一種抗短路電子開關的制作方法

本實用新型涉及一種抗短路電子開關，尤其涉及到含有負載過電流及短路保護功能的電子開關，可以替代現有不具備抗短路保護功能的相角控制、PWM電子開關以及部分替代現有的機械觸點的開關、繼電器和接觸器，屬于電力電子領域

背景技術：

目前現有的交直流負載開關電路當中，例如各類高中低壓的照明、馬達、變壓器、電加熱裝置的開啟、關斷控制，功率調制電路的相角控制及PWM的控制中，當主開關處于較高電壓狀態下，如果負載在運行當中或啟動時出現過電流或短路，其故障電壓的變化率dv/dt極高，普通的電子化開關難以應對如此高的瞬間變化從而極易被擊穿，采用獨立的電子觸發保護電路通常需要消耗一定的功耗，并需要增加輔助電源，導致裝置結構復雜，無法應用在一些低成本、超低功耗以及兩線制應用場合，因此這類高電壓場合的負載過電流、短路保護目前仍舊由金屬熔斷器和機械式斷路器配合可控硅元件、機械觸點開關和機械觸點繼電器占據主導位置，這類傳統的電子開關、機械開關、斷路器存在造價高、精度低、動作遲緩等缺點，機械觸點結構在開關操作時存在電弧和火花，不僅會造成安全性下降，也會產生強烈的電磁干擾影響周邊電子設備的工作，同時火花和電弧也會逐步燒蝕觸點本身，造成開關壽命縮短，而當負載出現過電流和短路時，傳統的熔斷器、斷路器甚至由于參數誤差大或電磁操動機構老化而造成故障狀態下的拒動，因此無法滿足未來社會交直流負載控制的安全化、低成本化、網絡化和智能化的要求。

技術實現要素：

為解決上述技術問題，本實用新型提出一種抗短路電子開關，與負載串聯，直接控制負載進行啟動、打開和關閉操作，當負載打開或啟動過程中電流檢測單元檢測到負載啟動電流或運行電流超越預設閾值時，內部的截止型正反饋保護觸發電路動作，從而切斷串聯負載的電流，實現負載過電流和短路保護。本電子開關可以直接作為負載開關使用，且本身就具備負載過電流及保護功能，保護精度高，響應速度快，可以進行可復歸的負載故障保護和單次、多次重啟動功能，可以構成諸如通用抗短路電子開關、兩線制抗短路電子開關、抗短路電子繼電器和抗短路相角控制或抗短路PWM電子功率元件。

為了達到上述目的，本實用新型的技術方案如下：

本實用新型提供了一種應用于直流電路的抗短路電子開關，包括直流主開關元件、門極電流限制元件、電壓跟隨器元件、正反饋門極元件、反饋設置元件、直流電流檢測單元和控制單元，其中：

所述的直流主開關元件的輸入端連接到正反饋門極元件的輸出端和門極電流限制元件的一端，所述門極電流限制元件的另一端連接到門控輸入端Gate，所述的直流主開關元件的輸出端連接到第一直流串聯輸出端PD1并同時連接到電壓跟隨器元件的輸出端，所述的直流主開關元件的公共端連接到直流電流檢測單元的輸入端，所述直流電流檢測單元的公共端連接到第二直流串聯輸出端PD2并同時連接到控制地，所述直流電流檢測單元的輸出端連接到所述直流主開關元件的輸入端、門極電流限制元件的一端和正反饋門極元件的輸出端，所述正反饋門極元件的公共端連接控制地，所述電壓跟隨器元件的輸入端連接到一個穩定的偏置電壓源，所述電壓跟隨器元件的公共端連接到反饋設置元件的一端，所述反饋設置元件的另一端連接到正反饋門極元件的輸入端并同時連接到控制單元的啟動輸出端ST；

所述控制單元的電源輸入端連接到電源VCC，其第二輸入端連接到門控輸入端Gate，其第一輸入端連接到電壓跟隨器的公共端，所述控制單元具有內部禁止輸出端Inhibit1和外部禁止輸出端Inhibit2，所述內部禁止輸出端Inhibit1連接到門極正反饋元件的輸出端，所述外部禁止輸出端Inhibit2連接到外部門極驅動器的禁止輸入端；

當所述直流主開關元件處于關斷狀態時，在門控輸入端Gate輸入第一控制電壓或第一控制電流，如果此時通過直流負載DL的負載電流低于保護預設值，則控制單元通過啟動輸出端ST輸出啟動信號至正反饋門極元件的輸入端實施負載啟動和打開操作，此時直流主開關元件會從截止區域轉入放大區域到達飽和導通區域，從而使直流主開關元件處于開通狀態；

當直流主開關元件處于開通狀態時，如果在門控輸入端Gate輸入第二開關控制電壓或第二控制電流時，直流主開關元件會從飽和導通區域轉入放大區域并最終到達截止區域，從而使直流主開關元件處于關斷狀態；

當直流電流檢測單元檢測到負載電流高于保護預設值時，正反饋保護觸發電路被觸發，關斷直流主開關元件。

作為優選，所述直流主開關元件和正反饋門極元件之間構成截止型正反饋保護觸發電路，所述截止型正反饋保護觸發電路的反饋路徑經過電壓跟隨器元件，所述直流主開關元件是所述截止型正反饋保護觸發電路的一部分。

作為優選，所述截止型正反饋保護觸發電路的反饋路徑分別經過：直流主開關元件的輸出端到電壓跟隨器元件的輸出端到電壓跟隨器元件的公共端到反饋設置元件到正反饋門極元件的輸入端到正反饋門極元件的輸出端到直流主開關元件的輸入端。

作為優選，所述電壓跟隨器元件的輸出跟隨電壓VR在直流主開關元件處于關斷狀態時輸出不依賴于外部供電的穩定電壓供低功耗裝置使用。

作為優選，所述控制單元的功能包括：負載故障信號及保護功能，負載故障后重啟動功能，控制電源VCC低電壓閉鎖功能，開關過溫信號及保護功能，主開關元件故障信號功能；

所述控制單元的功能具體為：控制單元的第一輸入端接收電壓跟隨器元件的跟隨輸出電壓值VR，第二輸入端接收門控輸入信號Gate的控制電壓或電流值，如果電壓跟隨器元件的輸出跟隨電壓VR和門控輸入信號Gate的測量值表示出直流主開關元件實質上為負載故障關斷狀態時，控制單元可以根據該邏輯結果輸出負載故障信號，同時可以根據預設要求通過輸出端ST對正反饋門極元件的輸入端實施或不實施負載故障后重啟動；

控制單元的第一輸入端接收跟隨器輸出電壓值VR，第二輸入端接收門控輸入信號Gate的控制電壓或電流值，如果電壓跟隨器元件的輸出跟隨電壓VR和門控輸入信號Gate的測量值表示出直流主開關元件實質上為主開關元件故障狀態時，控制單元可以根據該邏輯結果輸出主開關元件故障信號；

負載故障后重啟動的實施方法為：當控制單元檢測到負載故障發生后，如果預設方案中包含有負載故障重啟動功能要求且門控輸入端Gate仍舊為第一控制電壓或第一控制電流，則在負載故障發生后的一段延時后實施負載故障后重啟，啟動過程具體為，輸出端ST對正反饋門極元件的輸入端施加瞬間脈沖信號，使得正反饋門極元件退出飽和導通狀態，直流主開關元件退出截止狀態，如果此時串聯的直流負載DL的啟動或運行電流低于保護預設值，則截止型正反饋保護觸發電路使得直流主開關元件進入飽和導通狀態，從而使負載正常啟動和打開；如果此時串聯的直流負載的啟動或運行電流仍舊高于保護預設值，則截止型正反饋保護觸發電路使得直流主開關元件退出截止狀態進入導通狀態后再度迅速回到截止狀態；

根據直流主開關元件的功率耐量可以實施負載故障后的單次重啟或多次重啟或多次重啟無效后停止重啟；

控制單元通過檢測與直流主開關元件貼近的溫度傳感器元件的傳感值，來感知直流主開關元件的溫度，如果感知溫度超過過溫預設值，則控制單元輸出主開關元件過溫信號而不關斷直流主開關元件，或通過內部禁止端Inhibit1關斷直流主開關元件并同時輸出主開關元件過溫信號。

本實用新型提供了一種應用于交流電路的抗短路電子開關，包括交流主開關元件、門極電流限制元件、電壓跟隨器元件、正反饋門極元件、反饋設置元件、交流電流檢測單元和控制單元，其中：

所述的交流主開關元件的輸入端連接到正反饋門極元件的輸出端和門極電流限制元件的一端，所述門極電流限制元件的另一端連接到門控輸入端Gate，所述交流主開關元件的第一交流輸出端連接到第一串聯交流輸出端，所述交流主開關元件的整流電壓輸出端連接到電壓跟隨器元件的輸出端，所述交流主開關元件的第一公共端連接到交流電流檢測單元的第一輸入端，所述的交流主開關元件的第二公共端連接到交流電流檢測單元的第二輸入端，所述交流主開關元件的第一公共端或第二公共端連接到控制地，所述交流主開關元件的第二交流輸出端連接到第二交流串聯輸出端PA2，所述交流電流檢測單元的輸出端連接到所述交流主開關元件的輸入端和門極電流限制元件的一端和正反饋門極元件的輸出端，所述正反饋門極元件的公共端連接控制地，所述電壓跟隨器元件的輸入端連接到一個穩定的偏置電壓源，所述電壓跟隨器元件的公共端連接到反饋設置元件的一端，所述反饋設置元件的另一端連接到正反饋門極元件的輸入端并同時連接到控制單元的啟動輸出端ST；

所述控制單元的電源輸入端連接到電源VCC，其第二輸入端連接到門控輸入端Gate，其第一輸入端連接到電壓跟隨器公共端，所述控制單元具有內部禁止輸出端Inhibit1和外部禁止輸出端Inhibit2，所述內部禁止輸出端Inhibit1連接到門極正反饋元件的輸出端，所述外部禁止輸出端Inhibit2連接到外部門極驅動器禁止輸入端；

當所述交流主開關元件處于關斷狀態時，在門控輸入端Gate輸入第一控制電壓或第一控制電流，如果此時通過交流負載AL的負載電流低于保護預設值，則控制單元通過啟動輸出端ST輸出啟動信號至正反饋門極元件的輸入端實施負載啟動和打開操作，此時交流主開關元件會從截止區域轉入放大區域到達飽和導通區域，從而使交流主開關元件處于開通狀態；

當交流主開關元件處于開通狀態時，如果在門控輸入端Gate輸入第二開關控制電壓或第二控制電流時，交流主開關元件會從飽和導通區域轉入放大區域并最終到達截止區域，從而使交流主開關元件處于關斷狀態；

當交流電流檢測單元檢測到負載電流高于保護預設值時，截止型正反饋保護觸發電路被觸發，關斷交流主開關元件。

作為優選，所述交流主開關元件和正反饋門極元件之間構成截止型正反饋保護觸發電路，所述截止型正反饋保護觸發電路的反饋路徑經過電壓跟隨器元件，所述交流主開關元件是所述截止型正反饋保護觸發電路的一部分。

作為優選，所述截止型正反饋保護觸發電路的反饋路徑分別經過：交流主開關元件的整流電壓輸出端到電壓跟隨器元件的輸出端到電壓跟隨器元件的公共端到反饋設置元件到正反饋門極元件的輸入端到正反饋門極元件的輸出端到交流主開關元件的輸入端。

作為優選，所述電壓跟隨器元件的輸出跟隨電壓在交流主開關元件處于關斷狀態時輸出不依賴于外部供電的穩定電壓供低功耗裝置使用。

作為優選，所述控制單元的功能包括：負載故障信號及保護功能，負載故障后重啟動功能，控制電源VCC低電壓閉鎖功能，開關過溫信號及保護功能，主開關元件故障信號功能；

所述控制單元的功能具體為：控制單元的第一輸入端接收電壓跟隨器元件的跟隨輸出電壓值VR，第二輸入端接收門控輸入信號Gate控制電壓或電流值，如果電壓跟隨器元件的輸出跟隨電壓VR和門控輸入信號Gate的測量值表示出交流主開關實質上為負載故障關斷狀態時，控制單元可以根據該邏輯結果輸出負載故障信號，同時可以根據預設要求通過輸出端對正反饋門極元件的輸入端實施或不實施負載故障后重啟動；

控制單元的第一輸入端接收電壓跟隨器元件的輸出電壓值VR，第二輸入端接收門控輸入信號Gate的控制電壓或電流值，如果電壓跟隨器元件的輸出跟隨電壓VR和門控輸入信號Gate的測量值表示出交流主開關元件實質上為主開關元件故障狀態時，此時控制單元可以根據該邏輯結果輸出主開關元件故障信號；

負載故障后重啟動的實施方法為：當控制單元檢測到負載故障發生后，如果預設方案中包含有負載故障重啟動功能要求且門控輸入端Gate仍舊為第一控制電壓或第一控制電流，則在負載故障發生后的一段延時后實施負載故障后重啟，啟動過程具體為，輸出端ST對正反饋門極元件的輸入端施加瞬間脈沖信號，使得正反饋門極元件退出飽和導通狀態，交流主開關元件退出截止狀態，如果此時串聯的交流負載的啟動或運行電流低于保護預設值，則截止型正反饋保護觸發電路使得交流主開關元件退出截止狀態進入飽和導通狀態，從而使負載正常啟動和打開；如果此時串聯的交流負載的啟動或運行電流仍舊高于保護預設值，則截止型正反饋保護觸發電路使得交流主開關元件退出截止狀態進入導通狀態后再度迅速回到截止狀態；

根據交流主開關元件的功率耐量可以實施負載故障后的單次重啟或多次重啟或多次重啟無效后停止重啟；

控制單元通過檢測與交流主開關元件貼近的溫度傳感器元件的傳感值，來感知交流主開關元件的溫度，如果感知溫度超過過溫預設值，則輸出主開關元件過溫信號而不關斷主交流開關元件，或通過內部禁止端Inhibit1關斷主開關元件并同時輸出主開關元件過溫信號。

本實用新型的有益效果

由主開關元件、電壓跟隨器元件和正反饋門極元件構成的截止型正反饋保護觸發電路，其反饋電壓變化率dv/dt隨供電電壓升高而升高，因此大大提高了電子開關抗高電壓負載短路的能力，同時也大幅度降低了保護電路的控制功耗。具有極高的響應速度，可以制成抗直接負載短路的高電壓電子開關應用于例如各類高中低壓的照明、馬達、變壓器、電加熱裝置的開啟、關斷控制，功率調制電路的相角控制及PWM的控制中，以及部分替代現有的機械觸點的開關、繼電器和接觸器。

附圖說明

圖1為本實用新型的直流電路應用的抗短路電子開關電路示意圖；

圖2為交直流電路應用的抗短路電子開關電路示意圖；

圖3為本實用新型所述的門極控制電平和啟動以及重啟動脈沖電平波形示意圖；

圖4為一種基于本實用新型的通用抗短路電子開關示意圖；

圖5為一種基于本實用新型的兩線制抗短路電子開關示意圖；

圖6為一種基于本實用新型的抗短路電子繼電器示意圖；

圖7a和7b為一種基于本實用新型的以電子管作為主開關元件、電壓跟隨器元件和正反饋門極元件的抗短路電子開關；

圖8a和8b為一種基于本實用新型的抗短路電子開關的集成化封裝以及引腳示意圖；

其中：圖1中，10.直流主開關元件，18.串聯輸出端電流限制元件，19.輸出端穩壓元件，11.主開關元件的門極浪涌吸收元件，20.電壓跟隨器元件，30.正反饋門極元件，40.直流電流檢測單元，50.控制單元，14.門極電流限制元件，24.電壓跟隨器電流限制元件，25.反饋設置元件，TS.短路測試開關，DL.直流負載，DC.直流電源，F1.直流熔絲；

圖2中，1A.交流主開關元件，18.開關輸出端電流限制元件，19.開關輸出端穩壓元件，11.主開關元件門極浪涌吸收元件，20.電壓跟隨器元件，30.正反饋門極元件，4A.交流電流檢測單元，50.控制單元，14.門極電流限制元件，24.電壓跟隨器電流限制元件，25.反饋設置元件，TS.短路測試開關，AL.交流負載，AC.交流電源，F2.交流熔絲；

圖3中，ST.控制單元的啟動輸出波形示意，Gate.門控輸入端的波形示意；

圖4中，6.主開關單元，60.具有禁止輸入端的外部門極驅動電路，64.外部偏置電壓二極管，SW-IN.外部開關控制輸入端，SA.主開關側浪涌吸收裝置，TS.短路測試開關，AL/DL.交流或直流負載，AC/DC.交流或直流電源，F.交流或直流熔絲，P1.第一串聯交流或直流端口，P2.第二串聯交流或直流端口，VB.電壓跟隨器偏置輸入端，VCC.外部控制電源，Inhibit2.外部禁止輸出端，Overheat.主開關過熱信號輸出端，LoadFailure.負載故障信號輸出端，SwitchFailure.主開關元件故障信號輸出端；

圖5中，6.主開關單元，60.具有禁止輸入端的外部門極驅動電路，61.串聯電流變壓器，62.串聯電流變壓器次級整流元件，63.光電隔離無源輸出耦合器，64.外部偏置電壓二極管，SW-IN.外部開關控制輸入端，SA.主開關浪涌吸收裝置，TS.短路測試開關，AL/DL.交流或直流負載，AC/DC.交流或直流電源，F.交流或直流熔絲，P1.第一串聯交流或直流端口，P2.第二串聯交流或直流端口，VB.電壓跟隨器偏置輸入端，VCC.外部控制電源，Inhibit2.外部禁止輸出端，Overheat.主開關過熱信號輸出端，LoadFailure.負載故障信號輸出端，SwitchFailure.主開關元件故障信號輸出端；

圖6中，6.主開關單元，60.具有禁止輸入端的外部門極驅動電路，71.控制端隔離變壓器，72.控制端隔離變壓器次級整流元件，81.光電隔離有源輸出耦合器，64.外部偏置電壓二極管，SW-IN.外部開關控制輸入端，SA.主開關浪涌吸收裝置，TS.短路測試開關，AL/DL.交流或直流負載，AC/DC.交流或直流電源，F.交流或直流熔絲，P1.第一串聯交流或直流端口，P2.第二串聯交流或直流端口，VB.電壓跟隨器偏置輸入端，VCC.外部控制電源，Inhibit2.外部禁止輸出端，Overheat.主開關過熱信號輸出端，LoadFailure.負載故障信號輸出端，SwitchFailure.主開關元件故障信號輸出端；

圖7a中，10.電子管型直流主開關元件，20.電壓跟隨器元件，30.正反饋門極元件，40.直流電流檢測單元，50.控制單元，14.門極電流限制元件，24.電壓跟隨電流限制元件，25.反饋設置元件，TS.短路測試開關，DL.直流負載，DC.直流電源，F1.直流熔絲，SA.主開關浪涌吸收裝置，TS.短路測試開關，DL.直流負載，DC.直流電源，F.直流熔絲，PD1.第一直流串聯端口，PD2.第二直流串聯端口，VB.電壓跟隨器偏置輸入端，VCC.外部控制電源，Inhibit2.外部禁止輸出端，Overheat.主開關過熱信號輸出端，LoadFailure.負載故障信號輸出端，SwitchFailure.主開關元件故障信號輸出端；

圖7b中，1A.電子管型交流主開關元件，20.電壓跟隨器元件，30.正反饋門極元件，4A.交流電流檢測單元，50.控制單元，14.門極電流限制元件，24. 電壓跟隨器電流限制元件，25.反饋設置元件，TS.短路測試開關，AL.交流負載，AC.為交流電源，F2.交流熔絲，SA.主開關浪涌吸收裝置，TS.短路測試開關，AL.交流負載，AC.交流電源，F2.交流熔絲，PA1.第一交流串聯端口，PA2.第二交流串聯端口，VB.電壓跟隨器偏置輸入端，Inhibit2.外部禁止輸出端，Overheat.主開關過熱信號輸出端，LoadFailure.負載故障信號輸出端，SwitchFailure.主開關元件故障信號輸出端；

圖8a中，P1.第一串聯交流或直流端口，P2.第二串聯交流或直流端口，VB.電壓跟隨器偏置輸入端，VCC.外部控制電源，Inhibit2.外部禁止輸出端，Overheat.主開關過熱信號輸出端，LoadFailure.負載故障信號輸出端，SwitchFailure.主開關元件故障信號輸出端，GND.控制地，；

圖8b中，P1.第一串聯交流或直流端口，P2.第二串聯交流或直流端口，VB.電壓跟隨器偏置輸入端，VCC.外部控制電源，Inhibit2.外部禁止輸出端，Overheat.主開關過熱信號輸出端，LoadFailure.負載故障信號輸出端，SwitchFailure.主開關元件故障信號輸出端，GND.控制地，91.散熱器，92.散熱器固定孔。

具體實施方式

下面結合具體實施方式對本實用新型作進一步詳細的說明。

實施例1

本實施例提供了一種應用于直流電路的抗短路電子開關，如圖1所示，包括直流主開關元件10、門極電流限制元件14、電壓跟隨器元件20、電壓跟隨器電流限制元件24、正反饋門極元件30、反饋設置元件25、直流電流檢測單元40和控制單元50，其中：

所述的直流主開關元件10的輸入端連接到正反饋門極元件30的輸出端和門極電流限制元件14的一端，并同時經過一個浪涌吸收元件11連接控制地，所述門極電流限制元件14的另一端連接到門控輸入端Gate，所述的直流主開關元件10的輸出端連接到第一直流串聯輸出端PD1并同時連接到電壓跟隨器元件20的輸出端，所述的直流主開關元件10的公共端連接到直流電流檢測單元40的輸入端，所述直流電流檢測單元40的公共端連接到第二直流串聯輸出端PD2并同時連接到控制地，所述直流電流檢測單元40的輸出端連接到所述直流主開關元件10的輸入端、門極電流限制元件14的一端和正反饋門極元件30的輸出端，所述正反饋門極元件30的公共端連接控制地，所述電壓跟隨器元件20的輸入端連接到一個穩定的偏置電壓源，所述電壓跟隨器元件20的公共端輸出跟隨電壓VR并經過電壓跟隨器電流限制元件24連接到二極管23的一端，所述二極管23的另一端連接跟隨電源輸出端VS，所述電壓跟隨器元件20的公共端連接到反饋設置元件25的一端，所述反饋設置元件25的另一端連接到正反饋門極元件30的輸入端并同時連接到控制單元50的啟動輸出端ST；

所述控制單元50的電源輸入端連接到電源VCC，其第二輸入端520連接到門控輸入端Gate，其第一輸入端510連接到電壓跟隨器元件的輸出端，所述控制單元50具有內部禁止輸出端Inhibit1和外部禁止輸出端Inhibit2，所述內部禁止輸出端Inhibit1連接到門極正反饋元件30的輸出端，所述外部禁止輸出端Inhibit2連接到外部門極驅動器的禁止輸入端；

當所述直流主開關元件10處于關斷狀態時，如果在門控輸入端Gate輸入第一控制電壓或第一控制電流，如果此時通過直流負載DL的負載電流低于保護預設值，則控制單元50通過啟動輸出端ST輸出啟動信號至正反饋門極元件30的輸入端實施負載啟動和打開操作，此時直流主開關元件10會從截止區域轉入放大區域到達飽和導通區域，從而使直流主開關元件10處于開通狀態；

當直流主開關元件10處于開通狀態時，如果在門控輸入端Gate輸入第二開關控制電壓或第二控制電流時，直流主開關元件10會從飽和導通區域轉入放大區域并最終到達截止區域，從而使直流主開關元件10處于關斷狀態；

當直流電流檢測單元40檢測到負載電流高于保護預設值時，截止型正反饋保護觸發電路被觸發，關斷直流主開關元件10；

所述直流主開關元件10和正反饋門極元件30之間構成截止型正反饋保護觸發電路，所述截止型正反饋保護觸發電路的反饋路徑經過電壓跟隨器元件20，所述直流主開關元件10是所述截止型正反饋電路的一部分；

所述截止型正反饋保護觸發電路的反饋路徑分別經過：直流主開關元件10的輸出端到電壓跟隨器電流限制元件24到電壓跟隨器元件20的輸出端到電壓跟隨器元件20的公共端到反饋設置元件25到正反饋門極元件30的輸入端到正反饋門極元件30的輸出端到直流主開關元件10的輸入端。

所述電壓跟隨器元件20的輸出跟隨電壓VR在直流主開關元件處于關斷狀態時輸出不依賴于外部供電的穩定電壓供低功耗裝置使用。

所述控制單元50的功能包括：負載故障信號及保護功能，負載故障后重啟動功能，控制電源VCC低電壓閉鎖功能UVLO，開關過溫信號及保護功能，主開關元件信號功能；

所述控制單元50的功能其具體為：控制單元50的第一輸入端510接收電壓跟隨器20輸出電壓值VR，第二輸入端520接收門控輸入信號Gate的控制電壓或電流值，如果電壓跟隨器元件20的輸出跟隨電壓VR和門控輸入信號Gate的測量值表示出直流主開關元件10實質上為負載故障關斷狀態時，控制單元50可以根據該邏輯結果輸出負載故障信號，同時可以根據預設要求通過輸出端ST對正反饋門極元件30的輸入端實施或不實施負載故障后重啟動；

控制單元50的第一輸入端510接收跟隨器輸出電壓值VR，第二輸入端520接收門控輸入信號Gate的控制電壓或電流值，如果電壓跟隨器元件20的輸出跟隨電壓VR和門控輸入信號Gate的測量值表示出直流主開關元件10實質上為主開關元件故障狀態時，控制單元50可以根據該邏輯結果輸出主開關元件故障信號；

負載故障后重啟動的實施方法具體為：當控制單元50檢測到負載故障發生后，如果預設方案中包含有負載故障重啟動功能要求且門控輸入端Gate仍舊為第一控制電壓或第一控制電流，則在負載故障發生后的一段延時后實施負載故障后重啟，啟動過程具體為，輸出端ST對正反饋門極元件30的輸入端施加瞬間脈沖信號，使得正反饋門極元件30退出飽和導通狀態，直流主開關元件10退出截止狀態，如果此時串聯的直流負載DL的啟動或運行電流低于保護預設值，則截止型正反饋保護觸發電路使得直流主開關元件10退出截止狀態進入飽和導通狀態，從而使負載正常啟動和打開；如果此時串聯的直流負載DL的啟動或運行電流仍舊高于保護預設值，則截止型正反饋保護觸發電路使得直流主開關元件10退出截止狀態進入導通狀態后再度迅速回到截止狀態；

根據直流主開關元件10的功率耐量可以實施負載故障后的單次重啟或多次重啟或多次重啟無效后停止重啟；

控制單元50通過檢測與直流主開關元件10貼近的溫度傳感器元件的傳感值，來感知直流主開關元件10的溫度，如果感知溫度超過過溫預設值，則控制單元50輸出主開關元件過溫信號而不關斷直流主開關元件10，或通過內部禁止端Inhibit1關斷直流主開關元件10并同時輸出主開關元件過溫信號。

所述截止型正反饋保護觸發電路的動作過程具體為：

當所述直流負載DL電流超過保護預設值時，在直流主開關元件10從截止區域經過放大區域并向飽和導通區域轉換的過程中或主電子開關元件10已經處于飽和導通的正常開通狀態的時候，截止型正反饋保護觸發電路接收到直流電流檢測單元40的越值信號，從而引發保護動作，在保護動作的初始階段通過直流電流檢測單元40的輸出端控制直流主開關元件10的輸出端和公共端之間的負載電流，從而使得直流主開關元件10從飽和導通狀態轉入放大狀態，該狀態轉變引發直流主開關元件10的輸出端和輸出端之間電壓絕對值的增大，該電壓絕對值的增大經過直流主開關元件10的輸出端120到達電壓跟隨器電流限制元件24再到達電壓跟隨器元件20的輸入端，由于偏置電壓VB的穩定存在，所述電壓跟隨器元件20的輸入端和公共端處于導通狀態，因此，該電壓絕對值的增大再經過電壓跟隨器元件20的輸出端到達反饋設置元件25再到達正反饋門極元件30的輸入端，使得正反饋門極元件30的輸出端進一步控制直流主開關元件10的輸出端和公共端之間的電壓絕對值進一步增大，該進一步增大再次經過直流主開關元件10的輸出端、電壓跟隨器電流限制元件24、電壓跟隨器元件20、反饋設置元件25、正反饋門極元件30再次到達直流主開關元件10的輸入端，從而引起直流主開關元件10的輸出端和公共端之間電壓絕對值的進一步增大，如此循環…….最終使得直流主開關10從飽和導通區域迅速到達截止區域。

優選地，如圖1，直流主開關元件10為增強模式絕緣柵場效應晶體管FET或絕緣柵雙極型晶體管IGBT，電壓跟隨器元件20為增強模式絕緣柵場效應晶體管FET，正反饋門極元件30為增強模式絕緣柵場效應晶體管FET，所述直流串聯輸出端和控制地之間連接有主開關輸出端電流限制元件18和穩壓元件19，可以提供不依賴于外部供電的偏置電壓VB并進而產生跟隨電壓VR；如果電壓跟隨器元件20的輸入端偏置電壓VB能夠被外部可靠輸入一個穩定值，則串聯輸出電流限制元件18和穩壓元件19為非必需元件；

優選地，如圖1，直流電流檢測單元40包含一個電流檢測電阻45、一個基極限流電阻43和一個雙極型晶體三極管41，由于雙極型晶體三極管41的基極和發射極之間具有0.6～0.7V的閾值電壓Vbe，因此直流電流檢測單元40的負載過電流保護動作的預設閾值即可由電流檢測電阻45的阻值和雙極型晶體三極管41的基極和發射極之間的閾值電壓的Vbe來確定。

優選地，如圖1，所述門極電流限制元件14、電壓跟隨器電流限制元件24和反饋設置元件25為線性無源型電阻限流器或半導體有源限流器。

實施例2

本實施例提供了一種應用于交流電路的抗短路電子開關，如圖2所示，包括交流主開關元件1A、門極電流限制元件14、電壓跟隨器元件20、電壓跟隨電流限制元件24、正反饋門極元件30、反饋設置元件25、交流電流檢測單元4A和控制單元50，其特征在于：

所述的交流主開關元件1A的輸入端連接到正反饋門極元件30的輸出端和門極電流限制元件14的一端，并同時經過一個浪涌吸收元件11連接控制地，所述門極電流限制元件14的另一端連接到門控輸入端Gate；

所述交流主開關元件1A的第一交流輸出端12A連接到第一串聯交流輸出端(PA1)，所述交流主開關元件(1A)的整流電壓輸出端(170)連接到電壓跟隨器元件20的輸出端；

所述的交流主開關元件1A的第一公共端150連接到交流電流檢測單元4A的第三輸入端41A，所述的交流主開關元件1A的第二公共端160連接到交流電流檢測單元4A的第四輸入端43A，所述交流主開關元件1A的第一公共端150或第二公共端160連接到控制地，所述交流主開關元件1A的第二交流輸出端13A連接到第二交流串聯輸出端PA2，所述交流電流檢測單元4A的輸出端連接到所述交流主開關元件1A的輸入端和門極電流限制元件14的一端和正反饋門極元件30的輸出端，所述正反饋門極元件30的公共端連接控制地，所述電壓跟隨器元件20的輸入端連接到一個穩定的偏置電壓源，所述電壓跟隨器元件20的公共端輸出跟隨電壓VR并經過電壓跟隨器電流限制元件24連接到二極管23的一端，所述二極管23的另一端連接跟隨電源輸出端VS，所述電壓跟隨器元件20的公共端連接到反饋設置元件25的一端，所述反饋設置元件25的另一端連接到正反饋門極元件(30)的輸入端并同時連接到控制單元50的啟動輸出端ST；

所述控制單元50的電源輸入端連接到電源VCC，其第二輸入端(520)連接到門控輸入端Gate，并同時連接到門電流限制元件14的另一端，其第一輸入端510連接到電壓跟隨器元件20公共端，所述控制單元50具有內部禁止輸出端Inhibit1和外部禁止輸出端Inhibit2，所述內部禁止輸出端Inhibit1連接到門極正反饋元件30的輸出端，所述外部禁止輸出端Inhibit2連接到外部門極驅動器禁止輸入端；

當所述交流主開關元件1A處于關斷狀態時，如果在門控輸入端Gate輸入第一控制電壓或第一控制電流，如果此時通過交流負載AL的負載電流低于保護預設值，則控制單元50通過啟動輸出端ST輸出啟動信號至正反饋門極元件30的輸入端實施負載啟動和打開操作，此時交流主開關元件1A會從截止區域轉入放大區域到達飽和導通區域，從而使交流主開關元件1A處于開通狀態；

當交流主開關元件1A處于開通狀態時，如果在門控輸入端Gate輸入第二開關控制電壓或第二控制電流時，交流主開關元件1A會從飽和導通區域轉入放大區域并最終到達截止區域，從而使交流主開關元件1A處于關斷狀態；

當交流電流檢測單元4A檢測到負載電流高于保護預設值時，截止型正反饋保護觸發電路被觸發，關斷交流主開關元件1A；

所述交流主開關元件1A和正反饋門極元件30之間構成截止型正反饋保護觸發電路，所述截止型正反饋保護觸發電路的反饋路徑經過電壓跟隨器元件20，所述交流主開關元件1A是所述截止型正反饋電路的一部分；

所述截止型正反饋保護觸發電路的反饋路徑分別經過：交流主開關元件1A的整流電壓輸出端170到電壓跟隨器元件20的輸出端到電壓跟隨器元件20的公共端到反饋設置元件25到正反饋門極元件30的輸入端到正反饋門極元件30的輸出端到交流主開關元件1A的輸入端。

所述電壓跟隨器元件20的輸出跟隨電壓VR在交流主開關元件處于關斷狀態時輸出不依賴于外部供電的穩定電壓供低功耗裝置使用。

所述控制單元50的功能包括：負載故障信號及保護功能，控制電源VCC低電壓閉鎖功能，開關過溫信號及保護功能，主開關元件信號功能；

所述控制單元50的功能具體為：控制單元50的第一輸入端510接收電壓跟隨器元件20的輸出電壓值VR，第二輸入端520接收門控輸入信號Gate控制電壓或電流值，如果電壓跟隨器元件20的輸出跟隨電壓VR和門控輸入信號Gate的測量值表示出交流主開關1A實質上為負載故障關斷狀態時，控制單元50可以根據該邏輯結果輸出負載故障信號，同時可以根據預設要求通過輸出端ST對正反饋門極元件30的輸入端實施或不實施負載故障后重啟動；

控制單元50的第一輸入端510接收電壓跟隨器元件20的輸出電壓值VR，第二輸入端520接收門控輸入信號Gate的控制電壓或電流值，如果電壓跟隨器元件20的輸出跟隨電壓VR和門控輸入信號(Gate)的測量值表示出交流主開關元件1A實質上為主開關元件故障狀態時，此時控制單元50可以根據該邏輯結果輸出主開關元件故障信號；

負載故障后重啟動的實施方法為：當控制單元50檢測到負載故障發生后，如果預設方案中包含有負載故障重啟動功能要求，則在負載故障發生后的一段延時后實施負載故障后重啟，啟動過程具體為，輸出端ST對正反饋門極元件30的輸入端施加瞬間脈沖信號，使得正反饋門極元件30退出飽和導通狀態，交流主開關元件1A退出截止狀態，如果此時串聯的交流負載的啟動或運行電流低于保護預設值，則截止型正反饋保護觸發電路使得交流主開關元件1A退出截止狀態進入飽和導通狀態，從而使負載正常啟動和打開；如果此時串聯的交流負載AL的啟動或運行電流仍舊高于保護預設值，則截止型正反饋保護觸發電路使得交流主開關元件1A退出截止狀態進入導通狀態后再度迅速回到截止狀態；

根據交流主開關元件1A的功率耐量可以實施負載故障后的單次重啟或多次重啟或多次重啟無效后停止重啟；

控制單元50通過檢測與交流主開關元件1A貼近的溫度傳感器元件的傳感值，來感知交流主開關元件1A的溫度，如果感知溫度超過過溫預設值，則輸出主開關元件過溫信號而不關斷主交流開關元件1A，或通過內部禁止端Inhibit1關斷主開關元件1A并同時輸出主開關元件過溫信號。

所述截止型正反饋保護觸發電路的動作過程具體為：

當所述交流負載AL電流超過預設值時，在交流主開關元件1A從截止區域經過放大區域并向飽和導通區域轉換的過程中或交流主開關元件1A已經處于飽和導通的正常開通狀態的時候，截止型正反饋保護觸發電路接收到交流電流檢測單元4A的越值信號，從而引發保護動作，在保護動作的初始階段通過交流電流檢測單元4A的輸出端42A控制交流主開關元件1A的第一交流輸出端12A和第二交流輸出端13A之間流經的負載電流，從而使得交流主開關元件1A從飽和導通狀態轉入放大狀態，該狀態轉變引發交流主開關元件1A的第一交流輸出端12A和第二交流輸出端13A之間電壓絕對值的增大，該電壓絕對值的增大經過二極管16和二極管17到達電壓跟隨器電流限制元件24再到達電壓跟隨器元件20的輸出端220，由于輸入端210的偏置電壓VB的存在，所述電壓跟隨器元件20的輸出端220和公共端230處于導通狀態，因此，該電壓絕對值的增大再經過電壓跟隨器元件20的公共端230到達反饋設置元件25再到達正反饋門極元件30的輸入端310，使得正反饋門極元件30的輸出端320進一步控制交流主開關元件1A的第一交流輸出端120和第二交流輸出端130之間的電壓絕對值進一步增大，該電壓絕對值進一步增大再次經過交流主開關元件1A二極管16和二極管17、電壓跟隨器電流限制元件24、電壓跟隨器元件20、反饋設置元件25、正反饋門極元件30再次到達交流主開關元件1A的輸入端11A，從而引起交流主開關元件的交流輸出端之間電壓絕對值的進一步增大，如此循環……最終使得交流主開關1A從飽和導通區域迅速到達截止區域。

優選地，如圖2，交流主開關元件1A為兩個增強模式絕緣柵場效應晶體管(FET)背靠背連接而成，其內部各具有一個體二極管，同二極管16、17共同構成橋式整流電路，產生整流電壓經170輸出，電壓跟隨器元件20為增強模式絕緣柵場效應晶體管FET，正反饋門極元件30為增強模式絕緣柵場效應晶體管FET，18、19分別為電流限制元件和穩壓元件，可以不依賴外部電源獨立產生電壓跟隨器元件20的偏置電壓VB，并進而產生跟隨電壓VR；11為主開關元件的柵極浪涌吸收元件，SA為主開關交流側浪涌吸收裝置，TS為短路測試開關，AL為交流負載，AC為交流電源，F2為交流熔絲。

優選地，如圖2，交流電流檢測單元4A包含一個電流檢測電阻45、兩個基極限流電阻43、44和兩個雙極型晶體三極管41、42，由于雙極型晶體三極管41、42的基極和發射極之間具有0.6～0.7V的閾值電壓Vbe，因此交流電流檢測單元4A的負載過電流保護動作的預設值即可由電流檢測電阻45的阻值和雙極型晶體三極管41、42的基極和發射極之間的閾值電壓Vbe來確定。

優選地，如圖2，所述門極電流限制元件14、電壓跟隨器電流限制元件24和反饋設置元件25為線性無源型電阻限流器或半導體有源限流器。

實施例3

優選地，圖4所示的是一種基于本實用新型的通用抗短路電子開關示意圖，其主框6為本實用新型所述的交流或直流抗短路電子開關，其引出端口分別為：偏置電壓輸入端VB、跟隨器電壓輸出端VS、門極輸入端Gate、外部禁止輸出端Inhibit2、負載故障信號輸出端LoadFailure、主開關元件故障輸出端SwitchFailure，主開關過熱信號輸出端Overheat，第一串聯交流或直流端口P1，第二串聯交流或直流端口P2，外部交流或直流負載為AL/DC，外部短路測試開關為TS，外部交流或直流電源為AC/DC，外部交流或直流熔絲為F，外部浪涌吸收裝置為SA。圖4中的與門電路框60表示受外部禁止輸出端Inhibit2控制的門極驅動電路，其中第一輸入端連接外部開關控制信號端口SW-IN，第二輸入端連接外部禁止輸出端Inhibit2，門極驅動電路輸出端連接門極輸入端Gate，當外部禁止輸出端Inhibit2輸出允許值時，外部開關控制信號端口SW-IN可以輸入開關控制信號對抗短路電子開關所串聯的負載實施啟動、打開、關閉控制。

考慮到某種極端情況出現的可能，例如主開關元件損壞或過溫保護動作，所述的抗短路電子開關還具有主開關元件故障信號輸出端SwitchFailure，該端口可以被用來控制具有機械觸點開斷功能的斷路器、電磁繼電器、接觸器或者磁保持繼電器、接觸器來實施當主電子開關失效時的備用安全轉換。

實施例4

優選地，圖5是一種基于本實用新型的兩線制抗短路電子開關示意圖，其主框6為本實用新型所述的交流或直流抗短路電子開關，其引出端口分別為：偏置電壓輸入端VB、跟隨器電壓輸出端VS、門極輸入端Gate、外部禁止輸出端Inhibit2、負載故障信號輸出端LoadFailure、主開關元件故障信號輸出端SwitchFailure，第一串聯交流或直流端口P1，第二串聯交流或直流端口P2，外部交流或直流負載為AL/DC，外部短路測試開關為TS，外部交流或直流電源為AC/DC，外部交流或直流熔絲為F，外部浪涌吸收裝置為SA。圖5中的與門電路框60表示受外部禁止輸出端Inhibit2控制的門極驅動電路，其第一輸入端連接外部開關控制信號端口SW-IN，第二輸入端連接外部禁止輸出端Inhibit2，門極驅動電路輸出端連接門極輸入端Gate，當外部禁止輸出端Inhibit2輸出允許值時，外部開關控制信號端口SW-IN可以輸入開關控制信號對抗短路電子開關所串聯的負載實施啟動、打開、關閉控制；圖中的含有變壓器符號的方框61為交流或者直流的電流變壓器轉換器，可以將串聯負載的交流或者直流電流轉換為所需的控制電壓，經過二極管元件到達控制電源端VCC，此時所述抗短路電子開關的控制電源VCC由連接在主直流輸出端VH的電阻18和連接于電阻19和控制地之間的穩壓元件19獲得一定的直流電壓作為內部電壓跟隨器元件的偏置電壓VB，再從內部電壓跟隨器元件的輸出端經二極管23輸出供電電壓VS，此時，在一定負載功率的情況下，無論內部主開關處于開通或關斷狀態，其控制電源VCC均可以維持在一定值，滿足開關操作的需要，本兩線制抗短路電子開關實際可以控制的串聯負載功率有最小值限制。

考慮到某種極端情況出現的可能，例如主開關元件損壞或過溫保護動作，所述的抗短路電子開關還具有主開關元件故障信號輸出端SwitchFailure，該端口可以被用來控制具有機械觸點開斷功能的斷路器、電磁繼電器、接觸器或者磁保持繼電器、接觸器來實施當主電子開關失效時的備用安全轉換。

實施例5

優選地，圖6是一種基于本實用新型的抗短路電子繼電器示意圖，其主框6為本實用新型所述的交流或直流抗短路電子開關，其引出端口分別為：偏置電壓輸入端VB、跟隨器電壓輸出端VS、門極輸入端Gate、外部禁止輸出端Inhibit2、負載故障信號輸出端LoadFailure、主開關元件故障信號輸出端SwitchFailure，第一串聯交流或直流端口P1，第二串聯交流或直流端口P2，外部交流或直流負載為AL/DC，外部短路測試開關為TS，外部交流或直流電源為AC/DC，外部交流或直流熔絲為F，外部浪涌吸收裝置為SA。圖中的與門電路框60表示受外部禁止輸出端Inhibit2控制的門極驅動電路，其中第一輸入端連接外部開關控制信號端口SW-IN，第二輸入端連接外部禁止輸出端Inhibit2，門極驅動電路輸出端連接門極輸入端Gate，當外部禁止輸出端Inhibit2輸出允許值時，外部開關控制信號端口SW-IN可以輸入開關控制信號對抗短路電子開關所串聯的負載實施啟動、打開、關閉控制。圖中的71為控制端隔離變壓器，72為控制端隔離變壓器次級整流元件，81為光電隔離有源輸出耦合器，其輸出端為串聯型硅光電池，外部開關控制信號端口SW-IN可以輸入開關控制信號對抗短路電子開關所串聯的負載實施啟動、打開、關閉控制，此時主開關控制電路和外部開關控制信號端口SW-IN為電氣隔離狀態，外部開關控制端口SW-IN輸入開關控制信號時所述抗短路電子繼電器的開關控制部分需要消耗一定功率，通常在0.1W以內。所述抗短路電子繼電器沒有串聯負載的最小功率限制。

在某些特殊情況下，如果串聯負載的功率足夠大，也可以采用在兩線制開關控制的基礎上，如圖4所示，可以利用光電隔離無源輸出耦合器63構成內部自供電的電子繼電器，但此時的電子繼電器具有最小串聯負載功率限制。

考慮到某種極端情況出現的可能，例如主開關元件損壞或過溫保護動作，所述的抗短路電子開關還具有主開關元件故障信號輸出端SwitchFailure該端口可以被用來控制具有機械開斷功能的斷路器、電磁繼電器、接觸器或者磁保持繼電器、接觸器來實施當主電子開關失效時的備用安全轉換。

實施例6

優選地，圖7a和7b為一種電子管作為主開關元件、電壓跟隨器元件和正反饋門極元件的抗短路電子開關，其中a示意圖應用于直流電路應用，示意圖應用于交流電路應用，其各個電子管元件的陽極、柵極、陰極分別對應場效應晶體管的漏極、柵極和源極，或雙極型晶體管的集電極、基極和發射極。所不同的是，需要在各電子管的柵極增加偏置工作點電壓Bis和VB，通常為負電壓，以及直流電流檢測單元40和交流電路檢測單元4A采用光電隔離方式構成負載電流檢測單元，或采用非光電隔離的晶體管進行電位轉換。

實施例7

圖8a和8b為所述抗短路電子開關涉及的集成化封裝以及引腳示意，其外部禁止輸出端Inhibit2控制的驅動器60可以內置，以減少外圍元件的數量。其中a為小型塑封結構的抗短路電子開關集成電路，可以滿足小功率負載的控制，b為具有散熱器91以及擴展散熱功能的固定螺絲孔92的外形結構示意圖。

本實用新型提出一種抗短路電子開關，與負載串聯，直接控制負載進行啟動、打開和關閉操作，當負載打開或啟動過程中電流檢測單元檢測到負載啟動電流或運行電流超越預設閾值時，內部的截止型正反饋保護觸發電路動作，從而切斷串聯負載的電流，實現負載過電流和短路保護。本電子開關可以直接作為負載開關使用，且本身就具備負載過電流及保護功能，可以構成諸如通用抗短路電子開關、兩線制抗短路電子開關、抗短路電子繼電器和抗短路相控或PWM電子功率元件。

顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本實用新型創造的保護范圍之中。