本發(fā)明一般涉及電路中斷器，并且更特別地涉及包括跳閘單元和電源的電路中斷器。本發(fā)明還涉及用于電路中斷器跳閘單元的電源啟動(dòng)電路。

背景技術(shù)：

斷路器和斷路器跳閘單元在本領(lǐng)域是已知的。例如，參見美國(guó)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于使跳閘單元的跳閘致動(dòng)器通電和跳閘以及使跳閘單元的信號(hào)處理電路通電兩者的電力。用于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(jí)電流指示(即，用于監(jiān)測(cè)過(guò)電流狀況的電流指示)。通常，該CT被調(diào)節(jié)為向電容器提供相對(duì)大的輸出電壓，該電容器存儲(chǔ)使跳閘單元的跳閘致動(dòng)器通電和跳閘所需的能量。因?yàn)樵揅T僅能夠供應(yīng)特定量的電力，所以對(duì)于跳閘單元的信號(hào)處理電路為將電容器電壓轉(zhuǎn)換成相對(duì)較小的電壓電源(相對(duì)高的電流)，相對(duì)有效的開關(guān)電源優(yōu)于相對(duì)低效的線性調(diào)節(jié)器。優(yōu)選地，電流供電的跳閘單元以最低可能CT初級(jí)電流運(yùn)行，或者等同地以流過(guò)斷路器的最低可能負(fù)載電流運(yùn)行。這可期望用于顯示/計(jì)量目的和保護(hù)目的。

傳統(tǒng)開關(guān)調(diào)節(jié)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(fù)載要求以及近似恒定功率器件，相比在相對(duì)較高輸入電壓處，所有開關(guān)調(diào)節(jié)器在相對(duì)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(duì)于限流源(current-limited source)，諸如以相對(duì)低初級(jí)電流運(yùn)行的CT次級(jí)(CT secondary)，以其最小運(yùn)行電壓?jiǎn)?dòng)的開關(guān)調(diào)節(jié)器將比以更高電壓?jiǎn)?dòng)的調(diào)節(jié)器要求更大的輸入電源電流。在相對(duì)低的初級(jí)電流處，CT次級(jí)的電流輸出受到由次級(jí)匝數(shù)劃分的CT初級(jí)電流限制，即使在空載狀態(tài)下其電壓輸出可以相當(dāng)高。換言之，CT是提供大電壓和受限電流的電流源。開關(guān)調(diào)節(jié)器作為負(fù)載要求降低電流并增加輸入電壓。兩個(gè)因素之間需要平衡。

相應(yīng)地，存在對(duì)跳閘單元的電路中斷器和電源的改進(jìn)空間。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

這些以及其它需求通過(guò)本公開概念的實(shí)施例來(lái)滿足，這些實(shí)施例在一個(gè)實(shí)現(xiàn)中涉及一種用于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(gòu)造為提供指示流過(guò)電路中斷器的初級(jí)電流的電壓的電流互感器、被構(gòu)造為整流和調(diào)節(jié)來(lái)自電流互感器的電壓并輸出調(diào)節(jié)電壓的整流器和調(diào)節(jié)器、以及被構(gòu)造為由調(diào)節(jié)電壓供電的啟動(dòng)電路、以及被耦接到啟動(dòng)電路的輸出以接收調(diào)節(jié)電壓的DC/DC轉(zhuǎn)換器，其中DC/DC轉(zhuǎn)換器具有關(guān)機(jī)模式。啟動(dòng)電路包括負(fù)荷阻抗、與負(fù)荷阻抗電串聯(lián)的開關(guān)。啟動(dòng)電路被構(gòu)造為：(i)當(dāng)調(diào)節(jié)電壓低于預(yù)定值時(shí)，通過(guò)開關(guān)和負(fù)荷阻抗的串聯(lián)組合來(lái)對(duì)電流互感器施加負(fù)荷并且使DC/DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)入關(guān)機(jī)模式，(ii)響應(yīng)于調(diào)節(jié)電壓到達(dá)預(yù)定值，移除負(fù)荷并且使DC/DC轉(zhuǎn)換器退出關(guān)機(jī)模式并向跳閘單元提供電力，以及(iii)響應(yīng)于調(diào)節(jié)電壓的變化率是至少預(yù)定級(jí)別，移除負(fù)荷并且使DC/DC轉(zhuǎn)換器退出關(guān)機(jī)模式并向跳閘單元提供電力。

在另一實(shí)現(xiàn)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(jí)流過(guò)電路中斷器的初級(jí)電流的電壓；整流和調(diào)節(jié)來(lái)自電流互感器的次級(jí)的電壓并輸出調(diào)節(jié)電壓；向DC/DC轉(zhuǎn)換器提供調(diào)節(jié)電壓，DC/DC轉(zhuǎn)換器具有關(guān)機(jī)模式；當(dāng)調(diào)節(jié)電壓低于預(yù)定值時(shí)，使電流互感器負(fù)擔(dān)負(fù)荷阻抗，并且使DC/DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)入關(guān)機(jī)模式；響應(yīng)于調(diào)節(jié)電壓到達(dá)預(yù)定值，移除負(fù)荷并且使DC/DC轉(zhuǎn)換器退出關(guān)機(jī)模式并向跳閘單元提供電力；以及響應(yīng)于調(diào)節(jié)電壓的變化率是至少預(yù)定級(jí)別，移除負(fù)荷并且使DC/DC轉(zhuǎn)換器退出關(guān)機(jī)模式并向跳閘單元提供電力。

附圖說(shuō)明

當(dāng)結(jié)合附圖時(shí)，可從優(yōu)選實(shí)施例的以下描述中獲得對(duì)本發(fā)明概念的完整理解，在附圖中，

圖1是根據(jù)本公開概念的示例性實(shí)施例的電路中斷器的示意圖；以及

圖2是根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例形成圖1的電路中斷器的部分的啟動(dòng)電路的電路圖。

具體實(shí)施方式

此處使用的方位短語(yǔ)，諸如例如左、右、前、后、頂部、底部和其衍生詞，涉及附圖中示出的元件的取向，并且除非另有說(shuō)明，不作為對(duì)權(quán)利要求的限制。

如此處所使用的，兩個(gè)或多個(gè)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(guò)一個(gè)或多個(gè)中間部件被連接在一起。

如此處所使用的，術(shù)語(yǔ)“數(shù)量”將意為1或大于1的整數(shù)(即，多個(gè))。

如此處所使用的，部件與一個(gè)或多個(gè)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(guò)一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電體或通常導(dǎo)電的中間部件被電連接在一起。進(jìn)一步地，如此處所使用的，部件被“電連接到”一個(gè)或多個(gè)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(guò)一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電體被電連接在一起。

結(jié)合三極斷路器描述本發(fā)明，盡管本發(fā)明適用于范圍廣泛的具有任何極數(shù)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(diǎn)4、被構(gòu)造為斷開和閉合可分離觸點(diǎn)4的運(yùn)行機(jī)構(gòu)6、被構(gòu)造為感測(cè)流過(guò)可分離觸點(diǎn)4的電流的傳感器8、與傳感器8和運(yùn)行機(jī)構(gòu)6協(xié)作來(lái)跳閘斷開可分離觸點(diǎn)4的跳閘單元10、以及用于跳閘單元10的電源12。在該示例中，三極斷路器2包括三個(gè)可分離觸點(diǎn)4和用于感測(cè)流過(guò)可分離觸點(diǎn)4的三相電流的三個(gè)Rogowski線圈或di/dt傳感器8，然而也可以采用任何適合的電流傳感器。

電源12包括用于每一極的電流互感器(CT)14，電流互感器(CT)14具有單匝初級(jí)線圈和包括次級(jí)電壓20的多匝次級(jí)線圈。通過(guò)切換二極管/電容器組合和短路FET之間的CT的電流輸出來(lái)生成次級(jí)電壓。整流器(例如全波整流器(FWR))22被構(gòu)造為整流CT次級(jí)電壓20。整流器22包括與CT次級(jí)電互連的輸入以及被耦接到電壓調(diào)節(jié)器23的輸出。電壓調(diào)節(jié)器23輸出調(diào)節(jié)電壓26。

電源12進(jìn)一步包括啟動(dòng)電路24，該啟動(dòng)電路24與諸如開關(guān)調(diào)節(jié)器的DC/DC轉(zhuǎn)換器32電互連。啟動(dòng)電路24被構(gòu)造為監(jiān)測(cè)來(lái)自CT 14的可用電力，并且當(dāng)足夠電力可用時(shí)僅允許跳閘單元10啟動(dòng)。特別地，如此處更詳細(xì)描述的，使CT 14負(fù)擔(dān)與運(yùn)行的跳閘單元10的負(fù)載等價(jià)的負(fù)載。當(dāng)達(dá)到預(yù)定電壓時(shí)，已知可用足夠電力來(lái)運(yùn)行跳閘單元10。由于已確認(rèn)足夠的可用電力，所以跳閘單元10的關(guān)機(jī)將不發(fā)生。因此，本公開概念提供了啟動(dòng)電路24，該啟動(dòng)電路24被構(gòu)造為允許用于運(yùn)行跳閘單元24所需的更高電壓形成，以使DC/DC轉(zhuǎn)換器32以及進(jìn)而跳閘單元10能夠以更低初級(jí)電流啟動(dòng)并連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。DC/DC轉(zhuǎn)換器32包括從調(diào)節(jié)電壓26供電的輸入34、使能引腳36、以及被構(gòu)造為對(duì)跳閘單元10的信號(hào)處理電子產(chǎn)品供電的輸出38(例如，±5V)。

圖2是根據(jù)本公開概念的示例性實(shí)施例的啟動(dòng)電路24的電路圖。如圖2所示，啟動(dòng)電路24由調(diào)節(jié)電壓26供電，并且包括被設(shè)置在承載調(diào)節(jié)電壓26的線路和接地之間的電容器40，在示例性實(shí)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(dòng)器所需的能量(以調(diào)節(jié)電壓26的形式)。啟動(dòng)電路24進(jìn)一步包括諸如場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)28的開關(guān)，該場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)28與諸如電阻器30的負(fù)荷阻抗串聯(lián)電連接。如圖2所示，F(xiàn)ET28和電阻器30的串聯(lián)組合與電容器40并聯(lián)連接。NPN雙極型晶體管(BJT)42的集電極被連接到FET 28的柵極。BJT 42的基極通過(guò)限流電阻器46被耦接到穩(wěn)壓二極管44的陽(yáng)極，并且BJT 42的集電極通過(guò)限流電阻器47被連接到承載調(diào)節(jié)電壓26的線路。在示例性實(shí)施例中，穩(wěn)壓二極管44是10V穩(wěn)壓二極管。穩(wěn)壓二極管44的陽(yáng)極還通過(guò)電阻器48被連接到接地。穩(wěn)壓二極管44的陰極被連接到承載調(diào)節(jié)電壓26的線路。穩(wěn)壓二極管50被設(shè)置在FET 30的柵極和接地之間，并且用作鉗位(clamp)，以確保FET 30的柵極不會(huì)看到過(guò)電壓。分壓器電路52被連接到FET 30的漏極。如所示，向DC/DC轉(zhuǎn)換器32的使能引腳36提供使能信號(hào)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(hào)54處于合適的電平，以用于DC/DC轉(zhuǎn)換器32的輸入36。啟動(dòng)電路24還包括電容器56(其在示例性實(shí)施例中是0.01μF電容器)和電容器58，這兩個(gè)電容器被串聯(lián)設(shè)置在承載調(diào)節(jié)電壓26的線路和接地之間。電阻器60、二極管62(其可以是標(biāo)準(zhǔn)硅二極管或穩(wěn)壓二極管)和穩(wěn)壓二極管64的串聯(lián)連接被連接在電容器56和58的互連點(diǎn)與分壓器電路52之間。如圖2所示，穩(wěn)壓二極管62、64的陽(yáng)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?yàn)镈C/DC轉(zhuǎn)換器32提供+5V，隨著提供到輸入34的信號(hào)的電壓增加，對(duì)提供到輸入34的信號(hào)的電流要求降低。沒(méi)有啟動(dòng)電路24時(shí)，隨著初級(jí)電流增加，在CT被卸載處，提供到輸入34的信號(hào)的電壓將迅速上升。獲得不足的電流時(shí)，DC/DC轉(zhuǎn)換器34將不能支持其輸出電壓，并且將迅速關(guān)機(jī)。該循環(huán)將持續(xù)(啟動(dòng)/關(guān)機(jī))直至初級(jí)電流達(dá)到足夠高的電流來(lái)支持運(yùn)行。再次參考圖1，給定向跳閘單元10供應(yīng)電力的CT 14的預(yù)定初級(jí)電流，如果給定時(shí)間來(lái)生成這些電壓，則在相對(duì)更高的CT次級(jí)電壓處，足夠的次級(jí)電流可用。本公開的電源12允許這些相對(duì)更高的CT次級(jí)電壓形成，以便開關(guān)調(diào)節(jié)器32以及進(jìn)而跳閘單元10都能夠以相對(duì)更低的CT初級(jí)電流“啟動(dòng)”。

這是通過(guò)初始地(在相對(duì)非常低的初級(jí)電流處)使CT 14的次級(jí)負(fù)擔(dān)負(fù)荷電阻器30的阻性負(fù)載來(lái)實(shí)現(xiàn)，而不是使其負(fù)擔(dān)DC/DC轉(zhuǎn)換器32和跳閘單元10。如上所述，該電阻式負(fù)載通過(guò)被連接到電路接地的FET 28與CT 14的次級(jí)電互連。選擇負(fù)荷電阻器30的電阻，以使其最小運(yùn)行狀況的功耗等于或稍大于在相同狀況下運(yùn)行的跳閘單元10的功耗。在示例性實(shí)施例中，穩(wěn)壓二極管44用于感測(cè)調(diào)節(jié)電壓26何時(shí)達(dá)到充分對(duì)跳閘單元10供電的預(yù)定電平。在該點(diǎn)處，F(xiàn)ET 28被關(guān)斷，移除電阻器30的阻性負(fù)荷，并且使DC/DC轉(zhuǎn)換器32跳出其關(guān)機(jī)模式。因此，相比沒(méi)有該電路也沒(méi)有上述任何“假啟動(dòng)”，跳閘單元10以相對(duì)更低的初級(jí)電流干凈地“啟動(dòng)”。

更具體地，參考圖2，當(dāng)電容器40上的電壓從零上升，F(xiàn)ET 28非常早地導(dǎo)通(電容器40上約2V)。導(dǎo)通的FET 28使使能線54上的信號(hào)為低，這使DC/DC轉(zhuǎn)換器32保持關(guān)機(jī)模式。而且，如本文另外描述的，通過(guò)電阻器30的電流控制CT 14的次級(jí)的電壓。當(dāng)電容器40上的電壓上升得足夠高時(shí)，10V穩(wěn)壓二極管44擊穿(break over)。這使BJT 42導(dǎo)通，F(xiàn)ET 28關(guān)斷。處于關(guān)斷的FET 28使使能線54上的信號(hào)為高，使DC/DC轉(zhuǎn)換器32導(dǎo)通(跳出關(guān)機(jī)模式)。適當(dāng)選擇電阻器30將保證當(dāng)FET 28關(guān)斷時(shí)，CT 14將能夠供應(yīng)足夠的能量來(lái)保持跳閘單元10運(yùn)轉(zhuǎn)。沒(méi)有這種適當(dāng)選擇，電容器40將快速放電，并且跳閘單元10將關(guān)機(jī)。穩(wěn)壓二極管64提供以電容器40上的較低電壓來(lái)保持DC/DC轉(zhuǎn)換器32運(yùn)轉(zhuǎn)的滯后反饋，并且穩(wěn)壓二極管62是確保滯后僅以一個(gè)方向工作的阻塞二極管。該滯后保證不會(huì)一旦發(fā)出跳閘信號(hào)并且電容器40上的電壓被下拉，轉(zhuǎn)換器就關(guān)機(jī)。

在高故障情況下，存在可用的足夠電流來(lái)使跳閘單元10導(dǎo)通。然而，等待電容器40充電到高于穩(wěn)壓二極管44的擊穿閾值的點(diǎn)(由此如上所述使DC/DC轉(zhuǎn)換器32啟用并啟動(dòng)跳閘單元10)可能會(huì)折衷跳閘時(shí)間性能。在所公開的概念中，通過(guò)提供耦接到承載調(diào)節(jié)電壓26的線/結(jié)點(diǎn)的上述電容器56來(lái)解決這種情況。電容器56響應(yīng)于承載調(diào)節(jié)電壓26的線/結(jié)點(diǎn)上的電壓的變化。在高故障情況下，該電壓將快速上升。流過(guò)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(zhuǎn)而將關(guān)斷FET 30，由此使DC/DC轉(zhuǎn)換器32啟用。通過(guò)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(fā)啟動(dòng)電路24，即，以承載調(diào)節(jié)電壓26的線/結(jié)點(diǎn)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(zhuǎn)換器32啟動(dòng)。這種更早觸發(fā)是可接受且可期望的，因?yàn)槌休d調(diào)節(jié)電壓26的線/結(jié)點(diǎn)上的快速dv/dt是可獲得足夠電流來(lái)啟動(dòng)以及快速跳閘次數(shù)可被要求的指示。

盡管已詳細(xì)描述了所公開概念的特定實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，根據(jù)本公開的全部教導(dǎo)，可以對(duì)那些細(xì)節(jié)做出各種修改和替代。相應(yīng)地，所公開的特定布置僅是說(shuō)明性的，并不限制本公開概念的范圍，本公開概念的范圍由所附權(quán)利要求以及其任何和全部等同物的全部范圍給定。

參考標(biāo)記表

2 斷路器

4 可分離觸點(diǎn)

6 操作機(jī)構(gòu)

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(diào)節(jié)器

24 啟動(dòng)電路

26 調(diào)節(jié)電壓

28 場(chǎng)效應(yīng)晶體管

30 電阻器

32 DC/DC轉(zhuǎn)換器

34 輸入

36 使能引腳

38 輸出

40 電容器

42 雙極型晶體管

44 穩(wěn)壓二極管

46 電阻器

47 電阻器

48 電阻器

50 穩(wěn)壓二極管

52 分壓器電路

54 使能線

56 電容器

58 電容器

60 電阻器

62 穩(wěn)壓二極管

64 穩(wěn)壓二極管