一种互锁电路及包含该互锁电路的互锁系统

摘要

本发明公开一种互锁电路及包含该互锁电路的互锁系统，其中，所述互锁电路包括：控制端口，与驱动电路输入端连接，用于将控制器发出的电平信号输入驱动电路；互锁端口，与电平调整电路连接，用于向电平调整电路输入互锁信号；驱动电路，与输出控制电路连接，用于根据输入端的电平信号，控制输出控制电路导通或关闭；电平调整电路，与驱动电路输入端连接，用于根据互锁信号调整驱动电路输入端的电平信号，使驱动电路输出关闭输出的控制信号；输出控制电路，与驱动电路输出端及电源模块输出端连接，用于根据驱动电路输出端的控制信号，控制电源模块的输出。本发明不仅结构简单，成本低廉，而且灵活性高。

说明书

技术领域

本发明涉及信号互锁领域，尤其涉及一种互锁电路及包含该互锁电路的互锁系统。

背景技术

目前，高频开关电源模块即高频开关电源大量应用于铁路系统，由于铁路系统信号电源要求所有高频开关电源模块必须进行热备份，所以必须把所有高频开关电源模块的输出端并联。然而，铁路用高频开关电源模块的并联属于先进技术，而且技术难点多，实现起来比较困难。这样一来，如果要实现高频开关电源模块的并联，就必须满足并联的高频开关电源模块中只有一个高频开关电源模块在工作，另一个高频开关电源模块虽然开机但是并没有输出，而达到上述目的就需要互锁电路来实现。传统的互锁电路有如下三种：

（1）IGBT（绝缘栅双极性晶体管）互锁方式。如图1所示，图1为IGBT互锁方式示意图，并联的两个高频开关电源模块分别命名为第一电源模块和第二电源模块，U1和U2均为与门，U3和U4均为非门，U1连接第一电源模块的继电器即第一输出继电器，U2连接第二电源模块的继电器即第二输出继电器。此互锁电路原本用于避免桥式电路上下桥臂同时开通，通过四个门电路的组合和逻辑判断实现第一输出继电器触发信号和第二输出继电器触发信号的互锁。但是，该互锁电路存在以下不足：一、成本高。当两个高频开关电源模块并联时，需要八个集成的门电路芯片，而门电路集成芯片的价格较高。二、结构复杂。八个门电路芯片均需供电，使得整个互锁电路的线路复杂；另外，门电路一般不能直接驱动高频开关电源模块内部的输出继电器，需要扩流电路进行扩流，后端电路将继续增加，整个互锁电路更加复杂，可靠性下降。

（2）器件互锁方式。如图2所示，图2为器件互锁方式示意图，并联的两个高频开关电源模块分别命名为第一电源模块和第二电源模块，图中P1和P2分别为第一电源模块的继电器即第一输出继电器和第二电源模块的继电器即第二输出继电器，H1为第一电源模块的模块口，H2为第二电源模块的模块口，G1为第一电源模块的模块最终输出端口，G2为第二电源模块的模块最终输出端口，OUT_1与OUT_2分别为第一输出继电器的触发信号输出端和第二输出继电器的触发信号输出端，第一输出继电器和第二输出继电器均是前端连接对应高频开关电源模块的模块口，后端连接对应高频开关电源模块的模块最终输出端口，当OUT_1输出低电平触发信号时，晶体管Q1导通，这样触发晶体管Q2导通，从而第一输出继电器输出。此时，如果OUT_2输出低电平，欲使第二输出继电器也输出时，第二电源模块的后端被二极管D3以及晶体管Q1拉低，从而晶体管Q4的基极无法得到高电压，第二输出继电器将无法输出，最终实现互锁。器件互锁方式虽然易于实现，但是互锁电路中的元器件太多，电路结构交复杂，而且只能用于高频开关电源模块的外部，若应用于高频开关电源模块内部，则控制电路输出的信号为高阻态时，该互锁电路状态不明确，两个并联的高频开关电源模块可能同时输出，无法实现互锁。

（3）改进的器件互锁方式。如图3所示，图3为改进的器件互锁方式示意图。并联的两个高频开关电源模块分别命名为第一电源模块和第二电源模块，图中P1和P2分别为第一电源模块的继电器即第一输出继电器和第二电源模块的继电器即第二输出继电器，H1为第一电源模块的模块口，H2为第二电源模块的模块口，G1为第一电源模块的模块最终输出端口，G2为第二电源模块的模块最终输出端口，OUT_1与OUT_2分别为第一输出继电器的触发信号输出端和第二输出继电器的触发信号输出端，第一输出继电器和第二输出继电器均是前端连接对应高频开关电源模块的模块口，后端连接对应高频开关电源模块的模块最终输出端口，当OUT_1输出高电平触发信号时，晶体管Q1导通，晶体管Q2不能导通，从而第一输出继电器不能输出，但是，晶体管Q4导通，第二输出继电器输出；当OUT_2输出高电平触发信号时，晶体管Q3导通，晶体管Q4不能导通，从而第二输出继电器断开，晶体管Q2导通，第一输出继电器输出。该互锁方式与传统的器件互锁方式相比，结构相对简单，也易于实现，但是需要对OUT_1和OUT_2输出的触发信号进行处理，以免出现逻辑混乱状态，因为当其中一个信号是高电平时，另一个信号如果也给出高电平，则两个输出继电器将全部被锁定，致使并联的两个高频开关电源模块均无法输出。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种互锁电路及包含该互锁电路的互锁系统,其能够在电源模块的内部精确实现信号互锁，而且结构简单，成本低。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种互锁电路，包括：控制端口、互锁端口、驱动电路、电平调整电路及输出控制电路；

所述控制端口与驱动电路输入端连接，用于将控制器发出的电平信号输入驱动电路；

所述互锁端口与电平调整电路连接，用于向电平调整电路输入互锁信号；

所述驱动电路与输出控制电路连接，用于根据输入端的电平信号，控制输出控制电路导通或关闭；

所述电平调整电路与驱动电路输入端连接，用于根据互锁信号调整驱动电路输入端的电平信号，使驱动电路输出关闭输出的控制信号；

所述输出控制电路与驱动电路输出端及电源模块输出端连接，用于根据驱动电路输出端的控制信号，控制电源模块的输出。

特别地，所述电平调整电路为下拉电路。

特别地，所述输出控制电路为接触器。

特别地，所述输出控制电路包括输出继电器和第一二极管，其中，第一二极管并联连接在输出继电器一次侧的两个输入端之间，其一端与电平调整电路连接，另一端与驱动电路输出端连接，输出继电器二次侧的一端与电源模块内部输出端连接，另一端与电源模块最终输出端连接。

特别地，所述驱动电路包括：第一三极管、第一电阻和第二二极管；

其中，第一电阻的一端与第一二极管的一端连接，另一端与第一三极管的基极、第一三极管的发射极和第二二极管的一端连接，第二二极管的另一端与电平调整电路和控制端口连接，第一三极管的集电极接地。

特别地，所述电平调整电路为上拉电路。

特别地，所述上拉电路包括：上拉电压输入端、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第三二极管、第四二极管以及第二三极管；

其中，上拉电压输入端与第二电阻的一端、第三电阻的一端和第一二极管的一端连接，第二电阻的另一端与第四电阻的一端和第二三极管的基极连接，第三电阻的另一端与第二二极管的发射极连接，第四电阻的另一端与第三二极管的一端连接，第三二极管的另一端与互锁端口连接；第四二极管的一端与第二三极管的集电极连接，另一端与第二二极管的一端和控制端口连接。

特别地，所述控制端口和第二二极管及第四二极管之间串联接入有第五电阻，第五电阻的一端与控制端口连接，另一端与第二二极管的一端和第四二极管的一端连接。

特别地，所述第一三级管和第二三极管均选用金属-氧化物-半导体（MOS）管。

本发明还公开了一种包含两个上述互锁电路的互锁系统，其中，所述两个互锁电路包括第一互锁电路和第二互锁电路，第一互锁电路的控制端口连接到第二互锁电路的互锁端口，第一互锁电路的互锁端口连接到第二互锁电路的控制端口。

本发明的有益效果：（1）整个互锁电路由几个三极管、二极管及电阻构成，结构简单，成本低廉，而且易于控制，直接驱动继电器实现互锁。（2）可靠，灵活。本发明可以嵌入到高频开关电源模块内部，随高频开关电源模块一起工作，不在背板实现。（3）在互锁状态下，无论给被锁定的高频开关电源块开通信号还是关断信号，该模块将始终被锁定，除非该模块获得输出控制权。

附图说明

图1为IGBT互锁方式示意图；

图2为器件互锁方式示意图；

图3为改进的器件互锁方式示意图；

图4为本发明实施例提供的第一互锁电路的结构图；

图5为本发明实施例提供的互锁系统的结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

在实际应用中，本发明可以设置于高频开关电源模块的内部。现将并联的两个高频开关电源模块分别命名为第一高频开关电源模块和第二高频开关电源模块，设置于第一高频开关电源模块和第二高频开关电源模块内部的互锁电路分别命名为：第一互锁电路和第二互锁电路。控制第一互锁电路和第二互锁电路的控制器分别为第一控制器和第二控制器。第一互锁电路和第二互锁电路均指本发明的互锁电路，只是应用在了两个高频开关电源模块中。

如图4所示，本实施例中第一互锁电路包括：第一控制端口OUT_N1、第一互锁端口OUT_L1、第一驱动电路401、第一电平调整电路402以及第一输出控制电路403。

所述第一控制端口OUT_N1与第一驱动电路401输入端连接，用于将第一控制器发出的电平信号输入第一驱动电路401。

所述第一互锁端口OUT_L1与第一电平调整电路402连接，用于向电平调整电路402输入互锁信号。

所述第一驱动电路401与第一输出控制电路403连接，用于根据输入端的电平信号，控制第一输出控制电路403导通或关闭。

所述第一电平调整电路402与第一驱动电路401输入端连接，用于根据互锁信号调整第一驱动电路401输入端的电平信号，使第一驱动电路401输出关闭输出的控制信号。

所述第一输出控制电路403与第一驱动电路401输出端、第一高频开关电源模块的内部输出端HO1和最终输出端G01连接，用于根据第一驱动电路401输出端的控制信号，控制第一高频开关电源模块的输出。

所述第一驱动电路401包括：第一三极管Q01、第一电阻R01和第二二极管D02。所述第一电平调整电路402为上拉电路，该上拉电路由第一上拉电压输入端V01、第一电阻R02、第三电阻R03、第四电阻R04、第三二极管D03、第四二极管D04以及第二三极管Q02组成。所述第一输出控制电路403由第一输出继电器P01和第一二极管D01组成。所述第一控制端口OUT_N1和第二二极管D02及第四二极管D04之间还串联接入有第五电阻R05，第五电阻R05的一端与第一控制端口OUT_N1连接，另一端与第二二极管D02的一端和第四二极管D04的一端连接。

其中，第一电阻R01的一端与第一输出继电器P01的一端连接，另一端与第一三极管Q01的基极、第一三极管Q01的发射极和第二二极管D02的一端连接，第二二极管D02的另一端与第四二极管D04的一端和第五电阻R05的一端连接，第一三极管Q01的集电极接地。

第一上拉电压输入端V01与第一电阻R02的一端、第三电阻R03的一端和第一二极管D01的一端连接，第一电阻R02的另一端与第四电阻R04的一端和第二三极管Q02的基极连接，第三电阻R03的另一端与第二二极管D02的发射极连接，第四电阻R04的另一端与第三二极管D03的一端连接，第三二极管D03的另一端与第一互锁端口OUT_L1连接；第四二极管D04的一端与第二三极管Q02的集电极连接，另一端与第二二极管D02的一端和第五电阻R05的一端连接。

第一二极管D01并联连接在第一输出继电器P01一次侧的两个输入端之间，其一端与第一上拉电压输入端V01连接，另一端与第一电阻R01的一端连接，第一输出继电器P01二次侧的一端与第一高频开关电源模块的内部输出端H01连接，另一端与第一高频开关电源模块的最终输出端G01连接。

如图5所示，图5为本发明实施例提供的互锁系统的结构图。该互锁系统应用于第一高频开关电源模块和第二高频开关电源模块的并联，包括：第一互锁电路和第二互锁电路。

与第一互锁电路相对应，本实施例中第二互锁电路包括：第二控制端口OUT_N2、第二互锁端口OUT_L2、第二驱动电路501、第二电平调整电路502以及第二输出控制电路503。所述第二驱动电路501包括：第三三极管Q03、第六电阻R06和第六二极管D06。所述第二电平调整电路502为上拉电路，该上拉电路由第二上拉电压输入端V02、第七电阻R07、第八电阻R08、第九电阻R09、第七二极管D07、第八二极管D08以及第四三极管Q04组成。所述第二输出控制电路503由第二输出继电器P02和第五二极管D05组成。第二输出继电器P02的一端与第五二极管D05的一端、第六电阻R06的一端、第八电阻R08的一端、第二上拉电压输入端V02及第三三极管Q03的发射极连接，另一端与第二高频开关电源模块的模块内部输出端H02及其模块最终输出端G02连接。所述第二控制端口OUT_N2和第六二极管D06及第八二极管D08之间还串联接入有第十电阻R010，第十电阻R010的一端与第二控制端口OUT_N2连接，另一端与第六二极管D06的一端和第八二极管D08的一端连接。

所述第一控制端口OUT_N1与第一控制器和第二互锁端口OUT_L2连接，用于将第一控制器发出的驱动第一高频开关电源模块输出的电平信号输入第一驱动电路401和第二互锁端口OUT_L2。

所述第一互锁端口OUT_L1与第一电平调整电路402和第二控制端口OUT_N2连接，用于将第二控制端口OUT_N2输入的电平信号输入第一电平调整电路402。

所述第一驱动电路401，与第一控制端口OUT_N1和第一输出控制电路403连接，用于根据输入端的电平信号驱动第一输出控制电路403导通，从而使第一高频开关电源模块输出。

所述第二电平调整电路502与第二互锁端口OUT_L2和第二驱动电路501连接，用于接收第二互锁端口OUT_L2输入的电平信号，并根据该电平信号调整第二驱动电路501输入端的电平信号，使第二驱动电路501关闭，最终第二输出控制电路503关闭，第二高频开关电源模块无法输出。

以第一高频开关电源模块先启动为例，该互锁系统的具体工作过程如下：第一控制器向第一控制端口OUT_N1输入低电平信号，此时，由于第一控制端口OUT_N1与第二互锁端口OUT_L2相连，而第一互锁端口OUT_L1和第二控制端口OUT_N2又处于高阻态，所以第一三极管Q01处于低电平，第一三极管Q01导通，第一输出继电器P01得电导通，第一高频开关电源模块开始输出。此时如果第二控制器向第一控制端口OUT_N1输入低电平信号，欲使第二高频开关电源模块输出，由于第一控制端口OUT_N1已经将第一控制器输出的低电平信号输入给了第二互锁端口OUT_L2，而且第二互锁端口OUT_L2也接收了该低电平信号，即互锁信号，因此，第二电平调整电路502开始工作，第四三极管Q04导通，第二上拉电压输入端V02将上拉电压输入第三三极管Q03的基极，因为上拉电压是根据第二输出继电器P02的驱动电压设定的，为高电平，所以无论第二控制器向第二控制端口OUT_N2输出低电平信号还是高电平信号，第二驱动电路501输入端的电平信号将始终为高电平信号，从而第三三极管Q03无法导通，第二驱动电路501也就无法驱动第二输出继电器P02导通，第二高频开关电源模块不能输出。

需要说明的是，虽然本实施例中第一输出控制电路403和第二输出控制电路503均选用的是继电器，第一三极管Q01至第四三极管Q04均选用的是NPN晶体管，第一二极管D01至第五二极管D05均选用的是常用的普通二极管，但是本发明并不局限于此，第一输出控制电路403和第二输出控制电路503还可以选用接触器来控制高频开关电源模块的输出，第一三极管Q01至第四三极管Q04还可以选用MOS管，由于互锁电路中二极管是用来防止并联的两个高平开关电源模块中的互锁电路交叉相连时形成回路，所以第一二极管D01至第五二极管D05均可替换为其他的具有单向导电性的器件或可控开关器件如IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、MOS管等。

本发明通过几个三极管、二极管及电阻的相互配合就能实现并联的两个高频开关电源模块的互锁，在互锁状态下，无论给被锁定的高频开关电源块开通信号还是关断信号，该模块将始终被锁定。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。