CN102545852B - 应用于固态功率控制器的泄漏钳位电路及其控制方法 - Google Patents

应用于固态功率控制器的泄漏钳位电路及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种应用于固态功率控制器的泄漏钳位电路，包括一恒流源和一开关，其中，恒流源由辅助功率管构成，恒流源和开关顺序串联后，再并接在负载两端，通过开关控制恒流源的工作状态，在固态功率控制器开通时，恒流源不工作，在固态功率控制器关断时，恒流源工作在恒流模式。此电路采用恒流模式进行容性负载能量泄放以及给漏电流提供流通旁路，并且在固态功率控制器关断时将负载电压钳位在1.5V以下，提高安全性能。本发明还公开一种应用于固态功率控制器的泄漏钳位电路的控制方法。

Description

应用于固态功率控制器的泄漏钳位电路及其控制方法
技术领域
本发明属于电力电子与电工技术领域，特别涉及一种高压固态功率控制器泄漏钳位技术，可在固态功率控制器处于关断状态时保证负载电压钳位在安全电压以下。
背景技术
固态功率控制器(Solid State Power Controller，简称SSPC)是由半导体器件构成的智能开关装置，用于接通断开电路，实现电路保护和接收前级计算机的控制信号并报告其状态信息。
在高压配电系统中，当固态功率控制器处于关断状态时，由于功率管存在漏电流，其负载电压可能大于人身安全电压，将威胁到工作人员的安全，所以需一泄漏钳位电路在SSPC关断时将负载电压钳位在安全电压以下。泄漏钳位电路主要有以下两个作用：
1)SSPC关断状态下，功率管不可避免存在漏电流；当负载呈现一定的容性时，长时间关断状态下，漏电流将会在负载上累积一定的电压；当该电压大于安全电压时，会对人身安全产生危害。因此当SSPC关断时，不希望出现该电压；漏电流保护电路提供漏电流的通路，使功率输出端的电压维持在安全电压以下。
2)当关断容性负载时，容性负载中存储的能量通过漏电流保护电路在一定时间内释放，并最终降低到安全电压以下。
在专利ZL 200510038027.0中，提出在负载两端并联一功率管作为辅助功率管，采用“缓开通，慢关断”控制方式控制的泄漏钳位电路。该方式解决了SSPC关断时容性负载能量泄放问题，且可将负载电压钳位在安全电压以下，但该种方式有如下缺点：
1)在负载电容的容值较大的情况下：关断SSPC后，辅助功率管导通，相当于将负载短路，放电电流很大；为了保证可靠工作，通常辅助功率管的功率定额与主功率管的定额相近，体积重量和成本都较高；
2)由于辅助功率管开通时为饱和导通状态，在主开关功率管关断失效而常通时，可能形成主功率管和辅助功率管“直通”问题，而将电源短路；
3)辅助功率管控制电路较为复杂：为了避免主功率管和辅助功率管“直通”的问题，需要检测主功率管和辅助功率管的状态，设置“死区时间”；一旦检测电路出现故障，则会发生“直通”短路的危险。
针对上述缺点，本发明对上述方案进行改进，提出一种采用恒流模式的泄漏钳位电路，本案由此产生。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种应用于固态功率控制器的泄漏钳位电路及其控制方法，其采用恒流模式进行容性负载能量泄放以及给漏电流提供流通旁路，并且在固态功率控制器关断时将负载电压钳位在1.5V以下，提高安全性能。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种应用于固态功率控制器的泄漏钳位电路，包括一恒流源和一开关，其中，恒流源由辅助功率管构成，恒流源和开关顺序串联后，再并接在负载两端，通过开关控制恒流源的工作状态，在固态功率控制器开通时，恒流源不工作，在固态功率控制器关断时，恒流源工作在恒流模式。
上述恒流源由第一MOSFET和第一电阻构成，而开关采用第二MOSFET，第一MOSFET的漏极连接功率输出端，其源极连接第一电阻的一端，第一电阻的另一端连接第一MOSFET的栅极；所述第一MOSFET的栅极还连接第二MOSFET的漏极，而第二MOSFET的源极连接功率地，其栅极连接辅助功率管驱动信号。
上述泄漏钳位电路包括第三MOSFET、第二电阻、三极管和开关，所述第三MOSFET的漏极与三极管的集电极连接，并共同连接功率输出端，第三MOSFET的源极连接第二电阻的一端，而第二电阻的另一端连接第三MOSFET的栅极，所述第三MOSFET的栅极还经由开关接功率地，该第三MOSFET的栅极还连接三极管的基极，而三极管的发射极连接功率地。
一种基于前述泄漏钳位电路的控制方法，内容是：当上位机给固态功率控制器发送开通命令时，控制开关关断，此时恒流源不工作；当上位机给固态功率控制器发送关断命令时，控制开关开通，并比较负载电压与设定值的大小，若负载电压大于设定值，恒流源以恒流模式工作，若负载电压小于设定值，恒流源工作在线性状态。
采用上述方案后，本发明具有以下有益效果：
1)克服了在负载两端直接并联辅助功率M0SFET方法可能带来的上下管直通的问题，提高了可靠性；
2)具有恒流能量泄放和漏电流箝位保护的双重功能；
3)恒流源电路简单可靠，器件少，体积重量减轻。
附图说明
图1是本发明的整体原理框图；
图2是本发明的工作时序图；
图3是本发明第一实施例的电路图；
图4是本发明第二实施例的电路图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明提供一种应用于固态功率控制器的泄漏钳位电路，其所应用的主功率电路包括主功率管、电流检测电阻和负载，所述主功率管的一端连接功率输入端，另一端依次经由电流检测电阻、负载接至功率地，其中的电流检测电阻用以检测电流，功率输出端连接在电流检测电阻与负载之间。
所述的泄漏钳位电路包括一恒流源和一开关，其中，恒流源由辅助功率管构成，恒流源和开关顺序串联后，再并接在负载两端，具体是恒流源的一端连接负载的一端，另一端经由开关接功率地，通过开关控制恒流源的工作状态，在固态功率控制器关断时，采用恒流模式对容性负载能量进行泄放以及给漏电流提供流通旁路，并将负载电压钳位在1.5V以下。
本发明还提供一种基于前述泄漏钳位电路的控制方法，内容是：当上位机给固态功率控制器发送开通命令时，控制开关S关断，此时恒流源不工作；当上位机给固态功率控制器发送关断命令时，控制开关S开通，并比较负载电压与设定值的大小，若负载电压大于设定值，恒流源以恒流模式工作，若负载电压小于设定值，恒流源工作在线性状态。通过前述控制方法，当SSPC关断时，由于恒流源并联在负载两端，所以提供了固态器件漏电流的流通路径，相当于将负载“旁路”，起到漏电流保护的作用。
图2给出了本发明提供的泄漏钳位电路的工作时序波形图。T1时刻，CMD跳变为高电平，主功率管开通，负载电压线性上升，辅助功率管驱动跳变为低电平，辅助功率管关断，此时流过辅助功率管的电流为0；T2时刻，负载电压上升到功率输入电压值，SSPC完全开通；T3时刻，CMD跳变为低电平，主功率管关断，负载电压开始下降，辅助功率管驱动跳变为高电平，辅助功率管开通，开始时负载电压大于设定值，辅助功率管工作在恒流模式，流过辅助功率管的电流为一恒定值；T4时刻，负载电压下降到设定值，此时辅助功率管可等效为一电阻，工作在线性区；T5时刻，负载电压降到1.5V以下，此时流过辅助功率管的电流等于由主功率管产生的不可控的漏电流值；T6时刻，CMD跳变为高电平，主功率管开通，负载电压线性上升，辅助功率管驱动跳变为低电平，辅助功率管关断，此时流过辅助功率管的电流为0；T7时刻，负载电压上升到功率输入电压值，SSPC完全开通；T8时刻，负载发生故障，控制主开关功率管关断，辅助功率管驱动变为高电平，控制辅助功率管导通，此时流过辅助功率管的电流等于由主功率管产生的不可控的漏电流值。
如图3所示，是本发明提供的第一种具体电路图，所述的开关由MOSFET M2充当，而耗尽型MOSFET M1与电阻R1构成几十毫安的恒流源，具体是将M1的漏极连接功率输出端，而M1的源极连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接M1的栅极；M1的栅极还连接M2的漏极，而M2的源极连接功率地，其栅极连接辅助功率管驱动信号。
当上位机发给主功率管开通命令时，M2关断，由M1和R1构成的恒流源不工作；当上位机发给主功率管关断命令时，M2开通，若负载电压高于设定值，则M1和R1构成的恒流源可以产生几十毫安的电流供负载放电，并且保证辅助功率管的“泄放能力”大于主功率管的漏电流，最终电压被钳位在Ilesk·(RDS1+RDS2+R1)，其中，Ilesk为主功率管的漏电流，RDS1为M1的导通电阻，RDS2为M2的导通电阻。
图4所示是本发明的第二种实施电路，耗尽型MOSFET M3、电阻R2和三极管T1构成几十毫安的恒流源，其中M3与R2则构成一个1毫安左右的恒流源，所述M3的漏极与T1的集电极连接，并共同连接功率输出端，M3的源极连接R2的一端，而R2的另一端连接M3的栅极，所述M3的栅极还经由开关S1接功率地，该M3的栅极还连接T1的基极，而T1的发射极连接功率地。
当上位机发给主功率管开通命令时，开关S1开通，M3和R2构成的恒流源产生1mA电流通过开关S1流进功率地，三极管T1的基极电压为零，保持截止状态；当上位机发给功率管关断命令时，开关S1关断，若负载电压高于设定值，则M3和R2构成的恒流源仍可以产生1mA左右的电流流进T1的基极；记T1的集电极电流为IC，基极电流为IB，则此时IB＝1mA，IC＝βIB，β是三极管T1的放大倍数，此时漏电流保护电路的电流I＝IC+IB＝(β+1)IB，从而保证辅助功率管的“泄放能力”大于主功率管的漏电流(典型值一般在1mA以下)，因此最终的负载电压被箝位在T1的导通压降以下。
综上所述，本发明一种应用于固态功率控制器的泄漏钳位电路及其控制方法，采用恒流模式进行能量泄漏，电路简单可靠，功率较小，器件体积重量轻，不会出现主功率管与辅助功率管直通问题，控制方法简单，安全性、可靠性高。
需要指出的是，尽管本发明的基本结构、原理、方法通过上述实施例予以具体阐述，在不脱离本发明要旨的前提下，根据以上所述的启发，本领域普通技术人员可以不需要付出创造性劳动即可实施的变换/替代形式或组合均落入本发明保护范围内。

Claims (1)

1.一种应用于固态功率控制器的泄漏钳位电路，其特征在于：包括一恒流源和一开关，其中，恒流源由辅助功率管构成，恒流源和开关顺序串联后，再并接在负载两端，通过开关控制恒流源的工作状态，在固态功率控制器开通时，恒流源不工作，在固态功率控制器关断时，恒流源工作在恒流模式；
所述恒流源包括第三MOSFET、第二电阻和三极管，所述第三MOSFET的漏极与三极管的集电极连接，并共同连接功率输出端，第三MOSFET的源极连接第二电阻的一端，而第二电阻的另一端连接第三MOSFET的栅极，所述第三MOSFET的栅极还经由开关接功率地，该第三MOSFET的栅极还连接三极管的基极，而三极管的发射极连接功率地。
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