CN100356648C - 多路固态功率开关数字化集成控制方法 - Google Patents

Abstract

一种涉及多路固态功率开关数字化集成控制方法，属固态功率开关控制方法。本方法采用微处理器与可编程逻辑器件进行集成控制与管理，同时完成与上位机控制系统进行总线通讯功能。微处理器对多路固态功率开关的I²T反时限保护进行集成控制。I²T跳闸延迟通过定时中断来实现；利用微处理器进行热记忆保护的算法，实现I²T保护；采用可编程逻辑器件对各个通道的控制信号进行逻辑综合。驱动电路采用具有电压自举功能的电平控制型磁隔离驱动保护电路，多路的驱动共用一路高频调制信号，提高集成度。利用定额编码功能，由微处理器在线识别每个功率板的定额，区分不同的I²T跳闸曲线。本方法提高了固态功率开关的功率密度，减小了体积和重量。

Description

多路固态功率开关数字化集成控制方法

一、技术领域

本发明涉及多路固态功率开关数字化集成控制方法，属电力电子与电工技术领域中的固态功率开关控制方法。

二、背景技术

固态功率开关是固态配电系统的基础元件，兼具有开关和保护功能，用于接通和断开电路，实现过流和短路电流快速限制，在飞机，坦克，民用汽车，轮船等方面均有广泛的应用。目前已有的单路的固态功率开关，可以对一路负载进行开关控制与保护。固态功率开关不但具有过流保护，短路保护，而且还能通过状态信号与控制中心进行数据传送，具有智能性，与远程控制性。

目前在对多个固态功率开关数字管理方面，已经有了一种模块化的两级管理的方案(MODULAR SOLID STATE POWER CONTROLLER WITH MICROCONTROLLER UnitedStates Patenet：5,752,047)。此种方案，采用一个主控制器，控制多个控制器形成上下两级结构，每个控制器控制4个固态功率开关。主控制器一方面通过总线与上位机控制系统进行数据输送并接受上位机系统发出的控制信号，另一方面与下下一级的多个子控制器通讯，获得每个固态功率开关和负载的状态信息，并将上位机发出的控制信号输送到对应的下一级子控制器中，子控制器会根据得到的数据信息进行译址，来区分其下属的不同的固态功率开关。在此方案中，上下两级控制器均采用单片机来实现，并外扩了大量移位寄存器与触发器用于输入输出接口。此种方案优点是对固态功率开关的实时控制，模拟量的采集分为多组，采用了并行的控制器，并且减小了模拟量信号的传输距离，减小了EMI的影响，同时方便了信号接口电路。同时此方案还存在一些不足：

1.上下级的控制器只是进行了简单的信号采样、传送与译址，而在具体固态功率开关的功能上如I²T的跳闸延迟，并没有数字化、集成化，所以并不能有效的减小体积与重量。

2.采用上下级结构，每个子控制器需要单独编程，程序修改要兼顾上下两级，不方便。同时可以看到，用到的单片机由于功能有限，需要外扩很多的器件，增加了硬件负担，降低了可靠性。

3.增加了硬件部分，增加了额外的微控制器，体积重量大，接线复杂，同时成本与损耗均增加。

本发明对于多路的固态功率开关，采用了数字化集成控制方法，除了保留了已有方案中对固态功率开关的实时控制等优点外，采用了单级控制方案，简化了已有的两级控制方案。多个固态功率开关采用一级控制板直接控制，一片微处理器(DSP)完成了前面所说的方案中主控制器与多个子控制器的功能，体积、功耗均减小。利用微处理器(DSP)的强大功能对多路的电线与负载进行保护，其中对多路负载的I²T的反时限的延迟保护与热记忆保护功能均集成在微处理器中，通过软件实现，并用可编程逻辑器件进行逻辑综合，集中控制多个固态功率开关，同时可以很方便的与负载管理中心通过数据总线进行通讯。采用集成控制的多路固态功率开关符合先进配电系统发展的需要。

三、发明内容

本发明在研究现有的多路的固态功率开关集成管理的基础上，研究出一种多路固态功率开关的数字化集成化的控制方法，以简化两级控制的烦琐结构，减小体积和重量，利用高速微处理器与可编程控制器件，实现集成化的固态功率开关，以提高功率密度和可靠性。

本发明的集成控制方法如下：

1.采用微处理器和可编程逻辑器件对多路固态功率开关进行集中管理和控制，主功率管的驱动控制信号和辅助功率管的驱动控制信号从主控制器发出，分别通过主功率管隔离驱动保护电路和辅助功率管隔离驱动电路来控制主功率管电路和辅助功率管电路的开通与关断，从而实现对负载电能传送的控制；由负载电流检测电路经线性隔离传送给主控制器的电流检测信号以及由输出电压检测电路经隔离电路分别传送给主控制器的主功率管开关状态信号和负载两端的安全电压状态信号，开关状态信号作为系统的一个状态信号直接由主控制器读入通过总线通讯发往上位机，安全电压状态信号是负载两端的安全电压状态信号，该安全电压状态信号作为辅助功率管开通的一个条件信号，由可编程控制器读入，并在其中做逻辑综合以判断辅助功率管是否开通；每个功率通道还利用型号编码传送给主控制器，使主控制器能够在线识别各功率通道的定额，并由此对不同定额I²T曲线进行在线识别，所述主控制器包括微处理器(DSP)和可编程逻辑器件(CPLD)，利用微处理器(DSP)完成数据采集、处理、发出控制信号，对每一路的固态开关状态及负载状态采用巡回的检测方法，通过定时中断完成跳闸与热记忆保护；利用可编程逻辑器件(CPLD)对各个固态开关的控制逻辑电路部分进行集成化；利用微处理器的内置通讯接口直接与负载管理中心通过总线进行通讯，即上位机通过总线通讯向各通道控制器发送控制命令，由控制器的微处理器输出主功率管驱动控制信号，经可编程逻辑器件控制主功率管的导通与关断，各通道的电流采样电路输出负载电流检测信号传送至微处理器(DSP)，微处理器(DSP)经过对信号进行A/D采样后并进行数字滤波后进行比较与判断，实现固态功率开关I²T反时限跳闸控制和电路自检测；功率电路经电压采样和检测后输出的主功率管(MOSFET)开关状态信号和负载两端安全电压状态信号，当满足主功率管关断条件并且负载的安全电压为高时由可编程逻辑器件(CPLD)经过逻辑运算后输出辅助功率管的驱动控制信号，开通辅助功率管快速释放负载上的电压，负载状态和主功率管开关状态通过控制总线发送给控制中心，作为上位机监控下位机的信息。

2.多路固态功率开关的I²T反时限跳闸保护，采用微处理器的运算速度进行集成控制的方法。即设定每个定时时间进行一次中断，在中断中通过对延迟跳闸状态变量的判断，来对各个通道是否进行跳闸延迟进行判断，若需要进行延迟，就以设定的定时时间为单位，在主程序中查表得到的时间值中减1，直到减到0时，发出关断命令，关断固态开关，切断负载，进行跳闸保护。

3.多路固态功率开关的热记忆保护方法，即在中断中对每个通道是否要进行热记忆保护进行判断，对需要进行热记忆保护的部分，则根据采样值，通过微处理器在线计算此时刻能承受的最大热量，并与前一次热记忆保护中断中所保留的热量剩余值进行比较，如果当前热量小，则延迟时间不变，如果当前热量大，则根据当前的过载电流刷新延迟时间，在进行延时的同时计算在负载及线路上已经产生的热量的积累，实现真正的I²T保护。

4.通过设置定额编码功能的方法来实现功率定额的在线识别，即先在固态开关的硬件中设置各路的最大电流定额值，然后通过串行的总线通讯口，根据需要由软件在线随意在0～最大电流定额值的范围内任意设定各路实际工作定额，通过中断响应将I²T保护曲线设置与实际工作定额相对应，实现对不同定额I²T跳闸延时曲线的识别，并实现对应的I²T跳闸功能。

5.多路固态功率开关的驱动保护电路，采用具有电压自举动功能的电平控制型磁隔离驱动保护电路，利用高频调制解调策略，多路的驱动共用一路高频调制信号，提高集成度，自举电压对后级驱动电路采用动态供电方式。

本发明的固态功率开关数字集成控制的方法，可用于不同的微处理器和可编程逻辑器件，具体能负担的功率开关路数由其内部资源决定。单路的固态功率开关只能对一路负载进行保护，在大规模的配电系统中，固态开关数量繁多，采用单路的固态开关，集成度低，体积大，使用效率低。采用这种集成控制技术而研制的多路固态功率开关，体积小，功率密度大，集成度高，性能优化，升级更具备灵活度，是固态配电发展的重要方向。

四、附图说明

图1多路固态功率开关的上下级构成图。

图2多路固态功率开关的总原理框图，(0通道为例)。

图3(a)功率部分的原理框图，(0通道为例)。

图3(b)控制板部分的原理框图。

图2至图3的符号名称：

MAIN X(X：0~N)：主功率管开关信号    SAVE X(X：0~N)：安全电压状态信号

SUB X(X：0~N)：辅助功率管开关信号   TYPE X(X：0~N)：型号编码

SENSE X(X：0~N)：电流检测信号       CTRL X(X：0~N)：多路的控制信号

MOS X(X：0~N)：MOSFET的状态信号     TRIP_DSP X(X：0~N)：软件跳闸信号

TRIP_COMP X(X：0~N)：立即跳闸信号   TRIP X(X：0~N)：最终合成的跳闸信号

ELMC：负载管理中心

注：0~N标志为不同通道变量的后缀，如MAIN0表示0通道主功率管开通信号，以次类推。

图4软件主程序流程图。

图5数据处理部分的软件流程图，图5中的Ie为额定电流。

图6反时限延时中断的软件流程图。

图7功率加权中断的软件流程图。

图8单个通道的逻辑示意图，图8中符号名称与图2和图3一致。

图9驱动电路集成控制模块示意图。

五、具体实施方式

多路固态功率开关是在单路的固态功率开关的基础上发展起来的，在功率部分保留了单路的部分功能如驱动保护功能、泄漏箝位功能、状态检测功能。具体这部分的实施办法在“直流固态功率开关电路”的专利申请(申请号200510038027.0)中做了详细介绍，下面主要介绍针对多路的固态功率开关的集成控制的实施办法。多路固态功率开关的上下级构成图如图1所示，多路固态开关组只有一块控制器，通过控制器一方面与上位机通过总线通讯，向被控的多个固态开关发出开关控制命令，另一方面获取被控的多个固态开关及负载状态信号。

多路固态功率开关的总的工作原理框图如图2所示。每个功率通道独立完成功率驱动、短路保护、电流采样、状态检测以及泄漏箝位功能，对应于每一路有一个功率板，其他几路与其一样，功率板采用模块化设计。由图2可见，每路的功率板与控制板之间共有6个信息传递：以第0个通道为例，主功率管的驱动控制信号MAIN0和辅助功率管的驱动控制信号SUB0，是从主控制器发出的，具体的由图3(a)所示，这两个信号分别通过主管、辅管隔离驱动(保护)电路对主、辅功率电路产生作用，达到对负载电能输送的控制。具体发向主控制器的信号有：电流检测信号SENSE0，由图3(a)可知，它是由负载电流检测电路传送给主控制器的，它代表了对应0通道功率部分的电流的大小；MOSFET状态信号MOS0和安全电压状态信号SAVE0均是由输出电压检测电路经隔离传送给主控制器的。MOSFET状态信号MOS0代表着主功率部分的主功率管开通状态，开通是“1”，关断为“0”。安全电压状态信号SAVE0代表着负载两端的安全电压状态(大于36V为“1”，小于36V为“0”)。每个功率通道均会传递型别编码TYPE0给主控制器，使主控制器能够在线识别功率通道的定额，并由此对不同定额的I²T曲线进行在线识别。MOSFET状态即主功率管开关状态。

控制部分的原理框图如图3(b)所示。在图3(b)中，微处理器使用的是DSP，可编程逻辑器件采用CPLD。上位机通过控制总线向多通道控制部分发送控制命令，由控制部分输出主功率管驱动控制信号MAINX信号，控制主功率管的导通和关断。各个通道的电流采样电路输出负载电流敏感电压信号SENSEX，微处理器经过信号调理后进行判断和比较实现跳闸控制和电路自检测。此外，功率部分经过电压采样及检测后，输出主功率管开关状态MOSFET状态MOSX和安全电压状态SAVEX，由可编程逻辑器件经过逻辑运算后输出辅助功率管的驱动控制信号SUBX。负载状态和主功率管状态信号MOSFET状态通过控制总线发送给控制中心。其中型号编码为三位地址编码TYPEX，用来设置功率板的电流定额，由用户自由定义，由此实现多路固态功率开关的任意配置功能。

软件控制的主程序流程图如图4所示。程序首先进行一系列的初始化：系统初始化、A/D初始化、I/O初始化、串口初始化、T1定时器初始化以及各个通道所需的变量的初始化。AD采样部分，将每个功率通道的电流值通过隔离电路采样进来，并转换为数字量。主程序就在不断的采样、数据处理，通过通道号指针的循环指向，一遍遍对不同通道进行轮巡。

在数据处理部分，由采样得到的数据值对各个通道所处的状态进行处理，并置相应的状态位。具体流程如图5所示。根据采样值进行查表，得到相应的延迟时间，延迟时间的大小是以定时中断的时间为单位值的。并且由于过载电流会快速变化，所以采样值也会发生变化，查表得到的延迟时间也会变化。在1.1倍额定电流下，我们认为就处于正常状态，而检测电流大于10倍就进入立即跳闸状态，通过硬件的比较电路输出控制信号从而切断负载，进行保护负载的操作。

各个通道的I²T反时限跳闸延迟保护，是通过软件实现的。例如可以设计每100us定时进入一次中断，在中断中通过对延迟跳闸状态变量的判断，来对各个通道是否要进行跳闸延迟进行判断。如果需要进行延迟，就从以100us为单位，在主程序中查表得到的时间值中减去1，例如，需要延迟10ms，查表得到延迟时间就是100，每进一次中断，就对这个值减1，直到减到0，此时就发出关断命令，关断固态开关，切断负载，进行保护。这样就充分利用了微处理器的运算速度，提高了延迟的精度，延迟时间的精度达到了10^-4级。具体延迟中断的流程图如图6所示。在跳闸延迟中断中对每个通道的情况都做了检测，进一次中断对多个通道的是否要进行跳闸延迟都要做处理。

热记忆保护是为了防止发生故障时功率通道在几个过载点之间跳变的情况，它从各个通道功率的变化、热量积累的角度，对负载进行保护，特别适用于在几个过载点来回跳变的情况，从而形成对负载真正意义上的I²T保护。同样的，热记忆保护的处理也是在中断中完成，具体的流程图如图7所示。在中断中对每个通道是否要进行热记忆保护进行判断。对需要热记忆保护的部分，则根据采样值在线计算此刻能承受的最大的热量，并与前一次热记忆保护中断中所保留的热量剩余值进行比较，取较小的，同时对延迟时间进行修正。具体如下：当进入热记忆中断后，先判别是不是第一次进入热记忆中断，如果是便将此时刻的过载电流I₁与跳闸时间T₁存储下来，为下一次的热记忆保护做准备。经过Δt₁定时中断后，再一次进入热记忆中断保护，我们先将上一个过载点的剩余热量ΔS′₁计算出来，

ΔS₁′＝S₁-ΔS₁＝I₁ ²·R·(t₁-Δt₁)

(1)

假设此刻检测到电流为I₂，过流电流I₂对应的最大允许发热量为，

S₂＝I₂ ²·R·t₂

(2)

比较这两个热量的大小，如果S₂小，则延迟时间不变，如果S₂大，则根据目前的过载电流通过下式刷新延迟时间，

${t_2}^{\′}=\frac{{I_1}^2}{{I_2}^2}(t_1-{\mathrm{\Δt}}_1)$

(3)

用t₂′的时间代替通过查表得到的延迟时间t₂，设置定时器开始定时。具体实施过程中我们会比较前后两次过载电流的大小，当过载电流从小到大时，需要比较前后两次热量的大小，然后判断是否需要刷新延迟时间，如果过载电流从大到小，则不需要比较热量，直接根据(3)式刷新延迟时间。在进行延时的同时计算在负载及线路上已经产生的热量的积累，这样才能达到真正的I²T保护，使得固态功率开关真正在线路过热烧坏之前跳闸关断移去负载电流。

根据使用要求，通过总线接口可在线更改每路开关的实际定额设置，假设第0路固态开关的硬件设置最大电流定额值为10A，则通过串行的总线通讯口可根据需要随意在0-10A的范围内任意设置实际定额，如设置为5A，通过中断响应将I²t保护曲线设置与5A相对应，方便了选型和使用的灵活性。软件在线设置与手动硬件设置相结合大大提高了设计和使用的灵活性和方便性。

多路固态功率开关的所有逻辑电路均由可编程逻辑器件完成，其实现的逻辑运算主要包括两个方面：

(1)微处理器外设芯片的片选信号逻辑运算；

(2)多路的输入输出控制逻辑电路；

对于每一个功率板而言，其所有的逻辑电路运算都在可编程逻辑器件上实现，由此实现了逻辑电路的集成。由可编程逻辑器件实现的每一个功率板的逻辑电路如图8所示。图8的逻辑电路实际上是由各个通道的输入控制逻辑电路和死区控制逻辑电路组合而成，以第0通道为例，其输入量有四组：电气负载管理中心发送的控制命令CTRL0、由DSP发出的软件跳闸信号TRIP_DSP0、由立即跳闸电路发出的立即跳闸信号TRIP_COMP0，以及由功率板反馈的安全电压信号SAVE0；输出量有3组：主功率管的开关控制信号MAIN0、辅助功率管的开关控制信号SUB0，以及主功率管的跳闸命令TRIP0。此外，死区控制逻辑电路的死区延迟均由可编程逻辑器件内部可编程计数器来实现。在多路固态功率开关中，跳闸信号由软件跳闸信号TRIP_DSP0和立即跳闸信号TRIP_COMP0共同决定，二者之间是与的逻辑关系，二者相与后输入到跳闸信号锁定电路中，产生跳闸命令TRIP0。

驱动电路采用具有电压自举功能的电平控制型磁隔离驱动保护电路，采用高频调制解调策略，具体电路结构详见“直流固态功率开关电路”的专利申请(申请号200510038027.0)。虽然驱动电路保留了单路的固态开关的部分电路，但在多路的固态功率开关中，所有的驱动电路的高频调制波是共用的，这样可以进一步减小体积使集成度更高。当然也要考虑的EMI的影响，所以具体的调制功能实现是在每个功率板上实现的，这样EMI较小，抗干扰的性能比较好。采用磁隔离驱动电路可以大量减小辅助电源的数量，更有利多路固态功率开关的小型化。以8路的固态功率开关来说，驱动电路的集成控制模块图如图9所示。

集中管理部分的型号编码功能，增加了系统的可调配性。以8路的固态功率开关为例子，其中型号编码为三位地址编码，用来设置功率板的电流定额，由用户自由定义，由此实现多通道固态功率开关的任意配置功能。假如每路都对应于不同的电流定额，那么就需要存储多条曲线。将不同电流定额的I²T跳闸曲线理论值存入FLASH存储器，通过读入的每路的型别码来确定不同的电流定额。微处理器通过通用I/O口读入型号编码，从而对各个功率板的型号进行在线识别。

同时对每块功率板的电源进行了管理，增加了电源管理电路，实现了功率板的热插拔功能。热插拔表示一个系统在输入端、输出端和信号总线都处于工作状态的时候，安装与卸载功率部分的能力，而不影响其他功率通道的工作状态，保证整个系统能够正常运作。

Claims (4)

1.一种多路固态功率开关数字化集成控制方法，其特征在于：采用微处理器和可编程逻辑器件对多路固态功率开关进行集中管理和控制，主功率管的驱动控制信号(MAINX)和辅助功率管的驱动控制信号(SUBX)从主控制器发出，分别通过主功率管隔离驱动保护电路和辅助功率管隔离驱动电路来控制主功率管电路和辅助功率管电路的开通与关断，从而实现对负载电能传送的控制；由负载电流检测电路经线性隔离传送给主控制器的电流检测信号(SENSEX)以及由输出电压检测电路经隔离电路分别传送给主控制器的主功率管(MOSFET)开关状态信号(MOSX)，和负载两端的安全电压状态信号(SAVEX)，开关状态信号(MOSX)作为系统的一个状态信号直接由主控制器读入通过总线通讯发往上位机，安全电压状态信号(SAVEX)是负载两端的安全电压状态信号，该安全电压状态信号作为辅助功率管开通的一条件信号，由可编程控制器读入，并在其中做逻辑综合以判断辅助功率管是否开通；每个功率通道还利用型号编码(TYPEX)传送给主控制器，使主控制器能够在线识别各功率通道的定额，并由此对不同定额I²T曲线进行在线识别，所述主控制器包括微处理器(DSP)和可编程逻辑器件(CPLD)，利用微处理器(DSP)完成数据采集、处理、发出控制信号，对每一路的固态开关状态及负载状态采用巡回的检测方法，通过定时中断完成反时限跳闸与热记忆保护；利用可编程逻辑器件(CPLD)对各个固态开关的控制逻辑电路部分进行集成化；利用微处理器的内置通讯接口直接与负载管理中心通过总线进行通讯，即上位机通过总线通讯向各通道控制器发送控制命令，由控制器的微处理器输出主功率管驱动控制信号(MAINX)，经可编程逻辑器件控制主功率管的导通与关断，各通道的电流采样电路输出负载电流检测信号(SENSEX)传送至微处理器(DSP)，微处理器(DSP)经过对信号进行A/D采样并进行数字滤波后进行比较与判断，实现固态功率开关I²T反时限跳闸控制和电路自检测；功率电路经电压采样和检测后输出的主功率管(MOSFET)开关状态信号(MOSX)和负载两端安全电压状态信号(SAVEX)，当满足主功率管关断并负载的电压超出安全电压时，由可编程逻辑器件(CPLD)经过逻辑运算后输出辅助功率管的驱动控制信号(SUBX)，开通辅助功率管快速释放负载上的能量。各路负载状态和主功率管开关状态通过控制总线发送给控制中心，作为上位机监控下位机的信息。

2.根据权利要求1所述的多路固态功率开关数字化集成控制方法，其特征在于，多路固态功率开关的热记忆保护方法，即在中断中对每个通道是否要进行热记忆保护进行判断，对需要进行热记忆保护的部分，则根据采样值，通过微处理器在线计算此时刻能承受的最大热量，并与前一次热记忆保护中断中所保留的热量剩余值进行比较，如果当前热量小，则延迟时间不变，如果当前热量大，则根据当前的过载电流刷新延迟时间，在进行延时的同时计算在负载及线路上已经产生的热量的积累，实现真正的I²T保护。

3.根据权利要求1的多路固态功率开关数字化集成控制方法，其特征在于，多路固态功率开关的I²T反时限跳闸保护，采用微处理器运算进行集成控制的方法，即设定每个定时时间进行一次中断，在中断中通过对延迟跳闸状态变量的判断，来对各个通道是否进行跳闸延迟进行判断，若需要进行延迟，就以设定的定时时间为单位，在主程序中查表得到的时间值中减1，直到减到0时，发出关断命令，关断固态开关，切断负载，进行跳闸保护。

4.根据权利要求1所述的多路固态功率开关数字化集成控制方法，其特征在于，通过设置定额编码功能的方法来实现功率定额的在线识别，即先在固态开关的硬件中设置各路的最大电流定额值，然后通过串行的总线通讯口，根据需要由软件在线随意在0～最大电流定额值的范围内任意设定各路实际工作定额，通过中断响应将I²T保护曲线设置与实际工作定额相对应，实现对不同定额I²T跳闸延时曲线的识别，并实现对应的I²T跳闸功能。

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