CN113972813A - 功率切换控制电路 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种功率切换控制电路，功率切换控制电路用于交直流功率控制系统，其中，电路包括：主控制单元由通断控制开关组成，其中，主控制单元的输入端与输入源相连；第一至第N子控制单元的每个子控制单元均由半导体开关组成，其中，每个子控制单元的输入端与主控制单元的输出端相连，且每个子控制单元的输出端与负载的输入端相连，以在主控制单元和第一至第N子控制单元均闭合时，为负载提供电源。由此，通过由通断控制开关组成主控制单元，由半导体开关组成第一至第N子控制单元的每个子控制单元，有效解决了相关技术中因采用电磁式继电器出现的在通断瞬间存在拉弧现象，从而导致触点损伤，降低继电器寿命的问题，还可以大大降低成本。

Description

功率切换控制电路

技术领域

本申请涉及功率分配及控制技术领域，特别涉及一种功率切换控制电路。

背景技术

相关技术中，在进行功率分配及切换控制电路时，主要有下述两种方式：(1)总控制单元和子控制单元均采用电磁式继电器作为控制开关；(2)总控制单元采用电磁式继电器作为控制开关、子控制单元采用IGBT作为控制开关。

然而，因电磁式继电器触点在通断过程中存在拉弧现象，该现象会导致继电器触点损伤，在长期工作的情况下会降低继电器的工作寿命，故继电器切换控制方案存在工作寿命较短的问题，并且，第一种方式子控制单元无法实现对输出功率的精准调节，对输出功率大小的控制精度较低；第二种方式的子控制单元，因IGBT饱和导通压降较大，在导通工作时存在导通损耗较大，亟待解决。

申请内容

本申请提供一种功率切换控制电路，通过通断控制开关组成主控制单元，由半导体开关组成第一至第N子控制单元的每个子控制单元，有效解决了相关技术中因采用电磁式继电器出现的在通断瞬间存在拉弧现象，从而导致触点损伤，降低继电器寿命的问题，还可以大大降低成本。

本申请实施例提供一种功率切换控制电路，功率切换控制电路用于交直流功率控制系统，其中，电路包括：

主控制单元，主控制单元由通断控制开关组成，其中，主控制单元的输入端与输入源相连；

第一至第N子控制单元，第一至第N子控制单元的每个子控制单元均由半导体开关组成，其中，每个子控制单元的输入端与主控制单元的输出端相连，且每个子控制单元的输出端与负载的输入端相连，以在主控制单元和第一至第N子控制单元均闭合时，为负载提供电源，其中，N为正整数。

可选地，所述主控制单元和所述第一至第N子控制单元均具有控制端，以根据电路的输入信号控制所述主控制单元和/或子控制单元的关断或导通。

可选地，所述输入信号为预设电平信号或者为脉冲宽度调制PWM(Pulse widthmodulation，脉冲宽度调制)信号，使得所述主控制单元根据所述预设电平信号或者所述PWM信号生成所述每个子控制单元的控制信号，以控制所述每个子控制单元的导通时间和/或导通频率。可选地，所述通断控制开关为硅材料或者新型材料制作生成的三极管、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)、IGCT(Integrated Gate-Commutated Thyristor，集成门极换流晶闸管)、GCT(Gate-Commutated Thyristor，门极换流晶闸管)，IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor，注入增强栅晶体管)、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物场半导体效应晶体管)和HEMT(High Electron Mobility Transistor，高电子迁移率晶体管)中的任意一项。

可选地，所述新型材料包括碳化硅材料、氮化镓材料、氧化镓材料、金刚石材料和石墨烯材料中的一种或多种。

可选地，所述半导体开关为半控器件或者全控器件。

可选地，所述半控器件或全控器件包括单向晶闸管、双向晶闸管、门极可关断晶闸管、GCT和IGCT中的一种或多种。

可选地，所述全控器件包括IGBT、IEGT、MOSFET和HEMT中的一种或多种。

可选地，上述的功率切换控制电路，还包括：

用于根据所述负载的功率分配方式确定所述N的分配模块，所述分配模块与所述每个子控制单元相连。

可选地，所述主控制单元设置有限制元件，以限制电压尖峰在预设范围内。

可选地，上述的功率切换控制电路，还包括：

至少一个信号采集元件，所述至少一个信号采集元件与所述主控制单元串联连接。

通过由通断控制开关组成主控制单元，由半导体开关组成第一至第N子控制单元的每个子控制单元，有效解决了相关技术中因采用电磁式继电器出现的在通断瞬间存在拉弧现象，从而导致触点损伤，降低继电器寿命的问题，同时采用半导体器件，不仅可以通过对半导体器件的门极施加控制信号实现电路的过压、过流、过温保护功能，而且还可以大大降低成本。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为相关技术中主控制单元和子控制单元均采用电磁式继电器作为控制开关的电路拓扑结构示意图；

图2为相关技术中主控制单元采用电磁式继电器作为控制开关、子控制单元采用IGBT作为控制开关的电路拓扑示意图；

图3为根据本申请实施例提供的一种功率切换控制电路的结构示意图；

图4为根据本申请一个具体实施例的功率切换控制电路的拓扑结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

下面参考附图描述本申请实施例的功率切换控制电路。

在介绍本申请实施例的功率切换控制电路之前，先简单介绍下相关技术中的两种控制方式。

在功率分配及切换控制电路中，例如电池输出功率分配及汽车空调加热功率分配及切换控制等应用领域，一般是总控制单元和子控制单元均采用电磁式继电器作为控制开关，或者总控制单元采用电磁式继电器作为控制开关、子控制单元采用IGBT作为控制开关的技术方案。

具体而言，如图1所示，如图1为总控制单元和子控制单元均采用电磁式继电器作为控制开关的技术方案。由于电磁式继电器触点在通断过程中存在拉弧现象，该现象会导致继电器触点损伤，在长期工作的情况下会降低继电器的工作寿命，故继电器切换控制方案存在工作寿命较短的问题，并且，电磁式继电器的触点断开时间比较长，通常为毫秒级别，在负载过流或者短路的情况下触点比较容易粘连，较难实现过流或者短路保护功能；同时，在子控制单元中采用电磁式继电器作为通断控制开关，只能通过增加或者较少子控制单元数量的方式对输出功率进行分配和控制，无法实现对输出功率的精准调节，对输出功率大小的控制精度较低，另外，在高压直流系统中，需要采用高压直流继电器，高压直流继电器的价格普遍比较昂贵，采用该方案存在系统成本较高的问题。

如图2所示，如图2为总控制单元采用电磁式继电器作为控制开关、子控制单元采用IGBT作为控制开关的技术方案。由于其总控制单元与图1中方式一样，自然也存在有拉弧现象，导致继电器触点损伤，在长期工作的情况下会降低继电器的工作寿命，导致工作寿命较短的问题；对于子控制单元来说，由于IGBT饱和导通压降较大，在导通工作时存在导通损耗较大的问题，在极端工况下IGBT需要承受较大的浪涌电流，为了满足浪涌电流的要求，需要选择承受浪涌能力较高的IGBT，也会造成器件成本的上升。如果高压直流源的正负极性接反，在总控制单元中的电磁式继电器触点吸合的情况下，高压直流源会反向加到子控制单元中的IGBT的集电极和发射极之间，使IGBT内部的并联二极管正向导通，从而导致子控制单元部分的功率分配和切换失效，影响系统正常工作。

因此，本申请正式基于上述问题，而提出一种功率切换控制电路，不仅导通功耗低、工作寿命长、抗瞬间浪涌电流能力强，而且成本较低，大大提升了电力电子设备的能源效率及可靠性。

具体而言，图3为本申请实施例所提供的一种功率切换控制电路的结构示意图。该实施例中，功率切换控制电路用于交直流功率控制系统，例如电池系统的功率分配和切换，汽车空调加热制暖系统，家用空调加热及家庭制暖系统，灯具照明及闪光，电梯，马达驱动，储能装置，太阳能及风力发电，医疗设备，轨道交通，高压电网开关等，具有可靠性更高，工作寿命更长，耐冲击电流能力更强，可以精细功率调制，成本更低，容易实现过压、过流、短路、过温保护功能等特点

如图3所示，该功率切换控制电路10包括：主控制单元100和第一至第N子控制单元200(如第一子控制单元1、第二子控制单元2、第三子控制单元3、第四子控制单元4、……、第N子控制单元N)。

其中，如图3所示，主控制单元100可以由通断控制开关组成，其中，主控制单元100的输入端与输入源相连。

可选地，在一些实施例中，输入信号为预设电平信号或者为脉冲宽度调制PWM信号，使得主控制单元根据预设电平信号或者PWM信号生成每个子控制单元的控制信号，以控制每个子控制单元的导通时间和/或导通频率。

可以理解的是，预设电平信号既可以为常高或者常低电平信号，也可以为脉冲宽度调制PWM信号。即言，本申请实施例可以通过主控制单元100对第一至第N子控制单元200每个子控制单元中的晶闸管进行PWM斩波方式，通过给晶闸管控制极施加控制信号控制晶闸管导通时间的长短，实现对输出功率大小的分配和控制。

具体而言，脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOSFET栅极的偏置，来实现晶体管或MOSFET导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变，使得电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。基于上述原理，作为一种可能实现的方式，本申请实施例可以通过主控制单元100对第一至第N子控制单元的每个子控制单元中的晶闸管进行PWM斩波方式，通过给晶闸管控制极施加控制信号控制晶闸管导通时间的长短，或者间歇性脉冲群的方式等用于实现对输出功率大小的精确分配和控制。

可选地，在一些实施例中，通断控制开关为硅材料或者新型材料制作生成的三极管、IGBT、IGCT、GCT，IEGT、MOSFET和HEMT中的任意一项。

其中，由于IGBT的关断时间较快，通常为微秒级别，通过采用IGBT作为通断控制开关，给IGBT的控制极G1施加控制信号，结合相关采样电路，可以安全可靠地实现过压、过流、短路、过温保护功能。

可选地，在一些实施例中，新型材料包括碳化硅材料、氮化镓材料、氧化镓材料、金刚石材料和石墨烯材料中的一种或多种。需要说明的是，单向可控硅的饱和导通压降值普遍在1.3-1.4V之间，而且同等电流规格的单向可控硅的过载电流能力远大于IGBT，所以使用单向可控硅作为控制开关可以有效的降低导通损耗，降低工作时的发热量，从而提高效率，同时优异的过载电流能力可以大大提高可靠性和寿命。

第一至第N子控制单元200的每个子控制单元均可以由半导体开关组成，

可选地，在一些实施例中，半导体开关可以为半控器件或者全控器件。

可选地，在一些实施例中，半控器件或者全控器件可以包括单向晶闸管、双向晶闸管、门极可关断晶闸管、GCT和IGCT中的一种或多种，优选地，半控器件为单向晶闸管。需要说明的是，在直流系统中，由于单向晶闸管、双向晶闸管、门极关断晶闸管正反向均能承受较高的阻断电压，从而使得整个功率切换控制电路10具备防反接功能。

可选地，在一些实施例中，全控器件可以包括IGBT、IEGT、MOSFET和HEMT中的一种或多种。其中，每个子控制单元的输入端(如第一子控制单元1的输入端1、第二子控制单元2输入端1、第三子控制单元3的输入端J31、第四子控制单元4的输入端J41、……、第N子控制单元N的输入端JN1)与主控制单元的输出端相连，且每个子控制单元的输出端(如第一子控制单元1的输出端2、第二子控制单元2输出端2、第三子控制单元3的输出端J32、第四子控制单元4的输出端J42、……、第N子控制单元N的输出端JN2)与负载的输入端相连，以在主控制单元100和第一至第N子控制单元200均闭合时，为负载提供电源，其中，N为正整数。

由此，根据本申请实施例的功率切换控制电路10，通过通断控制开关组成主控制单元100，由半导体开关组成第一至第N子控制单元200的每个子控制单元，有效解决了相关技术中因采用电磁式继电器出现的在通断瞬间存在拉弧现象，从而导致触点损伤，降低继电器寿命的问题，同时采用半导体器件，不仅可以通过对半导体器件的门极施加控制信号实现电路的过压、过流、过温保护功能，而且还可以大大降低成本。

可选地，在一些实施例中，主控制单元100和第一至第N子控制单元200均具有控制端，以根据输入源生成控制信号控制主控制单元100和/或子控制单元的关断或导通。

也就是说，本申请实施例可以通过控制端根据输入源生成的控制信号，控制主控制单元100的关断或导通，或者子控制单元的关断或导通，或者主控制单元100和子控制单元的关断或导通。其中，第一至第N子控制单元200的每个子控制单元均可以单独导通或者关断的方式工作。

可选地，在一些实施例中，上述的功率切换控制电路，还包括：用于根据负载的功率分配方式确定N的分配模块，分配模块与每个子控制单元相连。

可以理解的是，为保证对输出功率的精确分配，本申请实施例可以设置有分配模块，通过根据负载的功率分配方式确定N的分配模块，分配模块与每个子控制单元相连，从而可以通过分配模块控制增加或者减少子控制单元的数量实现对输出功率大小进行分配和控制。需要说明的是，该控制方式下，子控制单元的工作方式为完全导通或者完全关断。

可选地，在一些实施例中，主控制单元100可以设置有限制元件，以限制电压尖峰在预设范围内，从而实现过压保护功能。

作为一种可能实现的方式，本申请实施例可以在主控制单元100中作为通断控制开关的IGBT集电极和发射极之间连接电阻和电容，以限制电压尖峰；

作为另一种可能实现的方式，本申请实施例可以在主控制单元100中作为通断控制开关的IGBT中的集电极和门极之间连接电阻和TVS管(Transient Voltage Suppressor，瞬态二极管)，以限制电压尖峰。

需要说明的是，上述示例仅为示例性的，不作为对本申请的限制，本领域技术人员可以根据实际情况设置不同的限制元件，以限制电压尖峰在预设范围内。其中，预设范围可以是用户预先设定的范围，可以是通过有限次实验获取的范围，也可以是通过有限次计算机仿真得到的范围，在此不做具体限定。

可选地，在一些实施例中，上述的功率切换控制电路，还包括：至少一个信号采集元件。其中，至少一个信号采集元件与主控制单元100串联连接。

作为一种可能实现的方式，本申请实施例可以在主控制单元100中作通断控制开关的IGBT中的集电极或者发射极之间串联采样电阻、电流传感器、电流互感器作为过流、短路保护的信号采集，并将该信号进行反馈处理后结合相关控制电路实现过流、短路保护功能。

为使得本领域技术人员进一步了解本申请实施例的功率切换控制电路10，下面以一个具体实施例进行详细阐述。

如图4所示，图4为本申请实施例的功率切换控制电路10的拓扑结构，具体包括：输入源为高压直流源、主控制单元100为通断控制开关Q1、子控制单元为控制开关Q2、Q3、Q4、Q5、Q6，负载为R1、R2、R3、R4、R5。其中，Q1包含控制端G1，控制端G1用于控制通断控制开关Q1的通断。子控制单元控制开关Q2、Q3、Q4、Q5、Q6分别包含控制端G2、G3、G4、G5、G6，用于控制Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的通断。

具体而言，高压直流源可以为功率切换控制电路提供功率输入，高压直流源的正极J1与通断控制开关IGBT的集电极相连，高压直流源的负极J2分别与负载R1、R2、R3、R4、R5的第一端相连；通断控制开关IGBT的发射极分别与控制开关Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的阳极相连；控制开关Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的阴极分别与负载R1、R2、R3、R4、R5的第二端相连。

在高压直流源极性正确的情况下，通过给Q1的控制端G1施加控制信号，即可使Q1处于导通状态，使高压直流源的能量和功率可以向子控制单元传输，当主控制单元Q1处于导通状态时，给子控制单元控制开关Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的控制端G2、G3、G4、G5、G6施加控制信号，即可以实现输入功率向后级负载端的传输和分配，同样的，通过给Q1的控制端G1施加控制信号，即可使主控制单元Q1处于关断状态，从而切断输入功率向后级负载的传输。

综上，本申请实施例的主控制单元的通断开关可以为IGBT，因IGBT不存在开关寿命的问题，可靠性更高，子控制单元控制开关由单向晶闸管组成，因单向晶闸管正反向均可以承受比较高的阻断电压，可以有效的解决直流输入源正负极反接导致的系统工作异常；相比较于相关技术中使用电磁式继电器的方式，大大降低了成本。

根据本申请实施例提出的功率切换控制电路，通过由通断控制开关组成主控制单元，由半导体开关组成第一至第N子控制单元的每个子控制单元，有效解决了相关技术中因采用电磁式继电器出现的在通断瞬间存在拉弧现象，从而导致触点损伤，降低继电器寿命的问题，从而大大提升功率切换控制电路的工作寿命，提高抗瞬间浪涌电流能力，同时采用半导体器件，不仅可以通过对半导体器件的门极施加控制信号实现电路的过压、过流、过温保护功能，而且还可以大大降低成本。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更N个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或N个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，N个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种功率切换控制电路，其特征在于，所述功率切换控制电路用于交直流功率控制系统，其中，所述电路包括：

主控制单元，所述主控制单元由通断控制开关组成，其中，所述主控制单元的输入端与输入源相连；

第一至第N子控制单元，所述第一至第N子控制单元的每个子控制单元均由半导体开关组成，其中，所述每个子控制单元的输入端与所述主控制单元的输出端相连，且所述每个子控制单元的输出端与负载的输入端相连，以在所述主控制单元和所述第一至第N子控制单元均闭合时，为所述负载提供电源，其中，N为正整数。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述主控制单元和所述第一至第N子控制单元均具有控制端，以根据电路的输入信号控制所述主控制单元和/或子控制单元的关断或导通。

3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述输入信号为预设电平信号或者为脉冲宽度调制PWM信号，使得所述主控制单元根据所述预设电平信号或者所述PWM信号生成所述每个子控制单元的控制信号，以控制所述每个子控制单元的导通时间和/或导通频率。

4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述通断控制开关为硅材料或者新型材料制作生成的三极管、IGBT、IGCT、GCT，IEGT、MOSFET和HEMT中的任意一项。

5.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述新型材料包括碳化硅材料、氮化镓材料、氧化镓材料、金刚石材料和石墨烯材料中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述半导体开关为半控器件或者全控器件，所述半控器件或全控器件包括单向晶闸管、双向晶闸管、门极可关断晶闸管、GCT和IGCT中的一种或多种。

7.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述全控器件包括IGBT、IEGT、MOSFET和HEMT中的一种或多种。

8.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，还包括：

用于根据所述负载的功率分配方式确定所述N的分配模块，所述分配模块与所述每个子控制单元相连。

9.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述主控制单元设置有限制元件，以限制电压尖峰在预设范围内。

10.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，还包括：

至少一个信号采集元件，所述至少一个信号采集元件与所述主控制单元串联连接。

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