CN102571053A - 交流固态功率开关控制方法及开关装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种交流固态功率开关的控制方法及交流固态功率控制开关装置，属电力电子领域，该控制方法通过对功率主电路上的电源电压信号以及负载电流信号进行采样、判断、处理，得到交流电源的正、负半周信号、负载电流的正、负半周信号、过流跳闸信号以及短路故障信号，并与外部控制命令信号进行逻辑组合，进而在半个电源周期内实现功率开关的“自然零电压开通、自然零电流关断”，完全抑制开通过程中的电流应力及关断过程中的电压应力，适用于交流供电系统各种工作频率下阻性、感性和容性等各种负载性质，在空载或轻载、满载、过流、短路等情况下都可以可靠工作。

Description

交流固态功率开关控制方法及开关装置

技术领域

本发明涉及一种交流固态功率开关的控制方法及开关装置，属于电力电子与电工技术领域。

背景技术

目前交流配电系统中对交流电气负载的开关控制一般有两种方式：一种是使用电磁继电器、断路器、接触器等带触点机械式开关；另一种是使用交流固态功率开关。为了抑制固态功率开关在开通过程中的电流应力以及关断过程中的电压应力、以及产生的电磁干扰，要求固态功率控制开关装置在开关时具有零电压开通和零电流关断的功能。公开号为CN101662275A的中国专利“一种交流固态功率开关的控制方法”中提到利用交流电源的电压、负载电流的交变特性和功率MOSFET内部寄生体二极管的单向导电特性，使交流固态功率开关实现自然零电压接通和自然零电流关断。但在该控制方法下负载开通和关断的时间为半电源周期到一个电源周期之间，而系统一般要求交流固态功率开关在半个电源周期内导通；并且对此专利的实施例1进行分析发现该方法在感性负载情况下不能实现自然零电流关断；对此专利的实施例2进行分析发现该方法在空载或轻载情况下不能正常开通。所以这种控制方法在实际交流配电系统中应用时存在较大的缺陷。

发明内容

本发明涉及一种交流固态功率开关的控制方法和开关装置，解决了现有技术方案中开通关断时间长(半个电源周期到一个电源周期)、对负载的适应性不好的问题。本发明的控制方法和开关装置能够在半个电源周期内完成开通和关断，适用于阻性、感性和容性等各种负载性质，在空载或轻载、满载、过流、短路等情况下都可以可靠工作，并且不受电源频率影响。

为了实现上述目的，本发明首先提供一种交流固态功率开关的控制方法，具体采用如下技术方案：

一种交流固态功率开关的控制方法，其特征在于，通过对功率主电路上的电源电压信号以及负载电流信号进行采样、判断、处理，得到交流电源的正、负半周信号、负载电流的正、负半周信号、过流跳闸信号以及短路故障信号，并与外部控制命令信号进行逻辑组合，实现在开通过程中对功率主电路中的功率开关元件的控制完全取决于电源电压信号，关断过程中对功率主电路中的功率开关元件的控制完全取决于负载电流信号，进而实现功率开关在半个电源周期内“自然零电压开通、自然零电流关断”。

本发明还提供了一种交流固态功率控制开关装置，其特征在于，所述交流固态功率控制开关装置包括：

主功率电路，包括上功率管(MOS1)、下功率管(MOS2)两只MOSFET功率管和一个用于检测负载电流的检测电阻，两只MOSFET功率管通过检测电阻反串连；上功率管(MOS1)的源极作为隔离电源模块的参考地，漏极连接功率输入端(Power_in)，接外部交流电源，下功率管(MOS2)的漏极作为功率输出端(Power_out)连接交流负载的一端，交流负载的另一端连接功率地；

电源电压检测电路，连接在交流固态功率开关的功率输入端(Power_in)，对电源电压进行采样；

电压正负半周判断电路，连接在电源电压检测电路的输出端，根据电源电压检测电路输出的电压采样信号得到电源电压的正、负半周信号(U+、U-)，并输出到逻辑组合电路；

负载电流检测电路，连接在功率主电路的检测电阻上，对负载电流进行采样；

电流正负半周判断电路，连接在负载电流检测电路的输出端，根据负载电流检测电路输出的电流采样信号得到负载电流的正、负半周信号(I+、I-)，并输出到逻辑组合电路；

有效值转换电路，连接于负载电流检测电路的输出端，其输出连接到过流保护电路、负载状态比较判断电路的输入端；

过流保护电路，连接在有效值转换电路的输出端，输出过流跳闸信号(TRIP)到逻辑组合电路；

峰值检测电路，连接于负载电流检测电路的输出端，其输出连接到短路检测电路；

短路检测电路，连接在峰值检测电路的输出端，当负载短路时，立即产生短路故障信号(SHORT)，并输出到逻辑组合电路；

逻辑组合电路，将其他功能模块输入的电源电压的正、负半周信号(U+、U-)、负载电流的正、负半周信号(I+、I-)、过流跳闸信号(TRIP)和短路故障信号(SHORT)以及经隔离电路发送的外部的开关控制命令信号(CMD0)，进行逻辑综合处理，最终产生两路驱动信号(Drive+、Drive-)，分别驱动两个MOSFET功率管(MOS1、MOS2)；

负载电压检测电路，连接在交流固态功率开关的功率输出端(Power_out)，对负载电压进行采样；

负载状态比较判断电路，连接在负载电流检测电路的输出端，并输出负载状态比较判断信号(LOAD0)到隔离电路；

功率管状态比较判断电路，连接在负载电压检测电路的输出端，输出功率管状态比较判断信号(MOS0)到隔离电路；

隔离电路，作为控制命令信号、负载状态信号、功率管状态信号与上位机的输入输出接口，实现与上位机的状态交换：负载状态比较判断电路和功率管状态比较判断电路的输出信号、以及外部控制命令(CMD)连接到隔离电路，隔离电路输出负载状态信号(LOAD)和功率管状态信号(MOS)给上位机，并输出开关控制命令信号(CMD0)给逻辑组合电路；

隔离电源模块，将外部的偏置电源输入进行隔离变换，为交流固态功率控制开关装置内部的控制电路提供内部工作电源；

可编程接口，实现交流固态功率开关的电流定额硬件可编程、过流保护曲线的起始保护倍数和立即跳闸保护倍数硬件可编程。

本发明的功率开关控制方法及其功率控制开关装置，具有以下优点：

(1)能够实现真正意义上的“自然零电压开通、自然零电流关断”控制策略；

(2)能够抑制开通关断交流固态功率控制开关装置过程中的电压尖峰和电流冲击；

(3)能够半个电源周期内完成开通和关断；

(4)具有比较精确的反时限保护特性；

(5)过流保护曲线的硬件可编程；

(6)具有瞬间短路保护功能。

附图说明

图1交流固态功率控制开关装置的原理框图

图2电源电压检测电路和电压正负半周判断电路

图3负载电流检测电路和电流正负半周判断电路

图4交流固态功率控制开关装置逻辑组合电路原理图

图5交流固态功率控制开关装置正常带载时零电压开通、零电流关断波形图

图6交流固态功率控制开关装置在空载条件下零电压开通、零电流关断波形图

图7交流固态功率控制开关装置在短路故障时工作波形

图8交流固态功率控制开关装置三段式过流保护特性曲线

图9交流固态功率控制开关装置过流保护原理框图

具体实施方式

本发明的关键技术主要包括：

1、交流固态功率控制开关的半个电源周期内“自然零电压开通、自然零电流关断”控制策略的实现：包括电压电流检测电路与正负半周判断电路与逻辑组合电路的设计、以及“自然零电压开通、自然零电流关断”功能与过流保护功能、短路保护功能的融合。

2、交流固态功率控制开关装置的硬件可编程技术：包括电流定额的硬件可编程技术和过流保护曲线的硬件可编程。

下面结合附图对本发明的关键技术作详细说明。

图1为交流固态功率控制开关装置的原理框图，主要功能模块有：主功率电路、电源电压检测电路、电压正负半周判断电路、负载电流检测电路、电流正负半周判断电路、有效值转换电路、过流保护电路、峰值检测电路、短路检测电路、逻辑组合电路、负载电压检测电路、负载状态比较判断电路、功率MOSFET状态判断电路、隔离电路、隔离电源模块和可编程接口等。每一个模块的构成和功能如下：

(1)主功率电路，包括上功率管MOS1、下功率管MOS2两只MOSFET功率管和一个用于检测负载电流的检测电阻R_SENSE，两只MOSFET功率管通过检测电阻R_SENSE反串连；上功率管MOS1的源极S作为隔离电源模块的参考地(即内部控制电路的参考地)，漏极D连接功率输入端Power_in，接外部交流电源Us，下功率管MOS2的漏极D作为功率输出端Power_out连接交流负载的一端，交流负载的另一端连接功率地；

(2)电源电压检测电路，连接在交流固态功率开关的功率输入端Power_in，对电源电压进行采样；

(3)电压正负半周判断电路，连接在电源电压检测电路的输出端，根据电源电压检测电路输出的电压采样信号得到电源电压的正、负半周信号U+、U-，并输出到逻辑组合电路；

电源电压检测和电压正负半周判断电路用于检测固态功率开关回路上的交流电源电压的极性：当交流电源电压处于正半周期时(交流电源电压为正)，则电压正半周信号U+为高电平，否则U+为低电平；当交流电源电压处于负半周期时(交流电源电压为负)，电压负半周信号U-为高电平，否则U-为低电平；

(4)负载电流检测电路，连接在功率主电路的检测电阻上，对负载电流进行采样；

(5)电流正负半周判断电路，连接在负载电流检测电路的输出端，根据负载电流检测电路输出的电流采样信号得到负载电流的正、负半周信号I+、I-，并输出到逻辑组合电路；

负载电流检测和电流正负半周判断电路用于检测负载电流的极性：当负载电流处于正半周期时(负载电流为正)，电流正半周信号I+为高电平，否则I+为低电平；当负载电流处于负半周期时(负载电流为负)，电流负半周信号I-为高电平，否则I-为低电平；

(6)有效值转换电路，连接于负载电流检测电路的输出端，将交变的负载电流变换为其对应的有效值Ui(电压量)，其输出连接到过流保护电路、负载状态比较判断电路的输入端。

(7)过流保护电路，连接在有效值转换电路的输出端，当负载过流时，根据负载电流的过载倍数延时产生过流跳闸信号TRIP，并输出到逻辑组合电路，逻辑组合电路锁存该过流故障状态，并发出关断命令，实现对负载的过流保护；

(8)峰值检测电路，连接于负载电流检测电路的输出端，检测负载电流的峰值，其输出连接到短路检测电路；

(9)短路检测电路，连接在峰值检测电路的输出端，当负载短路时，立即产生短路故障信号SHORT，并输出到逻辑组合电路，逻辑组合电路锁存该短路故障状态，并立刻使功率管的驱动电压为低电平，实现对负载的短路保护；

(10)逻辑组合电路，将其他功能模块输入的电源电压的正、负半周信号U+和U-、负载电流的正、负半周信号I+和I-、过流跳闸信号TRIP和短路故障信号SHORT以及经隔离电路发送的外部的开关控制命令信号CMD0，进行逻辑综合处理，最终产生两路驱动信号Drive+和Drive-，分别驱动两个MOSFET功率管MOS1、MOS2；逻辑组合电路可由分立的数字集成电路芯片实现，也可以由可编程逻辑器件如通用阵列逻辑(GAL)或者复杂可编程逻辑器件(CPLD)实现。

(11)负载电压检测电路，连接在交流固态功率开关的功率输出端Power_out，对负载电压进行采样；

(12)负载状态比较判断电路，连接在负载电流检测电路的输出端，根据负载电流检测电路输出的电流采样信号得到负载状态比较判断信号LOAD0，并输出到隔离电路；

(13)功率MOSFET状态判断电路，连接在负载电压检测电路的输出端，根据负载电压检测电路输出的电压采样信号得到功率管状态比较判断信号MOS0，并输出到隔离电路；

(14)隔离电路，作为控制命令信号、负载状态信号、功率管状态信号与上位机的输入输出接口，实现与上位机的状态交换：负载状态比较判断电路和功率管状态比较判断电路的输出、以及外部控制命令CMD连接到隔离电路，隔离电路输出负载状态信号LOAD和功率管状态信号MOS给上位机，并输出开关控制命令信号CMD0给逻辑组合电路；

(15)隔离电源模块，将外部的偏置电源输入进行隔离变换，为交流固态功率控制开关装置内部的控制电路提供内部工作电源；

(16)可编程接口，实现交流固态功率开关的电流定额硬件可编程和过流保护曲线的硬件可编程。

图2为电源电压检测电路和电压正负半周判断电路。电源电压检测电路由运算放大器A1，电阻R1、R2、R3、R4组成的正向差动放大电路构成；电源电压检测电路的输出连于电压正负半周判断电路的输入；电压正负半周判断电路由两个单门限比较电路构成：比较器Comp1、电阻R7和R10构成上门限比较电路，R7和R10组成分压电路，其分压值为上门限阀值Uth+；比较器Comp2、电阻R5和R6构成下门限比较电路，R5和R6组成分压电路，其分压值为下门限阀值Uth-；电压正负半周判断电路的输出为U+和U-，当U+为高电平时，表示交流电源电压处于正半周期，当U-为高电平时，表示交流电源电压处于负半周期。

图3为负载电流检测电路和电流正负半周判断电路。负载电流检测电路的输出连于电流正负半周判断电路的输入。负载电流检测电路由运算放大器A2，电阻R11、R12、R13、R14、R_EX1、R_EX2组成的反向差动放大电路组成，其中R11＝R12，R13＝R14，R_EX1＝R_EX2。负载电流检测电路的放大倍数为

通过改变R_EX1和R_EX2的阻值可以改变负载电流检测电路的放大倍数，因此将R_EX1、R_EX2引出到外部可编程接口，通过改变R_EX1和R_EX2的阻值可以实现交流固态功率开关电流定额可编程的功能。设R_EX1＝R11/(N-1)，则负载电流检测电路的放大倍数变为

相当于负载电流定额变为原来的1/N。

图3中电流正负半周判断电路由两个单门限比较电路和两个延时电路构成：比较器Comp3、电阻R17和R18构成上门限比较电路，R17和R18组成分压电路，其分压值为电流上门限阀值Ith+；比较器Comp4、电阻R15和R16构成下门限比较电路，R15和R16组成分压电路，其分压值为电流下门限阀值Ith-；电阻R27和电容C3连于Comp3的输出端，电阻R26和电容C2连于Comp4的输出端，Comp3和Comp4的输出分别连于比较器Comp7和Comp8的正极性输入端；比较器Comp7、电阻R27、R28、R29、电容C3构成正半周脉冲信号(I+)延时电路，比较器Comp8、电阻R30、R31、R26、电容C2构成负半周脉冲信号(I-)延时电路。

图3中电流正负半周判断电路电流正负半周判断电路的输出为I+和I-，当I+为高电平时，表示负载电流处于正半周期，当I-为高电平时，表示负载电流处于负半周期。

图4为交流固态功率控制开关装置逻辑组合电路原理图，该电路的输入信号为电流正负半周判断电路的输出信号I+、I-，电压正负半周判断电路的输出信号U+、U-，过流保护电路的输出信号TRIP，短路检测电路的输出信号SHORT，隔离电路的一个输出信号CMD0。逻辑组合电路的输出信号为上功率管MOS1的驱动信号Drive+和下功率管MOS2的驱动信号Drive-。

逻辑组合电路由四个RS触发器U1、U2、U9、U10、一个三输入与门U3、四个两输入与非门U4、U5、U6、U7、两个两输入与门U11、U12和一个非门U8组成，过流跳闸信号TRIP连于第一RS触发器U1的复位端R，短路故障信号SHORT连于第二RS触发器U2的复位端R，经隔离电路传送的开关控制命令信号CMD0分别连于第一、第二RS触发器U1、U2的置位端S，开关控制命令信号CMD0、第一RS触发器U1和第二RS触发器U2的输出Q端TRIPPED、SHORTED分别连接到三输入与门U3的三个输入端，三输入与门U3的输出端CMD1分别连接到第一、第二与非门U4、U5的一个输入端，三输入与门U3的输出端CMD1同时连到非门U8的输入端，非门U8的输出端分别连到第三、第四与非门U6、U7的一个输入端，电源电压正半周信号U+连接到第二与非门U5的另一个输入端，电源电压负半周信号U-连接到第一与非门U4的另一个输入端，负载电流负半周信号I-连于第四与非门U7的另一个输入端，负载电流正半周信号I+连于第三与非门U6的另一个输入端，第一、第二与非门U4、U5的输出端分别连接第三、第四RS触发器U9、U10的置位端S，第四、第三与非门U7、U6的输出端分别连于第三、第四RS触发器U9、U10的复位端R，第三、第四RS触发器U9、U10的输出Q端Q1、Q2分别连接到第二、第一双输入与门U12、U11的一个输入端，第二RS触发器U2的输出Q端SHORTED分别连接到第一、第二双输入与门U11、U12的另一个输入端，两个双输入与门U11、U12的输出端分别输出两个功率管的驱动信号Drive-、Drive+。

下面结合图5、图6和图7说明图4中逻辑组合电路实现自然零电压开通和自然零电流关断的工作原理、空载时的工作过程以及短路故障时的工作过程。

图5为交流固态功率控制开关装置正常带载时零电压开通、零电流关断波形图。

图5中t₁时刻交流固态功率开关的外部开关命令CMD由低变高(开通命令)，CMD0和CMD1也立刻由低变高；此时由于交流电源电压Us处于正半周期(U+为高电平)，因此Drive-首先变为高电平，MOS2开通；t₂时刻交流电源电压由正变负，主回路经MOS1的寄生体二极管和MOS2的导电沟道自然导通；t₃时刻检测到交流电源电压Us处于负半周期(U-为高电平)，则此时Drive+变为高电平，MOS1开通。由分析可见，交流固态功率控制开关装置开通过程完全取决于电源电压的极性和开关命令，与负载性质和电源频率无关，在半个周期内完成了自然零电压开通。

图5中t₄时刻交流固态功率开关装置的外部开关命令CMD由高变低(关断命令)，CMD0和CMD1也立刻由低变高(关断命令也可能是由于负载过流故障引起TRIP信号变低，CMD1也会变为低电平)；此时由于负载电流处于负半周期(I-为高电平)，因此Drive+首先变为低电平，MOS1关断；t₅时刻负载电流从负值变为零，由于MOS1已经关断，所以t₅时刻回路过零关断；t₆时刻，I-变为高电平，MOS2零电流关断。由分析可见，交流固态功率控制开关装置关断过程完全取决于负载电流的极性和开关命令，与与负载性质和电源频率无关，在半个周期内完成了自然零电流关断。

图6为交流固态功率控制开关装置在空载条件下零电压开通、零电流关断波形图。

图6中交流固态功率控制开关装置在空载条件下开通的过程与带载时开通的过程一致；关断过程：t₇时刻外部开关命令CMD由高变低(关断命令)或者由于负载过流故障引起CMD1变为低电平，由于负载为空载(电流为零)，所以I+和I-信号一直为高电平，触发器U9和U10的输出立刻被复位为低电平，Drive+和Drive-立刻变为低电平，MOS1和MOS2立刻关断。

图7为交流固态功率控制开关装置在短路故障时工作波形。

为了对实现快速的短路保护，在交流固态功率控制开关装置的设计中，采样负载电流的峰值，当检测到负载电流峰值大于设定阈值时，认为发生短路故障，短路检测电路的输出SHORT输出一个低电平。如图7中所示，t₉时刻检测到发生短路故障，SHORT信号为低电平，RS触发器U2锁存该故障状态标志，即SHORTED信号变为低电平并保持，直到外部复位命令到来；SHORTED信号为低电平时，则通过与门U11和U12使MOS1和MOS2的驱动Drive+和Drive-瞬时为低电平，使交流固态功率控制开关装置关断；t₁₀时刻外部开关命令CMD由高变低(关断命令)，内部短路故障标志清除(SHORTED由低变高)。

通过上述原理分析可以说明本发明所提供的交流固态功率开关控制方法和装置可以在半个电源周期内实现自然零电压开通和自然零电流关断，适用于不同性质的负载以及空载或轻载的情况，且与电源频率无关。

交流固态功率控制开关装置的过流保护特性一般分为三段，如图8所示：当负载电流的过载倍数较低(低于X1倍或者不过载)时，交流固态功率控制开关装置不保护，X1称为起始保护倍数；当负载电流的过载倍数大于X1倍但小于X2倍时，交流固态功率控制开关装置按照能反映线路过热状态的反时限保护特性进行延时跳闸保护；当负载电流的过载倍数大于X2倍时，则按照固定延时进行立即跳闸保护，X2称为立即跳闸保护倍数。

如图9所示，为图8所示过流保护特性的实现电路，其输入信号为有效值转换电路的输出Ui，输出信号为过流跳闸信号TRIP。过流保护电路由运算放大器A3、输出级为集电极开路的比较器Comp5和Comp6、电容C1、电阻R19、R20、R21、R22、R23、R24、R25、R26、R_EX3、R_EX4组成。有效值转换电路的输出信号Ui连于R19的一端和比较器Comp5、Comp6的负极性输入端，R19另一端连于运算放大器A3的负极性输入端，电容C1一端连于A3的负极性输入端，另一端连于A3的输出端，电阻R20的一端连于隔离电源模块的输出V_CC，另一端连于A3的正极性输入端，电阻R21的一端也连于A3的正极性输入端，电阻R21的另一端与电阻R22和R_EX3相连，电阻R22和R_EX3并联后另一端连于隔离电源模块参考地，A3的输出连于比较器Comp5的正极性输入端，电阻R23的一端连于隔离电源模块的输出V_CC，另一端连于Comp6的正极性输入端，电阻R24的一端也连于Comp6的正极性输入端，电阻R24的另一端与电阻R25和R_EX4相连，电阻R25和R_EX4并联后另一端连于隔离电源模块参考地，Comp5和Comp6的输出端通过上拉电阻R26连于隔离电源模块的输出V_CC，Comp5和Comp6的输出端(TRIP)作为过流保护电路的输出。

图9中A3、R19、C1构成积分电路；比较器Comp5和Comp6分别构成单门限比较器，它们的输出直接相连作为过流保护电路的输出；R20、R21、R22、R_EX3组成分压电路，运算放大器A3正极性输入端这点的分压值作为起始保护倍数X1对应的阀值电压；R23、R24、R25、R_EX4组成分压电路，比较器Comp6正极性输入端这点的分压值作为立即跳闸保护倍数X2对应的阀值电压。

图9中过流保护电路工作原理：当负载正常或者过流倍数小于起始保护倍数X1时，则运算放大器A3工作在比较器状态，运算放大器A3输出高电平，比较器Comp5和Comp6的输出TRIP高电平，表示过流保护电流不动作；当负载电流的过载倍数大于X1倍但小于X2倍时，由运算放大器A3和比较器Comp6构成的反时限保护曲线拟合电路根据过载倍数延时一个过流保护时间发出过流跳闸信号TRIP(TRIP信号变为低电平)；当负载电流的过载倍数大于X2倍时，比较器Comp6的输出TRIP变为低电平，组合逻辑电路接受到该低电平以后关断MOS1和MOS2从而完成过流保护。

由上分析可见，运算放大器A3正极性输入端的电位值决定了反时限保护的起始保护倍数X1，该点的电位值为V_START；比较器Comp6正极性输入端的电位值决定了反时限保护的立即跳闸保护倍数X2，该点的电位值为V_INSTANT。根据电路连接关系，V_START和V_INSTANT与电路元件参数有如下关系：

$V_{\mathrm{START}}=\frac{R20}{R20+R21+\frac{R_{\mathrm{EX}3}\×R22}{R_{\mathrm{EX}3}+R22}}$

$V_{\mathrm{INSTANT}}=\frac{R23}{R23+R24+\frac{R_{\mathrm{EX}4}\×R25}{R_{\mathrm{EX}4}+R25}}$

因此通过将R_EX3、R_EX4从内部电路引出到外部硬件可编程接口，改变电阻R_EX3、R_EX4的阻值即可实现过流保护曲线的起始保护倍数和立即跳闸保护倍数硬件可编程。

由此可见，本发明的交流固态功率开关的控制方法即是通过对功率主电路上的电源电压信号以及负载电流信号进行采样、判断、处理，得到交流电源的正、负半周信号、负载电流的正、负半周信号、过流跳闸信号以及短路故障信号，并与外部控制命令信号进行逻辑组合，实现在开通过程中对功率主电路中的功率开关元件的控制完全取决于电源电压信号，关断过程中对功率主电路中的功率开关元件的控制完全取决于负载电流信号，进而实现功率开关在半个电源周期内“自然零电压开通、自然零电流关断”。包括如下步骤：

(1)主电路部分设置上功率管MOS1、下功率管MOS2两只MOSFET功率管和一个用于检测负载电流的检测电阻，两只MOSFET功率管通过检测电阻反串连；

(2)当交流固态功率开关接收到开通命令时，首先判断此时交流电源电压处于正半周期还是负半周期：若交流电源电压处于正半周期，则立即开通下功率管MOS2，然后等待交流电源电压由正变负以后再开通上功率管MOS1；若交流电源电压处于负半周期，则立即开通功率管上功率管MOS1，然后等待交流电源电压由负变正以后开通下功率管MOS2；从而在半个周期内自然零电压开通交流固态功率开关；

(3)当交流固态功率开关接收到关断命令时或者由于过流故障而延时关断时，首先判断此时负载是否有电流以及负载电流处于正半周期还是负半周期：若负载无电流，则立刻关断两只MOSFET功率管；若负载电流处于正半周期，则立即关断下功率管MOS2，然后等待负载电流由正变负以后关断上功率管MOS1；若负载电流处于负半周期，则立即关断上功率管MOS1，然后等待负载电流由负变正以后关断下功率管MOS2；从而在半个周期内自然零电流关断交流固态功率开关；

(4)当交流固态功率开关检测到负载发生短路故障时，则立刻关断两个功率管，瞬时完成短路保护。

其中，过流跳闸信号的产生方法是：检测负载电流有效值，按照三段式过流保护曲线延时一个过流保护时间发出过流跳闸信号。延时一个过流保护时间是通过硬件可编程的过流保护曲线来实现，包括反时限过流保护曲线的起始保护点的硬件可编程和立即保护点的硬件可编程，即通过硬件可编程技术对反时限过流保护曲线的起始保护点基准电压V_START和立即跳闸点基准电压V_INSTANT进行调整，从而实现对过流保护时间的设定。而短路故障信号的产生方法是：检测负载电流峰值，如果负载电流峰值大于设定阀值，则认为发生短路故障，并立即产生一个短路故障信号。

Claims (7)

1.一种交流固态功率开关的控制方法，其特征在于，通过对功率主电路上的电源电压信号以及负载电流信号进行采样、判断、处理，得到交流电源的正、负半周信号、负载电流的正、负半周信号、过流跳闸信号以及短路故障信号，并与外部控制命令信号进行逻辑组合，实现在开通过程中对功率主电路中的功率开关元件的控制完全取决于电源电压信号，关断过程中对功率主电路中的功率开关元件的控制完全取决于负载电流信号，进而实现功率开关在半个电源周期内“自然零电压开通、自然零电流关断”。

2.如权利要求1所述的交流固态功率开关的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1） 主电路部分设置上功率管（MOS1）、下功率管（MOS2）两只MOSFET功率管和一个用于检测负载电流的检测电阻，两只MOSFET功率管通过检测电阻反串连；

（2） 当交流固态功率开关接收到开通命令时，首先判断此时交流电源电压处于正半周期还是负半周期：若交流电源电压处于正半周期，则立即开通下功率管（MOS2），然后等待交流电源电压由正变负以后再开通上功率管（MOS1）；若交流电源电压处于负半周期，则立即开通功率管上功率管（MOS1），然后等待交流电源电压由负变正以后开通下功率管（MOS2）；从而在半个周期内自然零电压开通交流固态功率开关；

（3） 当交流固态功率开关接收到关断命令时或者由于过流故障而延时关断时，首先判断此时负载是否有电流以及负载电流处于正半周期还是负半周期：若负载无电流，则立刻关断两只MOSFET功率管；若负载电流处于正半周期，则立即关断下功率管（MOS2），然后等待负载电流由正变负以后关断上功率管（MOS1）；若负载电流处于负半周期，则立即关断上功率管（MOS1），然后等待负载电流由负变正以后关断下功率管（MOS2）；从而在半个周期内自然零电流关断交流固态功率开关；

（4） 当交流固态功率开关检测到负载发生短路故障时，则立刻关断两个功率管，瞬时完成短路保护。

3.如权利要求1或2所述的交流固态功率开关的控制方法，其特征在于所述过流跳闸信号的产生方法是：检测负载电流有效值，按照三段式过流保护曲线延时一个过流保护时间发出过流跳闸信号。

4.如权利要求3所述的交流固态功率开关的控制方法，其特征在于所述延时一个过流保护时间是通过硬件可编程的过流保护曲线来实现，包括反时限过流保护曲线的起始保护点的硬件可编程和立即保护点的硬件可编程，即通过硬件可编程技术对反时限过流保护曲线的起始保护点基准电压和立即跳闸点基准电压进行调整，从而实现对过流保护时间的设定。

5.如权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于所述短路故障信号的产生方法是：检测负载电流峰值，如果负载电流峰值大于设定阀值，则认为发生短路故障，并立即产生一个短路故障信号。

6.一种交流固态功率控制开关装置，其特征在于，所述交流固态功率控制开关装置包括：

主功率电路，包括上功率管（MOS1）、下功率管（MOS2）两只MOSFET功率管和一个用于检测负载电流的检测电阻，两只MOSFET功率管通过检测电阻反串连；上功率管（MOS1）的源极作为隔离电源模块的参考地，漏极连接功率输入端（Power_in），接外部交流电源，下功率管（MOS2）的漏极作为功率输出端（Power_out）连接交流负载的一端，交流负载的另一端连接功率地；

电源电压检测电路，连接在交流固态功率开关的功率输入端（Power_in），对电源电压进行采样；

电压正负半周判断电路，连接在电源电压检测电路的输出端，根据电源电压检测电路输出的电压采样信号得到电源电压的正、负半周信号（U+、 U-），并输出到逻辑组合电路；

负载电流检测电路，连接在功率主电路的检测电阻上，对负载电流进行采样；

电流正负半周判断电路，连接在负载电流检测电路的输出端，根据负载电流检测电路输出的电流采样信号得到负载电流的正、负半周信号（I+、I-），并输出到逻辑组合电路；

有效值转换电路，连接于负载电流检测电路的输出端，其输出连接到过流保护电路、负载状态比较判断电路的输入端；

过流保护电路，连接在有效值转换电路的输出端，输出过流跳闸信号（TRIP）到逻辑组合电路；

峰值检测电路，连接于负载电流检测电路的输出端，其输出连接到短路检测电路；

短路检测电路，连接在峰值检测电路的输出端，当负载短路时，立即产生短路故障信号（SHORT），并输出到逻辑组合电路；

逻辑组合电路，将其他功能模块输入的电源电压的正、负半周信号（U+、 U-）、负载电流的正、负半周信号（I+、I-）、过流跳闸信号（TRIP）和短路故障信号（SHORT）以及经隔离电路发送的外部的开关控制命令信号（CMD0），进行逻辑综合处理，最终产生两路驱动信号（Drive+、Drive-），分别驱动两个MOSFET功率管（MOS1、MOS2）；

负载电压检测电路，连接在交流固态功率开关的功率输出端（Power_out），对负载电压进行采样；

负载状态比较判断电路，连接在负载电流检测电路的输出端，并输出负载状态比较判断信号（LOAD0）到隔离电路；

功率管状态比较判断电路，连接在负载电压检测电路的输出端，输出功率管状态比较判断信号（MOS0）到隔离电路；

隔离电路，作为控制命令信号、负载状态信号、功率管状态信号与上位机的输入输出接口，实现与上位机的状态交换：负载状态比较判断电路和功率管状态比较判断电路的输出信号、以及外部控制命令（CMD）连接到隔离电路，隔离电路输出负载状态信号（LOAD）和功率管状态信号（MOS）给上位机，并输出开关控制命令信号（CMD0）给逻辑组合电路；

隔离电源模块，将外部的偏置电源输入进行隔离变换，为交流固态功率控制开关装置内部的控制电路提供内部工作电源；

可编程接口，实现交流固态功率开关的电流定额硬件可编程、过流保护曲线的起始保护倍数和立即跳闸保护倍数硬件可编程。

7.如权利要求6所述的交流固态功率控制开关装置，其特征在于，所述逻辑组合电路由四个RS触发器（U1、U2、U9、U10）、一个三输入与门（U3）、四个两输入与非门（U4、U5、U6、U7）、两个两输入与门（U11、U12）和一个非门（U8）组成，过流跳闸信号（TRIP）连于第一RS触发器（U1）的复位端（R），短路故障信号（SHORT）连于第二RS触发器（U2）的复位端（R），经隔离电路传送的开关控制命令信号（CMD0）分别连于第一、第二RS触发器（U1、U2）的置位端（S），开关控制命令信号（CMD0）、第一RS触发器（U1）和第二RS触发器（U2）的输出Q端（TRIPPED、SHORTED）分别连接到三输入与门（U3）的三个输入端，三输入与门（U3）的输出端（CMD1）分别连接到第一、第二与非门（U4、U5）的一个输入端，三输入与门（U3）的输出端（CMD1）同时连到非门（U8）的输入端，非门（U8）的输出端分别连到第三、第四与非门（U6、U7）的一个输入端，电源电压正半周信号（U+）连接到第二与非门（U5）的另一个输入端，电源电压负半周信号（U-）连接到第一与非门（U4）的另一个输入端，负载电流负半周信号（I-）连于第四与非门（U7）的另一个输入端，负载电流正半周信号（I+）连于第三与非门（U6）的另一个输入端，第一、第二与非门（U4、U5）的输出端分别连接第三、第四RS触发器（U9、U10）的置位端（S），第四、第三与非门（U7、U6）的输出端分别连于第三、第四RS触发器（U9、U10）的复位端（R），第三、第四RS触发器（U9、U10）的输出Q端（Q1 、Q2）分别连接到第二、第一双输入与门（U12、U11）的一个输入端，第二RS触发器（U2）的输出Q端（SHORTED）分别连接到第一、第二双输入与门（U11、U12）的另一个输入端，两个双输入与门（U11、U12）的输出端分别输出两个功率管的驱动信号（Drive-、 Drive+）。

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