CN102541144A - 交直流通用固态功率控制器的实现方法及控制器 - Google Patents
交直流通用固态功率控制器的实现方法及控制器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种交直流通用固态功率控制器的实现方法及交直流通用固态功率控制器，采用两个直流固态功率控制器背靠背反串连，其中一个直流固态功率控制器的功率输入端作为交直流通用固态功率控制器的功率输入端连接直流或交流电源，该直流固态功率控制器的功率输出端与另一个直流固态功率控制器的功率输出端相连，该另一个直流固态功率控制器的功率输入端作为交直流通用固态功率控制器的功率输出端，并经负载连接至直流或交流电源参考地。本发明可以实现直流和交流固态功率控制器的通用和互换，降低研发和维护成本；本发明的交直流通用固态功率控制器具有反向阻断功能，并有效抑制带交流变压器负载的励磁涌流，适用于任意频率的交流电源***。
Description
技术领域
本发明属于电力电子与电工技术领域，特别涉及一种交直流通用固态功率控制器的实现方法及交直流通用固态功率控制器。
背景技术
固态功率控制器（Solid State Power Controller，简称SSPC）是随着飞机配电***的发展而产生的由半导体器件构成的智能配电装置，可以接受上位机的控制信号并报告其状态信息；在负载发生过载时，按照反延时特性跳闸，保护线路和负载设备；当负载发生短路时，在几十微秒的时间内快速动作将故障负载切断；固态功率控制器具有无电弧、无触点、无噪声、响应快、电磁干扰小、可靠性高以及便于计算机远程控制等优点，在民用电网、航空航天器、坦克、汽车、舰船等场合有广泛应用。
目前直流固态功率控制器的主功率开关管一般由单个功率MOSFET构成，如在专利ZL200510038027.0中，提出了采用“慢开通、慢关断”的控制方法，能够对阻性、感性、容性负载都有很好的兼容性；但其不足是由于主开关管功率MOSFET存在体二极管，直流固态功率控制器不具备反向阻断能力；而目前交流固态功率控制器的主功率开关一般由双向可控硅或者双功率MOSFET反串联构成，其控制策略一般采用零电压开通和零电流关断的控制策略，只能对交流负载进行控制和保护，并且零电压开通和零电流关断的控制策略存在带变压器负载时励磁涌流较大问题。传统的直流固态功率控制器和交流固态功率控制器不能实现通用和互换。
发明内容
本发明针对前述背景技术中指出的不足，提供了一种利用直流固态功率控制器实现交直流通用固态功率控制器的方法，所采用的技术方案如下：
一种交直流通用固态功率控制器的实现方法，其特征在于：采用两个直流固态功率控制器背靠背反串连，其中一个直流固态功率控制器的功率输入端作为交直流通用固态功率控制器的功率输入端连接直流或交流电源，所述直流固态功率控制器的功率输出端与另一个直流固态功率控制器的功率输出端相连，所述另一个直流固态功率控制器的功率输入端作为交直流通用固态功率控制器的功率输出端经负载连接至直流或交流电源参考地；两个直流固态功率控制器接收同样的开通或关断控制命令，开通或关断同步；当负载正常时，两个直流固态功率控制器同步开通或关断；当负载故障时，两个直流固态功率控制器的其中一个直流固态功率控制器首先关断，另外一个直流固态功率控制器立刻接收到关断命令同步关断，最终两个直流固态功率控制器都关断，实现故障负载的隔离。
本发明还提供了一种交直流通用固态功率控制器，其特征在于由两个背靠背反串连的直流固态功率控制器和逻辑配置电路构成，其中一个直流固态功率控制器的功率输入端作为交直流通用固态功率控制器的功率输入端连接直流或交流电源，所述直流固态功率控制器的功率输出端与另一个直流固态功率控制器的功率输出端相连，所述另一个直流固态功率控制器的功率输入端作为交直流通用固态功率控制器的功率输出端经负载连接至直流或交流电源参考地；所述逻辑配置电路对外部控制命令CMD和两个直流固态功率控制器的故障跳闸信号Fault1、Fault2进行逻辑组合，向两个直流固态功率控制器输出同样的控制命令信号CMD1、CMD2实现其同步开通或关断，并向外部控制装置输出交直流通用固态功率控制器的故障跳闸信号Fault。
本发明的技术方案产生的有益效果是：
（1）利用两个直流固态功率控制器构成交直流通用固态功率控制器，对直流和交流负载都能够进行控制和保护；并且适用于任意频率的交流电源***，如民用的交流电源***、飞机的恒频和变频交流电源***等；
（2）利用两个直流固态功率控制器构成交直流通用固态功率控制器，当两个直流固态功率控制器都关断时，两个直流固态功率控制器中的功率MOSFET的导电沟道都关断，两个功率MOSFET的体二极管反向串连，具有正负双向的阻断能力，因此交直流通用固态功率控制器关断时具有反向阻断功能，克服了一般直流固态功率控制器不具有反向阻断能力的缺点；
（3）利用两个直流固态功率控制器构成交直流通用固态功率控制器，克服了“零电压开通、零电流关断”交流固态功率控制器带交流变压器负载时励磁涌流大的问题；
（4）利用两个直流固态功率控制器构成交直流通用固态功率控制器，实现了直流和交流固态功率控制器的通用和互换，可以降低研发和维护的成本。
附图说明
图1是两个直流固态功率控制器构成交直流通用固态功率控制器的原理框图；
图2是逻辑配置电路原理图；
图3是直流固态功率控制器的原理框图；
图4 是直流固态功率控制器控制原理的时序波形图；
图5是本发明中交直流通用固态功率控制器与交流或直流电源以及负载连接时的详细框图；
图6是本发明中交直流通用固态功率控制器带交流负载时的时序波形图；
图7是利用数字多通道直流固态功率控制器板卡构成交直流通用固态功率控制器的原理图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是利用直流固态功率控制器构成交直流通用固态功率控制器的原理框图，其连接方法为：直流固态功率控制器1和直流固态功率控制器2背靠背反串连，其中直流固态功率控制器1的功率输入端作为交直流通用固态功率控制器的功率输入端连接直流或交流电源，直流固态功率控制器1的功率输出端与直流固态功率控制器2的功率输出端相连，直流固态功率控制器2的功率输入端作为交直流通用固态功率控制器的功率输出端经负载连接至直流或交流电源参考地。逻辑配置电路对外部控制命令CMD、直流固态功率控制器1的故障状态输出端输出的故障跳闸信号Fault1、直流固态功率控制器2的故障状态输出端输出的故障跳闸信号Fault2进行逻辑组合，分别向两个直流固态功率控制器的控制命令端输出同样的控制命令信号CMD1、CMD2，用于实现两个直流固态功率控制器的同步开通或关断，并向外部控制装置输出交直流通用固态功率控制器的故障跳闸信号Fault。
图1中交直流通用固态功率控制器的控制方法是：交直流通用固态功率控制器接收外部控制命令CMD，经逻辑配置电路处理后，分别发送控制命令信号CMD1和控制命令信号CMD2给直流固态功率控制器1和直流固态功率控制器2；当负载正常时，两个直流固态功率控制器实现同时“慢开通、慢关断”，故障跳闸信号Fault1和故障跳闸信号Fault2均为高电平，表示无故障；当负载过流故障时，直流固态功率控制器1或直流固态功率控制器2先发生关断，故障跳闸信号Fault1或故障跳闸信号Fault2变为低电平，经***逻辑配置电路处理后，控制命令信号CMD2和控制命令信号CMD1立刻变为低电平，同步关断直流固态功率控制器2或直流固态功率控制器1，这时交直流通用固态功率控制器实现了故障负载的隔离。
图2为逻辑配置电路原理图，由两个与门构成。直流固态功率控制器1的故障跳闸信号Fault1和直流固态功率控制器2的故障跳闸信号Fault2分别连接至其中一个与门的两输入端，该与门的输出端输出交直流通用固态功率控制器的故障跳闸信号Fault，并且该输出端还连接至另一个与门的一个输入端，外部控制命令CMD连接至该另一个与门的另一个输入端，该另一个与门的输出端输出用于实现两个直流固态功率控制器同步开通或关断的控制命令信号CMD1、CMD2。当负载发生故障时，直流固态功率控制器1或直流固态功率控制器2检测到故障并关断，此时故障跳闸信号Fault1或者Fault2相应地变为低电平，控制命令信号CMD1、CMD2也相应地变为低电平，使另外一个直流固态功率控制器同步关断。
图3为直流固态功率控制器典型实施例的构成框图，包括以下模块：隔离电路、状态综合与逻辑锁存电路、驱动电路、电流检测、过流保护与短路检测电路、检测电阻、主开关管功率MOSFET。该直流固态功率控制器接受控制命令CMD*对负载进行通断控制，并在负载发生故障时，通过内部的故障锁存电路和隔离电路发出一个低电平有效的故障跳闸信号Fault*。
如图4所示，当图3中直流固态功率控制器控制命令为开通命令时，控制主功率开关管的栅源驱动电压从高于开启电压的一电压值开始缓慢上升，控制主功率开关管中电流的上升时间，最终使主功率开关管完全导通，实现直流固态功率控制器的慢开通；当直流固态功率控制器控制命令为关断命令时，控制主功率开关管的栅源驱动电压缓慢下降，从而控制主功率开关管中电流的下降时间，并最终使栅源驱动电压小于开启电压，实现主开关慢关断。
图5是本发明与直流或交流电源和负载连接的详细框图：
(1) 当图5中交直流通用固态功率控制器连接直流电源带直流负载时，若直流电源为正电源，则由于直流SSPC2（直流固态功率控制器2）中主功率管的体二极管与电源方向一致，因此由直流SSPC1（直流固态功率控制器1）控制负载的慢开通和慢关断；当两个直流固态功率控制器都关断时，两个直流固态功率控制器中的功率MOSFET的导电沟道都关断，两个功率MOSFET的体二极管反向串连，具有正负双向的阻断能力，因此本发明的交直流通用固态功率控制器关断时具有反向阻断功能；
(2) 当图5中交直流通用固态功率控制器带交流负载时，由于直流固态功率控制器中的主功率开关管存在体二极管，因此开通和关断过程中若电源处于正半周，如图6所示，则直流固态功率控制器2处于不可控导通状态，由直流固态功率控制器1实现“慢开通、慢关断”；开通和关断过程若电源处于负半周，则直流固态功率控制器1处于不可控导通状态，由直流固态功率控制器2实现“慢开通、慢关断”。
图7为利用数字多通道直流固态功率控制器板卡构成交直流通用固态功率控制器的原理图。由于所有的状态、逻辑控制命令都是由微机芯片处理的，因此可以在不改动任何硬件的前提下，将两个直流固态功率控制器组合成交直流通用固态功率控制器。在微机芯片的逻辑处理中，应该将这两个直流固态功率控制器通道进行同步控制：
1) 两个直流固态功率控制器通道的开通关断命令应同时发出；
2) 当其中一个通道因为负载故障而跳闸时，应同步关断另一个通道。
以上实施方式仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (5)
1.一种交直流通用固态功率控制器的实现方法，其特征在于：采用两个直流固态功率控制器背靠背反串连，其中一个直流固态功率控制器的功率输入端作为交直流通用固态功率控制器的功率输入端连接直流或交流电源，所述直流固态功率控制器的功率输出端与另一个直流固态功率控制器的功率输出端相连，所述另一个直流固态功率控制器的功率输入端作为交直流通用固态功率控制器的功率输出端经负载连接至直流或交流电源参考地；两个直流固态功率控制器接收同样的开通或关断控制命令，开通或关断同步。
2.如权利要求1所述的交直流通用固态功率控制器的实现方法，其特征在于：当负载正常时，两个直流固态功率控制器同步开通或关断；当负载故障时，两个直流固态功率控制器的其中一个直流固态功率控制器首先关断，另外一个直流固态功率控制器立刻接收到关断命令同步关断，最终两个直流固态功率控制器都关断，实现故障负载的隔离。
3.如权利要求1或2所述的交直流通用固态功率控制器的实现方法，其特征在于：直流固态功率控制器的主功率开关管采用功率MOSFET或IGBT，控制方法是：当直流固态功率控制器控制命令为开通命令时，控制主功率开关管的栅源驱动电压从高于开启电压的一电压值开始缓慢上升，控制主功率开关管中电流的上升时间，最终使主功率开关管完全导通，实现直流固态功率控制器的慢开通；当直流固态功率控制器控制命令为关断命令时，控制主功率开关管的栅源驱动电压缓慢下降，从而控制主功率开关管中电流的下降时间，并最终使栅源驱动电压小于开启电压，实现主开关慢关断。
4.一种交直流通用固态功率控制器，其特征在于由两个背靠背反串连的直流固态功率控制器和逻辑配置电路构成，其中一个直流固态功率控制器的功率输入端作为交直流通用固态功率控制器的功率输入端连接直流或交流电源，所述直流固态功率控制器的功率输出端与另一个直流固态功率控制器的功率输出端相连，所述另一个直流固态功率控制器的功率输入端作为交直流通用固态功率控制器的功率输出端经负载连接至直流或交流电源参考地；所述逻辑配置电路对外部控制命令（CMD）和两个直流固态功率控制器的故障跳闸信号（Fault1、Fault2）进行逻辑组合，向两个直流固态功率控制器输出同样的控制命令信号（CMD1、CMD2）实现其同步开通或关断，并向外部控制装置输出交直流通用固态功率控制器的故障跳闸信号（Fault）。
5.如权利要求4所述的交直流通用固态功率控制器，其特征在于所述逻辑配置电路由两个与门构成，两个直流固态功率控制器的故障跳闸信号（Fault1、Fault2）分别连接至其中一个与门的两输入端，该与门的输出端输出交直流通用固态功率控制器的故障跳闸信号（Fault）并连接至另一个与门的一个输入端，外部控制命令（CMD）连接至该另一个与门的另一个输入端，该另一个与门的输出端输出所述控制命令信号（CMD1、CMD2）。
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| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20140205 |