统的断路器快了至少80us，从而提高了断路器的安全性能。

图2示出了根据本公开的一些实施例的开关装置的框图。如图2所示，开关装置200包括根据上述的供电电路100、控制器210和脱扣线圈220。控制器210耦合至供电电路100的控制器供电电路。以及脱扣线圈220耦合至供电电路的脱扣驱动器电路。如前文中所提到的，在一些实施例中，开关装置可以包括断路器。

以上已经描述了本公开的各实现，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所公开的各实现。在不偏离所说明的各实现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现的原理、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他普通技术人员能理解本文公开的各个实现方式。

Claims (10)

1.一种用于开关装置的供电电路，其特征在于，包括：

电流互感单元，包括输出侧，并且适于在所述输出侧输出具有输出电压的供电信号；

脱扣驱动器电路，耦合至所述电流互感单元的所述输出侧；

控制器供电电路，与所述脱扣驱动器电路并联地耦合在所述电流互感单元的所述输出侧；以及

分时电路单元，连接在所述脱扣驱动器电路中，并且包括阈值电路，所述阈值电路用于在所述输出电压低于阈值电压的情况下提供控制信号，来使所述分时电路单元切断所述脱扣驱动器电路与所述输出侧之间的连接，而使所述供电信号只为所述控制器供电电路供电。

2.根据权利要求1所述的供电电路，其特征在于，所述分时电路单元还包括：

控制电路，与所述阈值电路并联地连接在所述脱扣驱动器电路中，并且用于根据所述阈值电路提供的所述控制信号来控制所述脱扣驱动器电路与所述输出侧之间的通断。

3.根据权利要求2所述的供电电路，其特征在于，所述控制电路包括金属-氧化物半导体场效应晶体管。

4.根据权利要求2所述的供电电路，其特征在于，所述阈值电路包括稳压二极管。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的供电电路，其特征在于，所述阈值电路用于在所述输出电压大于所述阈值电压的情况下提供控制信号以接通所述脱扣驱动器电路与所述输出侧之间的连接，以使所述供电信号同时为所述脱扣驱动器电路和所述控制器供电电路供电。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的供电电路，其特征在于，所述电流互感单元包括：

铁芯电流互感器，包括输出端和耦合至所述开关装置的主回路的输入端；以及

整流电路，耦合至所述铁芯电流互感器的所述输出端，并且用于将所述输出端的电信号整流后从所述电流互感单元的所述输出侧输出具有所述输出电压的所述供电信号。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的供电电路，其特征在于，所述控制器供电电路包括：

升压单元，包括至少一个电容器，所述至少一个电容器适于被所述供电信号充电；以及

直流转换器，串联连接在所述升压单元的输出端，并且适于将从所述输出端的电信号转换为具有供控制器工作的工作电压的工作电信号。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的供电电路，其特征在于，

所述脱扣驱动器电路耦合至所述开关装置的脱扣线圈，来为所述脱扣线圈供电。

9.一种开关装置，其特征在于，包括：

根据权利要求1-8中任一项所述的供电电路；

控制器，耦合至所述供电电路的控制器供电电路；以及

脱扣线圈，耦合至所述供电电路的脱扣驱动器电路。

10.根据权利要求9所述的开关装置，其特征在于，所述开关装置包括断路器。