CN103166168B

CN103166168B - 一种高压直流固态功率控制器

Info

Publication number: CN103166168B
Application number: CN201110425858.9A
Authority: CN
Inventors: 张志林
Original assignee: Shanghai Aviation Electric Co Ltd
Current assignee: Shanghai Aviation Electric Co Ltd
Priority date: 2011-12-19
Filing date: 2011-12-19
Publication date: 2016-11-02
Anticipated expiration: 2031-12-19
Also published as: CN103166168A

Abstract

本发明公开了一种高压直流固态功率控制器控制及保护技术，应用于机电控制系统和飞机二次配电系统；该固态功率控制器采用硬线进行开关控制，通过通讯总线查询和控制直流负载的运行状态。具备容性负载与短路判断功能；输出端带有续流二极管及安全保护电路，使固态功率控制器具有很强的容性和感性负载带载能力，关断时输出电压在安全电压以下。270V高压直流固态功率控制器采用一只增强型金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET构成其功率开关，具有开关时间短、无触点、无干扰、功耗小、可靠性高、寿命长等优点。

Description

一种高压直流固态功率控制器

技术领域

本发明是一种270V高压直流固态功率控制器，它可用于机电控制系统和飞机二次配电系统。

背景技术

高压直流电源系统重量轻效率高，容易实现不中断供电和余度供电，提高了系统的可靠性、可维修性，降低了系统重量，提高了供电质量，更能适应电力传动系统等高技术用电设备的用电要求，便于向多电、全电飞机过渡，而且通过变换器可获得低压直流电和400Hz恒频交流电，满足各种用电设备需要，因此，270V高压直流电源是各国飞机电源今后发展的一个重要方向。

在高压直流电源系统的发展中，存在两个关键问题：有刷电机的高空换向问题及触点电器的高空断弧问题。这些问题严重制约了系统的发展。随着电力电子技术及其相关技术的发展，用无刷直流电机代替有刷直流电机，用无触点固态电器代替有触点电器，为高压直流电源系统的实际应用打下了基础。

发明内容

本发明的目的在于提供一种270V高压直流固态功率控制器，能够解决上述问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案实现如下：一种高压直流固态功率控制器，包括MOSFET管，该MOSFET管的漏极与电压输入端连接，该MOSFET管的源极通过采样电阻与电压输出端连接，其特征在于该MOSFET管的栅极通过MOS管驱动电路与逻辑单元的控制信号输出端连接，该MOSFET管的源极和漏极之间连接有电流限制模块，该电流限制模块的控制端与逻辑单元的电流限制信号端连接，该采样电阻的两端均与短路检测模块和电流采样电路输入端连接，短路检测模块的输出端与逻辑单元的短路检测端连接，电流采样电路的输出端与微处理器连接，电压输出端与电压采样电路的输入端连接，电压采样电路的输出端也与微处理器连接，微处理器与逻辑单元之间通过离散状态线连接，逻辑单元和微处理器均通过隔离接口电路与外部信号端连接。所述隔离接口电路包括第一隔离接口电路和第二隔离接口电路，第一隔离接口电路的第一输入端与外部开关命令端连接，第一隔离接口电路的第二输入端与逻辑单元的故障信号端连接，第一隔离接口电路的第一输出端与逻辑单元和微处理器的开关信号端连接，第一隔离接口电路的第二输出端与外部状态信号端连接，第二隔离接口电路的一端与微处理器连接，另一端与外部通讯总线连接。该MOSFET管的源极与瞬态电压抑制二极管的阴极连接，该MOSFET管的漏极与瞬态电压抑制二极管的阳极连接。直流固态功率控制器的电压输出端并联有一反向连接的续流二极管以及一安全保护电路，该安全保护电路的输入端与MOS管驱动电路的输出端连接。

开关命令经过隔离接口电路后产生直流固态功率控制器的开关信号CMD，同时连接到逻辑单元与微处理器。CMD经过逻辑单元后产生MOSFET的控制信号X_DC，经过MOS管驱动电路后形成MOSFET的驱动电压DRV，控制MOSFET的接通与断开。微处理器通过电流、电压采样电路的获得直流负载的电流、电压信息，根据I²T保护算法对直流负载进行过载保护。270V直流固态功率控制器通过隔离的通讯总线将直流负载的电流、电压、离散状态等信息周期上报给上位机。

270V直流功率电源接在MOSFET的漏极，MOSFET的源极与采样电阻的一端相连。采样电阻的另一端作为固态功率控制器的输出端。在固态功率控制器的输出端与270V功率地之间接有直流负载、一只反向连接的二极管以及安全保护电路。反向连接的二极管即续流二极管，用于270V直流固态功率控制器带感性负载关断时，构成感性负载的续流回路。安全保护电路确保在270V直流固态功率控制器在关断时，其输出端的电压在安全电压以内。

在MOSFET的漏源极之间接有电流限制电路，当直流负载上电流超过短路阀值时，短路检测电路会产生低电平信号，经逻辑单元后产生电流限制信号接通电流限制电路，同时断开MOSFET。在经过一段时间延时后，若直流负载上电流还超过预定短路阀值，则逻辑单元产生短路保护信号并关断MOSFET，否则关断电流限制电路，MOSFET继续开通。调节延时时间可以调整270V直流固态功率控制器的容性带载能力。

本发明所述的直流固态功率控制器的优点在于：

a）270V直流固态功率控制器通过通讯总线与上位机进行数据交换。采用离散信号控制和反馈直流负载的运行状态。确保通讯总线通道失效时，上位机也能实现对直流负载的控制。270V直流固态功率控制器接收来自通讯总线的查询、控制命令，通过通讯总线将直流负载的运行状态信息周期上报至上位机。按照离散开关命令线接通或断开其控制的直流负载，并对直流负载的运行状态进行采集和分析，在满足保护条件时，对负载进行保护。

b）270V直流固态功率控制器通过逻辑单元中的控制逻辑实现容性负载与短路状态的判别，控制电流限制回路的接通与断开。满足了270V直流固态功率控制器的大容性负载的接通要求和短路保护的需求。

c）270V直流固态功率控制器采用增强型金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET作为固态功率开关，其具有开关时间短、无触点、功耗小、可靠性高、寿命长的优点。通过瞬态电压抑制二极管保护MOSFET开关管不被线路浪涌尖峰电压击穿。在负载为感性负载时，续流二极管起抑制尖峰电压、续流保护作用。

d）270V直流固态功率控制器包括安全保护电路，通过检测MOSFET的驱动电压，对270V直流固态功率控制器的输出电压进行控制，确保在270V直流固态功率控制器关断时，其输出端电压在安全电压以下。

附图说明

图1是本发明的270V直流固态功率控制器实施例整体功能框图。

图2是本发明的270V直流固态功率控制器实施例逻辑单元功能框图。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，为本发明的270V直流固态功率控制器实施例整体功能框图。该直流固态功率控制器，包括MOSFET管23，该MOSFET管23的漏极与电压输入端22连接，该MOSFET管23的源极通过采样电阻25与电压输出端26连接，其特征在于该MOSFET管23的栅极通过MOS管驱动电路18与逻辑单元11的控制信号输出端连接，该MOSFET管23的源极和漏极之间连接有电流限制模块30，该电流限制模块30的控制端与逻辑单元11的电流限制信号端16连接，该采样电阻25的两端均与短路检测模块15和电流采样电路19的输入端连接，短路检测模块15的输出端与逻辑单元11的短路检测端13连接，电流采样电路19的输出端与微处理器（单片机）14连接，电压输出端V_OUT与电压采样电路20的输入端连接，电压采样电路20的输出端也与微处理器14连接，微处理器14与逻辑单元11之间通过离散状态线12连接，逻辑单元11和微处理器14均通过隔离接口电路与外部信号端连接。所述隔离接口电路包括第一隔离接口电路7和第二隔离接口电路，第一隔离接口电路7的第一输入端与外部开关命令端3连接，第一隔离接口电路7的第二输入端与逻辑单元11的故障信号端连接，第一隔离接口电路7的第一输出端与逻辑单元11和微处理器14的开关信号端连接，第一隔离接口电路7的第二输出端与外部状态信号端2连接，第二隔离接口电路的一端与微处理器14连接，另一端与外部通讯总线4连接。该MOSFET管23的源极与瞬态电压抑制二极管24的阴极连接，该MOSFET管23的漏极与瞬态电压抑制二极管24的阳极连接。直流固态功率控制器的电压输出端V_OUT并联有一反向连接的续流二极管27以及一安全保护电路21，该安全保护电路的输入端与MOS管驱动电路的输出端连接。

外部电源1经隔离电源5后产生MOSFET的驱动电源8和LDO（稳压器）9的输入电源，LDO的输出端10给270V直流固态功率控制器内部控制电路供电。外部开关命令端3信号经过隔离接口电路7后产生直流固态功率控制器的开关信号CMD，同时连接到逻辑单元11与微处理器14。CMD经过逻辑单元11后产生MOSFET管23的控制信号X_DC，经过MOS管驱动电路18后形成MOSFET管23的驱动电压DRV，控制MOSFET管23的接通与断开。微处理器14通过电流采样电路19、电压采样电路20的获得直流负载28的电流、电压信息，根据I²T保护算法对直流负载28进行过载保护。270V直流固态功率控制器通过隔离的通讯总线4将直流负载28的电流、电压、离散状态等信息周期上报给上位机。逻辑单元11综合270V直流固态功率控制器的过载、短路状态后，输出故障信号X_ST通过隔离接口电路7输出270V直流固态功率控制器的状态信号2。

270V直流功率电源通过电压输入端V_IN接在MOSFET管23的漏极，MOSFET管23的源极与采样电阻25的一端相连，采样电阻25的另一端作为固态功率控制器的输出端V_OUT。在固态功率控制器的输出端V_OUT与270V功率地之间接有直流负载28、一只反向连接的二极管27以及安全保护电路21。反向连接的二极管27即续流二极管，用于270V直流固态功率控制器带感性负载关断时，构成感性负载的续流回路。安全保护电路21确保在270V直流固态功率控制器在关断时，其输出端V_OUT的电压在安全电压以内。

在MOSFET管23的漏源极之间接有电流限制电路30，当直流负载上电流超过短路阀值时，短路检测电路15会产生低电平信号X_DL，经逻辑单元11进行容性负载或短路判别。若负载为大容性负载，则产生电流限制信号I_XZ接通电流限制电路30，同时断开MOSFET管23；若负载短路，则产生短路信号X_SD通过离散状态线12传送给微处理器14进行状态组合，并通过控制信号X_DC关断MOSFET管23。

在本实施例中，270V直流固态功率控制器通过通讯总线4与上位机进行数据交换。采用离散开关命令控制270V直流固态功率控制器中固态功率开关MOSFET管23的开通与断开。用外部状态信号端2反馈270V直流固态功率控制器的过载和短路故障状态。直流负载28的电流、电压、运行状态等信息通过通讯总线4周期上报给上位机。从而确保当通讯总线4通道失效时，上位机也能实现对直流负载28的控制与保护。

270V直流固态功率控制器通过电流采样电路19、电压采样电路20、的对直流负载28的运行状态进行采集和分析，在满足保护条件时，进行短路保护或按照可编程的I²T保护曲线对直流负载28进行过载保护。270V直流固态功率控制器的额定电流和I²T保护曲线可以通过通讯总线4的控制命令进行修改。

270V直流固态功率控制器采用增强型金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET管23作为固态功率开关，其具有开关时间短、无触点、功耗小、可靠性高、寿命长的优点。通过瞬态电压抑制二极管24保护MOSFET管23不被线路浪涌尖峰电压击穿。在负载为感性负载时，续流二极管起抑制尖峰电压、续流保护作用。

270V直流固态功率控制器包括安全保护电路21，通过检测MOSFET管23的驱动电压DRV，对270V直流固态功率控制器的输出端V_OUT的电压进行控制。当MOSFET管23有驱动电压DRV时，安全保护电路21中开关处于断开状态，此时270V直流固态功率控制器处于正常开通状态。当MOSFET管23无驱动电压DRV时，安全保护电路21中的开关处于接通状态，从而将270V直流固态功率控制器输出端V_OUT的电压降至安全电压以下。

图2所示为本实施例逻辑单元功能框图。逻辑单元11设有开关信号端31、过载信号端32、短路检测端13、控制信号输出端17、故障信号端40、短路信号端38、电流限制信号端16，该逻辑单元11包括延时及信号锁存单元39，该延时及信号锁存单元39的输入端与短路检测端13连接，该延时及信号锁存单元39的第一输出端连接该逻辑单元的电流限制信号端16，该延时及信号锁存单元39的第二输出端与短路信号端38连接，短路信号端38通过离散状态线12传送给微处理器14，该延时及信号锁存单元39的第二输出端还与或门37的第一输入端连接，或门37的第二输入端与过载信号端32连接（并通过离散状态线12与微处理器14连接），或门37的输出端与故障信号端40连接，开关信号端31与第一与门34的第一输入端连接，过载信号端32通过非门33与第一与门34的第二输入端连接，第一与门34的输出端与第二与门35的第一输入端连接，该延时及信号锁存单元39的第二输出端还通过非门36与第二与门35的第二输入端连接，该第二与门35的输出端与该逻辑单元的控制信号输出端17连接。微处理器14通过I²T过载保护算法产生的过载信号32经过非门33与的控制命令CMD通过第一与门34进行与运算；短路信号X_SD经过非门36进行取反运算。将以上两个运算结果经过第二与门35得到MOSFET的控制信号X_DC，控制270V直流固态功率控制器的接通与断开。过载信号32与短路信号X_SD经过或门3进行或运算输出故障信号X_ST，用于上报270V直流固态功率控制器的故障状态。

延时及信号锁存单元39用于实现容性负载与短路状态的判别，当直流负载28上电流超过短路阀值时，短路检测电路15的输出信号X_DL经过延时及信号锁存单元39后，首先输出电流限制信号I_XZ接通电流限制电路30，同时断开MOSFET管23；经过延时及信号锁存单元39中延时逻辑产生的延时时间后，若直流负载28上电流还超过预定短路阀值，则逻辑单元11产生短路保护信号X_SD并关断MOSFET管23进行短路保护，否则关断电流限制电路30，MOSFET管23继续开通。调节延时时间可以调整270V直流固态功率控制器的容性带载能力。

本发明所涉及各个电路模块均为现有技术，在此不再赘述。

Claims

1.一种高压直流固态功率控制器，包括MOSFET管，该MOSFET管的漏极与电压输入端连接，该MOSFET管的源极通过采样电阻与电压输出端连接，其特征在于该MOSFET管的栅极通过MOS管驱动电路与逻辑单元的控制信号输出端连接，该MOSFET管的源极和漏极之间连接有电流限制模块，该电流限制模块的控制端与逻辑单元的电流限制信号端连接，该采样电阻的两端均与短路检测模块和电流采样电路输入端连接，短路检测模块的输出端与逻辑单元的短路检测端连接，电流采样电路的输出端与微处理器连接，电压输出端与电压采样电路的输入端连接，电压采样电路的输出端也与微处理器连接，微处理器与逻辑单元之间通过离散状态线连接，逻辑单元和微处理器均通过隔离接口电路与外部信号端连接；又，所述隔离接口电路包括第一隔离接口电路和第二隔离接口电路，第一隔离接口电路的第一输入端与外部开关命令端连接，第一隔离接口电路的第二输入端与逻辑单元的故障信号端连接，第一隔离接口电路的第一输出端与逻辑单元和微处理器的开关信号端连接，第一隔离接口电路的第二输出端与外部状态信号端连接，第二隔离接口电路的一端与微处理器连接，另一端与外部通讯总线连接；再又，该MOSFET管的源极与瞬态电压抑制二极管的阴极连接，该MOSFET管的漏极与瞬态电压抑制二极管的阳极连接；另又，直流固态功率控制器的电压输出端并联有一反向连接的续流二极管以及一安全保护电路，该安全保护电路的输入端与MOS管驱动电路的输出端连接。