具有限流功能的交流固態(tài)功率控制器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開一種具有限流功能的交流固態(tài)功率控制器，通過在主功率電路中設(shè)置限流支路，使交流固態(tài)功率控制器具有大功率限流功能，抑制了交流SSPC帶大電容負載和具有大濾波電容的整流橋負載時的沖擊電流，提高了交流SSPC帶容性負載和整流橋負載的能力，負載電容和整流橋的濾波電容的容量允許值大大增加，不會誤判斷為短路故障而跳閘；在負載端發(fā)生短路故障時，可以利用限流支路將故障電流限制在較低水平，并切除短路故障，提高了電源系統(tǒng)的電能質(zhì)量，降低了交流SSPC短路故障關(guān)斷時的電壓應(yīng)力，增強了交流SSPC短路保護的可靠性及安全性。
【專利說明】具有限流功能的交流固態(tài)功率控制器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種交流固態(tài)功率控制器，屬于電力電子技術(shù)與電工【技術(shù)領(lǐng)域】。【背景技術(shù)】
[0002]固態(tài)功率控制器(Solid State Power Controller,簡稱SSPC)是以半導(dǎo)體功率管為核心、集繼電器的開關(guān)轉(zhuǎn)換功能和斷路器的保護功能于一體的固態(tài)配電裝置。SSPC具有無觸點、無電弧、無噪聲、響應(yīng)快、電磁干擾小、壽命長、可靠性高、便于計算機遠程控制等優(yōu)點。
[0003]交流SSPC用于飛機、艦船交流電源系統(tǒng)或者民用配電網(wǎng)，實現(xiàn)交流功率電路的接通或斷開，并完成電路故障保護和隔離。
[0004]交流SSPC的主功率電路一般采用兩個功率MOSFET反串聯(lián)，如在中國發(fā)明專利201010216988.7、CN101662275A和美國專利US7196436中均采用了上述的主電路，其共同的不足之處是:
[0005](I)不具有故障電流限流功能，電源系統(tǒng)電能質(zhì)量受短路故障電流的影響較大；
[0006](2)在開通大容量的容性負載或整流橋負載過程，對沖擊電流的抑制遠遠不夠，因此帶容性和整流橋負載能力較低；
[0007](3)在負載短路故障過程中只能直接關(guān)斷故障電流，功率管電壓應(yīng)力較高；并且抗干擾能力差，在起動大容量的容性負載或整流橋負載過程容易產(chǎn)生誤保護。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本實用新型的目的是針對前述【背景技術(shù)】中的不足之處，提供一種具有限流功能的交流固態(tài)功率控制器，通過在主功率電路中設(shè)置限流支路，提高交流SSPC帶大容量容性負載和整流橋負載的能力，降低交流SSPC短路故障關(guān)斷時的電壓應(yīng)力，增強交流SSPC的抗干擾能力。
[0009]為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采取的具體技術(shù)方案是:
[0010]一種具有限流功能的交流固態(tài)功率控制器，該交流固態(tài)功率控制器包括主功率電路、電源電壓檢測電路、電壓正負半周判斷電路、負載電流檢測電路、電流正負半周判斷電路、有效值轉(zhuǎn)換電路、過流保護電路、過零開關(guān)和狀態(tài)鎖存電路、短路判斷電路、功率管狀態(tài)比較判斷電路、負載狀態(tài)比較判斷電路、隔離電路和隔離電源模塊，其特征在于:
[0011]主功率電路包括主支路、限流支路和檢測電阻；主支路由第一功率管和第二功率管反串聯(lián)組成；限流支路由第三功率管、第四功率管和限流電阻組成，第三功率管和第四功率管反串聯(lián)后與限流電阻串聯(lián)；主支路和限流支路并聯(lián)，該并聯(lián)結(jié)構(gòu)的一端作為交流固態(tài)功率控制器的功率輸入端連接外部交流電源；另一端與檢測電阻串聯(lián)，作為交流固態(tài)功率控制器的功率輸出端連接負載至功率地；
[0012]交流固態(tài)功率控制器還包括:
[0013]負載電壓平均值檢測電路，包括負載電壓檢測電路、第三絕對值轉(zhuǎn)換電路、平均值轉(zhuǎn)換電路；負載電壓檢測電路檢測功率輸出端和功率地之間的電壓，負載電壓檢測電路的輸出連于第三絕對值轉(zhuǎn)換電路，第三絕對值轉(zhuǎn)換電路的輸出連于平均值轉(zhuǎn)換電路，平均值轉(zhuǎn)換電路的輸出分別連于短路判斷電路和解除限流態(tài)判斷電路；
[0014]進入限流態(tài)判斷電路，包括第一絕對值轉(zhuǎn)換電路、第九比較器、第一 D觸發(fā)器、第四與非門；負載電流檢測電路的輸出連于第一絕對值轉(zhuǎn)換電路，第一絕對值轉(zhuǎn)換電路的輸出連于第九比較器的正極性輸入端，第九比較器的負極性輸入端連于第一電壓閥值，第九比較器的輸出連于第一 D觸發(fā)器的上升沿觸發(fā)端，第一 D觸發(fā)器的D端接低電平，第四與非門的一個輸入端連于隔離電路的輸出，第四與非門的另一個輸入端連于解除限流態(tài)判斷電路的輸出，第四與非門的輸出連于第一 D觸發(fā)器的置位端；
[0015]解除限流態(tài)判斷電路，包括功率輸入輸出電壓差動檢測電路、第二絕對值轉(zhuǎn)換電路、第十比較器、第十一比較器、第一三輸入或門；功率輸入輸出電壓差動檢測電路檢測交流固態(tài)功率控制器的功率輸入和功率輸出的電壓差，其輸出連于第二絕對值轉(zhuǎn)換電路，第二絕對值轉(zhuǎn)換電路的輸出連于第十比較器的正極性端，第十比較器的負極性端連于控制電路參考地，第十比較器的輸出連于第一三輸入或門的輸入，進入限流態(tài)判斷電路輸出信號也連于第一三輸入或門的輸入，平均值轉(zhuǎn)換電路的輸出連于第十一比較器的負極性端，第十一比較器的正極性端連于第二電壓閥值，第十一比較器的輸出連于第一三輸入或門的輸入，第一三輸入或門的輸出連于第四與非門的輸入；
[0016]驅(qū)動信號生成電路，包括第一與門，第二與門、第三與門和第一驅(qū)動隔離電路，第二驅(qū)動隔離電路和第三驅(qū)動隔離電路；進入限流態(tài)判斷電路的輸出和過零開關(guān)和狀態(tài)鎖存電路輸出的第一功率管過零開關(guān)信號輸入至第一與門，第一與門的輸出連于第一驅(qū)動隔離電路，第一驅(qū)動隔離電路輸出連于第一功率管柵極；進入限流態(tài)判斷電路輸出和過零開關(guān)和狀態(tài)鎖存電路輸出的第二功率管過零開關(guān)信號輸入至第二與門，第二與門的輸出連于第二驅(qū)動隔離電路，第二驅(qū)動隔離電路輸出連于第二功率管柵極；第一功率管過零開關(guān)信號和第二功率管過零開關(guān)信號輸入至第三與門，第三與門的輸出連于第三驅(qū)動隔尚電路，第三驅(qū)動隔離電路的輸出連于第三功率管和第四功率管的柵極。
[0017]本實用新型技術(shù)方案中的功率管可以是常規(guī)的Si M0SFET、Si JFET、Si IGBT，也可以是新型寬帶半導(dǎo)體功率器件如SiC MOSFET, SiC IGBT, SiC JFET以及GaN場效應(yīng)管。
[0018]本實用新型中的邏輯電路可由分立的數(shù)字集成電路芯片實現(xiàn)，也可以由可編程邏輯器件如通用陣列邏輯(GAL)或者復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)實現(xiàn)。
[0019]本實用新型技術(shù)方案相比傳統(tǒng)技術(shù)方案的有益效果如下:
[0020](I)具有大功率限流功能，抑制了交流SSPC帶大電容負載和具有大濾波電容的整流橋負載時的沖擊電流，提高了交流SSPC帶容性負載和整流橋負載的能力，負載電容和整流橋的濾波電容的容量允許值大大增加，不會誤判斷為短路故障而跳閘；
[0021](2)在負載端發(fā)生短路故障時，可以利用限流支路將故障電流限制在較低水平，并切除短路故障，提高了電源系統(tǒng)的電能質(zhì)量，降低了交流SSPC短路故障關(guān)斷時的電壓應(yīng)力，增強了交流SSPC短路保護的可靠性及安全性。
[0022]本實用新型的技術(shù)方案可廣泛應(yīng)用于飛機、艦船交流電源系統(tǒng)或者民用交流配電網(wǎng)?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0023]圖1交流固態(tài)功率控制器裝置的原理和功能模塊框圖。
[0024]圖2電源電壓檢測電路和電壓正負半周判斷電路
[0025]圖3負載電流檢測電路和電流正負半周判斷電路
[0026]圖4交流固態(tài)功率控制器裝置中過零開關(guān)和狀態(tài)鎖存電路原理圖
[0027]圖5典型的精密絕對值轉(zhuǎn)換電路
[0028]圖6負載電壓平均值檢測電路
[0029]圖7交流固態(tài)功率控制器裝置在負載為阻性負載、阻感性負載或小容量的阻容性負載以及具有較小濾波電容的整流橋負載時，零電壓開通、零電流關(guān)斷波形圖
[0030]圖8交流固態(tài)功率控制器裝置在空載條件下零電壓開通、零電流關(guān)斷波形圖
[0031]圖9交流固態(tài)功率控制器裝置在負載為具有大容量濾波電容的整流橋負載時，零電壓開通過程、限流過程和零電流關(guān)斷過程的波形圖
[0032]圖10交流固態(tài)功率控制器裝置起動過程或者在正常導(dǎo)通過程中發(fā)生在短路故障并保護關(guān)斷的波形圖。
【具體實施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖對本實用新型的關(guān)鍵技術(shù)方案做詳細說明。
[0034]本實用新型具有限流功能的交流固態(tài)功率控制器的原理和功能模塊框圖如圖1，它包括:
[0035]電源電壓檢測電路，連接在交流固態(tài)功率開關(guān)的功率輸入端Power_in，對電源電壓進行采樣；
[0036]電壓正負半周判斷電路，連接在電源電壓檢測電路的輸出端，根據(jù)電源電壓檢測電路輸出的電壓采樣信號得到電源電壓的正、負半周信號u+、u-，并輸出到過零開關(guān)和狀態(tài)鎖存電路；
[0037]電源電壓檢測電路和電壓正負半周判斷電路用于檢測交流電源電壓的極性:當(dāng)交流電源電壓處于正半周期時(交流電源電壓為正)，則電壓正半周信號U+為高電平，否則U+為低電平；當(dāng)交流電源電壓處于負半周期時(交流電源電壓為負)，電壓負半周信號U-為高電平，否則U-為低電平；
[0038]負載電流檢測電路，連接在功率主電路的檢測電阻上，采樣負載電流并進行調(diào)理；
[0039]電流正負半周判斷電路，連接在負載電流檢測電路的輸出端，得到負載電流的正、負半周信號I+、1-，并輸出到邏輯組合電路；
[0040]負載電流檢測電路和電流正負半周判斷電路用于檢測負載電流的極性:當(dāng)負載電流處于正半周期時(負載電流為正)，電流正半周信號I+為低電平，否則I+為高電平；當(dāng)負載電流處于負半周期時(負載電流為負)，電流負半周信號1-為低電平，否則1-為高電平；
[0041]有效值轉(zhuǎn)換電路，連接于負載電流檢測電路的輸出端，將交變的負載電流變換為其對應(yīng)的有效值，其輸出連接到過流保護電路、負載狀態(tài)比較判斷電路的輸入端。
[0042]過流保護電路，連接在有效值轉(zhuǎn)換電路的輸出端，當(dāng)負載過流時，根據(jù)負載電流的過載倍數(shù)延時產(chǎn)生過流跳閘信號TRIP，并輸出到過零開關(guān)和狀態(tài)鎖存電路，狀態(tài)鎖存電路鎖存過流故障狀態(tài)，并發(fā)出關(guān)斷命令；
[0043]過零開關(guān)和狀態(tài)鎖存電路，將電源電壓的正、負半周信號U+和U-、負載電流的正、負半周信號I+和1-、過流跳閘信號TRIP和短路故障信號SHORT以及經(jīng)隔離電路發(fā)送的開關(guān)控制命令信號CMD0，進行邏輯綜合處理，產(chǎn)生主支路第一功率管過零開關(guān)信號Qlpre和主支路第二功率管過零開關(guān)信號Q2pre ；
[0044]功率管狀態(tài)比較判斷電路，連接在負載電壓檢測電路的輸出端，根據(jù)負載電壓檢測電路輸出的電壓采樣信號得到功率管狀態(tài)比較判斷信號M0S0，并輸出到隔離電路；
[0045]負載狀態(tài)比較判斷電路，連接在負載電流檢測電路的輸出端，根據(jù)負載電流檢測電路輸出的電流采樣信號得到負載狀態(tài)比較判斷信號L0AD0，并輸出到隔離電路；
[0046]隔離電路，作為控制命令信號、負載狀態(tài)信號、功率管狀態(tài)信號與上位機的輸入輸出接口，實現(xiàn)與上位機的狀態(tài)交換:外部控制命令CMD連接到隔離電路，隔離電路輸出開關(guān)控制命令信號CMDO ;負載狀態(tài)比較判斷電路和功率管狀態(tài)比較判斷電路的輸出LOADO和MOSO連接到隔離電路，隔離電路輸出負載狀態(tài)信號LOAD和功率管狀態(tài)信號(MOS)給上位機；
[0047]隔離電源模塊，將外部的偏置電源輸入進行隔離變換，為交流固態(tài)功率控制器裝置內(nèi)部的控制電路提供內(nèi)部工作電源。
[0048]本實用新型在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，在功率主電路中增加了一條限流支路，使交流固態(tài)功率控制器不但可以實現(xiàn)半個電源周期內(nèi)交流SSPC自然過零開關(guān)，而且具有大功率限流功能，提高了交 流SSPC帶容性負載和整流橋負載的能力，降低了交流SSPC短路故障關(guān)斷時的電壓應(yīng)力，增強了交流SSPC短路保護的抗干擾能力。
[0049]具體的，本實用新型的交流固態(tài)功率控制器中:
[0050]主功率電路包括主支路、限流支路和檢測電阻；主支路由第一功率管Ql和第二功率管Q2反串聯(lián)組成；限流支路由第三功率管Q3、第四功率管Q4和限流電阻Rumit組成，第三功率管Q3和第四功率管Q4反串聯(lián)后與限流電阻Rumit串聯(lián)；主支路和限流支路并聯(lián)，該并聯(lián)結(jié)構(gòu)的一端作為交流固態(tài)功率控制器的功率輸入端連接外部交流電源；另一端與檢測電阻串聯(lián)，作為交流固態(tài)功率控制器的功率輸出端連接負載至功率地；
[0051]負載電壓平均值檢測電路包括負載電壓檢測電路、第三絕對值轉(zhuǎn)換電路、平均值轉(zhuǎn)換電路；負載電壓檢測電路檢測功率輸出端和功率地之間的電壓，負載電壓檢測電路的輸出連于第三絕對值轉(zhuǎn)換電路，第三絕對值轉(zhuǎn)換電路的輸出連于平均值轉(zhuǎn)換電路，平均值轉(zhuǎn)換電路的輸出分別連于短路判斷電路和解除限流態(tài)判斷電路；
[0052]進入限流態(tài)判斷電路包括第一絕對值轉(zhuǎn)換電路、第九比較器Comp9、第一 D觸發(fā)器U16、第四與非門U17 ;負載電流檢測電路的輸出連于第一絕對值轉(zhuǎn)換電路，第一絕對值轉(zhuǎn)換電路的輸出連于第九比較器Comp9的正極性輸入端,第九比較器Comp9的負極性輸入端連于第一電壓閥值Uthl，第一電壓閥值Uthl對應(yīng)固態(tài)功率控制器的限流閥值，第九比較器Comp9的輸出連于第一 D觸發(fā)器U16的上升沿觸發(fā)端CLK,第一 D觸發(fā)器U16的D端接低電平，第四與非門U17的一個輸入端連于隔離電路的輸出，第四與非門U17的另一個輸入端連于解除限流態(tài)判斷電路的輸出，第四與非門U17的輸出連于第一 D觸發(fā)器的置位端；
[0053]解除限流態(tài)判斷電路包括功率輸入輸出電壓差動檢測電路、第二絕對值轉(zhuǎn)換電路、第十比較器ComplO、第^ 比較器Compll、第一三輸入或門U18 ;功率輸入輸出電壓差動檢測電路檢測交流固態(tài)功率控制器的功率輸入和功率輸出的電壓差，其輸出連于第二絕對值轉(zhuǎn)換電路，第二絕對值轉(zhuǎn)換電路的輸出連于第十比較器ComplO的正極性端，第十比較器ComplO的負極性端連于控制電路參考地，第十比較器ComplO的輸出ZVS_0N連于第一三輸入或門U18的輸入，進入限流態(tài)判斷電路輸出信號Limiting也連于第一三輸入或門U18的輸入，平均值轉(zhuǎn)換電路的輸出連于第十一比較器Compll的負極性端，第十一比較器Compll的正極性端連于第二電壓閥值Uth2，第二電壓閥值Uth2設(shè)定為額定電源電壓平均值的75%左右，第十一比較器Compll的輸出連于第一三輸入或門U18的輸入，第一三輸入或門U18的輸出BACK連于第四與非門U17的輸入；
[0054]驅(qū)動信號生成電路包括第一與門U13，第二與門U14、第三與門U15和第一驅(qū)動隔離電路，第二驅(qū)動隔離電路和第三驅(qū)動隔離電路；進入限流態(tài)判斷電路的輸出和過零開關(guān)和狀態(tài)鎖存電路輸出的第一功率管過零開關(guān)信號Qlpre輸入至第一與門U13 ,第一與門U13的輸出連于第一驅(qū)動隔離電路，第一驅(qū)動隔離電路輸出連于第一功率管柵極；進入限流態(tài)判斷電路輸出和過零開關(guān)和狀態(tài)鎖存電路輸出的第二功率管過零開關(guān)信號Q2pre輸入至第二與門U14，第二與門U14的輸出連于第二驅(qū)動隔離電路，第二驅(qū)動隔離電路輸出連于第二功率管柵極；第一功率管過零開關(guān)信號Qlpre和第二功率管過零開關(guān)信號Q2pre輸入至第三與門U15，第三與門U15的輸出連于第三驅(qū)動隔離電路，第三驅(qū)動隔離電路的輸出連于第三功率管和第四功率管的柵極。
[0055]短路判斷電路包括第十二比較器Compl2、延遲觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)模塊U19、第二三輸入或門U20 ;進入限流態(tài)判斷電路的輸出連于延遲觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)模塊U19的輸入端和第二三輸入或門U20的輸入端，延遲觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)模塊U19的輸出連于第二三輸入或門U20的輸入端，延遲觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)模塊U19在限流態(tài)判斷電路的輸出信號變?yōu)榈碗娖綍r延遲設(shè)定時間產(chǎn)生一個低電平短脈沖，設(shè)定時間ΛΤ約為電源周期的1/4左右；平均值轉(zhuǎn)換電路的輸出連于第十二比較器Compl2的正極性端，第十二比較器Compl2的負極性端連于第三電壓閥值Uth3，第三電壓閥值Uth3為交流固態(tài)功率控制器帶最大容性負載啟動時、負載電壓平均值在設(shè)定時間內(nèi)的最小上升量；第十二比較器Compl2的輸出連于第二三輸入或門U20的輸入端，第二三輸入或門U20的輸出SHORT連于過零開關(guān)和狀態(tài)鎖存電路。
[0056]圖2為電源電壓檢測電路和電壓正負半周判斷電路。電源電壓檢測電路由運算放大器Al，電阻Rl、R2、R3、R4組成的正向差動放大電路構(gòu)成；電源電壓檢測電路的輸出連于電壓正負半周判斷電路的輸入；電壓正負半周判斷電路由兩個單門限比較電路構(gòu)成:比較器Compl、電阻R7和RlO構(gòu)成上門限比較電路，R7和RlO組成分壓電路，其分壓值為上門限閥值Uth+ ；比較器Comp2、電阻R5和R6構(gòu)成下門限比較電路，R5和R6組成分壓電路，其分壓值為下門限閥值Uth-;電壓正負半周判斷電路的輸出為U+和U-，當(dāng)U+為高電平時，表示交流電源電壓處于正半周期，當(dāng)U-為高電平時，表示交流電源電壓處于負半周期。
[0057]圖3為負載電流檢測電路和電流正負半周判斷電路。負載電流檢測電路的輸出連于電流正負半周判斷電路的輸入。負載電流檢測電路由運算放大器A2，電阻R11、R12、R13、R14、組成的反向差動放大電路組成，其中R11=R12，R13=R14。
[0058]圖3中電流正負半周判斷電路由兩個單門限比較電路和兩個延時電路構(gòu)成:比較器Comp3、電阻Rl7和R18構(gòu)成上門限比較電路，Rl7和R18組成分壓電路，其分壓值為電流上門限閥值Ith+ ；比較器Comp4、電阻R15和R16構(gòu)成下門限比較電路，R15和R16組成分壓電路，其分壓值為電流下門限閥值Ith-;電阻R27和電容C3連于Comp3的輸出端，電阻R26和電容C2連于Comp4的輸出端，Comp3和Comp4的輸出分別連于比較器Comp7和Comp8的正極性輸入端；比較器Comp7、電阻R27、R28、R29、電容C3構(gòu)成正半周脈沖信號(I+)延時電路，比較器Comp8、電阻R30、R31、R26、電容C2構(gòu)成負半周脈沖信號(1_)延時電路。
[0059]圖3中電流正負半周判斷電路電流正負半周判斷電路的輸出為I+和1-，當(dāng)I+為高電平時，表示負載電流處于正半周期，當(dāng)1-為高電平時，表示負載電流處于負半周期。
[0060]圖4為交流固態(tài)功率控制器裝置中過零開關(guān)和故障鎖存電路原理圖，該電路的輸入信號為電流正負半周判斷電路的輸出信號I+、1-,電壓正負半周判斷電路的輸出信號U+、U-，過流保護電路的輸出信號TRIP，短路檢測電路的輸出信號SHORT，隔離電路的一個輸出信號CMD0。邏輯組合電路的輸出信號為第一功率管Ql的驅(qū)動信號Qlpre和第二功率管Q2的驅(qū)動信號Q2pre。
[0061]過零開關(guān)和故障鎖存電路由四個RS觸發(fā)器Ul、U2、U9、UlO、一個三輸入與門U3、四個兩輸入與非門U4、U5、U6、U7、兩個兩輸入與門U11、U12和一個非門U8組成，過流跳閘信號TRIP連于第一 RS觸發(fā)器Ul的復(fù)位端R，短路故障信號SHORT連于第二 RS觸發(fā)器U2的復(fù)位端R，經(jīng)隔離電路傳送的開關(guān)控制命令信號CMDO分別連于第一、第二 RS觸發(fā)器U1、U2的置位端S，開關(guān)控制命令信號CMD0、第一 RS觸發(fā)器Ul和第二 RS觸發(fā)器U2的輸出Q端TRIPPED、SHORTED分別連接到三輸入與門U3的三個輸入端，三輸入與門U3的輸出端CMDl分別連接到第一、第二與非門U4、U5的一個輸入端，三輸入與門U3的輸出端CMDl同時連到非門U8的輸入端，非門U8的輸出端分別連到第三、第四與非門U6、U7的一個輸入端，電源電壓正半周信號U+連接到第二與非門U5的另一個輸入端，電源電壓負半周信號U-連接到第一與非門U4的另一個輸入端，負載電流負半周信號1-連于第四與非門U7的另一個輸入端，負載電流正半周信號I+連于第三與非門U6的另一個輸入端，第一、第二與非門U4、U5的輸出端分別連接第三、第四RS觸發(fā)器U9、UlO的置位端S，第四、第三與非門U7、U6的輸出端分別連于第三、第四RS觸發(fā)器U9、UlO的復(fù)位端R，第三、第四RS觸發(fā)器U9、UlO的輸出Q端Ql、Q2分別連接到第二、第一雙輸入與門U12、U11的一個輸入端，第二 RS觸發(fā)器U2的輸出Q端SHORTED分別連接到第一、第二雙輸入與門U11、U12的另一個輸入端，兩個雙輸入與門U11、U12的輸出端分別輸出第一功率管Ql的驅(qū)動信號Qlpre和第二功率管Q2的驅(qū)動信號Q2pre。
[0062]圖5為本實用新型技術(shù)方案中第一、第二、第三絕對值轉(zhuǎn)換電路采用的典型精密絕對值轉(zhuǎn)換電路，由兩個運算放大器A3、A4，四個二極管DfD4，五個電阻R32?R36組成。該電路的輸入信號連于電阻R32和R36, R32的另一端連于運算放大器A3的負極性端，A3負極性端同時連于二極管Dl陽極和電阻R34，二極管Dl陰極連于二極管D2陽極和運算放大器A3輸出端，電阻R34另一端連于二極管D2陰極；電阻R33 —端連接運算放大器A3的正極性端，另一端接地；電阻R36 —端連于輸入信號，另一端連于運算放大器A4的正極性端，運算放大器A4的負極性端連于二極管D3陽極和電阻R35，二極管D3陰極連于二極管D4陽極和運算放大器A4輸出端，二極管D4陰極連于R35的另一端和二極管D2的陰極。以二極管二極管D2、D4的陰極作為絕對值轉(zhuǎn)換電路的輸出。
[0063]圖6為本實用新型技術(shù)方案中采用的負載電壓平均值檢測電路，由負載電壓檢測電路、絕對值轉(zhuǎn)換電路和平均值電路三級組成。第一級是負載電壓檢測電路，以典型的差動放大電路采樣負載電壓；第二級為圖5所述的典型精密絕對值轉(zhuǎn)換電路；第三級為平均值電路，由一階低通濾波電路和電壓跟隨器組成。
[0064]下面結(jié)合圖T圖10說明本實用新型控制器的工作原理。
[0065]圖7交流固態(tài)功率控制器裝置在負載為阻性負載、阻感性負載或小容量的阻容性負載以及具有較小濾波電容的整流橋負載時，零電壓開通、零電流關(guān)斷波形圖。
[0066]圖7中&時刻交流固態(tài)功率控制器的外部開關(guān)命令CMD由低變高(開通命令)，CMDO和CMDl也立刻由低變高；此時由于交流電源電壓Us處于正半周期(U+為高電平)，因此Q2pre、Q2_DrO、Q2_Dr首先變?yōu)楦唠娖?，第二功率管開通；t2時刻交流電源電壓由正變負，主回路經(jīng)第一功率管的寄生體二極管和第二功率管的導(dǎo)電溝道自然導(dǎo)通；t3時刻檢測到交流電源電壓Us處于負半周期(U-為高電平)，則此時Qlpre、Ql_DrO、Ql_Dr變?yōu)楦唠娖?，然后Q34DrO、Q34Dr也隨即變?yōu)楦唠娖?，第一、第三、第四功率管?dǎo)通。由分析可見，交流交流固態(tài)功率控制器裝置開通過程取決于電源電壓的極性和開關(guān)命令，與負載性質(zhì)和電源頻率無關(guān)，在半個周期內(nèi)完成了自然零電壓開通。
[0067]圖7中t4時刻交流固態(tài)功率控制器的外部開關(guān)命令CMD由高變低(關(guān)斷命令)，CMDO和CMDl也立刻由低變高(關(guān)斷命令也可能是由于負載過流故障引起TRIP信號變低，CMDl也會變?yōu)榈碗娖?；此時由于負載電流處于負半周期(1-為高電平)，因此Qlpre、Ql_DrO, Ql_Dr首先變?yōu)榈碗娖?，然后Q34DrO、Q34Dr也隨即變?yōu)榈碗娖?，第一、第三、第四功率管關(guān)斷；t5時刻負載電流從負值變?yōu)榱悖捎诘谝还β使芤呀?jīng)關(guān)斷，所以&時刻交流回路自然過零關(guān)斷；t6時刻，I+變?yōu)楦唠娖?，第二功率管關(guān)斷。由分析可見，交流固態(tài)功率控制器關(guān)裝置關(guān)斷過程完全取決于負載電流的極性和開關(guān)命令，與負載性質(zhì)和電源頻率無關(guān)，在半個周期內(nèi)完成了自然零電流關(guān)斷。
[0068]圖8交流固態(tài)功率控制器裝置在空載條件下零電壓開通、零電流關(guān)斷波形圖。圖8中交流固態(tài)功率控制器裝置在空載條件下開通的過程與帶載時開通的過程一致；但在關(guān)斷過程中，t7時刻外部開關(guān)命令CMD由高變低(關(guān)斷命令)，或者由于負載過流故障引起CMDl變?yōu)榈碗娖?，由于負載為空載(電流為零)，所以I+和1-一直為高電平，觸發(fā)器U9和UlO的輸出立刻被復(fù)位為低電平，Qlpre和Q2pre立刻變?yōu)榈碗娖?，Ql_DrO、Ql_Dr、Q2_DrO、Q2_Dr、Q34_DrO立刻變?yōu)榈碗娖?，第一、第二、第三、第四功率管同時關(guān)斷。
[0069]圖9為交流固態(tài)功率控制器裝置在負載為具有大容量濾波電容的整流橋負載時，零電壓開通過程、限流過程和零電流關(guān)斷過程的波形圖。t8時刻交流固態(tài)功率控制器的外部開關(guān)命令CMD由低變高(開通命令)，CMDO和CMDl也立刻由低變高；此時由于交流電源電壓Us處于正半周期(U+為高電平)，因此Q2pre、Q2_DrO、Q2_Dr首先變?yōu)楦唠娖?，第二功率管開通；t9時刻交流電源電壓由正變負，主回路經(jīng)第一功率管的寄生體二極管和第二功率管的導(dǎo)電溝道自然導(dǎo)通，t10時刻Qlpre、Ql_DrO、Ql_Dr變?yōu)楦唠娖?，第一功率管零電壓開通，Q34_DrO、Q34_Dr也同時變?yōu)楦唠娖?，第三、第四功率管也同時導(dǎo)通；由于負載是具有大容量濾波電容的整流橋負載，所以從&時刻開始隨著交流電源電壓升高，交流固態(tài)功率控制器電流逐漸增大，tn時刻達到限流閥值Uthl，進入限流態(tài)判斷電路的輸出Limiting信號變?yōu)榈碗娖剑琎l_DrO、Ql_Dr、Q2_DrO、Q2_Dr也同時變?yōu)榈碗娖剑谝?、第二功率管立刻關(guān)斷，第三、第四功率管維持導(dǎo)通A11時刻開始交流電源通過第三、第四功率管和限流電阻向整流橋負載電容充電，t12時刻負載電壓平均值達到第二電壓閥值Uth2即額定電源電壓平均值的75%左右，等待t13時刻交流固態(tài)功率控制器電流變?yōu)榱銜r，過零轉(zhuǎn)換信號ZVS_ON信號變?yōu)榈碗娖綍r，t13時刻解除限流狀態(tài)，BACK信號變?yōu)榈碗娖?，Ql_DrO、Ql_Dr、Q2_DrO、Q2_Dr也同時變?yōu)楦唠娖?，交流固態(tài)功率控制器重新繼續(xù)開通，接下來交流電源通過第一、第二功率管向整流橋負載電容充電，直至穩(wěn)態(tài)供電。
[0070]圖9中t14時刻交流固態(tài)功率控制器的外部開關(guān)命令CMD由高變低(關(guān)斷命令)，CMDO和CMDl也立刻由低變高；此時由于負載電流處于正半周期(I+為高電平)，因此Q2pre、Q2_DrO、Q2_Dr首先變?yōu)榈碗娖?，然后Q34DrO、Q34Dr也隨即變?yōu)榈碗娖?，第二、第三、第四功率管關(guān)斷；t15時刻負載電流從正值變?yōu)榱悖捎诘诙β使芤呀?jīng)關(guān)斷,所以t15時刻交流回路自然過零關(guān)斷；t16時刻，1-變?yōu)楦唠娖?，第一功率管關(guān)斷。
[0071]圖10交流固態(tài)功率控制器裝置起動過程或者在正常導(dǎo)通過程中發(fā)生在短路故障并限流然后關(guān)斷保護的波形圖。t17時刻交流固態(tài)功率控制器的外部開關(guān)命令CMD由低變高(開通命令)，CMDO和CMDl也立刻由低變高；此時由于交流電源電壓Us處于正半周期(U+為高電平)，因此Q2pre、Q2_DrO、Q2_Dr首先變?yōu)楦唠娖?，第二功率管開通；t18時刻交流電源電壓由正變負，主回路經(jīng)第一功率管的寄生體二極管和第二功率管的導(dǎo)電溝道自然導(dǎo)通，t19時刻Qlpre、Ql_DrO、Ql_Dr變?yōu)楦唠娖?，第一功率管零電壓開通，Q34_DrO、Q34_Dr也同時變?yōu)楦唠娖?，第三、第四功率管也同時導(dǎo)通；由于負載已經(jīng)被短路，所以從t19時刻開始隨著交流電源電壓升高，交流固態(tài)功率控制器短路電流迅速上升，t20時刻達到限流閥值Uthl，進入限流態(tài)判斷電路的輸出Limiting信號變?yōu)榈碗娖?，Ql_DrO、Ql_Dr、Q2_DrO、Q2_Dr也同時變?yōu)榈碗娖?，第一、第二功率管立刻關(guān)斷，第三、第四功率管維持導(dǎo)通；從t2(l時刻開始，延時設(shè)定的Λ T時間(約為電源周期的1/4)在t21時刻產(chǎn)生一個短的低電平脈沖麗(脈沖寬度為數(shù)十個μ s)，此時判斷負載電壓平均值是否大于第三電壓閥值Uth3 ;Uth3為交流固態(tài)功率控制器帶最大容性負載啟動時、負載電壓平均值在AT時間內(nèi)的最小上升量；由于負載已經(jīng)被短路，所以短路故障信號SHORT必然在t21時刻變?yōu)榈碗娖?，然后過零開關(guān)電路和狀態(tài)鎖存電路鎖存該故障狀態(tài)，SHOTED信號變?yōu)榈碗娖?，Q34DrO、Q34Dr也隨即變?yōu)榈碗娖?，第三、第四功率管關(guān)斷，短路保護過程完成。t22時刻CMD信號變?yōu)榈碗娖?，短路故障鎖存狀態(tài)SHOTED信號變?yōu)楦唠娖?，故障?fù)位完成，等待下次開通命令。
【權(quán)利要求】
1.一種具有限流功能的交流固態(tài)功率控制器，包括主功率電路、電源電壓檢測電路、電壓正負半周判斷電路、負載電流檢測電路、電流正負半周判斷電路、有效值轉(zhuǎn)換電路、過流保護電路、過零開關(guān)和狀態(tài)鎖存電路、短路判斷電路、功率管狀態(tài)比較判斷電路、負載狀態(tài)比較判斷電路、隔離電路和隔離電源模塊，其特征在于: 主功率電路包括主支路、限流支路和檢測電阻；主支路由第一功率管(Ql)和第二功率管(Q2)反串聯(lián)組成；限流支路由第三功率管(Q3)、第四功率管(Q4)和限流電阻(Rumit)組成，第三功率管(Q3)和第四功率管(Q4)反串聯(lián)后與限流電阻(Rumit)串聯(lián)；主支路和限流支路并聯(lián)，該并聯(lián)結(jié)構(gòu)的一端作為交流固態(tài)功率控制器的功率輸入端連接外部交流電源；另一端與檢測電阻串聯(lián)，作為交流固態(tài)功率控制器的功率輸出端連接負載至功率地； 交流固態(tài)功率控制器還包括: 負載電壓平均值檢測電路，包括負載電壓檢測電路、第三絕對值轉(zhuǎn)換電路、平均值轉(zhuǎn)換電路；負載電壓檢測電路檢測功率輸出端和功率地之間的電壓，負載電壓檢測電路的輸出連于第三絕對值轉(zhuǎn)換電路，第三絕對值轉(zhuǎn)換電路的輸出連于平均值轉(zhuǎn)換電路，平均值轉(zhuǎn)換電路的輸出分別連于短路判斷電路和解除限流態(tài)判斷電路； 進入限流態(tài)判斷電路，包括第一絕對值轉(zhuǎn)換電路、第九比較器(Comp9)、第一 D觸發(fā)器(U16)、第四與非門(U17);負載電流檢測電路的輸出連于第一絕對值轉(zhuǎn)換電路，第一絕對值轉(zhuǎn)換電路的輸出連于第九比較器(Comp9)的正極性輸入端,第九比較器(Comp9)的負極性輸入端連于第一電壓閥值(Uthl),第九比較器(Comp9)的輸出連于第一 D觸發(fā)器(U16)的上升沿觸發(fā)端(CLK)，第一 D觸發(fā)器(U16)的D端接低電平，第四與非門(U17)的一個輸入端連于隔離電路的輸出，第四與非門(U17)的另一個輸入端連于解除限流態(tài)判斷電路的輸出，第四與非門(U17)的輸出連于第一 D觸發(fā)器的置位端； 解除限流態(tài)判斷電路，包括功率輸入輸出電壓差動檢測電路、第二絕對值轉(zhuǎn)換電路、第十比較器(ComplO)、第^ 比較器(Compll)、第一三輸入或門(U18);功率輸入輸出電壓差動檢測電路檢測交流固態(tài)功率控制器的功率輸入和功率輸出的電壓差，其輸出連于第二絕對值轉(zhuǎn)換電路，第二絕對值轉(zhuǎn)換電路的輸出連于第十比較器(ComplO)的正極性端，第十比較器(ComplO)的負極性端連于控制電路參考地，第十比較器(ComplO)的輸出(ZVS_0N)連于第一三輸入或門(U18)的輸入，進入限流態(tài)判斷電路輸出信號(Limiting)也連于第一三輸入或門(U18)的輸入，平均值轉(zhuǎn)換電路的輸出連于第十一比較器(Compll)的負極性端，第^ 比較器(Compll)的正極性端連于第二電壓閥值(Uth2),第^ 比較器(Compll)的輸出連于第一三輸入或門(U18)的輸入，第一三輸入或門(U18)的輸出(BACK)連于第四與非門(U17)的輸入； 驅(qū)動信號生成電路，包括第一與門(U13)，第二與門(U14)、第三與門(U15)和第一驅(qū)動隔離電路，第二驅(qū)動隔離電路和第三驅(qū)動隔離電路；進入限流態(tài)判斷電路的輸出和過零開關(guān)和狀態(tài)鎖存電路輸出的第一功率管過零開關(guān)信號(Qlpre)輸入至第一與門(U13),第一與門(U13)的輸出連于第一驅(qū)動隔離電路,第一驅(qū)動隔離電路輸出連于第一功率管柵極；進入限流態(tài)判斷電路輸出和過零開關(guān)和狀態(tài)鎖存電路輸出的第二功率管過零開關(guān)信號(Q2pre)輸入至第二與門(U14)，第二與門(U14)的輸出連于第二驅(qū)動隔離電路，第二驅(qū)動隔離電路輸出連于第二功率管柵極；第一功率管過零開關(guān)信號(Qlpre)和第二功率管過零開關(guān)信號(Q2pre)輸入至第三與門(U15)，第三與門(U15)的輸出連于第三驅(qū)動隔離電路，第三驅(qū)動隔離電路的輸出連于第三功率管和第四功率管的柵極。
2.如權(quán)利要求1所述的具有限流功能的交流固態(tài)功率控制器，其特征在于短路判斷電路包括第十二比較器(Compl2)、延遲觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)模塊(U19)、第二三輸入或門(U20);進入限流態(tài)判斷電路的輸出連于延遲觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)模塊(U19)的輸入端和第二三輸入或門(U20)的輸入端,延遲觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)模塊(U19)的輸出連于第二三輸入或門(U20)的輸入端，延遲觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)模塊(U19)在限流態(tài)判斷電路的輸出信號變?yōu)榈碗娖綍r延遲設(shè)定時間產(chǎn)生一個低電平短脈沖；平均值轉(zhuǎn)換電路的輸出連于第十二比較器(Compl2)的正極性端，第十二比較器(Compl2)的負極性端連于第三電壓閥值(Uth3);第十二比較器(Compl2)的輸出連于第二三輸入或門(U20)的輸入端，第二三輸入或門(U20)的輸出(SHORT)連于過零開關(guān)和狀態(tài)鎖存電路。
【文檔編號】H03K17/08GK203800911SQ201420196413
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年4月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月21日
【發(fā)明者】王莉, 阮立剛, 葉家瑜 申請人:南京航空航天大學(xué)