專利名稱：三相交流固態(tài)功率控制器的同步控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三相交流固態(tài)功率控制器的一種控制方法，屬于電力電子及電工 技術(shù)領(lǐng)域中的交流固態(tài)功率控制器的控制方法。
背景技術(shù)：
固態(tài)功率控制器就是基于飛機(jī)配電系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生的，是指用來(lái)代替繼 電器的轉(zhuǎn)換功能和斷路器的電路保護(hù)功能于一體的固態(tài)元器件，是與固態(tài)配電系 統(tǒng)相配套的控制負(fù)載通斷的開關(guān)裝置。它具有無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)電弧、無(wú)噪聲、響應(yīng)快、 電磁干擾小、壽命長(zhǎng)、可靠性高以及便于計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制等優(yōu)點(diǎn)，在飛機(jī)，坦克， 民用汽車、輪船，民用電網(wǎng)輸配電等方面均有著廣泛的應(yīng)用。
為了減小交流固態(tài)功率控制器開關(guān)時(shí)因W&、力7&引起的浪涌電流和尖 峰電壓，減小開關(guān)時(shí)引起的電磁干擾，減緩開關(guān)時(shí)功率管承受的應(yīng)力， 一般交流 固態(tài)功率控制器都采用了"零電壓導(dǎo)通、零電流關(guān)斷"這種軟開關(guān)方式。但交流
固態(tài)功率控制器的這種控制方法存在以下一些不足
(l)"零電壓導(dǎo)通、零電流關(guān)斷"這種控制方法復(fù)雜，需要電流過(guò)零檢測(cè)、 電壓過(guò)零檢測(cè)、邏輯判斷等電路，增加了交流固態(tài)功率控制器的體積和重量。
(3)交流固態(tài)功率控制器用于三相場(chǎng)合，采用"零電壓導(dǎo)通、零電流關(guān)斷" 這種控制方法時(shí)，由于三相之間存在相位差如圖l所示，A和4表示開通關(guān)斷所
需的過(guò)渡時(shí)間，最早導(dǎo)通相或關(guān)斷相與最后的導(dǎo)通相或關(guān)斷相至少存在120°相 位差，所以三相開通、關(guān)斷將不同步，這有可能影響三相負(fù)載的正常工作。

發(fā)明內(nèi)容
由于"零電壓導(dǎo)通、零電流關(guān)斷"控制的三相交流功率控制器開通和關(guān)斷存 在延遲(《T/2， T供電電源周期)，且三相不能同時(shí)接通和斷開，為了克服這些 缺點(diǎn)，本發(fā)明提出了三相交流固態(tài)功率控制器的一種新的同步控制方法即用"慢 開通，慢關(guān)斷"控制三相交流固態(tài)功率控制器的開通和關(guān)斷，可實(shí)現(xiàn)三相負(fù)載的 同時(shí)開通和關(guān)斷，該方法適用于任意頻率的供電電源系統(tǒng)情況，如民用和軍用恒
頻系統(tǒng)，非并網(wǎng)、并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電電源系統(tǒng)和飛機(jī)變頻電源系統(tǒng)，適用于阻性、容 性和感性負(fù)載。
一種三相交流固態(tài)功率控制器的同步控制方法，其特征在于，三相同時(shí)接收 同樣的控制命令，三相的功率控制開關(guān)實(shí)現(xiàn)同時(shí)的"慢開通慢關(guān)斷"，開通和關(guān)
斷時(shí)間單位能控制在US級(jí)；當(dāng)三相負(fù)載正常時(shí)，故障跳閘信號(hào)為高電平，三相
功率控制開關(guān)受外部控制命令控制同時(shí)導(dǎo)通或關(guān)斷，當(dāng)三相負(fù)載中任意一相負(fù)載 出現(xiàn)故障時(shí)，故障跳閘信號(hào)為低電平，控制三相功率控制開關(guān)同時(shí)實(shí)現(xiàn)慢關(guān)斷，
切斷負(fù)載隔離故障，實(shí)現(xiàn)真正的三相同步快速導(dǎo)通和關(guān)斷；在任意電源頻率和任 意控制時(shí)刻，能實(shí)現(xiàn)三相交流固態(tài)功率控制器中三相功率控制開關(guān)的同時(shí)開通或 關(guān)斷，具體每相功率管的通斷控制方法為，在功率電路中利用兩個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管 反向串連的結(jié)構(gòu)作為每相交流固態(tài)功率控制器的功率控制開關(guān)，控制負(fù)載的通與 斷；當(dāng)控制信號(hào)為高時(shí)，每相反向串聯(lián)結(jié)構(gòu)的兩個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，接通負(fù)載； 當(dāng)控制信號(hào)為低時(shí)，每相反向串聯(lián)結(jié)構(gòu)的兩個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管截止，斷開負(fù)載，具 體方法是，利用功率場(chǎng)效應(yīng)管的柵源電壓的緩慢增加來(lái)控制負(fù)載電流的上升和下 降時(shí)間，當(dāng)控制信號(hào)控制功率場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)，控制功率場(chǎng)效應(yīng)管的柵源電壓略 大于功率場(chǎng)效應(yīng)管的門檻電壓，使功率場(chǎng)效應(yīng)管處于導(dǎo)通狀態(tài)，然后使柵源電壓 緩慢上升，控制功率場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通電阻逐漸減小到穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)緩慢開通；當(dāng)控制 信號(hào)控制功率場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)斷時(shí)，控制功率場(chǎng)效應(yīng)管的柵源電壓逐漸下降到零，控 制功率場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通電阻逐漸增加直至功率場(chǎng)效應(yīng)管過(guò)渡到完全關(guān)斷狀態(tài)，實(shí)現(xiàn) 功率管開關(guān)的慢關(guān)斷。


圖1 "零電壓導(dǎo)通和零電流關(guān)斷"控制時(shí)的示意圖
圖2單相交流固態(tài)功率控制器"慢開通、慢關(guān)斷"的驅(qū)動(dòng)電路
圖3三相交流固態(tài)功率控制器結(jié)構(gòu)圖
圖4單相交流固態(tài)功率控制器的構(gòu)成圖
圖5單相交流固態(tài)功率控制器帶阻性負(fù)載時(shí)的"慢開通、慢關(guān)斷"開關(guān)波形 (400hz)
圖6三相交流固態(tài)功率控制器帶純阻性負(fù)載時(shí)的同時(shí)開關(guān)波形(400Hz)
圖7三相交流固態(tài)功率控制器帶阻容性負(fù)載時(shí)的同時(shí)開關(guān)波形(400Hz) 圖8三相交流固態(tài)功率控制器帶阻感性負(fù)載時(shí)的同時(shí)開關(guān)波形(400Hz) 圖9三相交流固態(tài)功率控制器帶純阻性負(fù)載時(shí)的同時(shí)開關(guān)波形(50Hz)
具體實(shí)施例方式
一種三相交流固態(tài)功率控制器的同步控制方法，其特征在于，三相交流固態(tài) 功率控制器的功率管采用功率場(chǎng)效應(yīng)管，每相采用兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管反向串聯(lián)的結(jié)構(gòu) 如圖2所示；本發(fā)明用"慢開通、慢關(guān)斷"這種控制方法對(duì)圖2中每相反串聯(lián)結(jié)
構(gòu)的功率管進(jìn)行控制，控制負(fù)載的通與斷，當(dāng)控制信號(hào)(CMD)為高時(shí)，反向串 連結(jié)構(gòu)的兩個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，接通負(fù)載；當(dāng)控制信號(hào)(CMD)為低時(shí)，反向 串連結(jié)構(gòu)的兩個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管截止，斷開負(fù)載；本發(fā)明的三相交流固態(tài)功率控制 器的同步控制構(gòu)成如圖3所示，當(dāng)控制信號(hào)(CONTROL)為高時(shí)，采用"慢開通" 方式控制三相交流固態(tài)功率開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，接通三相負(fù)載，當(dāng)控制信號(hào)(CONTROL) 為低時(shí)，采用"慢關(guān)斷"方式控制三相交流固態(tài)功率開關(guān)同時(shí)關(guān)斷，斷開三相負(fù) 載，既可以抑制開通和關(guān)斷瞬時(shí)的oVW和t/Z/W，又簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，有利于減小 交流固態(tài)功率控制器的體積和重量，并且真正實(shí)現(xiàn)了三相交流固態(tài)功率控制器的 同歩開斷。
本發(fā)明的三相交流固態(tài)功率控制器的同步控制構(gòu)成如圖3所示，CONTROL為 上級(jí)管理控制單元發(fā)出的三相開關(guān)控制命令，定義高電平控制導(dǎo)通，低電平控制 關(guān)斷，用來(lái)控制三相交流固態(tài)功率控制器的通斷，A—ACSSPC、 B—ACSSPC和 C—ACSSPC分別為A相、B相和C相固態(tài)功率控制器，分別控制A相、B相和C相 負(fù)載的通斷和保護(hù)，CMDA、 CMDB和CMDC分別為A相、B相和C相的控制信號(hào)， 定義高電平控制導(dǎo)通，低電平控制關(guān)斷，A相、B相和C相保護(hù)信號(hào)是A相、B 相和C相檢測(cè)到過(guò)流和短路故障而產(chǎn)生的保護(hù)信號(hào)，設(shè)定正常情況下為電平高， 故障情況下電平為低；負(fù)載正常情況下，A相、B相和C相保護(hù)信號(hào)為高，則 CMDA=CMDB=CMDC=CONTROL;負(fù)載出現(xiàn)故障時(shí)，若A相、B相和C相三個(gè)保護(hù)信 號(hào)中任意一個(gè)為低，則CMDA二CMDB《MDC為低電平，控制三相功率開關(guān)同時(shí)關(guān)斷， 切斷負(fù)載將故障隔離；在負(fù)載故障出現(xiàn)但還沒(méi)有清除情況下，A相、B相和C相 中故障相保護(hù)信號(hào)一直鎖定并保持，復(fù)位信號(hào)主要在三相負(fù)載故障清除后，能使A相、B相和C相三個(gè)保護(hù)信號(hào)置為高電平，恢復(fù)上級(jí)管理控制單元開關(guān)控制作用。
單相交流固態(tài)功率控制器的構(gòu)成圖如圖4所示，每相采用兩個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管 反向串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)電路采用"慢開通、慢關(guān)斷"控制，電流檢測(cè)采用主電路 內(nèi)串接采樣電阻(Rs)，檢測(cè)的負(fù)載電流大小，送到短路保護(hù)和過(guò)流保護(hù)電路，根 據(jù)負(fù)載電流大小判定是否進(jìn)行短路保護(hù)或I2t過(guò)流保護(hù);根據(jù)檢測(cè)的電壓和電流， 可輸出的信號(hào)有保護(hù)信號(hào)、負(fù)載電流狀態(tài)信號(hào)和開關(guān)的狀態(tài)，負(fù)載電流狀態(tài)信號(hào) 用來(lái)判定是否有負(fù)載電流，開關(guān)的狀態(tài)反應(yīng)開關(guān)的通斷情況；隔離電路可將功率 與控制信號(hào)、輸出的負(fù)載電流狀態(tài)和開關(guān)狀態(tài)完全隔離。
每相的驅(qū)動(dòng)電路和主電路如圖2所示，控制信號(hào)CMD經(jīng)光耦U隔離后送至第 一三極管T1的基極，第一三極管T1的集電極輸出接至由第八電阻R8、第一電 容C1、第九電阻R9、第十電阻RIO、第一二極管D1構(gòu)成的"慢開通、慢關(guān)斷" 電路，第八電阻R8和第一電容Cl的聯(lián)結(jié)點(diǎn)為信號(hào)的輸出，送至由第二三極管 T2、第三三極管T3組成的推挽電路，推挽的輸出分別經(jīng)第四電阻R4、第六電阻 R6送至兩個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管M0SFET1、M0SFET2的柵極，從而控制場(chǎng)效應(yīng)管的通斷。
在圖3中，當(dāng)控制信號(hào)(CMD)信號(hào)為高時(shí)，第一三極管T1的基極電壓由高 電平變換到低電平，第一三極管T1截止，在第一三極管T1截止的瞬間，第一電 容Cl相當(dāng)于短路，此時(shí)第一電容Cl的電壓fe為0，所以此時(shí)兩個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng) 管M0SFET1、 M0SFET2的柵源驅(qū)動(dòng)電壓〃Ugs1和Ugs2"為
<formula>formula see original document page 6</formula>其中Ugs1,Ugs2分別為第一二極管Dl的導(dǎo)通壓降和第二三極管T2的基射極壓降，設(shè)計(jì)參數(shù)使開通瞬間兩個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管M0SFET1、 M0SFET2的柵源電壓U,等于場(chǎng)效應(yīng)管的門檻電壓f^，兩個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管M0SFET1、 M0SFET2處于剛導(dǎo)通狀態(tài)，圖2中的電路中供電電源Vcc通過(guò)第三電阻R3，第八電阻R8、第十電 阻R10對(duì)第一電容Cl充電；任意時(shí)刻
<formula>formula see original document page 6</formula>這樣，隨著第一電容Cl電壓升高至穩(wěn)定為供電電源電壓Vcc，兩個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)
管M0SFET1和M0SFET2柵源驅(qū)動(dòng)電壓從開啟電壓F^上升至穩(wěn)定在Vcc-^T2，兩
個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管M0SFET1和M0SFET2柵源驅(qū)動(dòng)電壓從開啟電壓f^上升開始到負(fù)
載電流上升到穩(wěn)態(tài)值的90%這段時(shí)間t即為"慢開通"時(shí)間，調(diào)整第十電阻R,。 和第八電阻Rs大小，可以改變開通的時(shí)間。交流固態(tài)功率控制器使用了 "慢開 通"這種控制方法后，開通時(shí)，負(fù)載電流緩慢上升，功率管兩端電壓緩慢下降， 抑制了開通時(shí)因aU/W引起的浪涌電流。
當(dāng)控制信號(hào)即CMD信號(hào)為低電平時(shí)，這時(shí)第一三極管T1導(dǎo)通，第一三極管 Tl導(dǎo)通的瞬間，第一電容C1的電壓ft尸Vcc，所以此時(shí)兩個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFETl 和M0SFET2的柵源電壓"^和"《為<formula>formula see original document page 7</formula>
式中仏,3為第三三極管T3的基射極壓降，設(shè)計(jì)第八電阻fe、第九電阻R9和第十 電阻Rw的參數(shù)，使關(guān)斷瞬間的柵源電壓"w和Z7w等于功率場(chǎng)效應(yīng)管的門檻電壓 P^的(1.2 1.5)倍，隨后，第一電容C1通過(guò)第八電阻R8、第九電阻R9、第
十電阻R10放電至0，相應(yīng)地功率場(chǎng)效應(yīng)管逐漸過(guò)渡至完全關(guān)斷狀態(tài)，此過(guò)程中 任意時(shí)刻
<formula>formula see original document page 7</formula>
柵源驅(qū)動(dòng)電壓從(1.2 1.5) !;下降開始，到兩個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管M0SFET1
和M0SFET2完全關(guān)斷，負(fù)載電流下降到穩(wěn)態(tài)值的10%這段時(shí)間t即為"慢關(guān)斷" 時(shí)間，改變第八電阻R8、第九電阻R9和第十電阻R10的參數(shù)，可改變關(guān)斷過(guò)程 的時(shí)間，即改變負(fù)載電流的變化率；交流固態(tài)功率控制器使用"慢關(guān)斷"這種控 制方法后，負(fù)載電流逐漸減小，可以很好地抑制關(guān)斷時(shí)因di/dt引起的尖峰電壓。 圖5為單相交流固態(tài)功率控制器帶阻性負(fù)載時(shí)的"慢開通、慢關(guān)斷"開關(guān)示意波 形，圖中供電電源為交流115V(400Hz)。
當(dāng)負(fù)載為阻性時(shí)，三相交流固態(tài)功率控制器采用"緩開通、慢關(guān)斷"這種方 法進(jìn)行控制時(shí)，其開通關(guān)斷的波形如圖6所示，當(dāng)開通或關(guān)斷功率管時(shí)，負(fù)載電 流緩慢上升或下降，可以減小開關(guān)時(shí)的^/^和A7&，實(shí)現(xiàn)了三相負(fù)載的同時(shí)接通和斷開。
當(dāng)帶容性負(fù)載開通時(shí)，三相交流固態(tài)功率控制器采用"慢開通、慢關(guān)斷"這 種方法進(jìn)行控制時(shí)，其開通的波形如圖7所示，帶容性負(fù)載開通時(shí)，t/"/^得到 了很好地抑制，浪涌電流很小，實(shí)現(xiàn)了三相負(fù)載的同時(shí)接通和斷開。
帶感性負(fù)載關(guān)斷時(shí)，三相交流固態(tài)功率控制器采用"慢開通、慢關(guān)斷"這種 方法進(jìn)行控制時(shí)，波形如圖8所示。隨著柵源電壓^緩慢下降，帶感性負(fù)載關(guān) 斷時(shí)，因力7W弓l起的尖峰電壓得到了有效地抑制，實(shí)現(xiàn)了三相負(fù)載的同時(shí)接 通和斷開。
三相電源頻率為50Hz，阻性負(fù)載情況下，三相負(fù)載同時(shí)通斷的波形示意如 圖9所示，三相交流固態(tài)功率控制器采用"慢開通、慢關(guān)斷"這種方法進(jìn)行控制 時(shí)，開通和關(guān)斷控制不受電源頻率的影響。
三相交流固態(tài)功率控制器采用了"慢開通、慢關(guān)斷"這種控制方法后，同樣可以 抑制開關(guān)時(shí)因W&、力7"引起的浪涌電流和尖峰電壓，減小了電磁干擾；但 可以省去"零電壓導(dǎo)通、零電流關(guān)斷"時(shí)所必須的電流檢測(cè)、電壓檢測(cè)、過(guò)零判 斷等電路，可以極大地簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，減小了交流固態(tài)功率控制器的體積和重量；另 外，采用"緩開通、慢關(guān)斷"這種方法控制三相交流固態(tài)功率控制器后，可以真 正地實(shí)現(xiàn)三相開關(guān)的同步接通和斷開，該方法可推廣應(yīng)用任何頻率和電壓等級(jí)的 交流供電系統(tǒng)中。
權(quán)利要求
1、一種三相交流固態(tài)功率控制器的同步控制方法，其特征在于，三相同時(shí)接收同樣的控制命令，三相的功率控制開關(guān)實(shí)現(xiàn)同時(shí)的“慢開通慢關(guān)斷”，開通和關(guān)斷時(shí)間單位能控制在us級(jí)；當(dāng)三相負(fù)載正常時(shí)，故障跳閘信號(hào)為高電平，三相功率控制開關(guān)受外部控制命令控制同時(shí)導(dǎo)通或關(guān)斷，當(dāng)三相負(fù)載中任意一相負(fù)載出現(xiàn)故障時(shí)，故障跳閘信號(hào)為低電平，控制三相功率控制開關(guān)同時(shí)實(shí)現(xiàn)慢關(guān)斷，切斷負(fù)載隔離故障，實(shí)現(xiàn)真正的三相同步快速導(dǎo)通和關(guān)斷；在任意電源頻率和任意控制時(shí)刻，能實(shí)現(xiàn)三相交流固態(tài)功率控制器中三相功率控制開關(guān)的同時(shí)開通或關(guān)斷，具體每相功率管的通斷控制方法為，在功率電路中利用兩個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管反向串連的結(jié)構(gòu)作為每相交流固態(tài)功率控制器的功率控制開關(guān)，控制負(fù)載的通與斷；當(dāng)控制信號(hào)為高時(shí)，每相反向串聯(lián)結(jié)構(gòu)的兩個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，接通負(fù)載；當(dāng)控制信號(hào)為低時(shí)，每相反向串聯(lián)結(jié)構(gòu)的兩個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管截止，斷開負(fù)載，具體方法是，利用功率場(chǎng)效應(yīng)管的柵源電壓的緩慢增加來(lái)控制負(fù)載電流的上升和下降時(shí)間，當(dāng)控制信號(hào)控制功率場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)，控制功率場(chǎng)效應(yīng)管的柵源電壓略大于功率場(chǎng)效應(yīng)管的門檻電壓，使功率場(chǎng)效應(yīng)管處于導(dǎo)通狀態(tài)，然后使柵源電壓緩慢上升，控制功率場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通電阻逐漸減小到穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)緩慢開通；當(dāng)控制信號(hào)控制功率場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)斷時(shí)，控制功率場(chǎng)效應(yīng)管的柵源電壓逐漸下降到零，控制功率場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通電阻逐漸增加直至功率場(chǎng)效應(yīng)管過(guò)渡到完全關(guān)斷狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)功率管開關(guān)的慢關(guān)斷。
全文摘要
一種三相交流固態(tài)功率控制器的同步控制方法，屬交流固態(tài)功率控制器的控制方法。本方法采用“慢開通慢關(guān)斷”方式控制三相交流固態(tài)功率器的通與斷，每相利用兩個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管反向串聯(lián)控制負(fù)載的通與斷，當(dāng)控制功率場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)，控制功率場(chǎng)效應(yīng)管的柵源電壓緩慢上升，使功率場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通電阻逐漸減小，實(shí)現(xiàn)緩慢開通；當(dāng)控制功率場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)斷時(shí)，控制功率場(chǎng)效應(yīng)管的柵源電壓逐漸下降到功率場(chǎng)效應(yīng)管的門檻電壓，使功率場(chǎng)效應(yīng)管逐漸加大并逐漸過(guò)渡到完全關(guān)斷狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)慢關(guān)斷；既能真正實(shí)現(xiàn)三相的同步導(dǎo)通和關(guān)斷，提高供電質(zhì)量，又能抑制開關(guān)瞬時(shí)的du/dt和di/dt，降低了控制電路的復(fù)雜性，減小了體積和重量，適于任意工作頻率的供電電源系統(tǒng)。
文檔編號(hào)H03K17/00GK101340185SQ20081012459
公開日2009年1月7日 申請(qǐng)日期2008年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月26日
發(fā)明者嚴(yán)仰光, 楊善水, 江登宇, 莉 王, 陳昌林 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)