高频电力电子开关与电磁开关的互补使用
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叙 词: 电磁开关 互补式 高频开关
High Frequency Power Electronic Switch Complemented with the Electromagnetic Switch
L IN Zhoubu Depart ment of Electrical Engineering, Fuzhou U niversity ( 350002)
高频电力电子开关与电磁开 关的互补使用
低压电器( 2000 6)
研究与分析
高频电力电子开关与电磁 开 关 的 互 补 使 用*
林周布 福州大学电气工程系 ( 350002)
摘 要 混合型开关实现商品化要解决高可靠性、低成本及产品最适用原则 3 个技术难题。提出了一种 互补 式开关新技术, 它由两个新电路 构成, 即高频 开关变 换器与 电磁开关 触点状 态无传 感器实 时采样 电路。 由于 以高频处理方式来解决此类工频电 工问题, 较传 统方法 有更多 优点, 因此具 备了解 决上述 难题的 条件。 电路分析与实验验证了这种新技术的可行性。
接通时有很大 浪涌 冲击 电流, 如白 炽灯、电 容 性 负 载、非 线 性 铁 磁电 器等, 由电子开关限流
B
电子开关直接 与之 并联, 受触 头 状态控制, 在触头 接通 后立即 导 通, 导通后 延时 3 ms 再关断
受触头状态 控制, 触 头断开 后延 时 3 ms 再关断
接通时有较大 浪涌 电流、可能 出现 触头振动, 断开时 有高 电压而 产生 电弧, 如 电 抗 器、电 动 机 负 载 等感 性负载
致, 满足了与原电磁开关控制方式以及接线端子、 接线要求完全一致的使用要求。由于采用电子技 术与高频电力电子技术使得组件功耗极小, 工作 电流亦十分小, 使得在励磁电压断开时为供给电 力电子开关电能而要预先储能的问题易于解决, 这就是图 1 中的储能电容器 C2 不需很大容量, 而一般储能电容器的体积较大, 严重制约了组件 的微型化。图 1 中 R 2 为对 C 2 充电限流, 避免对 励磁电路产生不良影响。由图 1 知, CS 全部由电 子元器件构成, 除电力电子开关器件和极少数元 件外, 其他元器件均为小功率且在较低直流电压 下工作, 这就为 CS 组件的集成化奠定了条件, 集 成化将使该组件成本更低、体积更小。因此, 高频 处理方式具备了实现互补式技术商品化的条件。
触头闭合时, 相当于将 N4 绕组的负载, 即电子开 关接入, 造成将电 力电子开关管 短接的过载( 注
环。场控型电力电子开关器件, 如功率场效应管 ( MOSFET ) 驱动 功率 最小, 保 证了 组 件的 微型
意, 不是将 N 4 短接) , 过载的作用使接在 N 3 绕组 上的直流电压降低, 采样该电压就等效于检测触
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低压电器( 2000 6)
以表 1 的控制方式, 对 CS 组件进行严酷条 件下的实验。实验电路如图 3 所示。
高频电力电子开关与电磁开关的互补使用
图 3 实验电 路图
图中 U e 为幅度为 12 V 的矩形波发生器, 用 于对电磁 开关的 励磁供 电和 控制; J 为 JQX15F
继电器, 其参数为: 励磁电压 12 V, 触头 负载为
本文提出一种新方法, 这种新方法的最主要 技术特征在于将工频电工问题放在高频段处理, 毫秒级的电磁开关的不可控开关动态问题放到微 秒级的高频电路中解决。这是以电子化手段把电 磁开关的触头接通或分断的过渡时间分解为高频 时间变量, 再加入自适应控制方法使之完全可控
而得以解决。这样, 不但电磁开关的过渡过程能 被高频电子开关互补控制, 而且电子开关的工作 时间可被控制在最短, 由此解决了上述互补使用 上的缺陷。本项目已获得国家实用新型专利, 专 利号: ZL98 2 27257!X。
图 1 混合型开关中高频电力电子互补式 开关组件核心电路原理图
( 1) 采用廉价的高频直流变换器与场控型电 器等零部件, 在高频变压器上就可以实现对触头
力电子开关器件作为 CS 的核心电路。高频直流 状态的实时快速采样。如图 1 所示, 当电磁开关
变换器为 成本最低的经 改进的 FL YBACK 型变 换器。其中, 高频变压器磁芯为 10 ∀ 6 ∀ 5 小磁
关的工作时间最短。控制电路由电子电路构成, 它对电磁开关的激磁线圈电压及触头状态检测, 自适应地确定电子开关的导通时间长短及电路接
力电子开关器件有最合适的驱动信号。 ( 2) 电磁开关触头状态低成本实时采样新电
通或关断的时序关系, 使得仅在电磁开关吸合接 通或释放断开过渡期间才让电子开关导通, 以保
表 1 电子开关互补工 作方式
工作方式
接通时与电磁开关触头关系 和时序要求
关断时与电磁开关触头关系 和时序要求
适用负载类型
A
电子 开 关 经串 联 一 个小 阻 值 电 阻后与之并联, 电 子开 关也得 到 保护, 受励 磁电压 通断 控制信 号 控制
电子 开关 经 串联 一 个 小 阻值 电 阻后 与 之 并 联, 受 触 头 状 态 控 制, 触 头 断 开 后 电 子 开 关 延 时 3 ms再关断
化。高频开关变换器为电力电子开关器件提供可 头状态( 见图 2) 。触头状态的实时快速检测就为
控的驱动电 压源, 开关变 换器工 作频率 超过 20 kHz, 即可控制的脉冲低于 50 s; 此外它具有工
控制电力电子开关的最佳互补工作奠定了条件。 这意味着在满足互补工作要求下, 可以使电子开
作效率高、体积小、质量轻、强弱电间电气隔离良 好( 使用高频变压器) , 能适应接触器或继电器线 圈工作电压不同条件且能加入稳压功能, 保证电
Key words: electromagnetic switch complementary high frequency switch
Baidu Nhomakorabea1引言
电气工程中典型的一个技术难题是量大面广 的电磁开关的应用缺陷问题。这就是诸如电磁开 关接通或分断负载时, 发生的触头震动、起弧现象 而造成触头蚀损、电磁干扰与电能损失。这不但 限制了其使用范围, 而且使其电气寿命远低于机 械寿命[ 1] 。由半导体电 力电子开关器 件为主构 成的固态电子开关, 虽然具有无触头通断( 亦无电 弧发生) 、操作频次高、动态开关特性优越、抗机械 应力能力强等优点, 但存在导通损耗大, 耐电、热 应力能力差, 大功率时由于使用散热器而体积重 量大, 成本高( 约为电磁开关 10 倍) 等缺陷。因 此, 尽管半导体等电子元器件价格日渐下降, 但由
于上述缺陷仍使其使用受到极大限制。特别是由 于电磁开关在强电上与在稳态工作时的众多优势 加上价格上的突出优势, 在大部分电工领域, 电子 开关目前还无法取代它。对于应用来说, 这两者 是一种相互补充而非相互取代的关系。混合型互 补式开关是在电磁开关基础上, 利用电力电子开 关器件作为无触头开关与电磁开关的触头并联, 电子开关的控制电路 与电磁开关的 励磁线圈并 联, 由电子开关解决开关的动态过程, 电磁开关则 承担稳态开关过程, 构成了两者优势互补。这可 能是一种较佳的很有意义的解决电磁开关缺陷的 方案。国内早在 70 年代末就开展了这方面的研 发工作, 对这种混合型互补式开关进行的实验, 证 明了可取得节银、省材、无弧通断、提高电气寿命
AC 220V( 或 DC 28V ) , 30A, 阻性。电力电子开
关器件 V 6 为 IRF 840, 其参数为: U ( BR) DS= 500V , I DM = 8A , R DS( ON) = 0. 85 。 L 为 T DGC 5 型 5
2 高频处理方式下优化互补新技术
优化实质体现在对附加的互补式开关组件的 低成本、高可靠、自适应工作与微型化四个方面的 要求。我们研制成功的一种高频电力电子互补式 开关新技术的创新在于把工频电工问题以高频方 式来处理。电磁开关时间为 10 ms 数量级, 而高 频电力电子开关时间可为 10 s 数量级。在高频 段处理低频开关暂态问题, 在毫秒级时间段中可 以设置一个微秒级的可控时间变量, 实现对电磁 开关过渡状态的完全响应。以此新方法研发的新 型混合型开关, 其核心高频电力电子互补式开关 组件的电原理图 见图 1。该组件( 简称 CS) 含两 大新技术:
* 本工作受福建省教委 K 99042 项目资助 作 者 林周布, 男, 1952 年生, 1982 年厦门大 学毕业, 高级工程师。
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低压电器( 2000 6)
高频电力电子开关与电磁开关的互补使用
等良好效果[ 2] 。国外将 此方法用于直 流断路器 也取得良好效果[ 3] 。
近年来, 国内外有关此类混合型开关的技术 报道、文 献及专利公告 为数不少[ 4~ 7] , 但 是能实 用化成为商品却几乎没有。其中最主要的原因是 在工频段处理工频电工问题。为了满足混合型开 关中两类不同开关在时序控制上的自适应互补工 作要求, 就得外加一些时序控制手段和器件, 或者 附加一些不合理的要求, 诸如需要更改电磁开关 结构和接线方式等; 因而很多混合型开关技术或 多或少在体积质量、成本费用、使用要求、可靠性 等方面存在严重缺陷。即有优势的技术方案如何 实现商品化问题[ 8] 。
( a) 触头未闭 合时
( b) 触头闭合时
图 2 触头状态采样电路电压波形图 ch1 脉 冲电压 ch2 平均电压
3 实验验证
为使 CS 组件获得最 佳互补效果, 根据优化 原则, 对电磁开关不同的工作条件, 设置 CS 相适
应的工作方式, 既能达到自身防护、工作可靠, 又 能使电子开关的功率容量要求降低, 以使成本最 低。具体工作方式如表 1 所示。
路。该电路特点是不需外接电流互感器、光耦合 证电力电子开关器件有较短的导通时间, 其余时
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高频电力电子开关与电磁开 关的互补使用
低压电器( 2000 6)
间则处于待机节电状态。这一方面降低了电力电
子开关损耗和该组件的功耗, 提高了工作可靠性; 另一方面降低了对电力电子开关器件功率容量与 电流容量( I 2 t ) 的要求。这不但提高了器件的可 靠性, 而且也是降低成本之关键。电力电子开关 的开关容量与 I 2 t 直接相关。对于以 20 ms 定义 开关容量的电力电子开关器件, 当导通时间设定 在 4 ms 时, 其耐浪涌电流能力将提高 1 倍以上。 这意味着可以使用低一个档级的功率器件, 而且 可以不用或只用小散热容量的散热器。此外, 由 图 1 知, 电力电子开关与电磁开关触头并联( 仅对 直流触头负载有按电极性接法的要求) , 控制部分 与电磁开关的励磁线圈并联( 对交流只要增加整 流桥) , 保证了 CS 组件与电磁开关的工作条件一
Abstract: In order to overco me the three tr oubles of the hig h reliability , low cost and the most adaptable w ith products for hybrid switches to be realized in commer cialization, a new technology to hybrid sw itches complementar i ly was presented. It is consisted of tw o cir cuits: the high frequency conver ter and t he electromag netic switch contact state sensing circuit w ithout any sensor. T here are mo re advantages in this technology than in those dealt wit h the problems in commer cial frequency. T he analysis of cir cuits and experimental results show t hat the technolog y is fea sible.
High Frequency Power Electronic Switch Complemented with the Electromagnetic Switch
L IN Zhoubu Depart ment of Electrical Engineering, Fuzhou U niversity ( 350002)
高频电力电子开关与电磁开 关的互补使用
低压电器( 2000 6)
研究与分析
高频电力电子开关与电磁 开 关 的 互 补 使 用*
林周布 福州大学电气工程系 ( 350002)
摘 要 混合型开关实现商品化要解决高可靠性、低成本及产品最适用原则 3 个技术难题。提出了一种 互补 式开关新技术, 它由两个新电路 构成, 即高频 开关变 换器与 电磁开关 触点状 态无传 感器实 时采样 电路。 由于 以高频处理方式来解决此类工频电 工问题, 较传 统方法 有更多 优点, 因此具 备了解 决上述 难题的 条件。 电路分析与实验验证了这种新技术的可行性。
接通时有很大 浪涌 冲击 电流, 如白 炽灯、电 容 性 负 载、非 线 性 铁 磁电 器等, 由电子开关限流
B
电子开关直接 与之 并联, 受触 头 状态控制, 在触头 接通 后立即 导 通, 导通后 延时 3 ms 再关断
受触头状态 控制, 触 头断开 后延 时 3 ms 再关断
接通时有较大 浪涌 电流、可能 出现 触头振动, 断开时 有高 电压而 产生 电弧, 如 电 抗 器、电 动 机 负 载 等感 性负载
致, 满足了与原电磁开关控制方式以及接线端子、 接线要求完全一致的使用要求。由于采用电子技 术与高频电力电子技术使得组件功耗极小, 工作 电流亦十分小, 使得在励磁电压断开时为供给电 力电子开关电能而要预先储能的问题易于解决, 这就是图 1 中的储能电容器 C2 不需很大容量, 而一般储能电容器的体积较大, 严重制约了组件 的微型化。图 1 中 R 2 为对 C 2 充电限流, 避免对 励磁电路产生不良影响。由图 1 知, CS 全部由电 子元器件构成, 除电力电子开关器件和极少数元 件外, 其他元器件均为小功率且在较低直流电压 下工作, 这就为 CS 组件的集成化奠定了条件, 集 成化将使该组件成本更低、体积更小。因此, 高频 处理方式具备了实现互补式技术商品化的条件。
触头闭合时, 相当于将 N4 绕组的负载, 即电子开 关接入, 造成将电 力电子开关管 短接的过载( 注
环。场控型电力电子开关器件, 如功率场效应管 ( MOSFET ) 驱动 功率 最小, 保 证了 组 件的 微型
意, 不是将 N 4 短接) , 过载的作用使接在 N 3 绕组 上的直流电压降低, 采样该电压就等效于检测触
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低压电器( 2000 6)
以表 1 的控制方式, 对 CS 组件进行严酷条 件下的实验。实验电路如图 3 所示。
高频电力电子开关与电磁开关的互补使用
图 3 实验电 路图
图中 U e 为幅度为 12 V 的矩形波发生器, 用 于对电磁 开关的 励磁供 电和 控制; J 为 JQX15F
继电器, 其参数为: 励磁电压 12 V, 触头 负载为
本文提出一种新方法, 这种新方法的最主要 技术特征在于将工频电工问题放在高频段处理, 毫秒级的电磁开关的不可控开关动态问题放到微 秒级的高频电路中解决。这是以电子化手段把电 磁开关的触头接通或分断的过渡时间分解为高频 时间变量, 再加入自适应控制方法使之完全可控
而得以解决。这样, 不但电磁开关的过渡过程能 被高频电子开关互补控制, 而且电子开关的工作 时间可被控制在最短, 由此解决了上述互补使用 上的缺陷。本项目已获得国家实用新型专利, 专 利号: ZL98 2 27257!X。
图 1 混合型开关中高频电力电子互补式 开关组件核心电路原理图
( 1) 采用廉价的高频直流变换器与场控型电 器等零部件, 在高频变压器上就可以实现对触头
力电子开关器件作为 CS 的核心电路。高频直流 状态的实时快速采样。如图 1 所示, 当电磁开关
变换器为 成本最低的经 改进的 FL YBACK 型变 换器。其中, 高频变压器磁芯为 10 ∀ 6 ∀ 5 小磁
关的工作时间最短。控制电路由电子电路构成, 它对电磁开关的激磁线圈电压及触头状态检测, 自适应地确定电子开关的导通时间长短及电路接
力电子开关器件有最合适的驱动信号。 ( 2) 电磁开关触头状态低成本实时采样新电
通或关断的时序关系, 使得仅在电磁开关吸合接 通或释放断开过渡期间才让电子开关导通, 以保
表 1 电子开关互补工 作方式
工作方式
接通时与电磁开关触头关系 和时序要求
关断时与电磁开关触头关系 和时序要求
适用负载类型
A
电子 开 关 经串 联 一 个小 阻 值 电 阻后与之并联, 电 子开 关也得 到 保护, 受励 磁电压 通断 控制信 号 控制
电子 开关 经 串联 一 个 小 阻值 电 阻后 与 之 并 联, 受 触 头 状 态 控 制, 触 头 断 开 后 电 子 开 关 延 时 3 ms再关断
化。高频开关变换器为电力电子开关器件提供可 头状态( 见图 2) 。触头状态的实时快速检测就为
控的驱动电 压源, 开关变 换器工 作频率 超过 20 kHz, 即可控制的脉冲低于 50 s; 此外它具有工
控制电力电子开关的最佳互补工作奠定了条件。 这意味着在满足互补工作要求下, 可以使电子开
作效率高、体积小、质量轻、强弱电间电气隔离良 好( 使用高频变压器) , 能适应接触器或继电器线 圈工作电压不同条件且能加入稳压功能, 保证电
Key words: electromagnetic switch complementary high frequency switch
Baidu Nhomakorabea1引言
电气工程中典型的一个技术难题是量大面广 的电磁开关的应用缺陷问题。这就是诸如电磁开 关接通或分断负载时, 发生的触头震动、起弧现象 而造成触头蚀损、电磁干扰与电能损失。这不但 限制了其使用范围, 而且使其电气寿命远低于机 械寿命[ 1] 。由半导体电 力电子开关器 件为主构 成的固态电子开关, 虽然具有无触头通断( 亦无电 弧发生) 、操作频次高、动态开关特性优越、抗机械 应力能力强等优点, 但存在导通损耗大, 耐电、热 应力能力差, 大功率时由于使用散热器而体积重 量大, 成本高( 约为电磁开关 10 倍) 等缺陷。因 此, 尽管半导体等电子元器件价格日渐下降, 但由
于上述缺陷仍使其使用受到极大限制。特别是由 于电磁开关在强电上与在稳态工作时的众多优势 加上价格上的突出优势, 在大部分电工领域, 电子 开关目前还无法取代它。对于应用来说, 这两者 是一种相互补充而非相互取代的关系。混合型互 补式开关是在电磁开关基础上, 利用电力电子开 关器件作为无触头开关与电磁开关的触头并联, 电子开关的控制电路 与电磁开关的 励磁线圈并 联, 由电子开关解决开关的动态过程, 电磁开关则 承担稳态开关过程, 构成了两者优势互补。这可 能是一种较佳的很有意义的解决电磁开关缺陷的 方案。国内早在 70 年代末就开展了这方面的研 发工作, 对这种混合型互补式开关进行的实验, 证 明了可取得节银、省材、无弧通断、提高电气寿命
AC 220V( 或 DC 28V ) , 30A, 阻性。电力电子开
关器件 V 6 为 IRF 840, 其参数为: U ( BR) DS= 500V , I DM = 8A , R DS( ON) = 0. 85 。 L 为 T DGC 5 型 5
2 高频处理方式下优化互补新技术
优化实质体现在对附加的互补式开关组件的 低成本、高可靠、自适应工作与微型化四个方面的 要求。我们研制成功的一种高频电力电子互补式 开关新技术的创新在于把工频电工问题以高频方 式来处理。电磁开关时间为 10 ms 数量级, 而高 频电力电子开关时间可为 10 s 数量级。在高频 段处理低频开关暂态问题, 在毫秒级时间段中可 以设置一个微秒级的可控时间变量, 实现对电磁 开关过渡状态的完全响应。以此新方法研发的新 型混合型开关, 其核心高频电力电子互补式开关 组件的电原理图 见图 1。该组件( 简称 CS) 含两 大新技术:
* 本工作受福建省教委 K 99042 项目资助 作 者 林周布, 男, 1952 年生, 1982 年厦门大 学毕业, 高级工程师。
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低压电器( 2000 6)
高频电力电子开关与电磁开关的互补使用
等良好效果[ 2] 。国外将 此方法用于直 流断路器 也取得良好效果[ 3] 。
近年来, 国内外有关此类混合型开关的技术 报道、文 献及专利公告 为数不少[ 4~ 7] , 但 是能实 用化成为商品却几乎没有。其中最主要的原因是 在工频段处理工频电工问题。为了满足混合型开 关中两类不同开关在时序控制上的自适应互补工 作要求, 就得外加一些时序控制手段和器件, 或者 附加一些不合理的要求, 诸如需要更改电磁开关 结构和接线方式等; 因而很多混合型开关技术或 多或少在体积质量、成本费用、使用要求、可靠性 等方面存在严重缺陷。即有优势的技术方案如何 实现商品化问题[ 8] 。
( a) 触头未闭 合时
( b) 触头闭合时
图 2 触头状态采样电路电压波形图 ch1 脉 冲电压 ch2 平均电压
3 实验验证
为使 CS 组件获得最 佳互补效果, 根据优化 原则, 对电磁开关不同的工作条件, 设置 CS 相适
应的工作方式, 既能达到自身防护、工作可靠, 又 能使电子开关的功率容量要求降低, 以使成本最 低。具体工作方式如表 1 所示。
路。该电路特点是不需外接电流互感器、光耦合 证电力电子开关器件有较短的导通时间, 其余时
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高频电力电子开关与电磁开 关的互补使用
低压电器( 2000 6)
间则处于待机节电状态。这一方面降低了电力电
子开关损耗和该组件的功耗, 提高了工作可靠性; 另一方面降低了对电力电子开关器件功率容量与 电流容量( I 2 t ) 的要求。这不但提高了器件的可 靠性, 而且也是降低成本之关键。电力电子开关 的开关容量与 I 2 t 直接相关。对于以 20 ms 定义 开关容量的电力电子开关器件, 当导通时间设定 在 4 ms 时, 其耐浪涌电流能力将提高 1 倍以上。 这意味着可以使用低一个档级的功率器件, 而且 可以不用或只用小散热容量的散热器。此外, 由 图 1 知, 电力电子开关与电磁开关触头并联( 仅对 直流触头负载有按电极性接法的要求) , 控制部分 与电磁开关的励磁线圈并联( 对交流只要增加整 流桥) , 保证了 CS 组件与电磁开关的工作条件一
Abstract: In order to overco me the three tr oubles of the hig h reliability , low cost and the most adaptable w ith products for hybrid switches to be realized in commer cialization, a new technology to hybrid sw itches complementar i ly was presented. It is consisted of tw o cir cuits: the high frequency conver ter and t he electromag netic switch contact state sensing circuit w ithout any sensor. T here are mo re advantages in this technology than in those dealt wit h the problems in commer cial frequency. T he analysis of cir cuits and experimental results show t hat the technolog y is fea sible.