CN101378185B - 电子断路器和方法 - Google Patents

Abstract

一种电子断路器，其具有输入端、输出端和电连接在输入端和输出端之间的开关。电子断路器监视开关所消耗的能量并在该能量达到阈值时断开开关以便保护开关。电子断路器还监视流过开关的电流并在必要时断开开关以保护负载。

Description

电子断路器和方法

技术领域

本公开涉及电子断路器。

背景技术

本部分中的陈述仅提供与本公开有关的背景信息，并且可以不构成现有技术。

断路器早已被用来保护负载免于受到过电压和过电流的情形。传统上，这些断路器是机械断路器。最近，电子断路器已经被提出，并且在某些应用情况下比机械断路器更可取。

本发明的发明人已经认识到需要对电子断路器做出各种改善。

发明内容

根据本公开的一个方面，电子断路器包括输入端、输出端、开关和至少一个用于控制电流的电路。开关被电连接在输入端和输出端之间。开关在处于闭合位置时传导电流，并在处于断开位置时中断电流。电路可操作地确定开关所消耗的能量并在开关所消耗的能量达到阈值水平时将开关置于断开位置。

根据本公开的另一方面，提供了一种用于限制流过至少具有断开位置和闭合位置的开关的电流的方法。开关在处于断开位置时中断电流，并在处于闭合位置时传导电流。该方法包括：确定在开关处于闭合位置时开关中消耗的能量，并生成表示开关中消耗的能量的信号。该方法还包括在表示开关中消耗的能量的信号达到能量阈值时将开关置于断开位置。

根据本公开的又一方面，电子断路器包括输入端、输出端、开关和用于控制电流的电路。开关被电连接在输入端和输出端之间，并且可操作地在处于闭合位置时传导电流并在开关处于断开位置时中断电流。电路可操作地确定开关是否处于安全操作区域内并在开关不处于安全操作区域内时将开关置于断开位置。

根据本文中提供的描述，另外的适用范围将变得很明显。应该理解，本说明书和具体实例仅仅是为了例证的目的，而不是旨在限制本公开的范围。

附图说明

本文中描述的附图仅是为了例证的目的，而不是旨在以任何方式限制本公开的范围。

图1是根据本公开的一个实施例的包括功率限制电路的电子断路器的框图；

图2是根据另一实施例的包括功率限制电路和电流限制电路的电子断路器的框图；

图3是根据另一实施例的包括功率限制电路的电子断路器的电路图；

图4是根据另一实施例的包括电流限制电路的电子断路器的电路图；

图5是包括功率限制电路和基于微处理器的电流限制电路的电子断路器的电路图；并且

图6是包括功率限制电路和模拟电流限制电路的电子断路器的电路图。

具体实施方式

以下描述在本质上仅是示例性的，并且不是旨在限制本公开、应用或使用。

根据本公开的一个方面，给出了一种用于限制流过开关的电流的方法。该开关至少具有断开位置和闭合位置，在处于断开位置时电流被中断，在处于闭合位置时允许电流流过开关。当开关处于闭合位置时，确定开关所消耗的能量并生成表示开关所消耗的能量的信号。当信号达到能量阈值时，将开关置于断开位置，并且流过开关的电流由此被中断。

通过以上讨论的方法，开关得到了保护并且使开关保持处于其安全操作区域内。开关并不必要响应于任何预定的电流水平而断开，而是响应于过量的能量被开关消耗而断开。因此开关可允许非常高的电流流过短时间，诸如在浪涌电流(inrush current)的情形下，但是如果高电流持续过长的时间并且消耗的能量上升得过高则开关将会被切换到断开位置。当开关所消耗的能量达到或超过能量阈值时，开关被置于断开位置，并且电流被中断，因此功率消耗也被中断。以这种方式，防止了开关在其安全操作区域以外操作，并且避免了对开关的损害。

在一些实施例中，流过开关的电流也被限制到预定电流水平。该方法允许诸如浪涌电流的高电流，但将流过开关的电流限制到一定的电流水平。这样就保护开关避免遭受过电流，同时仍允许受限的高电流状态存在受限且必要的时间。可允许的电流水平将取决于应用情况、开关和特定应用情况可允许的最大电流水平而变化。预定电流水平不需要是特定的预定值。其可以是例如基于计算、额定电流的多倍、比率或任何其它有用关系。

可以以许多种方式来确定开关所消耗的能量。因为能量是功率的积分，所以对开关两端的功率求积分将得出能量。如在这种方法的一些实施例中，当电流被保持相对恒定时，就产生获得这种积分的一种方式。开关所消耗的功率是通过用电压乘以电流来确定的。如果电流是恒定的，则可以将电流移到对开关所消耗的功率进行的积分的外部。因此，对开关两端的电压求积分就会得出表示开关所消耗的能量的信号。可选地，处理器可用于执行该方法的至少一部分步骤，包括确定开关中消耗的能量。适当强大的处理器可以直接执行积分。可选地，处理器可以例如使用预先校准的表格来确定消耗的能量。

该方法可以用模拟电路、数字电路或模拟和数字电路的组合来执行。数字电路可包括微处理器或其它处理器。当使用模拟电路时，可使用模拟积分电路和比较器。然而，可以使用能够执行该方法的一部分或全部的任何电路。

该方法可进一步包括保护电流流经开关所到达的负载。例如，该方法可包括在开关处于闭合位置并且电流超过阈值时对流过开关的电流和额定电流之间的差值求积分。生成积分的结果并将该结果与跳闸阈值(trip threshold)进行比较。当并且如果结果达到跳闸阈值时，将开关置于断开位置，从而中断流过开关的电流。阈值确定这种情况何时发生。可以对超出额定电流的电流量求积分。如果电流保持在额定电流以上太长时间，则积分结果达到跳闸阈值并且开关被断开。开关不断开而过流情形能够存在的时间长度可以变化以适合任何特定的应用情况。在其它实施例中，该方法可通过模拟电路、数字电路或模拟和数字电路的组合来执行。数字电路可包括处理器，并且模拟电路可包括积分器和比较器电路。数字电路可包括查找表，以基于包括但不限于电压、电流和温度的许多因素来确定跳闸阈值。

能够执行以上描述的方法的电子断路器在图1中示出，并且用附图标记100来总体表示。如图1所示，该断路器100包括输入端102、输出端104以及电连接在输入端102和输出端104之间的开关106。开关106至少具有两个位置。当移动到第一断开位置时，开关中断输入端和输出端之间的电流。在处于第二闭合位置时，开关允许电流在输入端和输出端之间流动。

如图1所示，电子断路器100还包括功率电路108。当开关处于闭合位置并且电流超过了阈值时，功率电路108处于运行状态。当处于运行状态时，功率电路确定开关所消耗的能量。当开关所消耗的能量达到能量阈值水平时，功率电路将开关置于断开位置，从而断开电路并中断输入端和输出端之间的电流的流动。

如上所述，当电流超过阈值时功率电路处于运行状态。在高浪涌电流状态期间，功率电路也限制允许流经开关的电流，由此保护开关、电路和负载。限制电流流经开关的细节将在下面进一步讨论。

根据本公开的一些实施例，功率电路还可操作地将电路保持在安全操作区域内。无论是机械的、电的还是机电的开关，都被设计成尤其处理一定的电压、电流和能量水平。为了防止对开关的损害和可能的灾难性故障，开关应该在该安全操作区域内操作。开关是否处于安全操作区域内可以根据许多种因素来确定，这些因素包括但不限于开关两端的电压、流过开关的电流和开关所消耗的功率或能量等。这些因素可以是瞬时的测量值、历史的趋势或随时间累积的总和。

图2示出了根据本公开的一些实施例的包括功率电路的电子断路器200的模拟实现方案。电子断路器包括输入端202、输出端204和电连接在输入端与输出端之间的开关206。尽管在本公开的一些实施例中开关被公开为MOSFET，但开关可以是任何机械的、电的或机电的开关。功率电路包括电流检测器212、调节装置214、积分电路216和比较器218。可选地，可以使用可操作地执行与模拟部件相同或类似的功能的微处理器。

当将负载连接到电子断路器时，电流从输入端流入，经过开关并流出到负载。某些类型的负载，例如电容性负载，需要较大的起动或浪涌电流。如果允许太大的电流流过开关，则开关、断路器或负载可能会受到损害。特别地，流过开关的电流需要被调节以保持开关在其安全操作区域内操作。调节装置限制在电流超过阈值以上的预定值时流过开关的电流。在图2中，调节装置是双极节晶体管(BJT)，并且开关是MOSFET。当出现过大的电流时，调节装置减小MOSFET的门电压。这会降低开关的传导性并限制流过开关的电流。

在这段时间期间，即，在电流超过第一阈值时，积分电路对开关两端的电压求积分。开关所消耗的能量是开关所消耗的功率(即，开关两端的电压乘以流过开关的电流)的积分。因为当功率电路处于运行状态时电流被保持大体恒定，所以可以将电流移到积分的外部而仅需要对开关两端的电压求积分。因此，通过积分而输出的信号表示开关中消耗的能量。当功率电路处于运行状态时，该积分和信号生成是连续的。当信号达到能量阈值时，功率电路可将开关置于断开位置并从而中断流过开关的电流。因此，负载被允许在浪涌电流的情形下吸取一定量的电流，并且除非高水平的电流存在的时间长到足以使开关所消耗的能量超过预定量，否则功率电路不会断开开关。如果电流降到第一阈值以下而总的能量阈值还没达到，则功率电路不会中断流过开关的电流并且积分电路会复位。尽管在图2中将积分电路图解为RC网络，但是也可以使用其它类型的积分电路。

如图2所示，将来自积分电路的信号与参考信号进行比较。该参考信号表示能量阈值。在图2中，参考信号是参考电压220。比较器接收来自积分电路的信号并将其与参考信号进行比较。当信号达到或超过参考信号时，开关中消耗的能量已经达到了能量阈值并且功率信号可将开关置于断开位置并从而中断流过开关的电流。参考信号可以是固定电压、可变电压、数字信号或任何其它可在比较中使用的信号。

可选地，功率电路可包括用于执行上述功率电路的一些或全部操作功能的微处理器。

在上述方式中，功率电路限制在浪涌电流状态期间流过开关的电流，并在开关中消耗的能量超过预定水平时切断开关。因此，功率电路保护开关免于在安全操作区域外操作，并因此保护开关使其免于受到损害。然而，功率电路不会在正常操作期间为负载提供保护。因此，在一些实施例中，电子断路器也包括限流电路。电流电路作为标准机械断路器的电子模拟进行工作。以下将描述电流电路。

在一个实施例中，电子断路器300包括电流电路310，如图3所示。电子断路器300也包括输入端302、输出端304、开关306和功率电路308。电流电路以与机械断路器相似的方式进行电子操作，并具有与机械断路器相似的轮廓(profile)。电流电路通常操作来保护连接到断路器的负载免于经受在正常操作期间发生的异常。电流电路可操作地在连续发生诸如短路或过载状态的异常状态时断开电路。电流电路在电流超过小于功率电路阈值的阈值时处于运行状态。这样，当电流从零开始增大时，电流电路的阈值被达到并且电流电路变得处于运行状态。当并且如果电流继续增大时，功率电路在电流达到其阈值时也变得处于运行状态。在正常操作状态下，流过开关的电流在两个阈值以下并且电流电路和功率电路都不会处于运行状态。当流过开关的电流在两个阈值之间时，只有电流电路处于运行状态。然而，无论何时功率电路处于运行状态，电流电路也处于运行状态。当电流电路处于运行状态时，其可操作地将开关置于断开位置，从而在跳闸阈值被达到时中断流过开关的电流。

图4示出了包括电流电路的电子断路器400的模拟实现方案。断路器包括输入端402、输出端404和开关406。电流电路包括电流检测器412、积分电路422和比较器424。

当流过开关的电流超过电流电路阈值时，电流电路处于运行状态。积分电路对流过开关的电流超出额定电流的值进行积分。额定电流是预定值并且可以是可变的值。额定电流和第二阈值在图4中通过第二参考电压426设置。然后通过比较器将过电流的该积分结果与跳闸阈值进行比较。在图4中，跳闸阈值是第三参考电压428。当积分结果达到跳闸阈值时，电流电路将开关置于断开位置，并且流过开关的电流被中断。

上述的电流电路中的积分和比较可由模拟电路和/或微处理器来执行。图5示出了电子断路器500，其包括输入端502、输出端504、开关506、功率电路和基于微处理器的电流电路530。功率电路包括电流检测器512、调节装置514、积分电路516、比较器518和参考电压520。功率电路按上述那样操作。微处理器包括对流过开关的电流进行采样的模拟数字转换器532。微处理器也数字地执行过电流的积分。

当电流电路包括微处理器时，跳闸阈值可以是恒定值或可变的值。如果其是可变的值，则一些实施例中的可能的跳闸阈值被存储到数据表534中。在这样的实施例中，微处理器可操作地在数据表中查找正确的跳闸阈值。当使用微处理器和数据表来确定正确的跳闸阈值时可以考虑许多因素，包括但不限于电压、电流、温度等。微处理器也使电子断路器能够在需要时更接近地复制机械断路器的某些非线性跳闸特性。此外，微处理器也可处理额外的活动。这些活动可包括例如监控任务、通信任务等。此外，多个电子断路器可共享单个基于微处理器的电流电路。这种共享的电流电路为多个电子断路器中的每一个执行上述的电流电路任务。

电子断路器还包括锁存器(latch)536。锁存器从功率电路和/或电流电路接收信号。当开关中消耗的能量达到能量阈值时，功率电路使锁存器将开关置于断开位置，从而中断流过开关的电流。电流电路也可操作地在积分结果达到跳闸阈值时触发锁存器，从而使锁存器将开关置于断开位置并中断流过开关的电流。锁存器将开关保持在断开位置直至锁存器被复位为止。通过对锁存器施加复位信号，锁存器可被复位并使开关返回到闭合位置。该复位信号可以手动地或自动地生成。在两种情况中的任何一种情况下，复位信号均可以在本地生成或从远程位置生成。尽管锁存器被包括在图5所示的电路中，但锁存器对于电路正确工作而言并不是必需的。根据本公开的电子断路器可以包括或者可以不包括这样的锁存器。

根据另一实施例，如图6所示，电子断路器600包括输入端602、输出端604、开关606、模拟功率电路和模拟电流电路。模拟功率电路包括电流检测器612、调节装置614、积分电路616和比较器618。模拟功率电路按上述那样操作。模拟电流电路包括电流检测器、积分电路622和比较器624。模拟电流电路也按以上关于图4的实施例描述的那样进行操作。断路器还包括第一参考电压620、第二参考电压626和第三参考电压628。

电子断路器还可包括机械断路器(未示出)。这样的实施例提供更彻底的机械隔离和分离。在这样的实施例中，电子断路器被配置成使得机械断路器将响应于开关被置于断开位置而跳闸并机械地产生断路。

本文中的说明本质上仅仅是示例性的，并且因此，不脱离本文中说明的要旨的各种改型应处于本教导的范围内。这些改型不应被看作是对本教导的精神和范围的脱离。

Claims (22)

1.一种电子断路器，包括输入端、输出端、开关和至少一个用于控制电流的电路，所述电路包括功率电路和电流电路，所述开关被电连接在所述输入端和所述输出端之间并且可操作地在处于闭合位置时传导电流并在所述开关处于断开位置时中断电流，所述电流电路在所述电流超过第一电流阈值水平时处于运行状态，所述功率电路在所述电流超过第二电流阈值水平时可操作地确定所述开关所消耗的能量并在所述开关所消耗的能量达到能量阈值水平时将所述开关置于所述断开位置，所述电流电路可操作地在跳闸阈值水平被达到时将所述开关置于所述断开位置。

2.如权利要求1所述的电子断路器，其中所述功率电路可操作地将所述电流限制到预定值。

3.如权利要求1所述的电子断路器，其中所述功率电路还可操作地保持所述开关在安全操作区域内操作。

4.如权利要求1所述的电子断路器，其中所述功率电路可操作地对所述开关两端的电压求积分并生成表示所述开关所消耗的能量的信号。

5.如权利要求4所述的电子断路器，其中所述功率电路可操作地将所述信号与参考信号进行比较。

6.如权利要求5所述的电子断路器，其中所述参考信号是固定的电压。

7.如权利要求5所述的电子断路器，还包括锁存器，并且其中，所述参考信号表示所述能量阈值水平并且所述锁存器可操作地在所述信号基本上等于所述参考信号时将所述开关置于所述断开位置。

8.如权利要求1所述的电子断路器，其中所述功率电路包括微处理器。

9.如权利要求1所述的电子断路器，还包括机械断路器，该机械断路器可操作地响应于所述开关被置于所述断开位置而机械地中断电流。

10.如权利要求1所述的电子断路器，其中所述电流电路可操作地对所述电流超出额定电流的值求积分，将积分结果与所述跳闸阈值水平进行比较，并在所述积分结果达到所述跳闸阈值水平时将所述开关置于所述断开位置。

11.如权利要求1所述的电子断路器，其中所述电流电路包括微处理器，并且该微处理器被配置成对所述电流超出额定电流的值求积分并将积分结果与所述跳闸阈值水平进行比较。

12.如权利要求10所述的电子断路器，其中所述跳闸阈值水平是可变的，并且可能的跳闸阈值被存储在所述微处理器可访问的数据表中。

13.一种限制流过至少具有断开位置和闭合位置的开关的电流的方法，所述开关在处于断开位置时中断电流并在处于闭合位置时传导电流，所述方法包括：

当所述开关处于所述闭合位置时确定在所述开关中消耗的能量；

生成表示在所述开关中消耗的能量的信号；

当所述开关处于所述闭合位置并且所述电流超过阈值时，对流过所述开关的电流和额定电流之间的差值求积分；

生成积分的结果；

将所述结果与跳闸阈值进行比较；和

当表示在所述开关中消耗的能量的信号达到能量阈值时或者当所述结果达到所述跳闸阈值时，将所述开关置于所述断开位置。

14.如权利要求13所述的方法，其中确定在所述开关中消耗的能量包括对所述开关两端的电压求积分。

15.如权利要求13所述的方法，其中确定在所述开关中消耗的能量是在所述电流超过阈值水平时执行的。

16.如权利要求15所述的方法，还包括将所述电流限制到预定电流水平，所述预定电流水平大于所述阈值水平。

17.如权利要求13所述的方法，其中确定所述能量、生成所述信号和将所述开关置于所述断开位置是由微处理器执行的。

18.如权利要求13所述的方法，其中确定所述能量和生成所述信号是由模拟积分器电路执行的，并且将所述开关置于所述断开位置是由比较器电路执行的。

19.如权利要求18所述的方法，其中对所述差值求积分、生成所述结果、比较所述结果和将所述开关置于所述断开位置是由微处理器执行的。

20.如权利要求19所述的方法，其中将所述结果与所述跳闸阈值进行比较包括在数据表中查找所述跳闸阈值。

21.如权利要求13所述的方法，其中对流过所述开关的电流和额定电流之间的所述差值求积分和生成所述结果是由模拟积分器电路执行的，并且比较所述信号和将所述开关置于所述断开位置是由比较器电路执行的。

22.一种电子断路器，包括输入端、输出端、开关和至少一个用于控制流过所述开关的电流的电路，所述开关被电连接在所述输入端和所述输出端之间并可操作地在处于闭合位置时传导电流并在所述开关处于断开位置时中断电流，所述电路可操作地在所述开关处于所述闭合位置并且所述电流超过所述阈值时，对流过所述开关的电流和额定电流之间的差值求积分，生成积分的结果，将所述结果与跳闸阈值进行比较，并在所述结果达到所述跳闸阈值时将所述开关置于所述断开位置。

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