一种电源切换开关装置论文和设计

全文摘要

本实用新型实施例公开一种电源切换开关装置，包括：切换控制器、负载、第一电源、第二电源、第一切换单元和第二切换单元；所述第一切换单元包括：第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一驱动电路和第一全控型器件；所述第二切换单元包括：第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第二驱动电路和第二全控型器件。本实用新型实施例的电源切换开关装置，切换时间小于10μs，可实现电源之间的无缝隙切换，保证负载的安全稳定运行，并且成本较低。

主设计要求

1.一种电源切换开关装置，其特征在于，包括：切换控制器、负载、第一电源、第二电源、第一切换单元和第二切换单元；其中，所述第一切换单元包括：第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一驱动电路和第一全控型器件，所述第一二极管的正极与所述第三二极管的负极电连接，所述第一二极管的负极与所述第二二极管的负极电连接，所述第二二极管的正极与所述第四二极管的负极电连接，所述第三二极管的正极与所述第四二极管的正极电连接，所述第一全控型器件的第一极分别与所述第一二极管的负极和所述第二二极管的负极电连接，所述第一全控型器件的第二极分别与所述第三二极管的正极和所述第四二极管的正极电连接，所述第一全控型器件的第三极与所述第一驱动电路的一端电连接；所述第二切换单元包括：第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第二驱动电路和第二全控型器件，所述第五二极管的正极与所述第七二极管的负极电连接，所述第五二极管的负极与所述第六二极管的负极电连接，所述第六二极管的正极与所述第八二极管的负极电连接，所述第七二极管的正极与所述第八二极管的正极电连接，所述第二全控型器件的第一极分别与所述第五二极管的负极和所述第六二极管的负极电连接，所述第二全控型器件的第二极分别与所述第七二极管的正极和所述第八二极管的正极电连接，所述第二全控型器件的第三极与所述第二驱动电路的一端电连接；所述切换控制器分别与所述第一驱动电路的另一端和所述第二驱动电路的另一端电连接；所述第一电源分别与所述第一二极管的正极和所述第三二极管的负极电连接；所述第二电源分别与所述第五二极管的正极和所述第七二极管的负极电连接；所述负载分别与所述第二二极管的正极、所述第四二极管的负极、所述第六二极管的正极和所述第八二极管的负极电连接。

设计方案

1.一种电源切换开关装置，其特征在于，包括：切换控制器、负载、第一电源、第二电源、第一切换单元和第二切换单元；

其中，所述第一切换单元包括：第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一驱动电路和第一全控型器件，所述第一二极管的正极与所述第三二极管的负极电连接，所述第一二极管的负极与所述第二二极管的负极电连接，所述第二二极管的正极与所述第四二极管的负极电连接，所述第三二极管的正极与所述第四二极管的正极电连接，所述第一全控型器件的第一极分别与所述第一二极管的负极和所述第二二极管的负极电连接，所述第一全控型器件的第二极分别与所述第三二极管的正极和所述第四二极管的正极电连接，所述第一全控型器件的第三极与所述第一驱动电路的一端电连接；

所述第二切换单元包括：第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第二驱动电路和第二全控型器件，所述第五二极管的正极与所述第七二极管的负极电连接，所述第五二极管的负极与所述第六二极管的负极电连接，所述第六二极管的正极与所述第八二极管的负极电连接，所述第七二极管的正极与所述第八二极管的正极电连接，所述第二全控型器件的第一极分别与所述第五二极管的负极和所述第六二极管的负极电连接，所述第二全控型器件的第二极分别与所述第七二极管的正极和所述第八二极管的正极电连接，所述第二全控型器件的第三极与所述第二驱动电路的一端电连接；

所述切换控制器分别与所述第一驱动电路的另一端和所述第二驱动电路的另一端电连接；

所述第一电源分别与所述第一二极管的正极和所述第三二极管的负极电连接；

所述第二电源分别与所述第五二极管的正极和所述第七二极管的负极电连接；

所述负载分别与所述第二二极管的正极、所述第四二极管的负极、所述第六二极管的正极和所述第八二极管的负极电连接。

2.根据权利要求1所述的电源切换开关装置，其特征在于：所述第一全控型器件为第一门极可关断晶闸管，所述第二全控型器件为第二门极可关断晶闸管；

其中，所述第一门极可关断晶闸管的阳极分别与所述第一二极管的负极和所述第二二极管的负极电连接，所述第一门极可关断晶闸管的阴极分别与所述第三二极管的正极和所述第四二极管的正极电连接，所述第一门极可关断晶闸管的门极与所述第一驱动电路的一端电连接；

所述第二门极可关断晶闸管的阳极分别与所述第五二极管的负极和所述第六二极管的负极电连接，所述第二门极可关断晶闸管的阴极分别与所述第七二极管的正极和所述第八二极管的正极电连接，所述第二门极可关断晶闸管的门极与所述第二驱动电路的一端电连接。

3.根据权利要求1所述的电源切换开关装置，其特征在于：所述第一全控型器件为第一电力场效应晶体管，所述第二全控型器件为第二电力场效应晶体管；

其中，所述第一电力场效应晶体管的漏极分别与所述第一二极管的负极和所述第二二极管的负极电连接，所述第一电力场效应晶体管的源极分别与所述第三二极管的正极和所述第四二极管的正极电连接，所述第一电力场效应晶体管的栅极与所述第一驱动电路的一端电连接；

所述第二电力场效应晶体管的漏极分别与所述第五二极管的负极和所述第六二极管的负极电连接，所述第二电力场效应晶体管的源极分别与所述第七二极管的正极和所述第八二极管的正极电连接，所述第二电力场效应晶体管的栅极与所述第二驱动电路的一端电连接。

4.根据权利要求1所述的电源切换开关装置，其特征在于：所述第一全控型器件为第一绝缘栅双极晶体管，所述第二全控型器件为第二绝缘栅双极晶体管；

其中，所述第一绝缘栅双极晶体管的集电极分别与所述第一二极管的负极和所述第二二极管的负极电连接，所述第一绝缘栅双极晶体管的发射极分别与所述第三二极管的正极和所述第四二极管的正极电连接，所述第一绝缘栅双极晶体管的栅极与所述第一驱动电路的一端电连接；

所述第二绝缘栅双极晶体管的集电极分别与所述第五二极管的负极和所述第六二极管的负极电连接，所述第二绝缘栅双极晶体管的发射极分别与所述第七二极管的正极和所述第八二极管的正极电连接，所述第二绝缘栅双极晶体管的栅极与所述第二驱动电路的一端电连接。

5.根据权利要求1所述的电源切换开关装置，其特征在于：所述切换控制器与所述负载电连接。

6.根据权利要求1所述的电源切换开关装置，其特征在于：所述切换控制器分别与所述第一电源和所述第二电源电连接。

7.根据权利要求1所述的电源切换开关装置，其特征在于，还包括：显示器，所述显示器与所述切换控制器电连接。

8.根据权利要求1所述的电源切换开关装置，其特征在于：所述切换控制器设置有通讯接口。

9.根据权利要求1所述的电源切换开关装置，其特征在于：所述切换控制器设置有IO接口。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及开关技术领域，尤其涉及一种电源切换开关装置。

背景技术

现有的快速切换开关技术大多为采用机械结构实现切换的技术。这种切换技术均存在切换时间长，无法完全实现无缝隙切换的问题。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种电源切换开关装置，以解决现有技术的电源切换开关装置切换时间长的问题。

本实用新型实施例提供一种电源切换开关装置，包括：切换控制器、负载、第一电源、第二电源、第一切换单元和第二切换单元；其中，所述第一切换单元包括：第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一驱动电路和第一全控型器件，所述第一二极管的正极与所述第三二极管的负极电连接，所述第一二极管的负极与所述第二二极管的负极电连接，所述第二二极管的正极与所述第四二极管的负极电连接，所述第三二极管的正极与所述第四二极管的正极电连接，所述第一全控型器件的第一极分别与所述第一二极管的负极和所述第二二极管的负极电连接，所述第一全控型器件的第二极分别与所述第三二极管的正极和所述第四二极管的正极电连接，所述第一全控型器件的第三极与所述第一驱动电路的一端电连接；所述第二切换单元包括：第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第二驱动电路和第二全控型器件，所述第五二极管的正极与所述第七二极管的负极电连接，所述第五二极管的负极与所述第六二极管的负极电连接，所述第六二极管的正极与所述第八二极管的负极电连接，所述第七二极管的正极与所述第八二极管的正极电连接，所述第二全控型器件的第一极分别与所述第五二极管的负极和所述第六二极管的负极电连接，所述第二全控型器件的第二极分别与所述第七二极管的正极和所述第八二极管的正极电连接，所述第二全控型器件的第三极与所述第二驱动电路的一端电连接；所述切换控制器分别与所述第一驱动电路的另一端和所述第二驱动电路的另一端电连接；所述第一电源分别与所述第一二极管的正极和所述第三二极管的负极电连接；所述第二电源分别与所述第五二极管的正极和所述第七二极管的负极电连接；所述负载分别与所述第二二极管的正极、所述第四二极管的负极、所述第六二极管的正极和所述第八二极管的负极电连接。

进一步：所述第一全控型器件为第一门极可关断晶闸管，所述第二全控型器件为第二门极可关断晶闸管；其中，所述第一门极可关断晶闸管的阳极分别与所述第一二极管的负极和所述第二二极管的负极电连接，所述第一门极可关断晶闸管的阴极分别与所述第三二极管的正极和所述第四二极管的正极电连接，所述第一门极可关断晶闸管的门极与所述第一驱动电路的一端电连接；所述第二门极可关断晶闸管的阳极分别与所述第五二极管的负极和所述第六二极管的负极电连接，所述第二门极可关断晶闸管的阴极分别与所述第七二极管的正极和所述第八二极管的正极电连接，所述第二门极可关断晶闸管的门极与所述第二驱动电路的一端电连接。

进一步：所述第一全控型器件为第一电力场效应晶体管，所述第二全控型器件为第二电力场效应晶体管；其中，所述第一电力场效应晶体管的漏极分别与所述第一二极管的负极和所述第二二极管的负极电连接，所述第一电力场效应晶体管的源极分别与所述第三二极管的正极和所述第四二极管的正极电连接，所述第一电力场效应晶体管的栅极与所述第一驱动电路的一端电连接；所述第二电力场效应晶体管的漏极分别与所述第五二极管的负极和所述第六二极管的负极电连接，所述第二电力场效应晶体管的源极分别与所述第七二极管的正极和所述第八二极管的正极电连接，所述第二电力场效应晶体管的栅极与所述第二驱动电路的一端电连接。

进一步：所述第一全控型器件为第一绝缘栅双极晶体管，所述第二全控型器件为第二绝缘栅双极晶体管；其中，所述第一绝缘栅双极晶体管的集电极分别与所述第一二极管的负极和所述第二二极管的负极电连接，所述第一绝缘栅双极晶体管的发射极分别与所述第三二极管的正极和所述第四二极管的正极电连接，所述第一绝缘栅双极晶体管的栅极与所述第一驱动电路的一端电连接；所述第二绝缘栅双极晶体管的集电极分别与所述第五二极管的负极和所述第六二极管的负极电连接，所述第二绝缘栅双极晶体管的发射极分别与所述第七二极管的正极和所述第八二极管的正极电连接，所述第二绝缘栅双极晶体管的栅极与所述第二驱动电路的一端电连接。

进一步：所述切换控制器与所述负载电连接。

进一步：所述切换控制器分别与所述第一电源和所述第二电源电连接。

进一步，还包括：显示器，所述显示器与所述切换控制器电连接。

进一步：所述切换控制器设置有通讯接口。

进一步：所述切换控制器设置有IO接口。

本实用新型实施例的电源切换开关装置，切换时间小于10μs，可实现电源之间的无缝隙切换，保证负载的安全稳定运行，并且成本较低。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例的电源切换开关装置的电路示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获取的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例公开一种电源切换开关装置，用于在两个电源之间进行切换，以使其中一个电源导通对负载进行供电。该电源切换开关装置可以应用于交流供电场所，也可以应用于直流供电场所，例如，可以应用于微电网系统、储能系统、供配电系统等等。具体的，如图1所示，该电源切换开关装置包括：切换控制器S、负载R、第一电源P1、第二电源P2、第一切换单元和第二切换单元。应当理解的是，本实用新型所述的“第一”、“第二”、……，仅用于区分，并无实际意义。

第一切换单元包括：第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一驱动电路C1和第一全控型器件T1。第一二极管D1的正极与第三二极管D3的负极电连接，第一二极管D1的负极与第二二极管D2的负极电连接。第二二极管D2的正极与第四二极管D4的负极电连接。第三二极管D3的正极与第四二极管D4的正极电连接。第一全控型器件T1的第一极分别与第一二极管D1的负极和第二二极管D2的负极电连接。第一全控型器件T1的第二极分别与第三二极管D3的正极和第四二极管D4的正极电连接。第一全控型器件T1的第三极与第一驱动电路C1的一端电连接。

第二切换单元包括：第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8、第二驱动电路C2和第二全控型器件T2。第五二极管D5的正极与第七二极管D7的负极电连接，第五二极管D5的负极与第六二极管D6的负极电连接。第六二极管D6的正极与第八二极管D8的负极电连接。第七二极管D7的正极与第八二极管D8的正极电连接。第二全控型器件T2的第一极分别与第五二极管D5的负极和第六二极管D6的负极电连接。第二全控型器件T2的第二极分别与第七二极管D7的正极和第八二极管D8的正极电连接。第二全控型器件T2的第三极与第二驱动电路C2的一端电连接。

切换控制器S分别与第一驱动电路C1的另一端和第二驱动电路C2的另一端电连接。切换控制器S用于向第一驱动电路C1和第二驱动电路C2发出驱动信号，使第一全控型器件T1和第二全控型器件T2根据驱动信号导通或者关断。具体的，切换控制器S可以采用32位ARM芯片STM32F103。

第一电源P1分别与第一二极管D1的正极和第三二极管D3的负极电连接。

第二电源P2分别与第五二极管D5的正极和第七二极管D7的负极电连接。

一般的，第一电源P1和第二电源P2中的任意一个为常用电源，另一个为备用电源。

负载R分别与第二二极管D2的正极、第四二极管D4的负极、第六二极管D6的正极和第八二极管D8的负极电连接。

本实用新型的电源切换开关装置，利用二极管的反向截止和正向导通特性以及全控型器件的可关断性，通过控制全控型器件的开通和关断即可实现电路的开通和关断，从而通过控制第一切换单元和第二切换单元的开通关断时序，即可实现电源的快速切换，以使导通的电源对负载R进行供电。

具体的，以第一电源P1为常用电源，第二电源P2为备用电源为例。例如，第一电源P1和第二电源P2均为交流供电。当第一电源P1和第二电源P2均正常时，应是第一电源P1向负载R供电，此时，切换控制器S通过第一驱动电路C1向第一全控型器件T1输入第一全控型器件T1导通的驱动信号，使第一切换单元处于导通的状态，第一电源P1向负载R供电；同时，通过第二驱动电路C2向第二全控型器件T2输入第二全控型器件T2关断的驱动信号，使第二切换单元处于关断的状态，第二电源P2不会向负载R供电。该状态下，在交流电正半周时，电流从第一二极管D1的正极流出，依次经过第一二极管D1、第一全控型器件T1和第四二极管D4，流入到负载R；在交流电负半周时，电流从负载R流出，依次经过第二二极管D2、第一全控型器件T1和第三二极管D3，流入到第一电源P1。

当第一电源P1出现故障需要启用第二电源P2供电，或者，出现其他需要由第一电源P1变为第二电源P2供电的情况时，切换控制器S先通过第一驱动电路C1向第一全控型器件T1输入第一全控型器件T1关断的驱动信号，使第一切换单元处于关断的状态，第一电源P1不会向负载R供电，然后通过第二驱动电路C2向第二全控型器件T2输入第二全控型器件T2导通的驱动信号，使第二切换单元处于导通的状态，第二电源P2向负载R供电，完成第一电源P1到第二电源P2的切换。

当第一全控型器件T1处于关断的状态，在交流电正半周时，由于第二二极管D2和第三二极管D3的反向截止特性，电流无法由第一电源P1流入负载R；在交流电负半周时，由于第一二极管D1和第四二极管D4的反向截止特性，电流无法由负载R流入第一电源P1。整个第一切换单元处于断开的状态。

当第二全控型器件T2处于导通的状态，在交流电正半周时，电流从第五二极管D5的正极流出，依次经过第五二极管D5、第二全控型器件T2和第八二极管D8，流入到负载R；在交流电负半周时，电流从负载R流出，依次经过第六二极管D6、第二全控型器件T2和第七二极管D7，流入到第二电源P2。

基于上述的切换原理，本实用新型实施例的电源切换开关装置可使开关的切换时间小于10μs，实现两个电源的快速无缝切换。

优选的，第一全控型器件T1和第二全控型器件T2可以是如下的任意一种：门极可关断晶闸管(GTO)，电力场效应晶体管(MOSFET)，绝缘栅双极晶体管(IGBT)。

具体的，在本实用新型一优选的实施例中，第一全控型器件T1为第一门极可关断晶闸管，第二全控型器件T2为第二门极可关断晶闸管。其中，第一门极可关断晶闸管的阳极分别与第一二极管D1的负极和第二二极管D2的负极电连接，第一门极可关断晶闸管的阴极分别与第三二极管D3的正极和第四二极管D4的正极电连接，第一门极可关断晶闸管的门极与第一驱动电路C1的一端电连接。第二门极可关断晶闸管的阳极分别与第五二极管D5的负极和第六二极管D6的负极电连接，第二门极可关断晶闸管的阴极分别与第七二极管D7的正极和第八二极管D8的正极电连接，第二门极可关断晶闸管的门极与第二驱动电路C2的一端电连接。

具体的，在本实用新型另一优选的实施例中，第一全控型器件T1为第一电力场效应晶体管，第二全控形器件T2为第二电力场效应晶体管。其中，第一电力场效应晶体管的漏极分别与第一二极管D1的负极和第二二极管D2的负极电连接，第一电力场效应晶体管的源极分别与第三二极管D3的正极和第四二极管D4的正极电连接，第一电力场效应晶体管的栅极与第一驱动电路C1的一端电连接。第二电力场效应晶体管的漏极分别与第五二极管D5的负极和第六二极管D6的负极电连接，第二电力场效应晶体管的源极分别与第七二极管D7的正极和第八二极管D8的正极电连接，第二电力场效应晶体管的栅极与第二驱动电路C2的一端电连接。

具体的，在本实用新型又一优选的实施例中，第一全控型器件T1为第一绝缘栅双极晶体管，第二全控型器件T2为第二绝缘栅双极晶体管。其中，第一绝缘栅双极晶体管的集电极分别与第一二极管D1的负极和第二二极管D2的负极电连接，第一绝缘栅双极晶体管的发射极分别与第三二极管D3的正极和第四二极管D4的正极电连接，第一绝缘栅双极晶体管的栅极与第一驱动电路C1的一端电连接。第二绝缘栅双极晶体管的集电极分别与第五二极管D5的负极和第六二极管D6的负极电连接，第二绝缘栅双极晶体管的发射极分别与第七二极管D7的正极和第八二极管D8的正极电连接，第二绝缘栅双极晶体管的栅极与第二驱动电路C2的一端电连接。

优选的，切换控制器S与负载R电连接，可以对流经负载R的电流进行采样，若检测到负载R的电流出现过流、短路等情况时，控制第一全控型器件T1和第二全控型器件T2断开，停止为负载R供电，避免产生危险。

优选的，切换控制器S分别与第一电源P1和第二电源P2电连接。切换控制器S可以采集第一电源P1和第二电源P2的电压，从而可以判断第一电源P1和第二电源P2是否出现故障，以便及时将故障的电源对应的切换单元断开，将未故障的电源对应的切换单元导通，完成两个电源的切换。此外，当两个电源均出现故障时，切换控制器S可自动控制两个切换单元均断开，停止为负载R供电。

优选的，该电源切换开关装置还包括：显示器。显示器与切换控制器S电连接。具体的，显示器可通过串口、SPI等方式与切换控制器S进行通讯，其可显示第一电源P1和第二电源P2的电压、第一切换单元和第二切换单元的状态及故障信息等，以便用户查看。此外，用户还可以通过显示器进行参数的设置，以使切换控制器S按照设置的参数进行相应的控制。

优选的，切换控制器S设置有通讯接口。该通讯接口用于与外部设备通讯，使得切换控制器S可发送切换开关的工作状态到外部设备，切换控制器S也可接收外部设备的控制命令。具体的，通讯接口可以采用RS485、RS232等通讯方式。通讯协议为标准Modbus通讯协议。

优选的，切换控制器S设置有IO(输入\/输出，Input\/Output)接口。切换控制器S通过IO接口可以接收外部设备的控制命令，完成两个电源的切换。具体的，IO接口用于数字信号的输入和输出。

优选的，该电源切换开关装置具有两种工作模式：手动切换模式和自动切换模式。其中，手动切换模式下，可通过上述的显示器向切换控制器S输入切换控制信号，或者，通过上述的通讯接口或IO接口输入外部设备发送的切换控制信号，实现两个电源的切换。自动切换模式下，当切换控制器S通过电压差分检测到正在供电的电源出现故障时，可自动控制出现故障的电源的切换单元断开，另一切换单元导通，实现两个电源的切换。

综上，本实用新型实施例的电源切换开关装置，切换时间小于10μs，可实现电源之间的无缝隙切换，保证负载R的安全稳定运行，并且成本较低。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

设计图

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