CN101340185B

CN101340185B - 三相交流固态功率控制器的同步控制方法

Info

Publication number: CN101340185B
Application number: CN2008101245956A
Authority: CN
Inventors: 王莉; 杨善水; 江登宇; 陈昌林; 严仰光
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Shanghai Aviation Electric Co Ltd
Priority date: 2008-08-26
Filing date: 2008-08-26
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2028-08-26
Also published as: CN101340185A

Abstract

一种三相交流固态功率控制器的同步控制方法，属交流固态功率控制器的控制方法。本方法采用“慢开通慢关断”方式控制三相交流固态功率器的通与断，每相利用两个功率场效应管反向串联控制负载的通与断，当控制功率场效应管导通时，控制功率场效应管的栅源电压缓慢上升，使功率场效应管导通电阻逐渐减小，实现缓慢开通；当控制功率场效应管关断时，控制功率场效应管的栅源电压逐渐下降到功率场效应管的门槛电压，使功率场效应管逐渐加大并逐渐过渡到完全关断状态，实现慢关断；既能真正实现三相的同步导通和关断，提高供电质量，又能抑制开关瞬时的du/dt和di/dt，降低了控制电路的复杂性，减小了体积和重量，适于任意工作频率的供电电源系统。

Description

三相交流固态功率控制器的同步控制方法

技术领域：

本发明涉及三相交流固态功率控制器的一种控制方法，属于电力电子及电工技术领域中的交流固态功率控制器的控制方法。

背景技术：

固态功率控制器就是基于飞机配电系统的发展应运而生的，是指用来代替继电器的转换功能和断路器的电路保护功能于一体的固态元器件，是与固态配电系统相配套的控制负载通断的开关装置。它具有无触点、无电弧、无噪声、响应快、电磁干扰小、寿命长、可靠性高以及便于计算机远程控制等优点，在飞机，坦克，民用汽车、轮船，民用电网输配电等方面均有着广泛的应用。

为了减小交流固态功率控制器开关时因du/dt、di/dt引起的浪涌电流和尖峰电压，减小开关时引起的电磁干扰，减缓开关时功率管承受的应力，一般交流固态功率控制器都采用了“零电压导通、零电流关断”这种软开关方式。但交流固态功率控制器的这种控制方法存在以下一些不足：

(1)“零电压导通、零电流关断”这种控制方法复杂，需要电流过零检测、电压过零检测、逻辑判断等电路，增加了交流固态功率控制器的体积和重量。

(3)交流固态功率控制器用于三相场合，采用“零电压导通、零电流关断”这种控制方法时，由于三相之间存在相位差如图1所示，t₁和t₂表示开通关断所需的过渡时间，最早导通相或关断相与最后的导通相或关断相至少存在120°相位差，所以三相开通、关断将不同步，这有可能影响三相负载的正常工作。

发明内容：

由于“零电压导通、零电流关断”控制的三相交流功率控制器开通和关断存在延迟(≤T/2，T供电电源周期)，且三相不能同时接通和断开，为了克服这些缺点，本发明提出了三相交流固态功率控制器的一种新的同步控制方法即用“慢开通，慢关断”控制三相交流固态功率控制器的开通和关断，可实现三相负载的同时开通和关断，该方法适用于任意频率的供电电源系统情况，如民用和军用恒频系统，非并网、并网风力发电电源系统和飞机变频电源系统，适用于阻性、容性和感性负载。

一种三相交流固态功率控制器的同步控制方法，其特征在于，三相同时接收同样的控制命令，三相的功率控制开关实现同时的“慢开通慢关断”，开通和关断时间单位能控制在微秒级；当三相负载正常时，故障跳闸信号为高电平，三相功率控制开关受外部控制命令控制同时导通或关断，当三相负载中任意一相负载出现故障时，故障跳闸信号为低电平，控制三相功率控制开关同时实现慢关断，切断负载隔离故障，实现真正的三相同步快速导通和关断；在任意电源频率和任意控制时刻，能实现三相交流固态功率控制器中三相功率控制开关的同时开通或关断，具体每相功率管的通断控制方法为，在功率电路中利用两个功率场效应管反向串连的结构作为每相交流固态功率控制器的功率控制开关，控制负载的通与断；当控制信号为高时，每相反向串联结构的两个功率场效应管导通，接通负载；当控制信号为低时，每相反向串联结构的两个功率场效应管截止，断开负载，具体方法是，利用功率场效应管的栅源电压的缓慢增加来控制负载电流的上升和下降时间，当控制信号控制功率场效应管导通时，控制功率场效应管的栅源电压略大于功率场效应管的门槛电压，使功率场效应管处于导通状态，然后使栅源电压缓慢上升，控制功率场效应管导通电阻逐渐减小到稳定，实现缓慢开通；当控制信号控制功率场效应管关断时，控制功率场效应管的栅源电压逐渐下降到零，控制功率场效应管导通电阻逐渐增加直至功率场效应管过渡到完全关断状态，实现功率管开关的慢关断。

附图说明：

图1“零电压导通和零电流关断”控制时的示意图

图2单相交流固态功率控制器“慢开通、慢关断”的驱动电路

图3三相交流固态功率控制器结构图

图4单相交流固态功率控制器的构成图

图5单相交流固态功率控制器带阻性负载时的“慢开通、慢关断”开关波形(400hz)

图6三相交流固态功率控制器带纯阻性负载时的同时开关波形(400Hz)

图7三相交流固态功率控制器带阻容性负载时的同时开关波形(400Hz)

图8三相交流固态功率控制器带阻感性负载时的同时开关波形(400Hz)

图9三相交流固态功率控制器带纯阻性负载时的同时开关波形(50Hz)

具体实施方式：

一种三相交流固态功率控制器的同步控制方法，其特征在于，三相交流固态功率控制器的功率管采用功率场效应管，每相采用两个场效应管反向串联的结构如图2所示；本发明用“慢开通、慢关断”这种控制方法对图2中每相反串联结构的功率管进行控制，控制负载的通与断，当控制信号(CMD)为高时，反向串连结构的两个功率场效应管导通，接通负载；当控制信号(CMD)为低时，反向串连结构的两个功率场效应管截止，断开负载；本发明的三相交流固态功率控制器的同步控制构成如图3所示，当控制信号(CONTROL)为高时，采用“慢开通”方式控制三相交流固态功率开关同时导通，接通三相负载，当控制信号(CONTROL)为低时，采用“慢关断”方式控制三相交流固态功率开关同时关断，断开三相负载，既可以抑制开通和关断瞬时的du/dt和di/dt，又简化了设计，有利于减小交流固态功率控制器的体积和重量，并且真正实现了三相交流固态功率控制器的同步开断。

本发明的三相交流固态功率控制器的同步控制构成如图3所示，CONTROL为上级管理控制单元发出的三相开关控制命令，定义高电平控制导通，低电平控制关断，用来控制三相交流固态功率控制器的通断，A_ACSSPC、B_ACSSPC和C_ACSSPC分别为A相、B相和C相固态功率控制器，分别控制A相、B相和C相负载的通断和保护，CMDA、CMDB和CMDC分别为A相、B相和C相的控制信号，定义高电平控制导通，低电平控制关断，A相、B相和C相保护信号是A相、B相和C相检测到过流和短路故障而产生的保护信号，设定正常情况下为电平高，故障情况下电平为低；负载正常情况下，A相、B相和C相保护信号为高，则CMDA＝CMDB＝CMDC＝CONTROL；负载出现故障时，若A相、B相和C相三个保护信号中任意一个为低，则CMDA＝CMDB＝CMDC为低电平，控制三相功率开关同时关断，切断负载将故障隔离；在负载故障出现但还没有清除情况下，A相、B相和C相中故障相保护信号一直锁定并保持，复位信号主要在三相负载故障清除后，能使 A相、B相和C相三个保护信号置为高电平，恢复上级管理控制单元开关控制作用。

单相交流固态功率控制器的构成图如图4所示，每相采用两个功率场效应管反向串联的结构，驱动电路采用“慢开通、慢关断”控制，电流检测采用主电路内串接采样电阻(Rs)，检测的负载电流大小，送到短路保护和过流保护电路，根据负载电流大小判定是否进行短路保护或I²t过流保护；根据检测的电压和电流，可输出的信号有保护信号、负载电流状态信号和开关的状态，负载电流状态信号用来判定是否有负载电流，开关的状态反应开关的通断情况；隔离电路可将功率与控制信号、输出的负载电流状态和开关状态完全隔离。

每相的驱动电路和主电路如图2所示，控制信号CMD经光耦U隔离后送至第一三极管T1的基极，第一三极管T1的集电极输出接至由第八电阻R8、第一电容C1、第九电阻R9、第十电阻R10、第一二极管D1构成的“慢开通、慢关断”电路，第八电阻R8和第一电容C1的联结点为信号的输出，送至由第二三极管T2、第三三极管T3组成的推挽电路，推挽的输出分别经第四电阻R4、第六电阻R6送至两个功率场效应管MOSFET1、MOSFET2的栅极，从而控制场效应管的通断。

在图3中，当控制信号(CMD)信号为高时，第一三极管T1的基极电压由高电平变换到低电平，第一三极管T1截止，在第一三极管T1截止的瞬间，第一电容C1相当于短路，此时第一电容C1的电压U_C1为0，所以此时两个功率场效应管MOSFET1、MOSFET2的栅源驱动电压U_gs1和U_gs2为

U_{gs 1} = U_{gs 2} = (Vcc - U_{D 1}) \times \frac{R_{10}}{R_{3} + R_{8} + R_{10}} - U_{beT 2}

其中U_D1、U_beT2分别为第一二极管D1的导通压降和第二三极管T2的基射极压降，设计参数使开通瞬间两个功率场效应管MOSFET1、MOSFET2的栅源电压U_gs等于场效应管的门槛电压V_TH，两个功率场效应管MOSFET1、MOSFET2处于刚导通状态，图2中的电路中供电电源Vcc通过第三电阻R3，第八电阻R8、第十电阻R10对第一电容C1充电，任意时刻

u_{gs 1} = u_{gs 2} = \frac{(Ucc - U_{D}) R_{4}}{R_{2} + R_{8} + R_{10}} e^{\frac{t}{(R_{2} + R_{8} + R_{10}) C 1}} + (Ucc - U_{D}) (1 - e^{\frac{t}{(R_{2} + R_{8} + R_{10}) C 1}}) + U_{D} - U_{beT 2}

这样，随着第一电容C1电压升高至稳定为供电电源电压Vcc，两个功率场效应管MOSFET1和MOSFET2栅源驱动电压从开启电压V_TH上升至稳定在Vcc-U_beT2，两个功率场效应管MOSFET1和MOSFET2栅源驱动电压从开启电压V_TH上升开始到负载电流上升到稳态值的90％这段时间t即为“慢开通”时间，调整第十电阻R₁₀和第八电阻R₈大小，可以改变开通的时间。交流固态功率控制器使用了“慢开通”这种控制方法后，开通时，负载电流缓慢上升，功率管两端电压缓慢下降，抑制了开通时因du/dt引起的浪涌电流。

当控制信号即CMD信号为低电平时，这时第一三极管T1导通，第一三极管T1导通的瞬间，第一电容C1的电压U_c1＝Vcc，所以此时两个功率场效应管MOSFET1和MOSFET2的栅源电压U_gs1和U_gs2为

U_{gs 1} = U_{gs 2} = Vcc \times \frac{R_{8}}{R_{8} + R_{9} + R_{10}} + U_{beT 3}

式中U_beT3为第三三极管T3的基射极压降，设计第八电阻R₈、第九电阻R₉和第十电阻R₁₀的参数，使关断瞬间的栅源电压U_gs1和U_gs2等于功率场效应管的门槛电压V_TH的(1.2～1.5)倍，随后，第一电容C1通过第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10放电至0，相应地功率场效应管逐渐过渡至完全关断状态，此过程中任意时刻

u_{gs 1} = u_{gs 2} = \frac{U_{cc} R_{8}}{R_{8} + R_{9} + R_{10}} e^{\frac{t}{(R_{8} + R_{9} + R_{10}) C}} + U_{beT 3},

栅源驱动电压从(1.2～1.5)V_TH下降开始，到两个功率场效应管MOSFET1和MOSFET2完全关断，负载电流下降到稳态值的10％这段时间t即为“慢关断”时间，改变第八电阻R8、第九电阻R9和第十电阻R10的参数，可改变关断过程的时间，即改变负载电流的变化率；交流固态功率控制器使用“慢关断”这种控制方法后，负载电流逐渐减小，可以很好地抑制关断时因di/dt引起的尖峰电压。图5为单相交流固态功率控制器带阻性负载时的“慢开通、慢关断”开关示意波形，图中供电电源为交流115V(400Hz)。

当负载为阻性时，三相交流固态功率控制器采用“缓开通、慢关断”这种方法进行控制时，其开通关断的波形如图6所示，当开通或关断功率管时，负载电流缓慢上升或下降，可以减小开关时的du/dt和di/dt，实现了三相负载的同时接通和断开。

当带容性负载开通时，三相交流固态功率控制器采用“慢开通、慢关断”这种方法进行控制时，其开通的波形如图7所示，带容性负载开通时，du/dt得到了很好地抑制，浪涌电流很小，实现了三相负载的同时接通和断开。

带感性负载关断时，三相交流固态功率控制器采用“慢开通、慢关断”这种方法进行控制时，波形如图8所示。随着栅源电压U_gs缓慢下降，带感性负载关断时，因di/dt引起的尖峰电压得到了有效地抑制，实现了三相负载的同时接通和断开。

三相电源频率为50Hz，阻性负载情况下，三相负载同时通断的波形示意如图9所示，三相交流固态功率控制器采用“慢开通、慢关断”这种方法进行控制时，开通和关断控制不受电源频率的影响。

三相交流固态功率控制器采用了“慢开通、慢关断”这种控制方法后，同样可以抑制开关时因du/dt、di/dt引起的浪涌电流和尖峰电压，减小了电磁干扰；但可以省去“零电压导通、零电流关断”时所必须的电流检测、电压检测、过零判断等电路，可以极大地简化设计，减小了交流固态功率控制器的体积和重量；另外，采用“缓开通、慢关断”这种方法控制三相交流固态功率控制器后，可以真正地实现三相开关的同步接通和断开，该方法可推广应用任何频率和电压等级的交流供电系统中。

Claims

1.一种三相交流固态功率控制器的同步控制方法，其特征在于，三相同时接收同样的控制命令，三相的功率控制开关实现同时的“慢开通慢关断”，开通和关断时间单位能控制在微秒级；当三相负载正常时，故障跳闸信号为高电平，三相功率控制开关受外部控制命令控制同时导通或关断，当三相负载中任意一相负载出现故障时，故障跳闸信号为低电平，控制三相功率控制开关同时实现慢关断，切断负载隔离故障，实现真正的三相同步快速导通和关断；在任意电源频率和任意控制时刻，能实现三相交流固态功率控制器中三相功率控制开关的同时开通或关断，具体每相功率管的通断控制方法为，在功率电路中利用两个功率场效应管反向串连的结构作为每相交流固态功率控制器的功率控制开关，控制负载的通与断；当控制信号为高时，每相反向串联结构的两个功率场效应管导通，接通负载；当控制信号为低时，每相反向串联结构的两个功率场效应管截止，断开负载，具体方法是，利用功率场效应管的栅源电压的缓慢增加来控制负载电流的上升和下降时间，当控制信号控制功率场效应管导通时，控制功率场效应管的栅源电压略大于功率场效应管的门槛电压，使功率场效应管处于导通状态，然后使栅源电压缓慢上升，控制功率场效应管导通电阻逐渐减小到稳定，实现缓慢开通；当控制信号控制功率场效应管关断时，控制功率场效应管的栅源电压逐渐下降到零，控制功率场效应管导通电阻逐渐增加直至功率场效应管过渡到完全关断状态，实现功率管开关的慢关断。