CN207504768U - 固态功率控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及固态功率控制器，包括控制单元、电源模块、驱动电路、降栅压电路和功率管；电源模块的输入端与直流电源连接，输出端给控制单元和驱动电路供电；控制单元、驱动电路和降栅压电路依次电连接，降栅压电路与功率管的栅极电连接；降栅压电路与控制单元电连接；驱动电路和控制单元向降栅压电路发送控制信号，降栅压电路的输出端用于改变功率管的栅极电压；功率管的漏极与直流电源连接，源极给负载供电；控制单元与上位机通信连接。本实用新型能够时检测外部负载回路的电压/电流情况，通过驱动电路控制功率管进行反馈通断控制，提高通断控制方式的自动化及智能化；实现过流保护，提升电路的安全性、实时性及可靠性。

Description

固态功率控制器

技术领域

本实用新型属于配电***的控制装置技术领域，具体涉及一种固态功率控制器。

背景技术

固态功率控制器(Solid-State Power Controller，简称SSPC)是将继电器的转换功能和断路器的电路保护功能集于一体的固态元器件，是与固态配电***相配套的控制负载通断的开关装置。SSPC的最初设计是应用在飞机上的，它是一种二次配电装置，它的特点还决定了它可以应用在任何需要安全、自动化控制且需要实时了解负载状态的配电***中，例如通信基站的配电等。

现代飞机、船舶、车辆已趋于多电控制或全电控制，用电设备日趋增多，对供配电***的要求也越来越高。传统配电方式采用配电板、熔断器、机械式继电器、断路器及馈电导线形成供电回路，属于集中配电方式。在负载数量较多的情况下，存在以下缺点：操作繁琐复杂，占用机组人员较多的任务时间；供电线圈功耗大；触点拉弧，极易产生电磁干扰，且有寿命限制；不智能，无法实现自动控制、冗余供电和容错供电；断路器过流保护特性只适用于特定电流值的负载；整个配电***维修性差，维护费用高；供电电缆数量多，贯穿长，致使供电***重量大，影响飞机的机动特性和载重。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种体积小、重量轻、智能化的固态功率控制器。

为实现以上目的，本实用新型采用如下技术方案：

固态功率控制器，包括控制单元、电源模块、驱动电路、降栅压电路和功率管；所述电源模块的输入端与直流电源连接，输出端给所述控制单元和所述驱动电路供电；

所述控制单元、驱动电路和降栅压电路依次电连接，所述降栅压电路与所述功率管的栅极电连接；所述降栅压电路与所述控制单元电连接；所述驱动电路和所述控制单元向所述降栅压电路发送控制信号，所述降栅压电路的输出端用于改变所述功率管的栅极电压；

所述功率管的漏极与直流电源连接，源极给负载供电；所述控制单元与上位机通信连接。

所述固态功率控制器还包括采样电阻、信号调理电路、放大电路和A/D转换器；所述功率管的源极通过所述采样电阻连接负载；

所述信号调理电路的输入端并联在所述采样电阻的两端，用于采集所述采样电阻上的电信号；所述信号调理电路的输出端、放大电路、A/D转换器和控制单元依次电连接，所述信号调理电路采集的电信号经过所述放大电路和所述A/D转换器处理后送至所述控制单元。

所述信号调理电路包括模拟信号调理电路和数字信号调理电路。

所述模拟信号调理电路包括依次电连接的运算放大器、滤波电路、线性隔离电路和电压跟随器；所述运算放大器用于采样电压信号，所述电压跟随器与所述控制单元电连接。

所述数字信号调理电路包括两个光耦隔离器和一个电压比较器；一个光耦隔离器的输入端用于采样电流信号，输出端与所述电压比较器连接；所述电压比较器的输出端通过另一个光耦隔离器与所述控制单元电连接。

所述固态功率控制器还包括隔离电路，所述控制单元与所述驱动电路之间通过所述隔离电路电连接。

所述驱动电路包括一个NPN型晶体管和一个PNP型晶体管，二者组成互补输出电路。

所述功率管采用增强型的N沟道MOS管。

所述控制单元包括FPGA芯片、有源晶体振荡器和存储器。

所述电源模块包括DC/DC转换器和稳压芯片，能够输出多种不同的电压值。

本实用新型采用以上技术方案，具有如下有益效果：

(1)时检测外部负载回路的电压/电流情况，并根据外部负载的实时情况，通过驱动电路控制功率管进行反馈通断控制，提高通断控制方式的自动化及智能化；(2)降栅压电路可以实现过流保护，提升电路的安全性、实时性及可靠性；(3)与上位机进行通信，接收外部上位机的控制信号或反馈监控信息；(4)采用光耦隔离器，可以有效隔离负载电与工作电之间的相互影响，实现电源隔离保护。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型固态功率控制器的电路结构示意图；

图2是本实用新型固态功率控制器的驱动电路示意图；

图3是本实用新型固态功率控制器的降栅压电路示意图；

图4是本实用新型固态功率控制器的模拟信号调理电路示意图；

图5是本实用新型固态功率控制器的数字信号调理电路示意图。

图中：101-控制单元；102-电源模块；103-驱动电路；104-降栅压电路；105-功率管；106-采样电阻；107-信号调理电路；1071-运算放大器；1072-滤波电路；1073-线性隔离电路；1074-电压跟随器；108-放大电路；109-A/D转换器；110-隔离电路。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本实用新型的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本实用新型所保护的范围。

如图1所示，本实用新型提供一种固态功率控制器，包括控制单元101、电源模块102、驱动电路103、降栅压电路104和功率管105；所述电源模块102的输入端与直流电源连接，输出端给所述控制单元101和所述驱动电路103供电；

所述控制单元101、驱动电路103和降栅压电路104依次电连接，所述降栅压电路104与所述功率管105的栅极电连接；所述降栅压电路104与所述控制单元101电连接；所述驱动电路103和所述控制单元101向所述降栅压电路104发送控制信号，所述降栅压电路104的输出端用于改变所述功率管105的栅极电压；

所述功率管105的漏极与直流电源连接，源极给负载供电；所述控制单元101与上位机通信连接。

所述固态功率控制器还包括采样电阻106、信号调理电路107、放大电路108和A/D转换器109；所述功率管105的源极通过所述采样电阻106连接负载；

所述信号调理电路107的输入端并联在所述采样电阻106的两端，用于采集所述采样电阻106上的电信号；所述信号调理电路107的输出端、放大电路108、A/D转换器109和控制单元101依次电连接，所述信号调理电路107采集的电信号经过所述放大电路108和所述A/D转换器109处理后送至所述控制单元101。

所述固态功率控制器还包括隔离电路110，所述控制单元101与所述驱动电路103之间通过所述隔离电路110电连接。为了使隔离电路110尽可能简单可靠，隔离电路110采用光耦进行隔离。

为进一步详述本专利，结合具体实施例进行拓展说明如下：

控制单元101采用FPGA芯片作为核心器件，其型号为XQV300-4CB228M。具体地，控制单元101的硬件电路器件包括FPGA芯片、FPGA的配置芯片、有源晶体振荡器、可擦除存储器、通信芯片等；具体电路根据FPGA芯片手册给出的典型电路即可实现。

所述功率管105采用增强型的N沟道MOS管。

在目前的SSPC***中，需要使用多种电压，包括+2.5V、+3.3V、+5V和±15V，其中+2.5V为FPGA芯片所使用的电源，FPGA的I/O引脚需要使用+3.3V的电源，+5V电源用于一些外设器件和参考标准，±15V电源主要用于运算放大器、比较器及AD转换器的供电。因此，所述电源模块102包括DC/DC转换器和稳压芯片，能够输出多种不同的电压值。

DC/DC转换器型号为ZHF28T0515(F)/15W，稳压芯片型号为LT1764A。电源模块102将外部28V电源经DC/DC转换器变换得到±15V、+5V电源，再经过低压差线性稳压芯片(LDO)变换成FPGA芯片的+2.5V、+3.3V供电电源。

如图2所示，所述驱动电路103包括一个NPN型晶体管和一个PNP型晶体管，二者组成互补输出电路；该电路的输入端IN接隔离电路110，输出端OUT接降栅压电路104。该电路不但可以提高开通时的速度，还可以提高关断速度。该电路中，晶体管是作为射极跟随器工作的，不会出现饱和，因而不影响功率管105的开关频率。互补对称输出电路的两个基射结可以相互保护，防止反向击穿。

如图3所示，降栅压电路104的输入端IN接驱动电路103的输出端，输出端OUT接功率管105的栅极，过流信号和基准电压均由控制单元101提供。降栅压电路104抗外界干扰的效果好，降栅压电路104存在一个固定延时，如果故障信号在延时后仍然存在，就把器件关断。在这一个固定的延时内，故障电流会被限制在一个较小值，因而故障时器件的功率损耗被降低了，故障器件的抗短路的时间被延长了；并且电流随时间的变化速度也比较缓慢，这样能够保护器件。在这个固定的延时中，如果故障信号消失了，驱动电路就能恢复正常的工作状态，因而大大增强了电路的抗干扰能力。

所述信号调理电路107包括模拟信号调理电路107和数字信号调理电路107。信号调理电路107实现采样信号的调理放大，为后续的各个功能模块提供合适的信号。

如图4所示，所述模拟信号调理电路107包括依次电连接的运算放大器1071、滤波电路1072、线性隔离电路1073和电压跟随器1074；所述运算放大器1071用于采样电压信号，所述电压跟随器1074与所述控制单元101电连接。

运算放大器1071包括放大器U1和放大器U2，型号均为LM118J。流过负载的电流通过采样电阻106转化成电压信号进入放大器U1。放大器U2是为了对采样电压进行调整，使其在线性光耦OP1的要求输入范围内。通过调节R2的阻值，就可以调节放大器U2的放大倍数，使放大器U2的输出电压最高不超过10V(线性光耦OP1输出后，A/D转换器109的输入范围为0V～10V)。RC有源低通滤波电路1072能够减少信号中的高频干扰。电压跟随器1074主要起隔离和阻抗匹配的作用。

如图5所示，所述数字信号调理电路107包括两个光耦隔离器和一个电压比较器；一个光耦隔离器的输入端用于采样电流信号，输出端与所述电压比较器连接；所述电压比较器的输出端通过另一个光耦隔离器与所述控制单元101电连接。U4和U5是型号为H11A817的光耦。

电压比较器反相输入端的参考电压VREF为5V，功率管105的源极电压通过处理后给电压比较器的同相输入端；当SSPC接通时，输入电压MOS_IN为28V，光耦隔离后，接到电压比较器的同相输入端，参考电压VREF小于同相输入端电压，比较器输出高电平接到光耦，后经光耦隔离输出高电平，状态量STA_MOS为l；反之，状态量STA_MOS为0。

SSPC的工作原理为：状态信号是由信号调理电路107从采样电阻106上采集的负载电流和电压。SSPC和负载的状态信号经RS422总线上传到上位机后，上位机根据控制信号和状态信号判断SSPC工作状态，实现对负载的自动控制。上位机发出控制命令，经RS422总线送至控制单元101，控制单元101根据根据上位机的命令执行相应动作。正常工作时，控制单元101控制功率管105导通。发生短路故障时，控制单元101产生短路信号直接作用于驱动电路103，迅速关断功率管105，与故障负载断开。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.固态功率控制器，其特征在于：包括控制单元、电源模块、驱动电路、降栅压电路和功率管；所述电源模块的输入端与直流电源连接，输出端给所述控制单元和所述驱动电路供电；

所述控制单元、驱动电路和降栅压电路依次电连接，所述降栅压电路与所述功率管的栅极电连接；所述降栅压电路与所述控制单元电连接；所述驱动电路和所述控制单元向所述降栅压电路发送控制信号，所述降栅压电路的输出端用于改变所述功率管的栅极电压；

所述功率管的漏极与直流电源连接，源极给负载供电；所述控制单元与上位机通信连接。

2.根据权利要求1所述的固态功率控制器，其特征在于：还包括采样电阻、信号调理电路、放大电路和A/D转换器；所述功率管的源极通过所述采样电阻连接负载；

所述信号调理电路的输入端并联在所述采样电阻的两端，用于采集所述采样电阻上的电信号；所述信号调理电路的输出端、放大电路、A/D转换器和控制单元依次电连接，所述信号调理电路采集的电信号经过所述放大电路和所述A/D转换器处理后送至所述控制单元。

3.根据权利要求2所述的固态功率控制器，其特征在于：所述信号调理电路包括模拟信号调理电路和数字信号调理电路。

4.根据权利要求3所述的固态功率控制器，其特征在于：所述模拟信号调理电路包括依次电连接的运算放大器、滤波电路、线性隔离电路和电压跟随器；所述运算放大器用于采样电压信号，所述电压跟随器与所述控制单元电连接。

5.根据权利要求3所述的固态功率控制器，其特征在于：所述数字信号调理电路包括两个光耦隔离器和一个电压比较器；一个光耦隔离器的输入端用于采样电流信号，输出端与所述电压比较器连接；所述电压比较器的输出端通过另一个光耦隔离器与所述控制单元电连接。

6.根据权利要求1至5任一项所述的固态功率控制器，其特征在于：还包括隔离电路，所述控制单元与所述驱动电路之间通过所述隔离电路电连接。

7.根据权利要求1至5任一项所述的固态功率控制器，其特征在于：所述驱动电路包括一个NPN型晶体管和一个PNP型晶体管，二者组成互补输出电路。

8.根据权利要求1至5任一项所述的固态功率控制器，其特征在于：所述功率管采用增强型的N沟道MOS管。

9.根据权利要求1至5任一项所述的固态功率控制器，其特征在于：所述控制单元包括FPGA芯片、有源晶体振荡器和存储器。

10.根据权利要求1至5任一项所述的固态功率控制器，其特征在于：所述电源模块包括DC/DC转换器和稳压芯片，能够输出多种不同的电压值。