CN112117736B - 固态功率控制器 - Google Patents

Abstract

本发明所述的固态功率控制器，提出应用于固态功率控制器的故障检测电路设计，以解决固态功率控制器正常关断与故障关断模式之间无法准确识别的问题。固态功率控制器包括由供电（复位）电路、信号检测电路和状态输出电路构成的故障检测电路。所述的供电（复位）电路控制信号检测电路和状态输出电路的加电与断电，其VCC电源由固态功率控制器母线电源分压整流产生，在加电瞬间产生复位信号以控制信号检测电路进行复位操作；所述的信号检测电路，上电瞬间接收供电（复位）电路产生的复位信号，对电路进行复位操作，根据开关控制电路产生的开启复位信号、以及固态功率控制器经电流采集电路和保护电路产生的电平控制信号，输出高电平或低电平；所述的状态输出电路，根据信号检测电路输出的电平信号分别输出高、低电平信号。

Description

固态功率控制器

技术领域

本发明涉及一种具有故障检测电路和关断原因监测手段的新型固态功率控制器，电气设计技术领域。

背景技术

随着微电子技术和芯片工艺设计在国内电子行业的快速发展，固态功率控制器作为电力电子控制领域的核心控制开关，亦已广泛应用于各类供配电***中。

通常固态功率控制器包括有供电电路、开关控制电路、功率驱动电路、电流采集电路、保护电路和指示电路等结构，通过指令模式接通和关断相应电路并对母线电流进行实时采集与监测。一旦发生过流/短路等类故障时，控制器能够即时识别并直接切断电源以保护所在的***，体现出响应速度快、抗干扰能力强、故障解除后可恢复等优点。

现有固态功率控制器的工作模式分为三种，即正常接通、正常关断和故障关断。如后附图1所示，上电后电路处于正常状态时，通/断指示电路输出低电平；当输入接通指令后，控制器电路进入工作状态时，通/断指示电路输出高电平；当输入关断指令后，控制器电路处于关断状态时，通/断指示电路输出低电平；当发生过流/短路等故障时，控制器电路进入故障模式，此时电源被切断，通/断指示电路则仍输出低电平。因此，上述现有控制器电路，无论发生故障关断或在正常工作状态下的关断控制时，通/断指示端均输出低电平，从控制器外部，用户无法直接对电路发生关断时的工作状态做出直接、有针对性地正确判断，从而无法基于固态功率控制器本身实施功率器件、母线电路工作正常与否的监测与控制，不利于保护相应供配电***的安全。

有鉴于此，特提出本专利申请。

发明内容

本申请所述的固态功率控制器，在于解决上述现有技术存在的问题而提出应用于固态功率控制器的故障检测电路设计，以解决固态功率控制器正常关断与故障关断模式之间无法准确识别的问题，从而提高判断控制器电路工作状态的准确性。

为实现上述设计目的，所述的固态功率控制器包括由供电（复位）电路、信号检测电路和状态输出电路构成的故障检测电路。

具体地，所述的供电（复位）电路控制信号检测电路和状态输出电路的加电与断电，其VCC电源由固态功率控制器母线电源分压整流产生，在加电瞬间产生复位信号以控制信号检测电路进行复位操作；所述的信号检测电路，上电瞬间接收供电（复位）电路产生的复位信号，对电路进行复位操作，根据开关控制电路产生的开启复位信号、以及固态功率控制器经电流采集电路和保护电路产生的电平控制信号，输出高电平或低电平；所述的状态输出电路，根据信号检测电路输出的电平信号分别输出高、低电平信号。

如上述设计构思，为解决正常关断和故障关断无法判断的问题，本申请设计了一种故障检测电路，当电路正常接通或关断时，故障检测电路始终输出低电平；当电路发生过载故障时，故障检测电路输出高电平；在故障解除后，输入接通指令电路重新接通，故障检测电路再次输出低电平，从而能够从根本上加以区分正常关断和故障关断状态。

进一步地，所述的供电（复位）电路，其电阻R1的一端同时与电阻R2的一端以及故障检测电路供电端（即固态功率控制器母线电源端）VCC相连，电阻R1的另一端同时与稳压管Z1的负极以及三极管Q1的基极相连，电阻R2的另一端与三极管Q1的集电极相连，三极管Q1的发射级同时与电阻R3的一端以及二极管D1的负极相连，电阻R3的另一端同时与二极管D1的正极以及电容C1的一端相连，电容C1的另一端同时与稳压管Z1的正端以及故障检测电路的GND端（即固态功率控制器的GND端）相连。

进一步地，所述的信号检测电路，其电阻R4的一端同时与D触发器U2的D端、三极管Q1的发射极、二极管D1的负极以及电阻R3的一端相连，电阻R4的另一端与D触发器U2的VDD端相连，电阻R5的一端同时与D触发器U2的R端、二极管D2的负极以及二极管D3的负极相连，电阻R5的另一端接故障检测电路的GND端，二极管D2的正极与反相放大器U1的输出端相连，二极管D3的正极与故障检测电路的Vr端相连，反相放大器U1的输入端同时与电阻R3的另一端、电容C1的一端以及二极管D1的正极相连，D触发器U2的VSS端与故障检测电路的GND端相连，D触发器U2的CK端与故障检测电路的Vin端相连。

进一步地，所述的状态输出电路，其电阻R6的一端与D触发器U2的Q端相连，电阻R6的另一端同时与稳压管Z2的负极以及三极管Q2的基极相连，电阻R7的一端同时与三极管Q2的发射极以及故障检测电路的输出端Vout相连，电阻R7的另一端同时与稳压管Z2的正极以及故障检测电路的GND端相连，三极管Q2的集电极同时与电阻R3的一端、电阻R4的一端、二极管D1的负极、三极管Q1的发射极以及D触发器U2的D端相连。

综上内容，本申请所述的固态功率控制器具有如下优点：

1、通过信号检测电路，能够有效识别控制器处于正常关断还是处于故障关断状态，避免了错误状态下的重复操作，有利于提高功率电路的可靠性与使用寿命，可确保供配电***在安全、稳定、可靠的状态下运行。

2、电路故障排查时间较短，运行效率较高。

3、能够通过供电（复位）电路，有效地避免在上电瞬间、因上一故障状态而始终存在的输出高电平的现象，对信号检测电路进行复位操作而可避免输出状态紊乱现象的发生。

4、能够通过开关控制电路引入开启复位信号，可在开启瞬间对信号检测电路进行复位操作，从而有效地避免因上一故障状态而始终存在的输出高电平现象，***安全性得以进一步提升。

5、能够通过状态输出电路，显著地提高电路输出端的驱动能力，有效地避免负载变化引起输出电平变小的现象，拓展了控制器电路应用范围。

附图说明

以下附图是本申请具体实施方式的举例说明。

图1是现有固态功率控制器的电路原理框图；

图2是本申请所述具有故障检测电路的固态功率控制器电路原理框图；

图3为本申请所述固态功率控制器具有的故障检测电路结构图；

图4为应用本申请所述固态功率控制器的故障检测工作过程的关键点波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

实施例1，如图2和图3所示，本申请提出具有故障检测电路的新型固态功率控制器，所述的故障检测电路包括供电（复位）电路、信号检测电路和状态输出电路。

所述的供电（复位）电路，包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、二极管D1、稳压管Z1和三极管Q1，其中电阻R1的一端同时与电阻R2的一端以及故障检测电路供电端（即固态功率控制器母线电源端）VCC相连，电阻R1的另一端同时与稳压管Z1的负极以及三极管Q1的基极相连，电阻R2的另一端与三极管Q1的集电极相连，三极管Q1的发射级同时与电阻R3的一端以及二极管D1的负极相连，电阻R3的另一端同时与二极管D1的正极以及电容C1的一端相连，电容C1的另一端同时与稳压管Z1的正端以及故障检测电路的GND端（即固态功率控制器的GND端）相连。固态功率控制器母线电源分压整流产生VCC电源，以控制信号检测电路和状态输出电路的加电与断电，并在加电瞬间产生复位信号以控制信号检测电路进行复位操作。

所述的信号检测电路，包括电阻R4、电阻R5、二极管D2、二极管D3、反相放大器U1和D触发器U2，其中电阻R4的一端同时与D触发器U2的D端、三极管Q1的发射极、二极管D1的负极以及电阻R3的一端相连，电阻R4的另一端与D触发器U2的VDD端相连，电阻R5的一端同时与D触发器U2的R端、二极管D2的负极以及二极管D3的负极相连，电阻R5的另一端接故障检测电路的GND端，二极管D2的正极与反相放大器U1的输出端相连，二极管D3的正极与故障检测电路的Vr端相连，反相放大器U1的输入端同时与电阻R3的另一端、电容C1的一端以及二极管D1的正极相连，D触发器U2的VSS端与故障检测电路的GND端相连，D触发器U2的CK端与故障检测电路的Vin端相连。上电瞬间，信号检测电路接收供电（复位）电路产生的复位信号，对电路进行复位操作，Vin端接收固态功率控制器经电流采集电路和保护电路产生的电平控制信号，Vr端接收开关控制电路产生的开启复位信号，D触发器U2根据供电（复位）电路或Vr端产生的复位信号，以及Vin端电平信号的变化输出高电平或低电平。

所述的状态输出电路，包括电阻R6、电阻R7、稳压管Z2以及三极管Q2，其中电阻R6的一端与D触发器U2的Q端相连，电阻R6的另一端同时与稳压管Z2的负极以及三极管Q2的基极相连，电阻R7的一端同时与三极管Q2的发射极以及故障检测电路的输出端Vout相连，电阻R7的另一端同时与稳压管Z2的正极以及故障检测电路的GND端相连，三极管Q2的集电极同时与电阻R3的一端、电阻R4的一端、二极管D1的负极、三极管Q1的发射极以及D触发器U2的D端相连。当信号检测电路输出高电平时，稳压管Z2工作在稳压状态，三极管Q2导通，Vout输出高电平信号；当信号检测电路输出低电平时，稳压管Z2工作在截止状态，三极管Q2关断，Vout输出低电平信号。

基于上述故障检测电路的设计，本申请同时还实现了一种新的固态功率控制器故障检测方法，包括有以下步骤：

在所述供电（复位）电路中，其VCC电源由固态功率控制器母线分压整流产生，供电电源由三极管Q1的发射极产生，其供电电压由稳压管Z1的稳压值VZ1与三极管Q1的BE结电压VQ1_BE决定，等于VZ1-VQ1_BE；该电压用于控制所述信号检测电路和状态输出电路的加电与断电；

供电（复位）电路在上电瞬间，电容C1与电阻R3连接端产生低电平信号，待电容C1充电完成后，变为高电平；上电瞬间产生的低电平信号，经所述信号检测电路的反相放大器变换后产生一个高电平复位信号，输出至D触发器U2的R端，从而针对所述信号检测电路进行复位操作，以使得D触发器U2的Q端输出低电平信号；电容C1充电完成后，电容C1与电阻R3连接端的信号变为高电平，经所述信号检测电路的反相放大器变换后产生低电平信号，从而完成D触发器U2的复位操作；

所述信号检测电路的Vr端通过开关控制电路引入正脉冲信号（即开启信号），经过防反向二极管D3后输出给D触发器U2的R端，从而针对所述信号检测电路再次进行复位操作，以使得D触发器U2的Q端输出低电平信号；信号检测电路的Vin端接收固态功率控制器经电流采集电路和保护电路产生的电平控制信号，当固态功率控制器处于正常工作或正常关断时，电流采集电路产生的电压信号低于保护电路比较器的阈值电压，从而保护电路输出低电平信号至所述信号检测电路的Vin端，D触发器U2的Q端维持上一工作状态（即复位操作产生的低电平信号）并输出低电平；当固态功率控制器电路因发生故障而关断时，电流采集电路产生的电压信号高于保护电路比较器的阈值电压，保护电路输出信号由低电平变为高电平，产生一个上升沿信号并发送至信号检测电路的Vin端，D触发器U2的Q端等于D端高电平电压，并输出高电平。

所述状态输出电路对信号检测电路输出的电平信号放大后输出至故障检测电路的Vout端，当信号检测电路输出低电平时，稳压管Z2工作在截止状态，三极管Q2的基极为低电平，处于关断状态，Vout端输出低电平信号；当信号检测电路输出高电平时，稳压管Z2工作在稳压状态，三极管Q2的基极电压等于稳压管Z2的稳压值，处于导通状态，信号经三极管Q2放大后，Vout端输出高电平信号。

在图4中，（a）为正常工作或正常关断状态下的故障检测过程，（b）为故障状态下的故障检测过程，（c）为故障解除后的故障检测过程。

如图4（a）所示，当故障检测电路的控制器母线VCC电源上电后，VCC电压经电阻R1施加于稳压管Z1，当VCC电压高于稳压管Z1稳压值时，稳压管Z1工作在稳压状态，稳压管Z1负端电压等于其稳压值，该电压值作用于三极管Q1基极，Q1开启，Q1发射极电压（即VCC1）等于稳压管Z1的稳压值VZ1减去三极管Q1的BE结电压VQ1_BE，VCC1端电压用于控制信号检测电路和状态输出电路的加电与断电。Q1开启后，母线电源VCC经电阻R2、三极管Q1、电阻R3和防反向二极管D1开始给电容C1充电，由于电容两端电压无法突变，即上电瞬间C1上端（Vrst1端）为低电平，Vrst1端电压经反相放大器U1变换后输出高电平信号，再经过防反向二极管D2后输出给D触发器R端，此时Vrst2端为高电平，D触发器U2进行复位操作，Vq端输出低电平信号，稳压管Z2工作在截止状态，三极管Q2关断，Vout输出端为低电平。当电容C1充电到t1时刻时，Vrst1电压等于反相放大器U1的翻转阈值，U1翻转输出低电平信号，Vrst2变为低电平，D触发器U2结束复位操作，D触发器Q端输出电压维持低电平，Vout输出端维持低电平。

如图4（b）所示，电路正常工作或正常关断时，固态功率控制器经电流采集电路和保护电路后，Vin端始终为低电平。t4时刻，当固态功率控制器母线发生过流或短路故障时，电流采集电路输出的电压超过保护电路内部比较器的翻转阈值电压，比较器输出高电平信号，即Vin端变为高电平信号，此时D触发器U2在上升沿时钟作用下将U2的D端高电平信号传送给Q端，Vq变为高电平，稳压管Z2进入稳压状态，三级管Q2开启，Vout端输出高电平信号。t5时刻，当固态功率控制器在保护电路作用下关断后，电流采集电路输出的电压再次低于保护电路内部比较器的翻转阈值电压，比较器输出低电平信号，即Vin端再次变为低电平信号，此时D触发器U2的CK端为下降沿，U2的D端维持上一状态，即Vq端电压始终为高电平，故障检测电路Vout端始终输出高电平，指示电路进入故障关断工作模式。

如图4（c）所示，故障解除后，故障检测电路的工作过程如下：t6时刻，固态功率控制器母线发生过流或短路故障后，故障检测电路输出高电平，待故障解除后，t7时刻，通过开关控制电路引入正脉冲信号（即开启信号），输入到信号检测电路的Vr端，通过防反向二极管D3后输出给D触发器U2的R端，此时Vrst2端为高电平，D触发器U2进行复位操作，Vq端输出低电平信号，稳压管Z2工作在截止状态，三极管Q2关断，Vout输出端为低电平，固态功率控制器电路进入正常工作状态。t8时刻，复位操作结束，D触发器Q端输出电压维持低电平，Vout输出端维持低电平，固态功率控制器保持正常工作状态。

综上内容，结合附图中给出的实施例仅是优选方案。对于所属领域技术人员来说可以据此得到启示，而直接推导出符合本发明设计构思的其他替代结构，也应属于本发明所述的方案范围。

Claims (3)

1.一种固态功率控制器，其特征在于：包括由供电复位电路、信号检测电路和状态输出电路构成的故障检测电路；

所述的供电复位电路控制信号检测电路和状态输出电路的加电与断电，其VCC电源由固态功率控制器母线电源分压整流产生，在加电瞬间产生复位信号以控制信号检测电路进行复位操作；

所述的供电复位电路，其电阻R1的一端同时与电阻R2的一端以及故障检测电路供电端即固态功率控制器母线电源端VCC相连，电阻R1的另一端同时与稳压管Z1的负极以及三极管Q1的基极相连，电阻R2的另一端与三极管Q1的集电极相连，三极管Q1的发射极同时与电阻R3的一端以及二极管D1的负极相连，电阻R3的另一端同时与二极管D1的正极以及电容C1的一端相连，电容C1的另一端同时与稳压管Z1的正端以及故障检测电路的GND端即固态功率控制器的GND端相连；

所述的信号检测电路，上电瞬间接收供电复位电路产生的复位信号，对电路进行复位操作，根据开关控制电路产生的开启复位信号、以及固态功率控制器经电流采集电路和保护电路产生的电平控制信号，输出高电平或低电平；

所述的状态输出电路，根据信号检测电路输出的电平信号分别输出高、低电平信号。

2.根据权利要求1所述的固态功率控制器，其特征在于：所述的信号检测电路，其电阻R4的一端同时与D触发器U2的D端、三极管Q1的发射极、二极管D1的负极以及电阻R3的一端相连，电阻R4的另一端与D触发器U2的VDD端相连，电阻R5的一端同时与D触发器U2的R端、二极管D2的负极以及二极管D3的负极相连，电阻R5的另一端接故障检测电路的GND端，二极管D2的正极与反相放大器U1的输出端相连，二极管D3的正极与故障检测电路的Vr端相连，反相放大器U1的输入端同时与电阻R3的另一端、电容C1的一端以及二极管D1的正极相连，D触发器U2的VSS端与故障检测电路的GND端相连，D触发器U2的CK端与故障检测电路的Vin端相连。

3.根据权利要求1所述的固态功率控制器，其特征在于：所述的状态输出电路，其电阻R6的一端与D触发器U2的Q端相连，电阻R6的另一端同时与稳压管Z2的负极以及三极管Q2的基极相连，电阻R7的一端同时与三极管Q2的发射极以及故障检测电路的输出端Vout相连，电阻R7的另一端同时与稳压管Z2的正极以及故障检测电路的GND端相连，三极管Q2的集电极同时与电阻R3的一端、电阻R4的一端、二极管D1的负极、三极管Q1的发射极以及D触发器U2的D端相连。

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