用於電子跳閘單元的受控上電機制和採用該機制的電路中斷器的製作方法

2023-08-03 15:22:36

本發明一般涉及電路中斷器，並且更特別地涉及包括跳閘單元和電源的電路中斷器。本發明還涉及用於電路中斷器跳閘單元的電源啟動電路。

背景技術：

斷路器和斷路器跳閘單元在本領域是已知的。例如，參見美國專利No.5,910,760、No.6,144,271和NO.6,850,135。

斷路器跳閘單元要求用於使跳閘單元的跳閘致動器通電和跳閘以及使跳閘單元的信號處理電路通電兩者的電力。用於跳閘單元的電力通常由鐵芯電流互感器(CT)提供，鐵芯電流互感器(CT)還可以提供或可以不提供初級電流指示(即，用於監測過電流狀況的電流指示)。通常，該CT被調節為向電容器提供相對大的輸出電壓，該電容器存儲使跳閘單元的跳閘致動器通電和跳閘所需的能量。因為該CT僅能夠供應特定量的電力，所以對於跳閘單元的信號處理電路為將電容器電壓轉換成相對較小的電壓電源(相對高的電流)，相對有效的開關電源優於相對低效的線性調節器。優選地，電流供電的跳閘單元以最低可能CT初級電流運行，或者等同地以流過斷路器的最低可能負載電流運行。這可期望用於顯示/計量目的和保護目的。

傳統開關調節器集成電路可被電連接以接收電容器電壓。然而，該配置不提供跳閘單元的最低可能電流上電。

給定固定負載要求以及近似恆定功率器件，相比在相對較高輸入電壓處，所有開關調節器在相對較低輸入電壓處從它們的輸入電源吸取更多輸入電流。因此，對於限流源(current-limited source)，諸如以相對低初級電流運行的CT次級(CT secondary)，以其最小運行電壓啟動的開關調節器將比以更高電壓啟動的調節器要求更大的輸入電源電流。在相對低的初級電流處，CT次級的電流輸出受到由次級匝數劃分的CT初級電流限制，即使在空載狀態下其電壓輸出可以相當高。換言之，CT是提供大電壓和受限電流的電流源。開關調節器作為負載要求降低電流並增加輸入電壓。兩個因素之間需要平衡。

相應地，存在對跳閘單元的電路中斷器和電源的改進空間。

技術實現要素：

這些以及其它需求通過本公開概念的實施例來滿足，這些實施例在一個實現中涉及一種用於電路中斷器的跳閘單元的電源電路，該電路中斷器包括：被構造為提供指示流過電路中斷器的初級電流的電壓的電流互感器、被構造為整流和調節來自電流互感器的電壓並輸出調節電壓的整流器和調節器、以及被構造為由調節電壓供電的啟動電路、以及被耦接到啟動電路的輸出以接收調節電壓的DC/DC轉換器，其中DC/DC轉換器具有關機模式。啟動電路包括負荷阻抗、與負荷阻抗電串聯的開關。啟動電路被構造為：(i)當調節電壓低於預定值時，通過開關和負荷阻抗的串聯組合來對電流互感器施加負荷並且使DC/DC轉換器進入關機模式，(ii)響應於調節電壓到達預定值，移除負荷並且使DC/DC轉換器退出關機模式並向跳閘單元提供電力，以及(iii)響應於調節電壓的變化率是至少預定級別，移除負荷並且使DC/DC轉換器退出關機模式並向跳閘單元提供電力。

在另一實現中，提供了一種為電路中斷器的跳閘單元供電的方法。方法包括：提供指示從電流互感器的次級流過電路中斷器的初級電流的電壓；整流和調節來自電流互感器的次級的電壓並輸出調節電壓；向DC/DC轉換器提供調節電壓，DC/DC轉換器具有關機模式；當調節電壓低於預定值時，使電流互感器負擔負荷阻抗，並且使DC/DC轉換器進入關機模式；響應於調節電壓到達預定值，移除負荷並且使DC/DC轉換器退出關機模式並向跳閘單元提供電力；以及響應於調節電壓的變化率是至少預定級別，移除負荷並且使DC/DC轉換器退出關機模式並向跳閘單元提供電力。

附圖說明

當結合附圖時，可從優選實施例的以下描述中獲得對本發明概念的完整理解，在附圖中，

圖1是根據本公開概念的示例性實施例的電路中斷器的示意圖；以及

圖2是根據一個示例性實施例形成圖1的電路中斷器的部分的啟動電路的電路圖。

具體實施方式

此處使用的方位短語，諸如例如左、右、前、後、頂部、底部和其衍生詞，涉及附圖中示出的元件的取向，並且除非另有說明，不作為對權利要求的限制。

如此處所使用的，兩個或多個部件被「耦接」在一起的陳述，將意為這些部件或者被直接連接在一起，或者通過一個或多個中間部件被連接在一起。

如此處所使用的，術語「數量」將意為1或大於1的整數(即，多個)。

如此處所使用的，部件與一個或多個其它部件「電互連」的陳述，將意為這些部件被直接電連接在一起，或者通過一個或多個導電體或通常導電的中間部件被電連接在一起。進一步地，如此處所使用的，部件被「電連接到」一個或多個其它部件的陳述，將意為這些部件被直接電連接在一起，或者通過一個或多個導電體被電連接在一起。

結合三極斷路器描述本發明，儘管本發明適用於範圍廣泛的具有任何極數的電路中斷器。

參考圖1，諸如三極斷路器2的電路中斷器包括可分離觸點4、被構造為斷開和閉合可分離觸點4的運行機構6、被構造為感測流過可分離觸點4的電流的傳感器8、與傳感器8和運行機構6協作來跳閘斷開可分離觸點4的跳閘單元10、以及用於跳閘單元10的電源12。在該示例中，三極斷路器2包括三個可分離觸點4和用於感測流過可分離觸點4的三相電流的三個Rogowski線圈或di/dt傳感器8，然而也可以採用任何適合的電流傳感器。

電源12包括用於每一極的電流互感器(CT)14，電流互感器(CT)14具有單匝初級線圈和包括次級電壓20的多匝次級線圈。通過切換二極體/電容器組合和短路FET之間的CT的電流輸出來生成次級電壓。整流器(例如全波整流器(FWR))22被構造為整流CT次級電壓20。整流器22包括與CT次級電互連的輸入以及被耦接到電壓調節器23的輸出。電壓調節器23輸出調節電壓26。

電源12進一步包括啟動電路24，該啟動電路24與諸如開關調節器的DC/DC轉換器32電互連。啟動電路24被構造為監測來自CT 14的可用電力，並且當足夠電力可用時僅允許跳閘單元10啟動。特別地，如此處更詳細描述的，使CT 14負擔與運行的跳閘單元10的負載等價的負載。當達到預定電壓時，已知可用足夠電力來運行跳閘單元10。由於已確認足夠的可用電力，所以跳閘單元10的關機將不發生。因此，本公開概念提供了啟動電路24，該啟動電路24被構造為允許用於運行跳閘單元24所需的更高電壓形成，以使DC/DC轉換器32以及進而跳閘單元10能夠以更低初級電流啟動並連續運轉。DC/DC轉換器32包括從調節電壓26供電的輸入34、使能引腳36、以及被構造為對跳閘單元10的信號處理電子產品供電的輸出38(例如，±5V)。

圖2是根據本公開概念的示例性實施例的啟動電路24的電路圖。如圖2所示，啟動電路24由調節電壓26供電，並且包括被設置在承載調節電壓26的線路和接地之間的電容器40，在示例性實施例中該電容器40是47μF電容器。在其它功能(如此處所述)中，電容器40提供斷路器2的跳閘致動器所需的能量(以調節電壓26的形式)。啟動電路24進一步包括諸如場效應電晶體(FET)28的開關，該場效應電晶體(FET)28與諸如電阻器30的負荷阻抗串聯電連接。如圖2所示，FET28和電阻器30的串聯組合與電容器40並聯連接。NPN雙極型電晶體(BJT)42的集電極被連接到FET 28的柵極。BJT 42的基極通過限流電阻器46被耦接到穩壓二極體44的陽極，並且BJT 42的集電極通過限流電阻器47被連接到承載調節電壓26的線路。在示例性實施例中，穩壓二極體44是10V穩壓二極體。穩壓二極體44的陽極還通過電阻器48被連接到接地。穩壓二極體44的陰極被連接到承載調節電壓26的線路。穩壓二極體50被設置在FET 30的柵極和接地之間，並且用作鉗位(clamp)，以確保FET 30的柵極不會看到過電壓。分壓器電路52被連接到FET 30的漏極。如所示，向DC/DC轉換器32的使能引腳36提供使能信號的使能線54被耦接到分壓器電路52。分壓器電路52確保使能信號54處於合適的電平，以用於DC/DC轉換器32的輸入36。啟動電路24還包括電容器56(其在示例性實施例中是0.01μF電容器)和電容器58，這兩個電容器被串聯設置在承載調節電壓26的線路和接地之間。電阻器60、二極體62(其可以是標準矽二極體或穩壓二極體)和穩壓二極體64的串聯連接被連接在電容器56和58的互連點與分壓器電路52之間。如圖2所示，穩壓二極體62、64的陽極彼此直接連接。所有這些部件的功能和操作在本文中另外描述。

重要的是，要注意，因為DC/DC轉換器32提供+5V，隨著提供到輸入34的信號的電壓增加，對提供到輸入34的信號的電流要求降低。沒有啟動電路24時，隨著初級電流增加，在CT被卸載處，提供到輸入34的信號的電壓將迅速上升。獲得不足的電流時，DC/DC轉換器34將不能支持其輸出電壓，並且將迅速關機。該循環將持續(啟動/關機)直至初級電流達到足夠高的電流來支持運行。再次參考圖1，給定向跳閘單元10供應電力的CT 14的預定初級電流，如果給定時間來生成這些電壓，則在相對更高的CT次級電壓處，足夠的次級電流可用。本公開的電源12允許這些相對更高的CT次級電壓形成，以便開關調節器32以及進而跳閘單元10都能夠以相對更低的CT初級電流「啟動」。

這是通過初始地(在相對非常低的初級電流處)使CT 14的次級負擔負荷電阻器30的阻性負載來實現，而不是使其負擔DC/DC轉換器32和跳閘單元10。如上所述，該電阻式負載通過被連接到電路接地的FET 28與CT 14的次級電互連。選擇負荷電阻器30的電阻，以使其最小運行狀況的功耗等於或稍大於在相同狀況下運行的跳閘單元10的功耗。在示例性實施例中，穩壓二極體44用於感測調節電壓26何時達到充分對跳閘單元10供電的預定電平。在該點處，FET 28被關斷，移除電阻器30的阻性負荷，並且使DC/DC轉換器32跳出其關機模式。因此，相比沒有該電路也沒有上述任何「假啟動」，跳閘單元10以相對更低的初級電流乾淨地「啟動」。

更具體地，參考圖2，當電容器40上的電壓從零上升，FET 28非常早地導通(電容器40上約2V)。導通的FET 28使使能線54上的信號為低，這使DC/DC轉換器32保持關機模式。而且，如本文另外描述的，通過電阻器30的電流控制CT 14的次級的電壓。當電容器40上的電壓上升得足夠高時，10V穩壓二極體44擊穿(break over)。這使BJT 42導通，FET 28關斷。處於關斷的FET 28使使能線54上的信號為高，使DC/DC轉換器32導通(跳出關機模式)。適當選擇電阻器30將保證當FET 28關斷時，CT 14將能夠供應足夠的能量來保持跳閘單元10運轉。沒有這種適當選擇，電容器40將快速放電，並且跳閘單元10將關機。穩壓二極體64提供以電容器40上的較低電壓來保持DC/DC轉換器32運轉的滯後反饋，並且穩壓二極體62是確保滯後僅以一個方向工作的阻塞二極體。該滯後保證不會一旦發出跳閘信號並且電容器40上的電壓被下拉，轉換器就關機。

在高故障情況下，存在可用的足夠電流來使跳閘單元10導通。然而，等待電容器40充電到高於穩壓二極體44的擊穿閾值的點(由此如上所述使DC/DC轉換器32啟用並啟動跳閘單元10)可能會折衷跳閘時間性能。在所公開的概念中，通過提供耦接到承載調節電壓26的線/結點的上述電容器56來解決這種情況。電容器56響應於承載調節電壓26的線/結點上的電壓的變化。在高故障情況下，該電壓將快速上升。流過電容器56的電流將與該快速上升的電壓直接成比例地上升。該成比例的電流將被注入BJT 42的基極，轉而將關斷FET 30，由此使DC/DC轉換器32啟用。通過選擇正確的電容器56的值，在這種高故障情況下可以更快觸發啟動電路24，即，以承載調節電壓26的線/結點上的較低電壓。換言之，在高電流處，如果電壓增加得足夠快，則將允許DC/DC轉換器32啟動。這種更早觸發是可接受且可期望的，因為承載調節電壓26的線/結點上的快速dv/dt是可獲得足夠電流來啟動以及快速跳閘次數可被要求的指示。

儘管已詳細描述了所公開概念的特定實施例，本領域技術人員將理解，根據本公開的全部教導，可以對那些細節做出各種修改和替代。相應地，所公開的特定布置僅是說明性的，並不限制本公開概念的範圍，本公開概念的範圍由所附權利要求以及其任何和全部等同物的全部範圍給定。

參考標記表

2 斷路器

4 可分離觸點

6 操作機構

8 傳感器

10 跳閘單元

12 電源

14 電流互感器

20 電壓

22 整流器

23 電壓調節器

24 啟動電路

26 調節電壓

28 場效應電晶體

30 電阻器

32 DC/DC轉換器

34 輸入

36 使能引腳

38 輸出

40 電容器

42 雙極型電晶體

44 穩壓二極體

46 電阻器

47 電阻器

48 電阻器

50 穩壓二極體

52 分壓器電路

54 使能線

56 電容器

58 電容器

60 電阻器

62 穩壓二極體

64 穩壓二極體