CN102638255A

CN102638255A - 一种实现交流电压过零开通和电流过零关断的软开关方法

Info

Publication number: CN102638255A
Application number: CN2012101279732A
Authority: CN
Inventors: 朱军
Original assignee: SHANGHAI ZUNRUI ELECTRONIC CO Ltd
Current assignee: SHANGHAI ZUNRUI ELECTRONIC CO Ltd
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2012-08-15

Abstract

本发明公开了一种实现交流电压过零开通和电流过零关断的软开关方法，其方法是在交流固态功率控制中，将两个导通电阻非常小的N沟道绝缘栅型场效应管作为固态功率开关，并以反串联组态连在一起，以模拟电路和数字逻辑组合电路运算出电压过零开通和电流过零关断逻辑，输出至N沟道绝缘栅型场效应管的驱动电路实现软开关，显著降低开关功率损耗，消除电磁干扰。

Description

一种实现交流电压过零开通和电流过零关断的软开关方法

技术领域

本发明涉及的是一种交流固态功率分配中的软开关控制技术，具体涉及的是一种在交流配电系统中，运用功率MOSFET实现电压过零开通和电流过零关断的软开关方法。

背景技术

传统交流配电系统中，采用触点式开关、机械式断路器串联在供电回路中实现电能分配。机械式触点部件经常动作形成机械磨损，影响开关的寿命。而且，在接通和关断负载回路的瞬间，由于电压和电流突变产生的电弧容易烧蚀触点，造成电磁干扰，增大通态电阻，使开关本身发热量增加，影响用电设备的供电可靠性，进而影响用电设备的任务可靠性。有效的办法是采用无触点的固态功率开关替代机械触点式配电开关，避免了触点动作，显著延长了工作寿命。目前较多使用晶闸管作为交流固态功率开关，虽然晶闸管开通快，可实现过零触发，但工作频率低、关断时间较长，特别是在回路电流很大的情况下，如短路状态下，仍需等到过零触发，流过晶闸管的电流持续时间过长，容易造成热损伤，另一方面，晶闸管的导通压降较大，自身散热要求高。

当前最先进的办法是采用以功率MOSFET为基础而集成设计的固态功率控制器来克服晶闸管的缺点。功率MOSFET是一种以栅源极间电压控制漏源极间电流的功率控制器件，其所需驱动功率小、开关速度快、导通电阻小且为正温度系数，易并联，可用作固态功率开关。随着功率MOSFET制造工艺快速发展，器件在满足通流量的情况下导通电阻可低至几毫欧，可显著降低导通压降和功率损耗。

尽管功率MOSFET在导通特性方面远胜于晶闸管，但没有能够直接过零触发功率MOSFET的控制芯片，其软开关技术实现方法较晶闸管复杂。另外，在电流过零关断时需结合回路电流状态决定是否直接关断，以免超出功率MOSFET的安全工作区域。

发明内容

本发明目的是在于提供一种交流固态功率分配中，显著降低导通压降和功率损耗，能够实现交流电压过零开通和电流过零关断的软开关方法，克服现有技术上存在的不足。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

一种实现交流电压过零开通和电流过零关断的软开关方法，其特征在于，在交流固态功率分配中，将两个导通电阻非常小的N沟道绝缘栅型场效应管作为固态功率开关，并以反串联组态连在一起，以模拟电路和数字逻辑组合电路运算出电压过零开通和电流过零关断逻辑，输出至N沟道绝缘栅型场效应管的驱动电路实现软开关；

所述模拟电路包括汇流条电压相位采集比较电路、负载回路电流相位采集比较电路和短路信号发生电路；汇流条电压相位采集比较电路实时比较出火线与零线间电压的极性，并且极性在电压相位过零前交替变化，正负极性间保持一定的间隙，确保两个N沟道绝缘栅型场效应管不会同时开通。

进一步的，所述N沟道绝缘栅型场效应管采用的是功率MOSFET，充分利用功率MOSFET内部的寄生二极管特性来判断交流信号的相位过零时机。

进一步的，上述模拟电路的负载回路形成电流后，电流相位比较采集电路就实时比较回路电流极性，

在负载回路电流形成之前，相位采集比较电路输出的信号是被屏蔽的，不影响正常开通。

并且极性在电流相位过零前交替变化，正负极性间保持一定的间隙，确保两个功率MOSFET不会同时关断。

进一步地，所述数字逻辑组合电路采集电压相位比较电路、电流相位比较电路和短路信号发生电路的输出结果，进行逻辑综合运算后产生两个有效的开通或关断信号。

进一步地，所述短路信号发生电路将回路瞬时电流与阀值比较，若超出阀值则立即产生短路信号指示立即关断功率开关。

进一步地，在两N沟道绝缘栅型场效应管之间还连接有电流采样电阻，并设其与一N沟道绝缘栅型场效应管的连接点为内部控制电路的参考地。

本发明本发明将两个导通电阻非常小的N沟道绝缘栅型场效应管作为固态功率开关，并反串联组态连在一起，以模拟电路和数字逻辑组合电路运算出电压过零开通和电流过零关断逻辑，输出至N沟道绝缘栅型场效应管的驱动电路实现软开关，从而能够实现交流电压过零开通和电流过零关断的软开关，显著降低导通压降和功率损耗。

附图说明

图1为本发明原理框图；

图2为本发明开通和关断过程的波形图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参见图1和图2，一种实现电压过零开通和电流过零关断的软开关方法，该交流固态功率分配中，将两个导通电阻非常小的N沟道绝缘栅型场效应管作为固态功率开关，并反串联组态连在一起，以模拟电路和数字逻辑组合电路运算出电压过零开通和电流过零关断逻辑，输出至N沟道绝缘栅型场效应管的驱动电路实现软开关。所述模拟电路包括汇流条电压相位采集比较电路、负载回路电流相位采集比较电路和短路信号发生电路。汇流条电压相位采集比较电路实时比较出火线与零线间电压的极性，并且极性在电压相位过零前交替变化，正负极性间保持一定的间隙，确保两个功率MOSFET不会同时开通；

在负载回路电流形成之前，相位采集比较电路输出的信号是被屏蔽的，不影响正常开通。一旦负载回路形成电流后，电流相位比较采集电路就实时比较回路电流极性，并且极性在电流相位过零前交替变化，正负极性间保持一定的间隙，确保两个功率MOSFET不会同时关断。短路信号发生电路将回路瞬时电流与阀值比较，若超出阀值则立即产生短路信号指示立即关断功率开关。

所述数字逻辑组合电路采集电压相位比较电路、电流相位比较电路和短路信号发生电路的输出结果，进行逻辑综合运算后产生两个有效的开通或关断信号。其具体电路如下：

本实施例中，N沟道绝缘栅型场效应管为功率MOSFET，软开关电路包含两个源极连在一起的功率MOSFET 2、5，设置在两个功率MOSFET 2、5之间的电流采样电阻3，电压过零信号采样电路，电流过零信号采样电路17、18，短路状态判别电路19，逻辑运算电路20～25，带清零输入端的D触发器26、27，以及驱动电路9、10；其之间的关系如图1所示。

该电压过零信号采样电路由三个运算放大器14、15、16相互连接组成，电流过零信号采样电路是由运算放大器17、18组成，两个功率MOSFET2、5源极连在一起作为固态开关，功率MOSFET2、5内部的寄生二极管正极连在一起，避免在关断状态下，交流回路单相半波导通。为了捕获回路电流相位过零点，在功率MOSFET2、5间增加电流采样电阻3，并设其与功率MOSFET5的连接点为内部控制电路的参考地。为确保功率MOSFET2、5能完全导通，降低发热量，采样电阻3的取值应尽量小，但太小又会影响采样精度，所以，本发明中取值为几十毫欧。

本发明采取反串联组态将两个功率MOSFET源极连在一起，栅极分别控制。将功率MOSFET源极连在一起能减少驱动隔离电路，充分利用功率MOSFET内部的寄生二极管特性来判断交流信号的相位过零时机。

值得一提的是，运算放大器14采集功率输入相线1和中线8之间的电压相位，由于运算放大器14的输入耐压达不到相电压值，本实例中采取电阻11、12、13分压后供运放14差分放大。放大结果输至运算放大器15、16进行比较，分别产生负向电压过零信号V_NZ和正向电压过零信号V_PZ。采样电阻3上形成的电流信号输入至运算放大器17、18进行比较，分别产生正向电流过零信号I_PZ和正向电压过零信号I_NZ。

V_PZ、I_PZ、I_NZ四个信号经逻辑运算电路20、21、22产生D触发器26的时钟信号CLK1，I_NZ取反后屏蔽在关断时V_PZ产生的上升沿触发信号，确保根据电流过零信号关断。V_NZ、I_PZ、I_NZ经逻辑运算电路23、24、25产生D触发器27的时钟信号CLK2，I_NZ取反后屏蔽在关断时V_NZ产生的上升沿触发信号。外部指令28在指令发出后CLK1的第一个上升沿锁存到D触发器26的Q1端，Q1端在其有效后CLK2的第一个上升沿锁存到Q2端，Q1端、Q2端信号分别输入到驱动电路9、10，控制功率开关即功率MOSFET2、52、5，实现外部指令的执行。

采样电阻3上形成的电压信号输入到运放19，判断是否短路，如果存在，立即将D触发器26、27的输出清零，驱动功率开关即功率MOSFET2、5立即关断。

本发明在有效的开通或关断信号分别输出到两个驱动电路驱动功率开关，驱动功率开关即MOSFET2、5并不同时动作，而是在半个周期内依次动作。

为详细说明，本发明现阐述阐述如下：

漏极接火线的功率MOSFET记为FET2，其驱动信号为Q2端；漏极接负载端的记为FET1，其驱动信号为Q1端。当火线电压比零线高时定义为正向电压，记为V_P；反之，当火线电压比零线电压低时定义为负向电压，记为V_N。同理，当回路电流由火线流经负载流向零线时定义为正向电流，记为I_P；反之，当电流由零线经负载流向火线时定义为负向电流，记为I_N。

上电开始，V_P和V_N，Q1端和Q2端均为无效状态，FET1和FET2处于关断状态，回路也不存在电流，I_P和I_N均为无效。Q1端是D触发器的输出，D触发器的数据输入端是外部控制指令，时钟信号CLK1是关于V_P、I_N和I_P的函数。Q2端是另一D触发器27的输出，该D触发器的数据输入端是Q1端，时钟信号CLK2是关于V_N、I_P和I_N的函数。

电压过零开通的过程是按如下过程实现的：

当外部开通信号输入到所述D触发的数据端口时，Q1端仍保持原无效状态，根据状态转换方程，只有当CLK1信号上升沿时刻，外部开通信号才被锁存到Q1端，从而驱动开通FET1，CLK1的上升沿由V_P的跳变决定。虽然FFT1已开通，但此时电压为正向，由于FET2还没有开通，加上其内部寄生二极管的反向截止作用，回路无法形成正向电流。此时，汇流条电压过零，电压反向，由于FET1已开通，回路电流通过FET2的寄生二极管导通，供电开关此时已自然地过零开通。Q1端已输入到所述另一触发器的数据端，只有等到CLK2信号上升沿时刻，外部开通信号才被锁存到Q2端，CLK2的上升沿由V_N的跳变决定，V_N的跳变时刻是当汇流条电压由正向变为负向的过零时刻。

当Q1端、Q2端转换为开通信号后，虽然CLK1、CLK2信号在不停地高低跳变，因为数据输入端一直没有改变，Q1端、Q2端也不会变化，这样两个功率开关导电沟道完全打开，实现电压过零开通。

由开通的过程可以看出，FET1、FET2是依次开通的，因为Q2端取决于Q1端，那么关断时FET1、FET2也需依次关断。当外部控制指令为断开时，电流过零关断的按如下过程实现：关断前一时刻，Q1端、Q2端都为开通状态，虽然断开信号已输入至D触发器的数据端，能不能锁存到Q1端还取决于CLK1的上升沿，上述V_P可以决定CLK1的上升沿，但关断信号的锁存时刻不能由V_P决定，而必须由I_P决定，才能实现电流过零关断，因而需要开通以后屏蔽V_P的作用。当CLK1信号的第一个上升沿到来时，断开信号就被锁存到Q1端，从而驱动FET1断开。

虽然FET1已断开，FET2仍处于开通状态，此时回路正向电流转换到FET1的寄生二极管，回路还没有真正关断。

当回路电流过零变为反向电流时，由于FET1的寄生二极管截止作用，I_P、I_N均为变无效状态，此时V_N对CLK2的决定作用被解锁，断开信号由于CLK2的上升沿锁存到Q2端，驱动FET2关断，这样，两个功率开关的导电沟道完全关断。整个关断过程中，有且只有I_P的跳变才能触发Q1端关断，关断后巧妙地利用寄生二极管的单向导通，让正向电流自然地过零，从而实现电流过零关断。

因为功率MOSFET存在安全工作区域，其雪崩能量是有限制的，所以在通过大电流，尤其是短路情况下，不能等到电流过零再关断，最大极限在几百微妙内关断，本发明提供的是立即关断的方法。当短路检测电路检测到短路信号后，输入到所述D触发器26和另一D触发器27的复位输入端，立即将Q1端、Q2端清零，实现立即关断。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种实现交流电压过零开通和电流过零关断的软开关方法，其特征在于，在交流固态功率分配中，将两个导通电阻非常小的N沟道绝缘栅型场效应管作为固态功率开关，并反串联组态连在一起，以模拟电路和数字逻辑组合电路运算出电压过零开通和电流过零关断逻辑，输出至N沟道绝缘栅型场效应管的驱动电路实现软开关；

2.根据权利要求1所述的软开关方法，其特征在于，所述N沟道绝缘栅型场效应管采用的是功率MOSFET，充分利用功率MOSFET内部的寄生二极管特性来判断交流信号的相位过零时机。

3.根据权利要求1所述的软开关方法，其特征在于，上述模拟电路的负载回路形成电流后，电流相位比较采集电路就实时比较回路电流极性，在负载回路电流形成之前，相位采集比较电路输出的信号是被屏蔽的，不影响正常开通；并且极性在电流相位过零前交替变化，正负极性间保持一定的间隙，确保两个功率MOSFET不会同时关断。

4.根据权利要求1所述的软开关方法，其特征在于，所述数字逻辑组合电路采集电压相位比较电路、电流相位比较电路和短路信号发生电路的输出结果，进行逻辑综合运算后产生两个有效的开通或关断信号。

5.根据权利要求1所述的软开关方法，其特征在于，所述短路信号发生电路将回路瞬时电流与阀值比较，若超出阀值则立即产生短路信号指示立即关断功率开关。

6.根据权利要求1所述的软开关方法，其特征在于，在两N沟道绝缘栅型场效应管之间还连接有电流采样电阻，并设其与一N沟道绝缘栅型场效应管的连接点为内部控制电路的参考地。