CN1039130A - 固态电功率控制器 - Google Patents

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Abstract

固态电功率控制器有连接在一对输出端子间的晶体管。到晶体管基极电流是驱动电路提供的，它包括一对串联连接的二极管给出偏置以补偿驱动电路及输出晶体管基极电压降。检测出负荷电流和直流偏置电流加到二极管对上，该电流是正比于负荷电流。对于双向运转第二输出晶体管串联连接到第一输出晶体管和一对反向串联连接的二极管连接在一电支路中，在输出晶体管和所述二极管电支路之间的结点连接在一起以提供双向负荷电流流动。

Description

本发明涉及电开关器件，更特别涉及用于直流电路中的固态电功率控制器。
用于新型航空和空间电源系统的相对高电压的直流电源系统正被研制着。这些系统对固态电功率控制器提出一些复杂的要求，该固态电功率控制器将用于控制和保护负荷和负载的总线，超出由目前的人工配电装置，即可以是固态的或电子机械的方法提供的。这些电功率控制器必须给出低的功率消耗和低的开关电压降并能快速，精确的电流限制。对于某些电流的方向的使用经受着不能予料的次数的变化，负荷和电源电流要求双向控制。
本发明企图给出具有低电压降和快速响应时间的有效和可靠的固态电功率控制器。根据本发明构成的固态电功率控制器，它包含具有连接在一对输出端间的第一个晶体管的输出电路段。晶体管的控制器连接到两个二极管串联电路的一端上，该二极管形成晶体管驱动电路的一部分。连接偏置电流电源以供给直流偏置电流到二极管电支路，以及驱动电路也包括一为将二极管电支路连接到晶体管基极的装置。
在本发明的其他的实施例中，该实施例应用于双向电功率系统中，电路级的输出包括一与第一个晶体管相串联的第二晶体管和反向串联的电支路中的第二对二极管，该电支路是与两个输出晶体管并联连接的，晶体管之间的共用连接点连接到第二对二极管间的共用连接点上。
在上面的单极性和双向电路两种情况下，输出段的电流可读出且直流偏置电流可以调节到成比于输出段电流，当要求有电流限制工况时这提供快速响应时间。
从下面的最佳实施例的描述只通过所示例子本发明将更明显，在所示图中：
图1是与本发明一个实施例相一致所构成的固态电功率控制器的示意图。
图2是图1中电路的微分加法放大器的示意图。
图3是本发明的另一种实施例的示意图。
参看图示，图1是一固态电功率控制器的示意图，是用于单极性系统，其结构是与本发明的一个实施例相一致的。电路包含一电路输出级，它包括具有基极和收集极和发射极间的主电导线路的晶体管Q1。晶体管Q1的收集极连结到输出端子10而晶体管Q1的发射极连接到输出端子12，驱动电路14包括在电支路中的一对串联连接的二极管D1和D2，该电支路具有连接到晶体管Q1的收集极的一个第一尾端。偏置电流电源16对导体18和20提供直流偏移电流以提高通过串联连接二极管D1和D2的驱动电路电压，偏置电流电源16包括一个微分加法放大器22和一个直流到直流的交换器24。
复合晶体管连接的晶体管Q2和Q3作为一装置用于开启通过二极管D1和D2的电压经由二极管D3到晶体管Q1的基极。二极管D4作为控制二极管将来自晶体管Q3的收集极的电流引向Q1的发射极，驱动控制电路26，它是根据已知技术构成的但不形成本发明的部分，对晶体管Q3的基极提供一成比例的驱动信号以起始晶体管Q1的引流。
在运转中，当晶体管Q1工作时，来自外部直流电源28的电流流到外部负载30，电阻分流Rs′是与负荷串联连接，它在导线32和34上产生一信号;该信号是成立于电功率控制器里输出级中的电流。该电流信号又返回到驱动控制电路而且也传送到微分加法放大器中，该放大器在导线36和38上产生直流电压信号。这个直流电压信号正比于电功率控制器的输出级的电流。直流对直流的转换器24，它是与已有技术相一致所建造的，把在导线36和38上的直流电压信号转换成在导线18和20上的适当的水平以用于适当的电路运转。
输出晶体管Q1是功率元件，它控制着连接或移去负荷或控制功率电源。驱动电路14是一功率放大器，它连接着驱动控制电路26和输出级。它包括串联连接的二极管D1和D2，它们是作为补偿电路的输出电压，该补偿电路是由直流偏置电源电路16提供一偏置电流Ⅰb。直流偏置电流Ⅰb可以是固定值或可以是取决于以下要讨论的负载电流。偏置电源电路为二极管D1和D2提供一正向偏置电流。D1和D2对晶体管Q必须足以提供足够的基极驱动电流。
提供基极电流的一种技术是用于在决定额定电流时基极电流的需求及每逢晶体管输出段正进行导电时提供一个不变的电流量。以上途径的不利点是在驱动电路中引起不必要的损失，因为对于大多数应用，负荷电流将低于额定电流。本发明使用一种改进的途径，在此，提供的电源偏置电流是正比于负荷电流流动量的要求。为实现这一途径，一个简单的，开式回路控制电路加到控制偏置电流电源上。图中所显示的微分加法放大器22被设计成具有输出电压特征为Vout＝K1+K2（1），其中Vout是在导线36和38上的直流输出电压，以及Ⅰ是通过电阻分流器Rs的负载电流。
本操作特征提供一不依赖于负载电流Ⅰ的输出电压K1以克服偏置电路的非线性以及在无负荷时提供一小的偏置电流，而当负荷电流增加时具有正比于增加的偏置电流，该技术可典型化地允许在无负荷时驱动电路消耗约为满负荷时的10%，相当好地提高驱动电路的效率。
图2的电路中，K1是等于二极管CR1的齐纳（Zener）电压乘以R3/R5的比值。类似地，量K2（t）是等于Vin（R5/R1）。
利用图2中的电路，有可能降低电路作用，从而提高可靠性和降低部件失效率。除此，限制驱动电流进而有助于限制故障电流以及改善故障响应时间。
图3是与本发明相一致的另一种实施例所构成的双向电功率控制器的示意图。在图3的功率控制器中，输出电路段40包括晶体管Q5和Q6。它们是串联连接在含有连结点42的第一电支路中。一对反向串联连结的二极管D5和D6是连接在具有结点44的第二电支路中，第一和第二电支路是相互并联连结在输出端子46和48之间，以及第一和第二电支路的连结点通过电阻分流器Rs′连接在一起。输出电路段40提供在物件50和52之间的双向电流流动。在运转时，物件50和52可以相互作为电源或负荷。例如，如果物件50是一个电池，它可作为电源的作用而补充给电动机械52作为马达工作。反之，当电动机械52作为发电机工作时，它可以起到电源作用而再充电池50。
驱动电路54包括复合连结的PNP的功率晶体管Q7和Q8，它们可以示作为单一器件，但实际上是多个并联连结的晶体管。晶体管Q5、Q6、Q7和Q8一起组成一个附加的直接耦合的放大电路。如果电流从端子46流到端子48，则晶体管Q6、Q7和Q8将被导通;同样，如果电流从端子48流到端子46，则晶体管Q5、Q7和Q8将导通。整流器D1，D2，D3和D4提供基极电流及控制电流给无论何种晶体管，Q5或Q6的输出，所载有的电流是由负载电流流动的极性来决定的，这四个整流管的使用避免利用具有复杂性和性能衰退的两个双联式PNP驱动电路，如图1所讨论的情况，当联合偏置电流电源电路16运转时，二极管D5和D6对于驱动电路给出增加了的工作电势。由于战略上布设一阻抗分流器，可发出单极性电流指示信号，因此，允许偏置电源电路16对于本发明的单的和双向的实施例都起作用。对于附加的PNP-NPN晶体管电路，诸如Q6和Q8，NPN（Q6）的导电电压降将至少等于PNP（Q3）的Vce和NPN（Q6）Vbe电压降的总和。这排除了晶体管Q6在低电压降，饱和模式下工作。由于在Q6的收集极和Q3的发射极间，加上了两个偏置整流管Q5和D6，Q3在Q6的收集极之上偏置约1.5V直流电压，这是更加适合于补偿Q6导电电压降的不希望的电压成分的。因此，晶体管Q6能在饱和导电模式下工作，在可用的NPN晶体管电流增益超过10时，由于偏置整流管所附加的电功率消耗的量是大大地小于在Q6晶体管中所节省的电功率消耗，因此净功率减少约为Q6收集极电流的每安培1.5瓦。这是最重要的，因为100安培或更多的估计常常在电流设计上使用着。图3的驱动电路也有有利处，它帮助在过负荷或缺少负荷情况下对于晶体管Q5和Q6限制可用的基极电流从而限制峰值失败电流和改进响应时间。
与图3相一致的额定电流为150安培和直流电压为150-200伏的电路已被构成，而且获得了在150安培时开关电压降小于2伏直流。在控制器中有效的电路设计使得最低的损失可到1%负荷时为约15瓦，增加到100%负荷时为340瓦。短路通过电流（Let-hrough    Currents）可限制到小于200%的峰值超明量和50微秒的持续时间，因此限制了失败功率的流动。
通过提供正比于负荷电流的驱动偏置电流，本发明的电功率控制器给出提高了的效率和可靠性。在如图3所示的双向实施例中，当与先有的双向设计相比较，由于在驱动级中结合补偿偏置电流电功率开关电压降可弱少约33%。利用单驱动电路以驱动两个双向输出晶体管可使电路简单化，减少部部件和更加有效的单点电源级的控制。
虽然本发明的描述是籍助于目前相信是其最佳实施例进行的但很显然对于那些在技术上很熟练的人们可以做出各种变化而不离开本发明的范围。因此，在附加的权项要求中包括了这些变化。

Claims (7)

1、固态电功率控制器包括：包含有第一个晶体管(Q1)的输出电路级，该晶体管具有基极和在收集极和发射极间的第一主导电线路；用于电连接上述收集极到第一输出端子(10)的装置；以及用于电连结上述发射极到第二输出端子(12)的装置；其特征在于包括一对二极管(D1，D2)的驱动电路(14)相互串联连结在第一电支路中，上述第一电支路的第一端电连结到上述收集极；偏置电流电源(16)连结电源直流偏置电流到上述第一电支路；上述驱动电路进而包括用于把上述第一电支路的第二端连接到上述第一晶体管的上述基极的装置(Q2，D3)；用于产生在上述输出电路级中与负荷电流成比例的电流信号的装置(Rs)；以及上述偏置电流电源是对上述电流信号敏感，这样即上述直流偏置电流总成比例于上述电流信号。
2、如在权利要求1所说明的电功率控制器进一步的特征在于上述直流偏置电流有一个予选的最小值。
3、如在权利要求1中所说明的电功率控制器进一步的特征在于上述装置是用于产生一电流信号，它是与流在上述输出电路级中的负荷电流成比例的，该输出电路级包含一串联连接在上述第二输出端子和负荷之间的阻抗分流器。
4、如在权利要求1中所说明的电功率控制器进一怎特征在于上述偏置电流电源包括：连结着一个微分加法放大器（22）以接收上述电流信号;上述微分加法放大器产生一成比例于上述电流信号的直流电压信号;连接着一个直流对直流的变换器（24）以接收上述电压信号;以及上述直流对直流的变换器在上述第一电支知中产生上述直流偏置电流。
5、双向电功率控制器包括：含有第一和第二晶体管（Q5，Q6）的输出电路级（40），每一晶体管具有一基极和在收集极和发射极间的主导电线路，上述主导线路相互串联连结在第一电支路中，该电支路具有第一连接点（42）是处于上述晶体管之间;第一对二极管（D7，D8）是反向串联连结在第二电支路上，该电支路具有第二连结点（44）是处于上述二极管之间;上述第一和第二电支路是相互并联连结在一对输出端子（46，48）之间，其特征在于驱动电路（54）包括第二对二极管（D5、D6），是相互串联电连接在第三电支路中，上述第三电支路的一端是连结到上述第一连结点上;偏置电流电源（16）的连结供给直流偏置电流到上述第三电支路;上述驱动电路进一步包括用于把上述第三电支路的第二端连结到上述第一和第二晶体管的上述基极上;装置（R′s）是用于把上述第一和第二点一起连结起来并用于产生一个与流在上述输出电路级中的电流成比例的电流信号;以及上述偏置电流电源对上述电流信号是敏感，即上述直流偏置电流是与上述电流信号成比例的。
6、如权利要求5所述的双向电功率控制器，其进一步特征是上述直流偏置电流有一预选的最小值。
7、如权利要求5所述的双向电功率控制器，其进一步的特征在于上述偏置电流电流包含接收上述电流信号连接的微分加法放大器（22）;上述微分加法放大器产生与上述电流信号成比例的直流电压信号;直流对直流的变换器（24）的连接以接收上述直流电压信号;以及上述直流对直流的变换器可在上述第二电支路中产生上述直流偏置电流。
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