CN119132886B - 混合式直流继电器拓扑电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电磁继电器技术领域，具体涉及一种混合式直流继电器拓扑电路及其控制方法，通过在正极端子与负极端子之间设置控制负载电流在所述正极端子以及所述负极端子之间流动的主支路、为所述主支路提供换流路径的换流支路以及快速通断的辅助开关支路，通过驱动电路的辅助开关驱动信号、换流支路驱动信号以及主支路驱动信号分别驱动控制辅助开关支路、换流支路以及主支路，实现继电器在开关过程中的零电压吸合与零电流释放，从而在实现电弧抑制的同时，减少传统混合开关在关断过程中的换流过程，提升混合继电器的开关速度，以解决现有技术中电磁继电器的电寿命远低于机械寿命的技术问题。

Description

混合式直流继电器拓扑电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及继电器技术领域，具体涉及一种混合式直流继电器拓扑电路及其控制方法。

背景技术

继电器作为控制器件，在电气领域起到非常重要的作用，关系到系统的稳定性与安全性。在开关过程中，电磁继电器的触点会受到电弧侵蚀，导致触点材料熔焊以及缺失，从而使得继电器的电寿命远低于机械寿命。同时由于直流系统不存在自然过零点，电弧抑制存在困难。

发明内容

鉴于上述问题，本发明实施例提供了一种混合式直流继电器拓扑电路及其控制方法，用于解决现有技术中电磁继电器的电寿命远低于机械寿命的技术问题。

根据本发明实施例的第一方面提供了一种混合式直流继电器拓扑电路，所述拓扑电路包括：

正极端子、负极端子、主支路、换流支路、辅助开关支路以及驱动电路；

所述主支路与所述辅助开关电路串联在所述正极端子与所述负极端子之间；其中，所述主支路的输入端与所述正极端子相连接，所述主支路的输出端与所述辅助开关电路的输入端相连接，所述辅助开关电路的输出端与所述负极端子相连接；

所述换流支路与所述主支路并联；其中，所述换流支路的输入端与所述主支路的输入端相连接，所述换流支路的输出端与所述主支路的输出端相连接；

所述驱动电路分别连接至所述主支路、所述换流支路以及所述辅助开关支路。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述换流支路包括第一MOS管，第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管；

其中，所述第一二极管、所述第二二极管的正极均与所述第一MOS管的源极相连接，所述第二二极管的负极与所述第三二极管的正极相连接并作为所述换流支路的输出端；所述第一二极管的负极与所述第四二极管的正极相连接并作为所述换流支路的输入端；所述第三二极管、第四二极管的负极均与所述第一MOS管的漏极相连接。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述主支路包括第一开关、第一线圈、第二MOS管以及第三MOS管；

其中，所述第一开关的第一端作为所述主支路的输入端与所述正极端子相连接，所述第一开关的第二端作为所述主支路的输出端与所述辅助开关支路的输入端相连；所述第一线圈的第一端连接电源，所述第一线圈的第二端连接所述第二MOS的漏极，所述第三MOS管的漏极连接到地，所述第二MOS管的源极与所述第三MOS管的源极相连接。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述辅助开关支路包括第四MOS管、第五MOS管以及第一压敏电阻；

其中，所述第一压敏电阻的第一端与所述第四MOS管的漏极相连接并作为所述辅助开关支路的输入端与所述主支路的输出端相连接，所述第一压敏电阻的第二端与所述第五MOS管的漏极相连接，并作为所述辅助开关支路的输出端与所述负极端子相连接；所述第四MOS管的源极与所述第五MOS管的源极相连接。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述驱动电路包括第一驱动信号，所述第一驱动信号连接至所述第二MOS管、所述第三MOS管的栅极。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述驱动电路包括第二驱动信号，所述第二驱动信号连接至所述第四MOS管、所述第五MOS管的栅极。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述驱动电路包括第三驱动信号，所述第三驱动信号连接至所述第一MOS管的栅极。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第一压敏电阻为金属氧化物压敏电阻MOV，所述MOS管为N沟道MOSFET。

在第一方面的一种进一步可能的实现方式中，还包括直流电源和负载电阻，用于所述直流继电器拓扑电路的测试；

其中，所述负载电阻串联在所述直流电源的正极与所述正极端子之间，所述直流电源的负极与所述负极端子相连接，所述负极端子连接到地。

为解决上述技术问题，本申请另一方面提出一种基于任一项所述的混合式直流继电器拓扑电路实施的控制方法，包括导通控制过程和关断控制过程，进一步包括：

导通控制过程包括以下步骤：

步骤1.1，第二驱动信号输出高电平，第四、第五MOS管的栅极接收到高电平后导通，所述辅助开关支路导通；

步骤1.2，第一驱动信号输出高电平，第二、第三MOS管的栅极接收到高电平后导通，所述主支路的第一线圈上电；

步骤1.3，第三驱动信号输出高电平，第一MOS管的栅极接收到高电平后导通，所述换流支路导通，进而与所述辅助开关支路形成通路；

步骤1.4，在所述主支路上电第一预设时间后，所述主支路的第一开关闭合，所述主支路导通；

步骤1.5，延时第二预设时间后，第三驱动信号输出低电平，第一MOS管的栅极接收到低电平后关断，所述换流支路关断；

步骤1.6，导通控制过程完成，进入正常工作阶段；

关断控制过程包括以下步骤：

步骤2.1，第二驱动信号输出低电平，第四、第五MOS管的栅极接收到低电平后关断，电流流过第一压敏电阻，在能量吸收完毕后，所述辅助开关支路关断；

步骤2.2，第一驱动信号输出低电平，第二、第三MOS管的栅极接收到低电平后关断，第一线圈断电，延时预设第三时间后第一开关断开，所述主支路关断；

步骤2.3，关断控制过程完成。

本发明在正极端子与负极端子之间设置控制负载电流在所述正极端子以及所述负极端子之间流动的主支路、为所述主支路提供换流路径的换流支路以及快速通断的辅助开关支路，通过驱动电路的辅助开关驱动信号、换流驱动信号以及主支路驱动信号以不同的时序分别驱动控制辅助开关支路、换流支路以及主支路，实现继电器在开关过程中的零电压吸合与零电流释放，从而在实现电弧抑制的同时，减少传统混合开关在关断过程中的换流过程，提升混合继电器的开关速度，以解决现有技术中电磁继电器的电寿命远低于机械寿命的技术问题。

上述说明仅是本发明实施例技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明实施例的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明实施例的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

附图仅用于示出实施方式，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了本发明提供的混合式直流继电器拓扑电路的模块示意图；

图2示出了本发明提供的混合式直流继电器拓扑电路的电路示意图；

图3示出了本发明提供的混合式直流继电器拓扑电路中驱动电路输出的多个驱动信号及电磁继电器触点动作时序图；

图4示出了本发明提供的混合式直流继电器拓扑电路中的第一导通过程示意图；

图5示出了本发明提供的混合式直流继电器拓扑电路中的第二导通过程示意图；

图6示出了本发明提供的混合式直流继电器拓扑电路中的第三导通过程示意图；

图7示出了本发明提供的混合式直流继电器拓扑电路中的关断过程示意图；

图8示出了本发明提供的混合式直流继电器拓扑电路所在的测试系统的示意图；

图9示出了本发明提供的混合式直流继电器拓扑电路导通波形示意图；

图10示出了本发明提供的混合式直流继电器拓扑电路关断波形示意图；

图11示出了本发明提供的混合式直流继电器拓扑电路中电磁继电器触点吸合延时示意图；

图12示出了本发明提供的混合式直流继电器拓扑电路中电磁继电器触点释放延时示意图；

图13示出了自然换流型混合继电器电路拓扑关断波形示意图；

图14示出了本发明提供的混合式直流继电器拓扑电路的混合继电器与对照组在开关过程的触点燃弧能量柱状图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。

在示例性技术中，混合开关通过将机械开关与固态开关组合，降低了电弧的不利影响。该开关技术的关键是通过换流将电流从机械开关转移到固态开关，再关断固态开关，将电流换流至能量吸收支路。虽然通过多次换流，为能量的泄放提供了额外的通道，可以有效减少电弧对机械开关的烧蚀，但是，当前混合开关的问题是，在关断的过程中，需要经过多次换流，这导致了换流过程时间较长，混合继电器的开关速度受到影响。

本申请提出一种混合式直流继电器拓扑电路，通过减少换流次数来解决电磁继电器的电寿命远低于机械寿命的技术问题，并且能够大大提升继电器系统的开关速度。

在一可选实施例中，参照图1所示，一种混合式直流继电器拓扑电路包括正极端子1、负极端子2、主支路10、换流支路20、辅助开关支路30以及驱动电路40，其中，

主支路10与辅助开关电路30串联在正极端子1与负极端子2之间；主支路10的输入端与正极端子1相连接，主支路1的输出端与辅助开关电路30的输入端相连接，辅助开关电路30的输出端与负极端子2相连接；换流支路20与主支路10并联；换流支路20的输入端与主支路10的输入端相连接，换流支路20的输出端与主支路10的输出端相连接；驱动电路40分别连接至主支路10、换流支路20以及辅助开关支路30。

其中，主支路10与辅助开关支路30串联在正极端子与负极端子之间，换流支路20与主支路10并联连接；正极端1子作为继电器系统的输入端，用于输入负载电流，负极端子2作为输出端，用于输出负载电流；驱动电路分别驱动控制主支路10、换流支路20以及辅助开关支路的导通或关断，在正极端子1与负极端子2之间形成通路；本发明通过提供一种新型混合式直流灭弧快速继电器拓扑电路，通过优化混合继电器关断换流过程，能够提升直流系统的开关动作速度。

基于上述原理，本发明还提出一种可能存在的电路连接方式，用于实现上述方案，如图2所示，具体参考如下：

主支路10包括第一开关K1、第一线圈、第二MOS管T2以及第三MOS管T3；其中，第一开关K1的第一端作为主支路10的输入端与正极端子1相连接，第一开关K1的第二端作为主支路10的输出端与辅助开关支路30的输入端相连；第一线圈的第一端连接电源Vcc，第一线圈的第二端连接第二MOS管T2的漏极D，第三MOS管的漏极D连接到地GND，第二MOS管的源极S与第三MOS管的源极S相连接。第一开关K1与第一线圈共同构成继电器本体，当第二、第三MOS管导通时，第一线圈通过电流时，第一开关的触点吸合，从而继电器所在的主支路导通。同理，当第二、第三MOS管截止时，第一线圈没有电流通过，第一开关的触点释放而断开，从而继电器所在的主支路关断。

优选地，主支路10中的继电器本体可以为电磁继电器，电磁继电器的触点接触电阻很小，能够使得导通后的较长时间保持通电状态；第二MOS管T2、第三MOS管T3的双向连接，栅极驱动端短接能够实现继电器线圈通断电的精准控制。

换流支路20包括第一MOS管T1，第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4；其中，第一二极管D1、第二二极管D2的正极均与第一MOS管T1的源极S相连接，第二二极管D2的负极与第三二极管D3的正极相连接并作为换流支路20的输出端；第一二极管D1的负极与第四二极管D4的正极相连接并作为换流支路20的输入端；第三二极管D3、第四二极管D4的负极均与第一MOS管T1的漏极D相连接。传统的混合式直流继电器的换流支路完全由全控型电力电子开关器件串联而成，由于器件串联的数量较多而造成传统拓扑电路结构冗余，同时技术经济性不高。本发明所提出的二极管全桥结构以及串联一个MOS管的换流支路电路结构，采用更少的电控开关器件以及更为简单的电路结构，在提升电路开关速度的同时提高了混合式直流继电器的技术经济性。

换流支路20为主支路10的导通提供换流路径，能够为电磁继电器的零电压吸合提供条件，能够实现继电器系统的快速导通以及电弧抑制。第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4构成二极管全桥结构，能够实现电流的双向导通，避免使用第一MOS管T1中体二极管造成的反向击穿而导致的换流支路20开关特性失效，无法为主支路10提供换流路径。第一MOS管T1的栅极受控于驱动电路40发送的驱动信号实现导通与截止。作为其他优选的实施方式，换流支路拓扑电路可采用反串联结构、反并联结构、半桥式结构等，第一MOS管可采用IGBT或者晶闸管代替，本实施方式优选的采用MOSFET，能够在提升开关速度的同时降低成本。可根据实际的应用场景，结合各种器件的特性进行合理选择。

辅助开关支路30包括第四MOS管T4、第五MOS管T5以及第一压敏电阻MOV；其中，第一压敏电阻MOV的第一端与第四MOS管T4的漏极D相连接并作为辅助开关支路30的输入端与主支路10的输出端相连接，第一压敏电阻MOV的第二端与第五MOS管T5的漏极D相连接，并作为辅助开关支路30的输出端与负极端子2相连接；第四MOS管T4的源极S与第五MOS管T5的源极S相连接。

优选地，辅助开关支路30中的第四MOS管、第五MOS管关断后通过MOV实现直流通路中能量的吸收，从而在主支路关断后能够实现直流继电器系统的快速关断，为电磁继电器实现零电流关断提供条件，抑制继电器触点释放时的电弧。第四MOS管T4、第五MOS管T5的双向连接，能够实现电流的双向导通，避免使用第四、第五MOS管中体二极管造成的反向击穿而导致的辅助开关支路30的开关特性失效。压敏电阻MOV在第四MOS管、第五MOS管关断时吸收能量，以实现为第四MOS管、第五MOS管提供换流通道，起到保护作用。作为优选的实施方式，压敏电阻可以为金属氧化物压敏电阻MOV。

驱动电路包括第一驱动信号S1，第一驱动信号S1连接至第二MOS管T2、第三MOS管T3的栅极；还包括第二驱动信号S2，第二驱动信号S2连接至第四MOS管T4、第五MOS管T5的栅极G；还包括第三驱动信号S3，第三驱动信号S3连接至第一MOS管T1的栅极G。

优选地，第一MOS管至第五MOS管均为N沟道MOS管，栅极输入驱动信号，驱动信号电压为高电平时，满足V_G>V_GS(th)，则MOS管导通，所在支路导通，反之，驱动信号电压为低电平时，不满足V_G>V_GS(th)，则MOS管截止，所在支路关断。对驱动信号S1、S2、S3以不同的时序分别驱动主支路10、辅助开关支路30以及换流支路20，控制不同支路的导通与关断状态，有效降低了换流时间，提升了继电器的开关速度。

优选地，还包括与驱动电路40相连接的信号产生电路，用于根据不同的时序产生电平控制信号，使得驱动电路根据不同的电平控制信号输出对应的高电平或低电平电压。

优选地，还包括直流电源、负载电阻；其中，负载电阻Rc串联在直流电源的正极+与正极端子1之间，直流电源的负极-与负极端子2相连接，此时，负极端子2通常连接于地GND。直流电源、负载电阻以及继电器系统构成电流回路，能够实现继电器开关过程中电压电流、吸合时间、释放时间的测试与验证。

基于上述混合式直流继电器拓扑电路，本申请还提出了一种基于上述电路实施的控制方法，控制方法具体包括导通控制过程和关断控制过程，具体步骤如下：

导通控制过程包括以下步骤：

步骤1.1，第二驱动信号输出高电平，第四、第五MOS管的栅极接收到高电平后导通，辅助开关支路导通；

步骤1.2，第一驱动信号输出高电平，第二、第三MOS管的栅极接收到高电平后导通，主支路的第一线圈上电；

步骤1.3，第三驱动信号输出高电平，第一MOS管的栅极接收到高电平后导通，换流支路导通，进而与辅助开关支路形成通路；

步骤1.4，在主支路上电第一预设时间后，主支路的第一开关闭合，主支路导通；

步骤1.5，延时第二预设时间后，第三驱动信号输出低电平，第一MOS管的栅极接收到低电平后关断，换流支路关断；

步骤1.6，导通控制过程完成，进入正常工作阶段；

关断控制过程包括以下步骤：

步骤2.1，第二驱动信号输出低电平，第四、第五MOS管的栅极接收到低电平后关断，电流流过第一压敏电阻，在能量吸收完毕后，辅助开关支路关断；

步骤2.2，第一驱动信号输出低电平，第二、第三MOS管的栅极接收到低电平后关断，第一线圈断电，延时预设第三时间后第一开关断开，主支路关断；

步骤2.3，关断控制过程完成。

优选地，上述混合式直流继电器拓扑电路中，驱动电路40输出的多个驱动信号可以参考图3所示，对应的电磁继电器触点状态也可以参考图3所示，则依据驱动信号的不同时序，混合式直流继电器拓扑电路可依次工作在以下多种不同的工作状态：

初始状态：驱动信号S1、驱动信号S2、驱动信号S3均为低电平，此时，第一MOS管至第五MOS管均处于截止状态，不存在电流通路，则继电器系统处于关断状态。

导通控制过程：

步骤1.1，第二驱动信号S2输出高电平，第四MOS管T4、第五MOS管T5的栅极接收到高电平后导通，辅助开关支路30导通；

步骤1.2，第一驱动信号S1输出高电平，第二MOS管T2、第三MOS管T3的栅极接收到高电平后导通，主支路10的第一线圈上电；具体为，继电器第一线圈上电后，由于电感效应，继电器第一开关K1的触点需要在延时第一预设时间t_close后吸合，从而在第二MOS管T2、第三MOS管T3的栅极接收到驱动信号S1的高电平后延时第一预设时间，作为第一开关K1吸合的时机。

步骤1.3，第三驱动信号S3输出高电平，第一计数器开始计时，第一MOS管T1的栅极接收到高电平后导通，换流支路20导通，进而与辅助开关支路30在正极端子1与负极端子2之间形成电流通路；具体可参见图4的第一导通过程示意图。

步骤1.4，第一线圈上电满足第一预设时间后，主支路10的第一开关K1的触点吸合，则主支路10导通；具体可参见图5的第二导通过程示意图。

步骤1.5，第一计数器满足第二预设时间t_on1后，第三驱动信号S3输出低电平，第一MOS管T1的栅极接收到低电平后关断，则换流支路20关断；第二预设时间即为驱动信号S3持续为高电平的时间，也即换流支路20导通的时间。

步骤1.6，导通控制过程完成，进入正常工作阶段；具体可参见图6的第三导通过程示意图。

关断控制过程包括以下步骤：

步骤2.1，第二驱动信号S2输出低电平，第四MOS管T4、第五MOS管T5接收到低电平后关断，电流流过第一压敏电阻MOV，在能量吸收完毕后，辅助开关支路30关断，为主支路10的电磁继电器零电流关断提供条件。

步骤2.2，第一驱动信号S1输出低电平，第二计数器开始计时，第二MOS管T2、第三MOS管T3接收到低电平后关断，第一线圈断电，第二计数器满足预设第三时间t_release后第一开关K1断开，则主支路10关断；具体可参见图7的关断过程示意图。

步骤2.3，关断控制过程完成。优选地，第一预设时间、第二预设时间、第三预设时间的具体时长可根据继电器的具体型号以及MOS管的具体特性实际确定，在此不做具体限定。

优选地，导通控制过程中，主支路10的导通时间不早于换流支路20的导通时间，换流支路20为主支路10提供换流路径，以实现主支路的电磁继电器实现零电压吸合。

优选地，关断控制过程中，换流支路20关断，主支路10的电磁继电器的开关失去线圈的吸力而释放，辅助开关支路30的能量吸收通路持续吸收电磁继电器所在电路中的能量，以快速降低主支路10的电磁继电器的开关的燃弧能量。

上述步骤1.1-步骤1.6以及步骤2.1-步骤2.3为混合式直流继电器拓扑电路的一次导通到关断的过程，可以通过优化混合继电器关断换流过程，进一步提升系统的开关动作速度，另外，本发明还通过如图3所示的多通道脉冲时序控制方式，实现电磁继电器零电压吸合与零电流释放，可显著降低触点间的燃弧能量，从而提升电磁继电器电寿命。

在一可选实施例中，如图4所示，当驱动信号S3为高电平时，第一二极管D1关断，第二二极管D2导通，第三二极管D3关断，第四二极管D4导通，第一开关管T1导通，以为继电器支路10的电磁继电器创造零电压吸合条件；

当驱动信号S3为低电平时，第一二极管D1关断，第二二极管D2关断，第三二极管D3关断，第四二极管D4关断，第一开关管T1关断。

需要说明的是，第一开关管T1可以采用其他类型开关逻辑的开关管实现控制，对应改变换流驱动信号的控制逻辑也可实现本申请的目的。

在一可选实施例中，继电器第一开关K1在继电器第一线圈的常开触点，在继电器第一线圈未产生吸力时断开触点，继电器第一线圈的通电时间与继电器第一开关K1的吸合时间之间存在时间差，继电器第一开关K1的吸合会晚于继电器第一线圈的通电时间。

需要说明的是，第二开关管T2以及第三开关管T3优先采用同类型开关逻辑的开关管，如此可以通过一个继电器驱动信号实现控制，采用不同类型开关逻辑的开关管时，对应多设置一个继电器驱动信号也可实现本申请的目的。

在一可选实施例中，第四开关管T4、第五开关管T5组成开关通路，金属氧化物压敏电阻MOV组成能量吸收通路，两条通路并联，第四开关管T4、第五开关管T5均导通时，开关通路导通，第四开关管T4、第五开关管T5任意一者关断时，能量吸收通路导通，可以快速吸收所连接通路中的能量。

需要说明的是，第四开关管T4、第五开关管T5优先采用同类型开关逻辑的开关管，如此可以通过一个辅助开关驱动信号实现控制，采用不同类型开关逻辑的开关管时，对应多设置一个辅助开关驱动信号也可实现本申请的目的。

本发明提出一种新型的混合式直流继电器拓扑电路，通过优化混合继电器关断换流过程，进一步提升系统的开关动作速度。同时，本发明通过多通道脉冲时序控制方式，实现电磁继电器零电压吸合与零电流释放，可显著降低触点间的燃弧能量，从而提升电磁继电器电寿命。

本发明具有以下有益效果：

（1）相比于传统型自然换流型直流继电器，通过优化换流过程，关断时间仅为传统型自然换流型直流继电器的17.76%，进而实现微秒级的开关动作时间，有效提升了开关速度。

（2）还能够有效降低继电器触点在开关过程中的电弧能量，吸合过程、释放过程中的燃弧能量最小分别为传统型电磁直流继电器的0.09%、1.73%，对电弧的有效抑制可以提升继电器的电寿命，从而提升系统可靠性。

（3）本发明的拓扑电路与控制方法具备普适性，可应用于不同电压等级的各类混合开关的直流继电器、接触器的场景中。

作为进一步优选的实施方式，针对本发明的混合继电器拓扑电路提出一种测试系统，具体如图8所示。设置两个对照组，三组继电器通过电压电流测量法和电弧能量测量法验证，完成开关速度测试以及电弧燃弧能量测试；其中，对照组1为电磁继电器，对照组2为传统自然换流型继电器。继电器相关参数为：额定电压28V，额定电流40A。电源输出电压为28V，其阻性负载电流在0-38A可调。MOSFET的漏源击穿电压为100V，额定电流为150A。MOV压敏电压为24V，钳位电压为53V。

测试过程具体包括：

（1）设置阻性负载电流为38A，测试本发明的混合继电器拓扑电路在导通过程中的电压与电流波形，并得到导通时间；同时计算导通过程中的电弧能量，其电弧能量的表达式为：

其中，为电弧电压，为电弧过程中的电流。测试电弧能量测量时，进行200次开关动作，取平均值作为最终结果；

（2）对于对照组1和对照组2，选择参数相同的电磁继电器和同型号器件搭建的传统自然换流型混合继电器拓扑电路，分别获得两组电路在吸合过程的电流电压波形，以及得到导通时间，计算导通过程中的电弧能量；

（3）设置阻性负载电流为38A，测试本发明的混合继电器电路拓扑在关断过程中的电压与电流波形，得到关断时间，并计算关断过程中的电弧能量；

（4）分别获得对照组1和对照组2这两组电路在释放过程中的电流电压波形，得到关断时间，并计算关断过程中的电弧能量；

（5）设置负载电流为5A，20A，重复步骤（1）-（4），测试对应的燃弧能量。

测试结果的导通、关断波形示意图如图9、图10所示，本发明提出的混合式继电器导通时间为43.67us，其关断时间为17.40us。电磁继电器吸合时间为9.98ms，释放时间为2.25ms，测试结果参见图11、图12所示的触点吸合延时、触点释放延时示意图。传统自然换流型继电器的吸合时间为40.6us，关断时间为97.97us，具体关断波形如图13所示。由此可知，本发明混合式继电器的关断时间为现有的自然换流型结构关断时间的17.76%，所提出的电路拓扑显著提升了系统关断速度。

混合式继电器显著降低了电弧的燃弧时间，与同电流等级的电磁继电器相比较，触点间的燃弧能量也大幅减小。本发明与对照组继电器开关过程燃弧能量对比以及在开关过程的触点燃弧能量柱状图分别参见表1和图14所示。在同等电流等级的吸合过程中，混合继电器的燃弧能量最小约为传统继电器的0.09%。在释放过程中，该比例最小约为1.73%。该比例会随着负载电流的增大而进一步缩小。即电流等级越大，所提出的混合继电器拓扑对触点电弧的抑制效果越明显。同时，与自然换流型混合继电器相比，本发明的拓扑在吸合过程中的燃弧能量低于前者。

表1 本发明与对照组继电器开关过程燃弧能量对比

电压电流测量法是通过测量混合式直流灭弧快速继电器电路拓扑两端口在开关过程中的电流电压，测试吸合与释放时间，并且与电磁继电器以及自然换流型混合式继电器的开关时间进行对比，从而验证本发明提出的混合继电器电路拓扑所具备的快速开关动作特性。

电弧能量测量法是多次重复测试电磁继电器在开关过程中的触点电弧电压与电流，计算开关过程中的电弧能量，从而验证本发明混合继电器电路拓扑对电弧的抑制效果。

需要说明的是，在本申请中，为了便于理解，仅仅例举了驱动信号的高电平或者低电平，且涉及到的开关管均为N沟道MOSFET管的情况来说明本申请方案的工作原理，而在实际使用时，开关管的类型可以根据实际电路的情况再进行对应设置，只需要根据本申请所例举的实施例改变对应的驱动信号的电平即可，因此可以依据本申请所公开的工作原理再设计其他的控制方案。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。类似地，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明实施例的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。其中，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。上述实施例中的步骤，除有特殊说明外，不应理解为对执行顺序的限定。

Claims (3)

1.一种混合式直流继电器拓扑电路的控制方法，所述拓扑电路包括正极端子、负极端子、主支路、换流支路、辅助开关支路以及驱动电路；所述主支路与所述辅助开关支路串联在所述正极端子与所述负极端子之间；所述主支路的输入端与所述正极端子相连接，所述主支路的输出端与所述辅助开关支路的输入端相连接，所述辅助开关支路的输出端与所述负极端子相连接；所述换流支路与所述主支路并联；所述换流支路的输入端与所述主支路的输入端相连接，所述换流支路的输出端与所述主支路的输出端相连接；所述驱动电路分别连接至所述主支路、所述换流支路以及所述辅助开关支路；所述换流支路包括第一MOS管，第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管；所述第一二极管的正极、所述第二二极管的正极均与所述第一MOS管的源极相连接，所述第二二极管的负极与所述第三二极管的正极相连接并作为所述换流支路的输出端；所述第一二极管的负极与所述第四二极管的正极相连接并作为所述换流支路的输入端；所述第三二极管的负极、第四二极管的负极均与所述第一MOS管的漏极相连接；所述主支路包括第一开关、第一线圈、第二MOS管以及第三MOS管；所述第一开关的第一端作为所述主支路的输入端与所述正极端子相连接，所述第一开关的第二端作为所述主支路的输出端与所述辅助开关支路的输入端相连；所述第一线圈的第一端连接电源，所述第一线圈的第二端连接所述第二MOS管的漏极，所述第三MOS管的漏极连接到地，所述第二MOS管的源极与所述第三MOS管的源极相连接；所述辅助开关支路包括第四MOS管、第五MOS管以及第一压敏电阻；所述第一压敏电阻的第一端与所述第四MOS管的漏极相连接并作为所述辅助开关支路的输入端与所述主支路的输出端相连接，所述第一压敏电阻的第二端与所述第五MOS管的漏极相连接，并作为所述辅助开关支路的输出端与所述负极端子相连接；所述第四MOS管的源极与所述第五MOS的源极相连接；所述驱动电路包括第一驱动信号，所述第一驱动信号连接至所述第二MOS管的栅极以及所述第三MOS管的栅极；所述驱动电路包括第二驱动信号，所述第二驱动信号连接至所述第四MOS管的栅极以及所述第五MOS管的栅极；所述驱动电路包括第三驱动信号，所述第三驱动信号连接至所述第一MOS管的栅极；所述方法包括导通控制过程和关断控制过程，其特征在于，

所述导通控制过程包括以下步骤：

步骤1.1，第二驱动信号输出高电平，第四、第五MOS管的栅极接收到高电平后导通，所述辅助开关支路导通；

步骤1.2，第一驱动信号输出高电平，第二、第三MOS管的栅极接收到高电平后导通，所述主支路的第一线圈上电；

步骤1.3，第三驱动信号输出高电平，第一MOS管的栅极接收到高电平后导通，所述换流支路导通，进而与所述辅助开关支路形成通路；

步骤1.4，在所述主支路上电第一预设时间后，所述主支路的第一开关闭合，所述主支路导通；

步骤1.5，延时第二预设时间后，第三驱动信号输出低电平，第一MOS管的栅极接收到低电平后关断，所述换流支路关断；

步骤1.6，导通控制过程完成，进入正常工作阶段；

所述关断控制过程包括以下步骤：

步骤2.1，第二驱动信号输出低电平，第四、第五MOS管的栅极接收到低电平后关断，电流流过第一压敏电阻，在能量吸收完毕后，所述辅助开关支路关断；

步骤2.2，第一驱动信号输出低电平，第二、第三MOS管的栅极接收到低电平后关断，第一线圈断电，延时预设第三时间后第一开关断开，所述主支路关断；

步骤2.3，关断控制过程完成。

2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述第一压敏电阻为金属氧化物压敏电阻MOV，所述MOS管为N沟道MOSFET。

3.如权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，还包括直流电源和负载电阻，用于所述直流继电器拓扑电路的测试；

其中，所述负载电阻串联在所述直流电源的正极与所述正极端子之间，所述直流电源的负极与所述负极端子相连接，所述负极端子连接到地。