[0001] 本发明涉及电气领域，尤其涉及一种接地故障保护装置、电连接设备和用电器。

[0002] 随着社会进步，家用电器的普及，漏电造成的人身及财产安全事故也随之增加，因此越来越多用电设备选择配置接地故障保护装置(GFCI)，而有些大功率电器只在特定时间工作，待机时如不能切断电源将带来安全风险。

[0003] 目前，已经出现了一些带定时功能的接地故障保护装置。然而，一些接地故障保护装置的漏电保护电路和定时电路共用一个开关和开关驱动电路来控制电力连接。然而，当定时电路损坏或程序错误时会对漏电保护电路造成影响，最终可能导致漏电保护功能的丧失，增加了风险，带来安全隐患。一些接地故障保护装置的漏电保护功能驱动不同的开关控制电力连接。但是，定时电路独立控制的开关由于载流线上较大的电流而需采用体积大且价格昂贵的功率继电器，使得整个装置的体积增大，成本增长。

[0027] 在以下优选的实施例的具体描述中，将参考构成本发明一部分的所附的附图。所附的附图通过示例的方式示出了能够实现本发明的特定的实施例。示例的实施例并不旨在穷尽根据本发明的所有实施例。可以理解，在不偏离本发明的范围的前提下，可以利用其他实施例，也可以进行结构性或者逻辑性的修改。因此，以下的具体描述并非限制性的，且本发明的范围由所附的权利要求所限定。

[0028] 在介绍本发明的实施例之前，首先对本发明中涉及到的部分术语进行解释，以便更好地理解本发明。

[0029] 本发明所使用的术语“连接”或“耦合”及类似术语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“一个”、“一组”或者“一”等类似的词语不表示数量限制，而是表示存在至少一个。

[0030] 本发明所使用的术语“包括”、“包含”及类似术语应该被理解为是开放性的术语，即“包括/包含但不限于”，表示还可以包括其他内容。术语“基于”是“至少部分地基于”。术语“一个实施例”表示“至少一个实施例”；术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”等等。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

[0031] 本发明旨在提出一种接地故障保护装置。在该接地故障保护装置中，通过为漏电保护功能和定时功能设置彼此独立的驱动电路，并驱动同一个开关来控制输入端与输出端之间的电力连接，因此消除了潜在的安全隐患，在进一步提高接地故障保护装置的安全性的同时还节约了成本，减小了装置体积。此外，本发明的装置电路结构简单，成本低且安全性高。

[0032] 图1示出了根据本发明实施例的接地故障保护装置的一个示意性架构图。如图1中示出的，接地故障保护装置100包括开关单元103、漏电保护单元104和定时单元105。开关单元103耦合在载流线的输入端101与输出端102之间，并控制输入端101与输出端102之间的电力连接。载流线可以包括用于连接到电网相线的第一载流线(HOT)和用于连接到电网中性线的第二载流线(WHITE)，即第一载流线为相线，第二载流线为中性线。漏电保护单元104包括漏电检测模块1041和漏电驱动模块1042。漏电检测模块1041检测载流线上的漏电流信号，并在检测到漏电流信号时生成漏电故障信号。漏电驱动模块1042耦合至开关单元103和漏电检测模块1041，接收漏电故障信号，并响应于漏电故障信号而驱动开关单元103断开电力连接。漏电驱动模块1042包括第一线圈。漏电驱动模块1042通过控制流过第一线圈的电流来驱动开关单元103接通或断开输入端101与输出端102之间的电力连接。定时单元105包括定时控制模块1051、时间设定模块1052和定时驱动模块1053。定时控制模块1051响应于时长设定信号而进行计时，并在达到第一预设时长后生成定时分闸信号。第一预设时长例如可以是负载设备的预设工作时间。时间设定模块1052耦合至定时控制模块1051，并向定时控制模块1051发出时长设定信号。可以通过人工操作(例如，通过操作按钮)来向定时控制模块1051发出时长设定信号。定时驱动模块1053独立于漏电驱动模块1042设置并耦合至定时控制模块1051和开关单元103。定时驱动模块1053响应于定时分闸信号而驱动开关单元103断开电力连接。定时驱动模块1053包括独立于第一线圈的第二线圈。定时驱动模块1053通过控制流过第二线圈的电流来驱动开关单元103接通或断开输入端101与输出端102之间的电力连接。

[0033] 在一些实施例中，定时单元105还包括复位驱动模块(图1中未示出)。定时控制模块1051还生成复位驱动信号。复位驱动模块独立于漏电驱动模块1042设置并耦合至定时控制模块1051和开关单元103。复位驱动模块接收复位驱动信号，并响应于复位驱动信号而驱动开关单元103接通输入端101与输出端102之间的电力连接。复位驱动模块包括独立于第一线圈的第三线圈。复位驱动模块通过控制流过第三线圈的电流来驱动开关单元103接通或断开输入端101与输出端102之间的电力连接。通过设置复位驱动模块，接地故障保护装置100能够具有定时复位的功能，增加了产品使用的便利性和灵活性。

[0034] 在一些实施例中，定时控制模块1051在生成定时分闸信号之后继续计时，并在达到第二预设时长之后生成复位驱动信号。第二预设时长例如可以是负载设备的预设待机时间。以这种方式，接地故障保护装置100可以自动进行定时复位，而无需人为操作，进一步增加了产品使用的便利性和灵活性。

[0035] 在一些实施例中，第二线圈和第三线圈具有公共端，公共端耦合至输入端。以这种方式，可以使得制造故障保护装置100更为便利。

[0036] 在一些实施例中，第一线圈、第二线圈和第三线圈共用一个线圈支架。以这种方式，可以进一步降低接地故障保护装置100的制造成本，减小其体积。

[0037] 在一些实施例中，接地故障保护装置100还包括复位单元(图1中未示出)。复位单元耦合至定时控制模块1051和漏电驱动模块1042，并在受到外部操作时生成第一复位信号和第二复位信号。定时控制模块1051接收第一复位信号，并响应于第一复位信号而生成复位驱动信号以驱动开关单元103接通电力连接。漏电驱动模块1042接收第二复位信号，并响应于第二复位信号而驱动开关单元103维持接通电力连接。通过设置复位单元，可以在需要时对接地故障保护装置100进行复位操作，进一步增加了产品使用的便利性和灵活性。

[0038] 在一些实施例中，复位单元包括耦合至定时控制模块1051的第一复位开关和耦合至漏电驱动模块1042的第二复位开关。可以通过操作第一复位开关产生第一复位信号并通过操作第二复位开关产生第二复位信号。

[0039] 在一些实施例中，复位驱动模块还包括第一半导体元件。第一半导体元件耦合至第三线圈，并响应于复位驱动信号而控制第三线圈上的电流，进而接通电力连接。第一半导体元件可以是可控硅、双极型晶体管、场效应晶体管和光电耦合元件中的任意一个。

[0040] 在一些实施例中，定时驱动模块1052还包括第二半导体元件。第二半导体元件耦合至第二线圈，并响应于定时分闸信号而控制第二线圈上的电流，进而断开电力连接。第二半导体元件可以是可控硅、双极型晶体管、场效应晶体管和光电耦合元件中的任意一个。

[0041] 在一些实施例中，漏电驱动模块1042还包括第三半导体元件。第三半导体元件耦合至第一线圈，并响应于漏电故障信号而控制第一线圈上的电流，进而断开电力连接。第三半导体元件可以是可控硅、双极型晶体管、场效应晶体管和光电耦合元件中的任意一个。

[0042] 在一些实施例中，定时控制模块1051还基于第一预设时长生成时间信息。定时单元105还包括时间显示模块，其耦合至定时控制模块1051，并显示时间信息。以这种方式，用户可以方便地查看产品工作相关的时间信息。

[0043] 在一些实施例中，时间显示模块包括发光二极管、数码管和液晶屏中的一个。

[0044] 在一些实施例中，时间设定模块1052包括按键开关、压力传感器、触摸传感器、电位器和多档开关中的一个。

[0045] 在一些实施例中，定时单元105还包括电源模块，其耦合至定时控制模块1051，并为定时控制模块1051提供所需电源。

[0046] 在一些实施例中，漏电保护单元104还包括自检模块，其耦合至漏电检测模块1041和漏电驱动模块1042，并周期性地生成模拟的漏电流，以检测漏电检测模块1041和/或漏电驱动模块1042是否发生故障，并在漏电检测模块1041和/或漏电驱动模块1042发生故障时生成自检故障信号。

[0047] 下面参考图2‑图3G描述根据本发明一个实施例的接地故障保护装置。图2示出了根据本发明一个实施例的接地故障保护装置的示例性原理图。
图3A‑3G示出了图2的实施例中若干电路模块的示例性原理图。

[0048] 同时参考图2‑图3G，接地故障保护装置200耦合在供电线与负载设备之间，并包括开关单元103、漏电保护单元、定时单元、复位单元106和自检单元107。载流线包括第一载流线(HOT)11和第二载流线(WHITE)12，即第一载流线11为相线，第二载流线12为中性线。开关单元103耦合在载流线的输入端与输出端之间，用于控制载流线的电力连接通断。漏电保护单元包括漏电检测模块1041和漏电驱动模块1042。漏电检测模块1041包括电流互感器CT1和CT2、漏电检测芯片U1及其周边电路。第一载流线11和第二载流线12穿过电流互感器CT1和CT2。漏电驱动模块1042包括第一线圈SOL1、可控硅Q1(第三半导体元件)及其周边电路。定时单元包括定时控制模块1051、时间设定模块1052、定时驱动模块1053、复位驱动模块
1054、时间显示模块1055和电源模块1056。

[0049] 定时控制模块1051包括定时控制芯片U2及其周边电路。时间设定模块1052包括并联连接的电容C18和按键开关S1，它们并联连接的一端接地，另一端连接到定时控制芯片U2的引脚14(图3A中示出为KEY)。定时驱动模块1053与漏电驱动模块1042彼此独立，包括独立于第一线圈SOL1的第二线圈SOL3和可控硅Q3(第二半导体元件)。可控硅Q3的控制极连接到定时控制芯片U2的引脚15(图3A中示出为OPEN)，阳极连接到第二线圈SOL3的一端(图2中示出为NET_SOL3)，阴极接地。复位驱动模块1054与漏电驱动模块1042彼此独立，并包括独立于第一线圈SOL1的第三线圈SOL2以及可控硅Q4(第一半导体元件)。第二线圈SOL3和第三线圈SOL2可以是彼此独立的两个线圈，也可以是非独立的两个线圈。例如，第二线圈SOL3和第三线圈SOL2可以共用部分绕组，或者，第二线圈SOL3和第三线圈SOL2可以是同一个线圈，采用特定接法可以使得流过其的电流方向相反，从而分别实现第二线圈SOL3和第三线圈SOL2的功能。可控硅Q4的控制极连接到定时控制芯片U2的引脚16(图3A中示出为CLOSE)，阳极连接到第三线圈SOL2的一端(图2中示出为NET_SOL2)，阴极接地。第二线圈SOL3和第三线圈SOL2具有公共端，该公共端耦合至第一载流线11的输入端(图2中示出为HOT)。如图2中示出的，第一线圈SOL1、第二线圈SOL3和第三线圈SOL2共同用一个线圈支架。当电流流过第一线圈SOL1、第二线圈SOL3和第三线圈SOL2时，第一线圈SOL1和第三线圈SOL2产生的磁场方向相同，但与第二线圈SOL3产生的磁场相反。时间显示模块1055连接到定时控制芯片U2的引脚1‑3(图3A中示出为CL1‑CL3)和10‑11(图3A中示出为COM1和COM2)，用于接收并显示定时控制芯片U2生成的时间信息。时间显示模块1055包括多个发光二极管以显示时间信息。电源模块1056连接到第一载流线11的输入端(图2中示出为HOT)，电流经第一载流线11‑D9‑R25‑ZD2产生+3.3V稳压电源为定时控制芯片U2提供所需电源。电源模块1056还包括分压电路R21和R22，它们串联连接后与定时控制芯片U2的引脚9(图3A中示出为VIN)相连。

[0050] 如图2和图3G所示，复位单元106包括并联连接的第一复位开关RESET2和电容C17，它们并联连接的一端接地，另一端连接到定时控制芯片U2的引脚13(图3A中示出为RESET)。复位单元106还包括与漏电驱动模块1042的可控硅Q1并联连接的第二复位开关RESET1。自检模块107包括触发二极管ZD1、电容C11、可控硅Q2及一些周边元器件。可控硅Q2的控制极连接到漏电检测芯片U1的引脚5。

[0051] 接地故障保护装置200具有漏电保护功能。在正常工作情况下，电流流经第一载流线11‑C6‑DB1‑R7‑SOL1‑GND，第一线圈SOL1上产生磁场，用于维持开关单元103接通输入端与输出端之间的电力连接。另一方面，电流经第一载流线11‑D1‑R4为漏电检测芯片U1供电。当第一载流线11或第二载流线12上存在漏电流时，电流互感器CT1检测到该漏电流信号，次级端产生相应的感应信号，并将该感应信号传递给漏电检测芯片U1进行处理。当处理后的漏电流的值大于设定阈值时，漏电检测芯片U1的引脚5输出高电平(漏电故障信号)，反之输出低电平。漏电检测芯片U1的引脚5的高电平经由二极管D3和电阻R10被提供给可控硅Q1的控制极，触发可控硅Q1导通并保持，电流不再流经第一线圈SOL1，而是流经可控硅Q1‑GND，第一线圈SOL1上的磁场消失，驱动开关单元103断开输入端与输出端之间的电力连接，从而实现漏电保护。

[0052] 接地故障保护装置200还具有自检功能。电流通过第一载流线11‑D7‑R3为电容C11充电，随着电容C11两端电压的升高，触发二极管ZD1两端电压也随之升高。经过预设时段后，触发二极管ZD1两端电压达到触发阈值，触发二极管ZD1导通，电流经C11‑ZD1‑R5流过电流互感器CT1，产生模拟的漏电流，同时经R9为电容C8充电。在接地故障保护装置200的正常工作状态下，即漏电检测模块1041和漏电驱动模块1042都正常工作，电流互感器CT1检测到模拟的漏电流，其次级端产生相应的感应信号并传递给漏电检测芯片U1，漏电检测芯片U1的引脚5输出高电平，电流经D3‑R10为电容C10充电，同时电流经R17触发可控硅Q2导通。电容C11通过可控硅Q2迅速释放电量，电容C11的上端电压迅速下降。当下降到小于触发二极管ZD1的触发电压时，触发二极管ZD1截止。漏电检测芯片U1的引脚5变为低电平。由于这个过程的时间极短，电容C8和C10两端电压较低，不足以触发可控硅Q1导通，因此不会影响接地故障保护装置200的正常工作。在这个过程中，开关单元103也不会断开，而是保持在闭合状态。

[0053] 当漏电检测模块1041发生故障，不能检测到模拟的漏电流时，漏电检测芯片U1的引脚5保持在低电平，无法触发可控硅Q2导通，电容C11无法通过可控硅Q2快速释放电量，触发二极管ZD1较长时间导通，电流经电阻R9持续为电容C8充电(即生成自检故障信号)，使得C8两端电压上升到一定水平，足以经D5‑R10触发可控硅Q1导通。电流不再流经第一线圈SOL1，而是流经可控硅Q1‑GND，第一线圈SOL1上的磁场消失，驱动开关单元103断开输入端与输出端之间的电力连接，从而实现故障自检。

[0054] 接地故障保护装置200还具有定时功能。电流经第一载流线11‑D9‑R25‑ZD2产生+3.3V稳压电源为定时控制芯片U2供电，同时输入电压在由电阻R21和R22分压后输入至定时控制芯片U2。定时控制芯片U2判断该输入的电压是否大于设定值。当输入的电压大于设定值时，定时控制芯片U2的引脚16发出高电平脉冲(复位驱动信号)，触发复位驱动模块1054的可控硅Q4导通，较大的电流流经第一载流线11‑SOL2‑Q4‑GND，第三线圈SOL2产生较大的磁场，驱动开关单元103接通输入端与输出端之间的电力连接。按下时间设定模块1052的按键开关S1，时间设定模块1052向定时控制芯片U2的引脚14发出低电平信号(时长设定信号)以设定第一预设时长，定时控制芯片U2确定第一预设时长并启动计时。第一预设时长例如可以为负载设备的工作时长，其也可以是在定时控制芯片U2内预设。此外，定时控制芯片U2基于第一预设时长生成时间信息，并驱动时间显示模块1055的LD1‑LD6显示时间信息。时间信息例如可以是从第一预设时长开始的倒计时，用于向用户指示负载设备的剩余工作时间。在计时达到第一预设时长后，定时控制芯片U2生成并通过引脚15发出高电平脉冲(定时分闸信号)，触发定时驱动模块1053的可控硅Q3导通，较大的电流流经第一载流线11‑SOL3‑Q3‑GND，第二线圈SOL3产生较大的磁场(至少抵消第一线圈SOL1产生的部分磁场，使开关单元103无法保持接通状态)，驱动开关单元103断开输入端与输出端之间的电力连接。定时控制芯片U2在发出高电平脉冲之后继续计时，并在达到第二预设时长之后(即，进入下一时间周期)，生成并通过引脚16再次发出高电平脉冲(复位驱动信号)，触发复位驱动模块1054的可控硅Q4导通，驱动开关单元103接通输入端与输出端之间的电力连接。第二预设时长例如可以为负载设备的待机时长，其可以在定时控制芯片U2内进行预设或通过操作按键S1来设置。定时控制芯片U2同样可以基于第二预设时长生成时间信息，并驱动时间显示模块1055的LD1‑LD6显示时间信息。此时的时间信息例如可以是从第二预设时长开始的倒计时，用于向用户指示负载设备的剩余待机时间。

[0055] 此外，当接地故障保护装置200检测到漏电流并发生脱扣后，还可以通过复位单元106进行复位。按下复位单元106的第一复位开关RESET2和第二复位开关RESET1。复位单元
106向定时控制芯片U2发出低电平信号(第一复位信号)，定时控制芯片U2生成并通过引脚
16再次发出高电平脉冲(复位驱动信号)，触发复位驱动模块1054的可控硅Q4导通，驱动开关单元103接通输入端与输出端之间的电力连接。另一方面，按下第二复位开关RESET1使得可控硅Q1截止，电流再次流过第一线圈SOL1，维持开关单元103接通输入端与输出端之间的电力连接。

[0056] 图4A‑4C示出了根据本发明另一实施例的接地故障保护装置的若干电路模块的示例性原理图。

[0057] 在该实施例中，时间设定模块2052包括压力传感器S1并连接到定时控制模块2051的引脚14。可以通过为定时控制模块2051提供电源的电源模块为该时间设定模块2052提供+3.3V电源电压。当压力传感器S1检测到有外力按压时，时间设定模块2052向定时控制芯片U2的引脚14发出低电平信号(时长设定信号)以设定第一预设时长，定时控制芯片U2确定第一预设时长并启动计时。时间显示模块2055包括数码管，其连接到定时控制芯片U2的引脚1‑4(图4A中示出为CL1‑CL4)和10‑11(图4A中示出为COM1和COM2)，接收并显示定时控制芯片U2发出的时间信息。

[0058] 在其它实施例中，时间设定模块2052可以包括其它类型的定时元件，例如触摸传感器、电位器或多档开关。时间显示模块2055可以包括其它类型的显示元件，例如液晶屏。

[0059] 本发明的第二方面提出了一种电连接设备，包括：壳体；以及根据上述各实施例中任一个的接地故障保护装置，该接地故障保护装置容纳在壳体中。

[0060] 本发明的第三方面提出了一种用电器，包括：负载设备；以及电连接设备，其耦合在载流线与负载设备之间，用于向负载设备供电，电连接设备包括上述各实施例中任一个的接地故障保护装置。

[0061] 因此，虽然参照特定的示例来描述了本发明，其中这些特定的示例仅仅旨在是示例性的，而不是对本发明进行限制，但对于本领域普通技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的精神和保护范围的基础上，可以对所公开的实施例进行改变、增加或者删除。