技术领域
[0001] 本
发明涉及一种
开关关断能量回收方法及电路，特别涉及固态
断路器的关断能量回收方法及电路。
背景技术
[0002] 固态断路器在关断过程中，在
电压和
电流的交叠区会产生损耗。一个比较简单的降低关断损耗的方法，就是给开关并联一个电容，通过电容降低开关关断过程中的电压上升速度，降
低电压和电流的交叠区域，从而降低关断损耗。这方法虽然能降低关断时的损耗，但储存在电容里的能量在开关导通时会损耗在开关上，增加开通损耗。关断能量全部转
化成热能，导致开关
温度升高。
[0003] 所以，目前不对称半桥反激电路，存在以下问题：
[0004] (1)开关关断损耗大；
[0005] (2)关断能量全部转化成热能，导致开关温度升高。
发明内容
[0006] 有鉴于此，本发明要解决的技术问题之一是克服现有方法的不足，提供一种关断能量回收的方法，将开关关断过程的能量储存起来，减小开关关断损耗，并将存储的能量返回到外部供电端，提高整个系统的效率，同时，添加的模
块在开关关断后会逐步停止工作，不影响关断后的稳态过程。对应地，本发明要解决的技术问题之二是提供一种开关关断能量回收电路。
[0007] 本发明解决上述技术问题的方法发明构思如下：
[0008] 一种开关的关断能量回收方法，利用储能环节存储开关关断的能量，并采用能量反馈环节将储能环节的能量返回到外部供电端，同时加入稳态隔离环节，使得添加的关断能量回收模块在开关断开后逐步切断与开关的并联关系。
[0009] 对应地，本发明解决上述技术问题的产品发明构思如下：
[0010] 一种开关的关断能量回收电路，利用电容存储开关关断的能量，并采用
开关电源将储能环节的能量返回到外部供电端，同时加入电容进行隔离，使得添加的关断能量回收模块在开关断开后逐步切断与开关的并联关系。
[0011] 具体地，本发明提供一种关断能量回收电路，适用于开关的关断能量回收控制，包括电容C1、电容C2和AC-DC变换器，AC-DC变换器包括
整流桥B1和反激电路，反激电路包括
变压器T1、变压器T1的原边绕组所形成的原边电路及变压器T1的副边绕组所形成的副边电路；其中，电容C1的一端引出作为关断能量回收电路的第一输入端，用于与开关的一端连接；电容C1的另一端与电容C2的一端连接，电容C2的另一端引出作为关断能量回收电路的第二输入端，用于与开关的另一端连接；电容C2的一端还与整流桥B1的一个交流输入端连接，电容C2的另一端还与整流桥B1的另一个交流输入端连接；整流桥B1的直流输出端连接反激电路的原边电路，反激电路的副边电路的输出端引出作为关断能量回收电路的输出端，用于连接外部供电端。
[0012] 优选地，所述反激电路的原边电路还包括开关G1，副边电路还包括
二极管D2；其中，整流桥B1的直流输出正端还与变压器T1原边绕组的异名端连接，变压器T1原边绕组的同名端与开关G1的漏极连接，开关G1的源极与整流桥B1的直流输出负端连接；变压器T1副边绕组的同名端与二极管D2的
阳极连接，二极管D2的
阴极引出作为关断能量回收电路的第一输出端，用于与外部供电端的正极连接；变压器T1副边绕组的异名端引出作为关断能量回收电路的第二输出端，用于与外部供电端的负极连接。
[0013] 优选地，所述反激电路的原边电路还包括电容C3，电容C3的正极与整流桥B1的直流输出正端连接，电容C3的负极与整流桥B1的直流输出负端连接。
[0014] 优选地，所述电容C2选用具有
压电效应的电容，即随着电压上升，电容容量下降的电容。
[0015] 本发明还提供一种关断能量回收电路，适用于开关的关断能量回收控制，包括储能模块、稳态隔离模块和能量反馈模块，稳态隔离模块与储能模块
串联后形成串联支路，串联支路的两端引出作为关断能量回收电路的输入端，用于与开关并联；能量反馈模块的输入端与储能模块并联，能量反馈模块的输出端引出作为关断能量回收电路的输出端，用于与外部供电端并联。
[0016] 优选地，所述稳态隔离模块，由电容C1构成；储能模块由电容C2构成；能量反馈模块，由AC-DC变换器构成，AC-DC变换器包括整流桥B1和反激电路，反激电路包括变压器T1、变压器T1的原边绕组所形成的原边电路及变压器T1的副边绕组所形成的副边电路；其中，电容C1的一端引出作为关断能量回收电路的第一输入端，用于与开关的一端连接；电容C1的另一端与电容C2的一端连接，电容C2的另一端引出作为关断能量回收电路的第二输入端，用于与开关的另一端连接；电容C2的一端还与整流桥B1的一个交流输入端连接，电容C2的另一端还与整流桥B1的另一个交流输入端连接；整流桥B1的直流输出端还连接反激电路的原边电路，反激电路的副边电路的输出端引出作为关断能量回收电路的输出端，用于连接外部供电端。
[0017] 就方法主题而言，本发明提供一种关断能量回收方法，适用于开关的关断能量回收控制，包括如下步骤，储能步骤，当开关S1断开时，开关S1上的关断电流分流到与开关S1并联的由电容C1和电容C2构成的串联支路，电容C1和电容C2对关断能量进行储能；能量反馈步骤，部分关断能量的回馈步骤，在开关S1断开后，电容C2的能量通过AC-DC变换器的反激电路由原边电路传递至副边电路，用以将部分关断能量回馈至外部供电端，直至反激电路停止工作；在反激电路停止工作之后，电容C1隔断关断能量回收电路与开关S1的并联关系；剩余关断能量的回馈步骤，在开关S1合上后，电容C1和电容C2的能量通过AC-DC变换器的反激电路由原边电路传递至副边电路，用以将剩余关断能量回馈至外部供电端。
[0018] 优选地，所述剩余关断能量的回馈步骤，当开关S1合上时，电容C1和电容C2为并联关系，电容C1和电容C2通过充放电，使得两者电压相等。
[0019] 优选地，所述能量反馈步骤，反激电路的工作开始时刻与开关S1的断开和合上动作时刻保持同步，但反激电路的工作时长是固定的。
[0020] 优选地，所述能量反馈步骤，当并联在整流桥B1的直流输出端的电容C3的电压大于反激电路的工作电压时，反激电路工作；当电容C3的电压小于反激电路的工作电压时，反激电路停止工作。
[0021] 本发明还提供一种关断能量回收方法，适用于开关的关断能量回收控制，包括如下步骤，储能步骤，当开关S1关断时，开关S1上的关断电流分流到与开关S1并联的由稳态隔离模块和储能模块构成的串联支路，储能模块和稳态隔离模块对关断能量进行储能；能量反馈步骤，部分关断能量的回馈步骤，在开关S1断开后，储能模块的能量通过能量反馈模块反馈回外部供电端，直至能量反馈模块停止工作；在能量反馈模块停止工作之后，稳态隔离模块隔断关断能量回收电路与开关S1的并联关系；剩余关断能量的回馈步骤，在开关S1闭合后，稳态隔离模块和储能模块的能量通过能量反馈模块反馈回外部供电端。
[0022] 优选地，所述稳态隔离模块，由电容C1构成；储能模块，由电容C2构成；能量反馈模块，由AC-DC变换器构成，AC-DC变换器包括整流桥B1和反激电路，反激电路包括变压器T1、变压器T1的原边绕组所形成的原边电路及变压器T1的副边绕组所形成的副边电路；其中，储能步骤，当开关S1断开时，开关S1上的关断电流分流到与开关S1并联的由电容C1和电容C2构成的串联支路，电容C1和电容C2对关断能量进行储能；部分关断能量的回馈步骤，在开关S1断开后，电容C2的能量通过AC-DC变换器的反激电路由原边电路传递至副边电路，用以将部分关断能量回馈至外部供电端，直至反激电路停止工作；在反激电路停止工作之后，电容C1隔断关断能量回收电路与开关S1的并联关系；剩余关断能量的回馈步骤，在开关S1合上后，电容C1和电容C2的能量通过AC-DC变换器的反激电路由原边电路传递至副边电路，用以将剩余关断能量回馈至外部供电端。
[0023] 本发明开关关断能量回收方法的有益效果为：
[0024] (1)降低开关在关断过程的损耗；
[0025] (2)不影响开关关断后的状态；
[0026] (3)将原来的关断损耗回收并返回到供电端，实现能量的
回收利用；
[0027] (4)该结构通用性强，可用于所有开关关断能量大的场合。
附图说明
[0028] 图1为本发明开关的关断能量回收方法的原理
框图；
[0029] 图2为本发明开关的关断能量回收电路的第一
实施例原理图；
[0030] 图3为本发明开关的关断能量回收电路的第一实施例的开关关断过程的工作曲线图；
[0031] 图4为本发明开关的关断能量回收电路的第一实施例的开关闭合过程的工作曲线图。
具体实施方式
[0032] 本发明的发明构思为利用电容存储开关关断的能量，并采用开关电源将储能环节的能量返回到开关电源的供电端，同时加入隔离电容，使得添加的模块不影响开关关断后的状态。
[0033] 图1为本发明开关的关断能量回收方法的原理框图，本发明的关断能量回收方法由稳态隔离环节、储能环节以及能量反馈环节组成。稳态隔离环节与储能环节串联，然后并联在开关上；能量反馈环节的输入端与储能环节并联，能量反馈环节的输出端与外部供电端并联。外部供电端即是开关电源的供电端，或称系统供电端，其处于本发明的关断能量回收电路的外部，属于关断能量回收电路的外接
端子。
[0034] 图1的方法原理框图，即可对应地理解为本发明开关的关断能量回收电路的原理框图，即本发明的关断能量回收电路由稳态隔离模块、储能模块以及能量反馈模块组成。稳态隔离模块与储能模块串联，然后并联在开关上；能量反馈模块的输入端与储能模块并联，能量反馈模块的输出端与外部供电端并联。
[0035] 第一实施例
[0036] 图2为本发明开关的关断能量回收电路的第一实施例原理图，其中，稳态隔离模块由电容C1构成，储能模块由电容C2构成，能量反馈模块为AC-DC变换器(或称开关电源)，AC-DC变换器包括整流桥B1和反激电路，反激电路包括变压器T1、变压器T1的原边绕组所形成的原边电路及变压器T1的副边绕组所形成的副边电路；反激电路的原边电路还包括开关G1和电容C3，副边电路还包括二极管D2。
[0037] 本发明开关的关断能量回收电路的第一实施例的连接关系如下：
[0038] 电容C1的一端引出作为关断能量回收电路的第一输入端，用于与开关S1的一端连接；电容C1的另一端与电容C2的一端连接，电容C2的另一端引出作为关断能量回收电路的第二输入端，用于与开关S1的另一端连接。电容C2的一端还与整流桥B1的一个交流输入端连接，电容C2的另一端与整流桥B1的另一个交流输入端连接；电容C3的正极与整流桥直流输出正端连接，电容C3的负极与整流桥直流输出负端连接；电容C3的正极还与变压器T1原边绕组的异名端连接，变压器T1原边绕组的同名端与开关G1的漏极连接，开关G1的源极与电容C3的负极连接。变压器T1副边绕组的同名端与二极管D2的阳极连接，二极管D2的阴极引出作为关断能量回收电路的第一输出端，用于与供电端的正极连接；变压器T1副边绕组的异名端引出作为关断能量回收电路的第二输出端，用于与供电端的负极连接。
[0039] 优选的，储能环节的电容C2，可选用具有压电效应的电容，即随着电压上升，电容容量下降的电容。选用的原因在于，1)能量从储能环节返回到外部供电端是存在损耗的，储能环节的能量越少，损耗越低，而对于相同的电压，电容容量越小，储存的能量就越少，损耗也就越低。2)储能环节的电容容量越大，开关关断过程的电压上升速度越慢，开关关断损耗越小。3)开关的关断过程时间比较短，如果电容容量较大，在开关关断过程结束时，电容电压才上升一点，因此，电容在电压较低时降低了关断损耗，电容电压升高后影响不了关断损耗。4)综合前面三点可知，电容在电压低时容量要大，在电压高时容量要小。如此即可进一步减小
开关损耗。但电容C1的容量不能太小。
[0040] 能量反馈模块可选用常规的反激电路模块，常规的反激电路模块包括电容C3、开关G1、变压器T1和二极管D2。但由于关断能量回收电路中，在反激电路模块的前级已有电容C2，所以电容C3可有可无。
[0041] 本发明第一实施例的关断能量回收电路在开关S1关断过程的工作曲线如图3所示，关断过程的工作原理如下：
[0042] A.当开关S1从导通变成断开时，由于电容C1和电容C2的存在，且电容C1和电容C2为串联关系，开关S1上的部分电流会分流到电容C1和电容C2构成的串联支路，由于瞬态时电容相当于
短路，此时电容C2和电容C1对分流过来的此部分关断能量进行储能，使得开关S1两端的电压上升变慢，减小开关损耗；
[0043] B.在开关S1断开后，给开关G1发送驱动方波，使得整流桥B1、电容C3、开关G1、变压器T1和二极管D2构成的AC/DC反激电路模块工作，将电容C2的能量反馈回供电端。由于电容的隔直通交特性，加之给开关G1发送驱动方波的总时间是固定的，随着AC/DC反激电路模块工作，电容C2的电压降低，电容C1的电压升高，当电容C2降低到一定程度，驱动方波停止，反激电路停止工作，电容C1和电容C2的电压不再变化。如此，由于电容C2的存在，使得AC/DC反激电路模块在开关S1关断后停止工作；而由于电容C1的存在，在AC/DC反激电路模块停止工作后，起到隔直作用，切断包括AC/DC反激电路模块、电容C2在内的整个关断能量回收电路与开关S1的并联关系。从而实现稳态隔离，使添加的关断能量回收电路在开关S1关断后逐步停止工作，而不影响开关S1关断后的状态。
[0044] 在关断过程中，电容C1和C2存储的能量没有完全反馈到供电端，剩余的能量通过开关S1闭合时反馈回供电端，开关S1闭合过程的工作曲线如图4所示，工作原理如下：
[0045] A.当开关S1合上时，电容C1和电容C2为并联关系，由于电容C1和电容C2的电压不等，电容C1和电容C2通过相互之间的充放电，使得两者电压相等；
[0046] B.当开关S2合上后，给开关G1发送驱动方波，使得整流桥B1、电容C3、开关G1、变压器T1和二极管D2构成的AC/DC反激电路模块工作，将电容C1和C2的能量反馈回供电端。由于给开关G1发送驱动方波的总时间是固定的，随着AC/DC反激电路模块工作，电容C1和电容C2的电压降低。当驱动方波停止时，AC/DC反激电路模块停止工作，能量反馈过程停止。
[0047] 本发明电路中的电容C1与电容C2在瞬态时为串联关系，形成串联支路，串联支路的两端与开关S1的两端并联连接，使得开关S1两端的电压上升变慢，减小了开关损耗。电容C2的两端与整流桥B1的交流输入端并联连接，整流桥B1的直流输出端与反激电路的原边电路连接，反激电路的副边电路与供电端连接。供电端即为整个开关电源的输入端。如此，开关S1的关断能量即可通过AC-DC变换器的反激电路反馈回供电端。关断能量经由反激电路的两次工作，即在开关S1的闭合时和断开时的工作，全部反馈回供电端。并且反激电路的工作开始时刻与开关S1的两次动作时刻均保持同步，即开关S1在关断时，反激电路进行第一次能量回收工作，开关S1在合上时，反激电路进行第二次能量回收工作。但反激电路的工作时长可以是固定的。此种电路结构通用性强，可用于所有开关关断能量大的场合。
[0048] 现以某断路器为例，设其输入电压为1kV，负载为恒阻负载，正常工作时电流10A。不添加任何装置，断路器开关的关断损耗为1J。采用本发明的关断能量回收电路后，断路器开关的关断损耗降为0.36J，可见，关断损耗大大降低。
[0049] 第二实施例
[0050] 第二实施例开关的关断能量回收电路的原理图与第一实施例相同，只是控制方式不同。整流桥B1、电容C3、开关G1、变压器T1和二极管D2构成AC/DC反激电路模块，该AC/DC反激电路模块的工作是独立的，由电容C3的电压决定，与开关S1的控制
信号无关。当电容C3的电压大于反激电路的工作电压时，反激电路工作，当C3的电压小于反激电路的工作电压时，反激电路停止工作。采用该结构时，可采用现成的AC/DC模块，不需要重新设计电路。
[0051] 以上仅是本发明优选的实施方式，本发明所属领域的技术人员还可以对上述具体实施方式进行变更和
修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体控制方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的
权利要求的保护范围内。此外，尽管本
说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
