一种直流灭弧电路和电器设备的制作方法

1.本技术涉及用于保护开关的灭弧技术领域，尤其涉及直流灭弧电路和电器设备。


背景技术：

2.在电气控制系统中，现在大多数采用机械开关来对负载进行接通分断控制。相比交流电来说，直流电没有零点，其分断电弧大，灭弧的难度较大。传统灭弧方法，如灭弧栅、磁吹、石英砂、压缩空气和真空灭弧等，通过拉长或冷却的方式来减弱电弧，不能实现真正意义的灭弧。这些方法灭弧效果普遍比较差，不仅结构复杂，还容易导致熄灭的电弧重燃，造成机械开关触点及外壳被烧毁，即对于目前市面主流灭弧装置，普遍存在以下问题：
3.1、体积比较大、成本高，无法被广泛应用于生活电器中，较多小体积电器，无法安装大体积、高成机械灭弧装置；
4.2、灭弧效果不稳定，无法实现完全灭弧，还会出现电弧重燃的现象，尤其对于直流电路来说。
5.因此，如何减小灭弧装置的体积且保障灭弧效果，是需要解决的技术问题。


技术实现要素：

6.本技术的目的在于提供一种直流灭弧电路和电器设备，以解决现有技术中如何减小灭弧装置的体积且保障灭弧效果的技术问题。
7.为实现上述目的，本技术实施例采取了如下技术方案。
8.第一方面，本技术实施例提供一种直流灭弧电路，包括机械开关、电子灭弧器件和延时断开模块，延时断开模块包括第一端、第二端和第三端，电子灭弧器件包括第一端、第二端和控制端；
9.机械开关与负载、电源串联形成串联回路，电子灭弧器件的第一端和第二端并联于机械开关的两端；延时断开模块的第一端和第二端连接电源两端，或连接于所述机械开关的两端，所述延时断开模块的第一端的电势高于所述延时断开模块的第二端的电势；延时断开模块的第三端连接电子灭弧器件的控制端。
10.可选地，延时断开模块包括第一电容、第一电阻单元和第二电阻单元；
11.第一电容的第一端与延时断开模块的第一端电连接，第一电容的第二端、第一电阻单元的第一端和第二电阻单元的第一端连接在一起，第一电阻单元的第二端与电子灭弧器件的控制端电连接，第二电阻单元的第二端与延时断开模块的第二端电连接。
12.可选地，延时断开模块包括三极管、第一电容、电子灭弧器件偏置单元、第一偏置电阻和第二偏置电阻；
13.第一电容的第一端与延时断开模块的第一端电连接，第一电容的第二端通过第一偏置电阻与三极管的控制端电连接，第一电容的第二端通过第二偏置电阻与延时断开模块的第二端电连接；三极管的第一端与延时断开模块的第一端电连接，三极管的第二端通过电子灭弧器件偏置单元与电子灭弧器件的控制端电连接。
14.可选地，电子灭弧器件偏置单元包括第三偏置电阻、第四偏置电阻和第五偏置电阻；第三偏置电阻的第一端、第四偏置电阻的第一端和第五偏置电阻的第一端连接在一起，第三偏置电阻的第二端与三极管的第二端电连接，第四偏置电阻的第二端与电子灭弧器件的控制端电连接，第五偏置电阻的第二端与延时断开模块的第二端电连接。
15.可选地，直流灭弧电路还包括第一稳压二极管，第一稳压二极管连接于电子灭弧器件的控制端和第二端之间。
16.可选地，延时断开模块还包括第四端；
17.负载的第一端与电源正极电连接，负载的第二端、机械开关的第一端和电子灭弧器件的第一端连接在一起，机械开关的第二端、电源的负极和电子灭弧器件的第二端连接在一起；
18.延时断开模块的第一端连接电源正极，延时断开模块的第二端连接电源负极，延时断开模块的第四端连接电子灭弧器件的第一端。
19.进一步地，直流灭弧电路还包括降压单元。延时断开模块的第一端连接降压单元的第一端，降压单元的第二端连接电源正极。
20.延时断开模块包括第一三极管、第二三极管、第二电容、第三电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻和第二二极管。
21.第一电阻的第一端、第二电阻的第一端、第三电阻的第一端、降压单元的第一端连接在一起，第一电阻的第二端、第四电阻的第一端、第六电阻的第一端、第一三极管的第一端连接在一起，第四电阻的第二端、第七电阻的第一端、电子灭弧器件的控制端连接在一起，第二电阻的第二端、第二电容的第一端、第九电阻的第一端、第一三极管的控制端连接在一起，第三电阻的第二端、第二电容的第二端、第二三极管的第一端连接在一起，第六电阻的第二端、第二三极管的控制端、第三电容的第二端、第八电阻第一端连接在一起，第二三极管的第二端、第一三极管的第二端、第九电阻的第二端、第八电阻第二端、第七电阻的第二端、电源负极连接在一起，电子灭弧器件的第一端与第二二极管的阴极电连接，第二二极管的阳极与第五电阻的第一端电连接，第五电阻的第二端与第三电容的第一端电连接。
22.可选地，延时断开模块还包括滤波模块，滤波模块包括第二稳压二极管和滤波电容，第二稳压二极管和滤波电容并联之后的一端与延时断开模块的第一端电连接，另一端与延时断开模块的第二端电连接。
23.可选地，电子灭弧器件为mosfet或igbt。
24.第二方面，本技术实施例提供一种电器设备，包括第一方面的直流灭弧电路。
25.相对于现有技术，本技术具有以下有益效果：
26.本技术实施例提供的灭弧电路用在直流电路中，能够有效保护机械开关，防止因电弧导致开关的烧毁，减轻了电力系统短路故障造成的危害。延时断开模块可以通过rc电路实现，具有体积小、成本低、结构简单的优点，可以被广泛应用于空间有限的生活开关电器产品中；通过设计电阻和电容的参数，可以实现高响应速度，解决现有机械灭弧装置不稳定、不完全的缺陷。
附图说明
27.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
28.图1为本技术实施例提供的一种直流灭弧电路示意图；
29.图2为本技术实施例提供的另一种直流灭弧电路示意图；
30.图3为本技术实施例提供的一种延时断开模块包括电容和两个电阻单元的直流灭弧电路示意图；
31.图4为将图3的负载调动位置的直流灭弧电路示意图；
32.图5为本技术实施例提供的一种延时断开模块包括三极管的直流灭弧电路示意图；
33.图6为将图5的负载调动位置的直流灭弧电路示意图；
34.图7为本技术实施例提供的一种延时断开模块包括四端的直流灭弧电路示意图；
35.图8为本技术实施例提供的一种延时断开模块包括两个三极管的直流灭弧电路示意图；
36.图9为将图8的负载调动位置的直流灭弧电路示意图。
具体实施方式
37.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
38.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
39.在本技术的描述中，需要说明的是，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。
40.现有的灭弧装置体积较大，不适用于小体积的电器的直流电路。
41.为了克服以上问题，可参阅图1、图2，本技术实施例提供了一种直流灭弧电路，包括机械开关s1、电子灭弧器件m1和延时断开模块b1，延时断开模块b1包括第一端、第二端和第三端，电子灭弧器件m1包括第一端、第二端和控制端。
42.机械开关s1与负载x1、电源v1串联形成串联回路，电子灭弧器件m1的第一端和第二端并联于机械开关s1的两端。延时断开模块b1的第一端和第二端可以连接电源v1的两端如图1，也可以连接机械开关s1的两端如图2，图中标出了两个点p1、p2，第一点p1的电势高于第二点p2的电势，延时断开模块b1的第一端连接串联回路中的第一点p1，延时断开模块
b1的第二端连接串联回路中的第二点p2，延时断开模块b1的第三端连接电子灭弧器件m1的控制端。电子灭弧器件m1可以为mosfet或igbt，本技术主要以mosfet示例。
43.延时断开模块用于在机械开关断开瞬间使电子灭弧器件导通，然后延时使电子灭弧器件断开。仅延时断开模块和电子灭弧器件两部分即可实现灭弧功能，具有体积小、成本低、结构简单的优点，可以被广泛应用于空间有限的生活开关电器产品中。延时断开模块可以由rc电路实现，通过设计电阻和电容的参数，可以实现高响应速度，解决现有机械灭弧装置不稳定、不完全的缺陷。
44.图3、图4展示了一种延时断开模块b1的示例，包括第一电容c1、第一电阻单元b01和第二电阻单元b02。
45.其连接关系为：第一电容c1的第一端与串联回路中的第一点p1电连接，第一电容c1的第二端、第一电阻单元b01的第一端和第二电阻单元b02的第一端连接在一起，第一电阻单元b01的第二端与电子灭弧器件m1的控制端电连接，第二电阻单元b02的第二端与串联回路中的第二点p2电连接。
46.接下来根据闭合和断开两个过程描述原理。
47.当机械开关s1闭合时，电子灭弧器件m1及其控制端的电路被短路，被短路的部分不工作，电子灭弧器件m1的控制端vgs电压低于导通电压，此时电子灭弧器件m1不导通。
48.当机械开关s1断开时，在断开的瞬间，电路两端电压恢复，c1快速充电，电子灭弧器件m1的控制端电压由0v变为导通电压，电子灭弧器件m1导通，主电路导通由机械开关转换为半导体开关；延时导通一段时间后，电子灭弧器件m1的控制端电压下降，电子灭弧器件m1断开，此时机械开关s1的触点完全断开，达到灭弧的距离，电路都断开，通过从机械开关到半导通体开关的转换断开，达到完全灭弧效果。
49.为了保护电子灭弧器件m1，直流灭弧电路还包括第一稳压二极管dz，第一稳压二极管dz连接于电子灭弧器件m1的控制端和第二端之间，可以防止电子灭弧器件m1的vgs过大。
50.为了更好地保障在机械开关s1断开瞬间让电子灭弧器件m1导通，可以在延时断开模块b1添加三极管，如图5、图6，延时断开模块b1包括三极管q、第一电容c1、电子灭弧器件偏置单元b2、第一偏置电阻r1和第二偏置电阻r2。
51.其连接关系为：第一电容c1的第一端与串联回路中的第一点p1电连接，第一电容c1的第二端通过第一偏置电阻r1与三极管q的控制端电连接，第一电容c1的第二端通过第二偏置电阻r2与串联回路中的第二点p2电连接；三极管q的第一端与串联回路中的第一点p1电连接，三极管q的第二端通过电子灭弧器件偏置单元b2与电子灭弧器件m1的控制端电连接。
52.电子灭弧器件偏置单元b2可以更好地调节电子灭弧器件m1的电压。图5、图6中的电子灭弧器件偏置单元包括第三偏置电阻r3、第四偏置电阻r4和第五偏置电阻r5。第三偏置电阻r3的第一端、第四偏置电阻r4的第一端和第五偏置电阻r5的第一端连接在一起，第三偏置电阻r3的第二端与三极管q的第二端电连接，第四偏置电阻r4的第二端与电子灭弧器件m1的控制端电连接，第五偏置电阻r5的第二端与串联回路中的第二点p2电连接。
53.接下来根据闭合和断开两个过程描述图5、图6的原理。
54.同上述当机械开关s1闭合时的原理，电子灭弧器件m1及其控制端的电路被短路，
被短路的部分不工作，电子灭弧器件m1的控制端vgs电压低于导通电压，此时电子灭弧器件m1不导通。
55.当机械开关s1断开时，在断开的瞬间，电路两端电压恢复，c1快速充电，三极管q导通，可以加快电子灭弧器件m1的控制端电压由0v变为导通电压，电子灭弧器件m1导通，主电路导通由机械开关转换为半导体开关；延时导通一段时间后，电子灭弧器件m1的控制端电压下降，电子灭弧器件m1断开，此时机械开关s1的触点完全断开，达到灭弧的距离，电路都断开，通过从机械开关到半导体开关的转换断开，达到完全灭弧效果。
56.可见，三极管q可以更好地保障在机械开关s1断开瞬间让电子灭弧器件m1导通。
57.为了更精准地调节电子灭弧器件m1导通和断开的时间，可以设置延时断开模块b1的第四端，并添加三极管器件。如图7，负载x1的第一端与电源v1正极电连接，负载x1的第二端、机械开关s1的第一端和电子灭弧器件m1的第一端连接在一起，机械开关s1的第二端、电源v1的负极和电子灭弧器件m1的第二端连接在一起。延时断开模块b1的第一端连接电源v1正极，延时断开模块b1的第二端连接电源v1负极，延时断开模块b1的第四端连接电子灭弧器件m1的第一端。
58.图8、图9展示了延时断开模块b1包括两个三极管的示例。其中，二极管d1和电阻r30组成降压单元b3，延时断开模块b1的第一端连接降压单元b3的第一端，降压单元b3的第二端连接电源v1正极。
59.延时断开模块b1包括第一三极管q1、第二三极管q2、第二电容c2、第三电容c3、第一电阻r31、第二电阻r32、第三电阻r33、第四电阻r34、第五电阻r35、第六电阻r36、第七电阻r37、第八电阻r38、第九电阻r39和第二二极管d2。
60.在延时断开模块b1的第一端和第二端之间，还可以设置滤波模块b4，使延时断开模块b1的第一端和第二端的电压避免过高并稳定，滤波模块b4包括第二稳压二极管d3和滤波电容c4，第二稳压二极管d3和滤波电容c4并联之后的一端与延时断开模块b1的第一端电连接，另一端与延时断开模块b1的第二端电连接。
61.接下来根据闭合和断开两个过程描述图8、图9的原理。
62.当机械开关s1闭合时，电子灭弧器件m1被短路，第一三极管q1的基极由于d1、r30、r32、r39形成回路的电压，第一三极管q1导通。电流经过d1、r30、r31从q1导出而不流经r36、r34、r37，电子灭弧器件m1的控制端电压vgs低于导通电压，电子灭弧器件m1截止。第二三极管q2的基极由于没有电流通过r36、r38形成回路而电压不足，第二三极管q2截止。
63.当机械开关s1断开时，在断开的瞬间，由于c2迅速导通形成d1、r30、r33、c2、r39的回路，q1的基极电压降低，q1由导通变为截止，形成d1、r30、r31、r36、r38、r34、r37的电流，q2的基极因为有电流通过r36、r38形成回路的电压，q2导通，同时电子灭弧器件m1的控制端电压vgs大于导通电压电子灭弧器件m1导通，主电路导通由机械开关转换为半导体开关。一段时间后，q1恢复导通，q2恢复截止，电子灭弧器件m1自行断开，此时机械开关s1的触点完全断开，达到灭弧的距离，电路都断开，通过从机械开关到半导通体开关的转换断开，达到完全灭弧效果。
64.基于上述实施例，本技术实施例还提供一种电器设备，包括上述的直流灭弧电路。
65.总体来说，本技术提出了一种直流灭弧电路和电器设备。机械开关与负载、电源串联形成串联回路，电子灭弧器件的第一端和第二端并联于机械开关的两端，延时断开模块
连接电子灭弧器件的控制端。延时断开模块用于在机械开关断开瞬间使电子灭弧器件导通，然后延时使电子灭弧器件断开。延时断开模块可以由rc电路实现，具有体积小、成本低、结构简单的优点，可以被广泛应用于空间有限的生活开关电器产品中；通过设计电阻和电容的参数，可以实现高响应速度，解决现有机械灭弧装置不稳定、不完全的缺陷。
66.以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
67.上述仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术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技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种直流灭弧电路，其特征在于，包括机械开关(s1)、电子灭弧器件(m1)和延时断开模块(b1)，所述延时断开模块(b1)包括第一端、第二端和第三端，所述电子灭弧器件(m1)包括第一端、第二端和控制端；所述机械开关(s1)与负载(x1)、电源(v1)串联形成串联回路，所述电子灭弧器件(m1)的第一端和第二端并联于所述机械开关(s1)的两端；所述延时断开模块(b1)的第一端和第二端连接于所述电源(v1)两端，或连接于所述机械开关(s1)的两端，所述延时断开模块(b1)的第一端的电势高于所述延时断开模块(b1)的第二端的电势；所述延时断开模块(b1)的第三端连接所述电子灭弧器件(m1)的控制端。2.如权利要求1所述的直流灭弧电路，其特征在于，所述延时断开模块(b1)包括第一电容(c1)、第一电阻单元(b01)和第二电阻单元(b02)；所述第一电容(c1)的第一端与所述延时断开模块(b1)的第一端电连接，所述第一电容(c1)的第二端、所述第一电阻单元(b01)的第一端和所述第二电阻单元(b02)的第一端连接在一起，所述第一电阻单元(b01)的第二端与所述电子灭弧器件(m1)的控制端电连接，所述第二电阻单元(b02)的第二端与延时断开模块(b1)的第二端电连接。3.如权利要求1所述的直流灭弧电路，其特征在于，所述延时断开模块(b1)包括三极管(q)、第一电容(c1)、电子灭弧器件偏置单元(b2)、第一偏置电阻(r1)和第二偏置电阻(r2)；所述第一电容(c1)的第一端与所述延时断开模块(b1)的第一端电连接，所述第一电容(c1)的第二端通过所述第一偏置电阻(r1)与所述三极管(q)的控制端电连接，所述第一电容(c1)的第二端通过所述第二偏置电阻(r2)与所述延时断开模块(b1)的第二端电连接；所述三极管(q)的第一端与所述延时断开模块(b1)的第一端电连接，所述三极管(q)的第二端通过所述电子灭弧器件偏置单元(b2)与所述电子灭弧器件(m1)的控制端电连接。4.如权利要求3所述的直流灭弧电路，其特征在于，所述电子灭弧器件偏置单元(b2)包括第三偏置电阻(r3)、第四偏置电阻(r4)和第五偏置电阻(r5)；所述第三偏置电阻(r3)的第一端、所述第四偏置电阻(r4)的第一端和所述第五偏置电阻(r5)的第一端连接在一起，所述第三偏置电阻(r3)的第二端与所述三极管(q)的第二端电连接，所述第四偏置电阻(r4)的第二端与所述电子灭弧器件(m1)的控制端电连接，所述第五偏置电阻(r5)的第二端与所述延时断开模块(b1)的第二端电连接。5.如权利要求1-4任一项所述的直流灭弧电路，其特征在于，所述直流灭弧电路还包括第一稳压二极管(dz)，所述第一稳压二极管(dz)连接于所述电子灭弧器件(m1)的控制端和第二端之间。6.如权利要求1所述的直流灭弧电路，其特征在于，所述延时断开模块(b1)还包括第四端；所述负载(x1)的第一端与所述电源(v1)正极电连接，所述负载(x1)的第二端、所述机械开关(s1)的第一端和所述电子灭弧器件(m1)的第一端连接在一起，所述机械开关(s1)的第二端、所述电源(v1)的负极和所述电子灭弧器件(m1)的第二端连接在一起；所述延时断开模块(b1)的第一端连接所述电源(v1)正极，所述延时断开模块(b1)的第二端连接所述电源(v1)负极，所述延时断开模块(b1)的第四端连接所述电子灭弧器件(m1)的第一端。7.如权利要求6所述的直流灭弧电路，其特征在于，所述直流灭弧电路还包括降压单元
(b3)；所述延时断开模块(b1)的第一端连接所述降压单元(b3)的第一端，所述降压单元(b3)的第二端连接所述电源(v1)正极；所述延时断开模块(b1)包括第一三极管(q1)、第二三极管(q2)、第二电容(c2)、第三电容(c3)、第一电阻(r31)、第二电阻(r32)、第三电阻(r33)、第四电阻(r34)、第五电阻(r35)、第六电阻(r36)、第七电阻(r37)、第八电阻(r38)、第九电阻(r39)和第二二极管(d2)；所述第一电阻(r31)的第一端、所述第二电阻(r32)的第一端、所述第三电阻(r33)的第一端、所述降压单元(b3)的第一端连接在一起，所述第一电阻(r31)的第二端、所述第四电阻(r34)的第一端、所述第六电阻(r36)的第一端、所述第一三极管(q1)的第一端连接在一起，所述第四电阻(r34)的第二端、所述第七电阻(r37)的第一端、所述电子灭弧器件(m1)的控制端连接在一起，所述第二电阻(r32)的第二端、所述第二电容(c2)的第一端、所述第九电阻(r39)的第一端、所述第一三极管(q1)的控制端连接在一起，所述第三电阻(r33)的第二端、所述第二电容(c2)的第二端、所述第二三极管(q2)的第一端连接在一起，所述第六电阻(r36)的第二端、所述第二三极管(q2)的控制端、所述第三电容(c3)的第二端、所述第八电阻(r38)第一端连接在一起，所述第二三极管(q2)的第二端、所述第一三极管(q1)的第二端、所述第九电阻(r39)的第二端、所述第八电阻(r38)第二端、所述第七电阻(r37)的第二端、所述电源(v1)负极连接在一起，所述电子灭弧器件(m1)的第一端与所述第二二极管(d2)的阴极电连接，所述第二二极管(d2)的阳极与所述第五电阻(r35)的第一端电连接，所述第五电阻(r35)的第二端与所述第三电容(c3)的第一端电连接。8.如权利要求7所述的直流灭弧电路，其特征在于，所述延时断开模块(b1)还包括滤波模块(b4)，所述滤波模块(b4)包括第二稳压二极管(d3)和滤波电容(c4)，所述第二稳压二极管(d3)和所述滤波电容(c4)并联之后的一端与所述延时断开模块(b1)的第一端电连接，另一端与所述延时断开模块(b1)的第二端电连接。9.如权利要求1所述的直流灭弧电路，其特征在于，所述电子灭弧器件(m1)为mosfet或igbt。10.一种电器设备，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的直流灭弧电路。

技术总结
本申请实施例提供一种直流灭弧电路和电器设备，涉及用于保护开关的灭弧技术领域。机械开关与负载、电源串联形成串联回路，电子灭弧器件的第一端和第二端并联于机械开关的两端，延时断开模块连接电子灭弧器件的控制端。延时断开模块用于在机械开关断开瞬间使电子灭弧器件导通，然后延时使电子灭弧器件断开。延时断开模块可以由RC电路实现，具有体积小、成本低、结构简单的优点，可以被广泛应用于空间有限的生活开关电器产品中；通过设计电阻和电容的参数，可以实现高响应速度，解决现有机械灭弧装置不稳定、不完全的缺陷。不完全的缺陷。不完全的缺陷。


技术研发人员：张庆 黄嘉超 施国晨
受保护的技术使用者：公牛集团股份有限公司
技术研发日：2023.01.16
技术公布日：2023/7/17