CN103916112A

CN103916112A - 具有限流功能的交流固态功率控制器控制方法及装置

Info

Publication number: CN103916112A
Application number: CN201410162049.7A
Authority: CN
Inventors: 王莉; 阮立刚; 叶家瑜
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2014-04-21
Filing date: 2014-04-21
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2034-04-21
Also published as: CN103916112B

Abstract

本发明公开一种具有限流功能的交流固态功率控制器控制方法及装置，通过对主支路第一、第二功率管和限流支路第三、第四功率管进行控制，正常起动负载时在半个电源周期内实现交流固态功率控制器的“自然零电压开通、自然零电流关断，启动大容量阻容性负载或具有大容量滤波电容的整流桥负载时，首先通过限流支路进行限流充电，然后再完全开通交流固态功率控制器；交流固态功率控制器发生短路故障时，首先关断主支路进行故障限流，然后再关断交流固态功率控制器。本发明不但实现半个电源周期内交流SSPC自然过零开关，而且具有大功率限流功能，提高了交流SSPC带容性负载和整流桥负载的能力，增强了交流SSPC短路保护的抗干扰能力。

Description

具有限流功能的交流固态功率控制器控制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种交流固态功率控制器的控制方法及装置，属于电力电子与电工技术领域。

背景技术

固态功率控制器(Solid State Power Controller, 简称SSPC)是以半导体功率管为核心、集继电器的开关转换功能和断路器的保护功能于一体的固态配电装置。SSPC具有无触点、无电弧、无噪声、响应快、电磁干扰小、寿命长、可靠性高、便于计算机远程控制等优点。

交流SSPC用于飞机、舰船交流电源系统或者民用配电网，实现交流功率电路的接通或断开，并完成电路故障保护和隔离。

交流SSPC的主功率电路一般采用两个功率MOSFET反串联。在交流SSPC控制方法方面，为了提高对负载的兼容性，降低SSPC开通容性负载或整流桥负载过程中的冲击电流、抑制SSPC关断过程中功率管两端的电压应力，通常采用“零电压开通、零电流关断”的控制策略。如在中国发明专利201010216988.7、CN101662275A和美国专利US7196436中均采用了上述的主电路和控制方法，其共同的不足之处是：

（1）不具有故障电流限流功能，电源系统电能质量受短路故障电流的影响较大；

（2）在开通大容量的容性负载或整流桥负载过程仅仅采取“零电压开通”的控制策略对冲击电流的抑制远远不够，因此带容性和整流桥负载能力较低；

（3）在负载短路故障过程中采取直接关断故障电流的控制策略，功率管电压应力较高;并且抗干扰能力差，在起动大容量的容性负载或整流桥负载过程容易产生误保护。

发明内容

本发明的首要目的是针对前述背景技术中的不足之处，提供一种交流固态功率控制器的限流控制方法，提高交流SSPC带大容量容性负载和整流桥负载的能力，降低交流SSPC短路故障关断时的电压应力，增强交流SSPC的抗干扰能力。

为了实现上述发明目的，本发明采取的具体技术方案是：

一种交流固态功率控制器的限流控制方法，交流固态功率控制器的功率主电路包含主支路和检测电阻，主支路由第一功率管和第二功率管反串联组成，其特征在于限流控制方法包括如下步骤：

（1）在交流固态功率控制器的功率主电路中设置限流支路，限流支路和主支路并联，该并联结构的一端作为交流固态功率控制器的功率输入端连接外部交流电源，另一端与检测电阻串联，作为交流固态功率控制器的功率输出端连接负载至功率地；限流支路由第三功率管、第四功率管和限流电阻组成，第三功率管和第四功率管反串联后与限流电阻串联；

（2）当交流固态功率控制器接收到开通命令时，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，则立即开通第二功率管，然后等待交流电源电压由正变负以后再开通第一功率管，并立刻开通第三和第四功率管；若接收到开通命令时交流电源电压处于负半周期，则立即开通第一功率管，然后等待交流电源电压由负变正以后再开通第二功率管，并立刻开通第三和第四功率管；从而完成在半个电源电压周期内自然零电压开通交流固态功率控制器；

（3）当交流固态功率控制器的负载为大容量阻容性负载或者具有较大滤波电容的整流桥负载时，则交流固态功率控制器在零电压开通过程完成后，第一、第二、第三、第四功率管均已导通，交流固态功率控制器的电流随着交流电压的增加而快速上升，当检测到交流固态功率控制器电流绝对值大于设定的限流阀值时，则立刻关断第一和第二功率管，并延时设定时间检测负载电压平均值；若此时负载电压平均值上升至设定的第三电压阀值，则检测负载电压平均值是否达到设定的第二电压阀值，若达到则重新开通第一和第二功率管；

（4）当交流固态功率控制器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，则立刻关断第一、第二、第三、第四功率管；若负载电流处于正半周期，则立即关断第二、第三、第四功率管，然后等待负载电流由正变负时自然过零关断，再关断第一功率管；若负载电流处于负半周期，则立即关断第一、第三、第四功率管，然后等待负载电流由负变正时自然过零关断，再关断第二功率管；从而在半个电源周期内自然零电流关断交流固态功率控制器；

（5）当交流固态功率控制器在启动或正常导通过程中发生短路故障时，则在检测到交流固态功率控制器电流绝对值大于设定的限流阀值时，立刻关断第一和第二功率管，并延时设定时间检测负载电压平均值；若此时负载电压平均值未能上升至设定的第三电压阀值，则认为发生短路故障，此时关断第三和第四功率管。

本发明的另一目的是提供相应的具有限流功能的交流固态功率控制器，该交流固态功率控制器包括主功率电路、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、过零开关和状态锁存电路、短路判断电路、功率管状态比较判断电路、负载状态比较判断电路、隔离电路和隔离电源模块，其特征在于：

主功率电路包括主支路、限流支路和检测电阻；主支路由第一功率管和第二功率管反串联组成；限流支路由第三功率管、第四功率管和限流电阻组成，第三功率管和第四功率管反串联后与限流电阻串联；主支路和限流支路并联，该并联结构的一端作为交流固态功率控制器的功率输入端连接外部交流电源；另一端与检测电阻串联，作为交流固态功率控制器的功率输出端连接负载至功率地；

交流固态功率控制器还包括：

负载电压平均值检测电路，包括负载电压检测电路、第三绝对值转换电路、平均值转换电路；负载电压检测电路检测功率输出端和功率地之间的电压，负载电压检测电路的输出连于第三绝对值转换电路，第三绝对值转换电路的输出连于平均值转换电路，平均值转换电路的输出分别连于短路判断电路和解除限流态判断电路；

进入限流态判断电路，包括第一绝对值转换电路、第九比较器、第一D触发器、第四与非门；负载电流检测电路的输出连于第一绝对值转换电路，第一绝对值转换电路的输出连于第九比较器的正极性输入端，第九比较器的负极性输入端连于第一电压阀值，第九比较器的输出连于第一D触发器的上升沿触发端，第一D触发器的D端接低电平，第四与非门的一个输入端连于隔离电路的输出，第四与非门的另一个输入端连于解除限流态判断电路的输出，第四与非门的输出连于第一D触发器的置位端；

解除限流态判断电路，包括功率输入输出电压差动检测电路、第二绝对值转换电路、第十比较器、第十一比较器、第一三输入或门；功率输入输出电压差动检测电路检测交流固态功率控制器的功率输入和功率输出的电压差，其输出连于第二绝对值转换电路，第二绝对值转换电路的输出连于第十比较器的正极性端，第十比较器的负极性端连于控制电路参考地，第十比较器的输出连于第一三输入或门的输入，进入限流态判断电路输出信号也连于第一三输入或门的输入，平均值转换电路的输出连于第十一比较器的负极性端，第十一比较器的正极性端连于第二电压阀值，第十一比较器的输出连于第一三输入或门的输入，第一三输入或门的输出连于第四与非门的输入；

驱动信号生成电路，包括第一与门，第二与门、第三与门和第一驱动隔离电路，第二驱动隔离电路和第三驱动隔离电路；进入限流态判断电路的输出和过零开关和状态锁存电路输出的第一功率管过零开关信号输入至第一与门，第一与门的输出连于第一驱动隔离电路，第一驱动隔离电路输出连于第一功率管栅极；进入限流态判断电路输出和过零开关和状态锁存电路输出的第二功率管过零开关信号输入至第二与门，第二与门的输出连于第二驱动隔离电路，第二驱动隔离电路输出连于第二功率管栅极；第一功率管过零开关信号和第二功率管过零开关信号输入至第三与门，第三与门的输出连于第三驱动隔离电路，第三驱动隔离电路的输出连于第三功率管和第四功率管的栅极。

本发明技术方案中的功率管可以是常规的Si MOSFET、Si JFET、Si IGBT，也可以是新型宽带半导体功率器件如SiC MOSFET、SiC IGBT、SiC JFET以及GaN 场效应管。

本发明中的逻辑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。

本发明技术方案相比传统技术方案的有益效果如下：

（1）在交流SSPC开通命令发出后，半个电源周期内交流SSPC自然零电压开通；在交流SSPC关断命令发出后，半个电源周期内交流SSPC自然零电流关断。

（2）具有大功率限流功能，抑制了交流SSPC带大电容负载和具有大滤波电容的整流桥负载时的冲击电流，提高了交流SSPC带容性负载和整流桥负载的能力，负载电容和整流桥的滤波电容的容量允许值大大增加，不会误判断为短路故障而跳闸；

（3）在负载端发生短路故障时，可以迅速将故障电流限制在较低水平，并切除短路故障，提高了电源系统的电能质量，降低了交流SSPC短路故障关断时的电压应力，增强了交流SSPC短路保护的可靠性及安全性。

本发明的技术方案可广泛应用于飞机、舰船交流电源系统或者民用交流配电网。

附图说明

图1 交流固态功率控制器装置的原理和功能模块框图。

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 交流固态功率控制器装置中过零开关和状态锁存电路原理图

图5 典型的精密绝对值转换电路

图6 负载电压平均值检测电路

图7 交流固态功率控制器装置在负载为阻性负载、阻感性负载或小容量的阻容性负载以及具有较小滤波电容的整流桥负载时，零电压开通、零电流关断波形图

图8 交流固态功率控制器装置在空载条件下零电压开通、零电流关断波形图

图9交流固态功率控制器装置在负载为具有大容量滤波电容的整流桥负载时，零电压开通过程、限流过程和零电流关断过程的波形图

图10 交流固态功率控制器装置起动过程或者在正常导通过程中发生在短路故障并保护关断的波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的关键技术方案做详细说明。

本发明具有限流功能的交流固态功率控制器的原理和功能模块框图如图1，它包括：

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-，并输出到过零开关和状态锁存电路；

电源电压检测电路和电压正负半周判断电路用于检测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；

负载电流检测电路，连接在功率主电路的检测电阻上，采样负载电流并进行调理；

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，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；

负载电流检测电路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+为低电平，否则I+为高电平；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-为低电平，否则I-为高电平；

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，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，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，并输出到过零开关和状态锁存电路，状态锁存电路锁存过流故障状态，并发出关断命令；

过零开关和状态锁存电路，将电源电压的正、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开关控制命令信号CMD0，进行逻辑综合处理，产生主支路第一功率管过零开关信号Q1pre和主支路第二功率管过零开关信号Q2pre；

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，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；

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；

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：外部控制命令CMD连接到隔离电路，隔离电路输出开关控制命令信号CMD0；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LOAD0和MOS0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；

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器装置内部的控制电路提供内部工作电源。

本发明在现有技术基础上，基于限流控制策略，在功率主电路中增加了一条限流支路，不但可以实现半个电源周期内交流SSPC自然过零开关，而且具有大功率限流功能，提高了交流SSPC带容性负载和整流桥负载的能力，降低了交流SSPC短路故障关断时的电压应力，增强了交流SSPC短路保护的抗干扰能力。

具体的，本发明的交流固态功率控制器中：

主功率电路包括主支路、限流支路和检测电阻；主支路由第一功率管Q1和第二功率管Q2反串联组成；限流支路由第三功率管Q3、第四功率管Q4和限流电阻R_LIMIT组成，第三功率管Q3和第四功率管Q4反串联后与限流电阻R_LIMIT串联；主支路和限流支路并联，该并联结构的一端作为交流固态功率控制器的功率输入端连接外部交流电源；另一端与检测电阻串联，作为交流固态功率控制器的功率输出端连接负载至功率地；

负载电压平均值检测电路包括负载电压检测电路、第三绝对值转换电路、平均值转换电路；负载电压检测电路检测功率输出端和功率地之间的电压，负载电压检测电路的输出连于第三绝对值转换电路，第三绝对值转换电路的输出连于平均值转换电路，平均值转换电路的输出分别连于短路判断电路和解除限流态判断电路；

进入限流态判断电路包括第一绝对值转换电路、第九比较器Comp9、第一D触发器U16、第四与非门U17；负载电流检测电路的输出连于第一绝对值转换电路，第一绝对值转换电路的输出连于第九比较器Comp9的正极性输入端，第九比较器Comp9的负极性输入端连于第一电压阀值Uth1，第一电压阀值Uth1对应固态功率控制器的限流阀值，第九比较器Comp9的输出连于第一D触发器U16的上升沿触发端CLK，第一D触发器U16的D端接低电平，第四与非门U17的一个输入端连于隔离电路的输出，第四与非门U17的另一个输入端连于解除限流态判断电路的输出，第四与非门U17的输出连于第一D触发器的置位端；

解除限流态判断电路包括功率输入输出电压差动检测电路、第二绝对值转换电路、第十比较器 Comp10 、第十一比较器 Comp11 、第一三输入或门 U18 ；功率输入输出电压差动检测电路检测交流固态功率控制器的功率输入和功率输出的电压差，其输出连于第二绝对值转换电路，第二绝对值转换电路的输出连于第十比较器 Comp10 的正极性端，第十比较器 Comp10 的负极性端连于控制电路参考地，第十比较器 Comp10 的输出 ZVS_ON 连于第一三输入或门 U18 的输入，进入限流态判断电路输出信号 Limiting 也连于第一三输入或门 U18 的输入，平均值转换电路的输出连于第十一比较器 Comp11 的负极性端，第十一比较器 Comp11 的正极性端连于第二电压阀值 Uth2 ，第二电压阀值Uth2设定为额定电源电压平均值的75%左右，第十一比较器 Comp11 的输出连于第一三输入或门 U18 的输入，第一三输入或门 U18 的输出 BACK 连于第四与非门 U17 的输入；

驱动信号生成电路包括第一与门 U13 ，第二与门 U14 、第三与门 U15 和第一驱动隔离电路，第二驱动隔离电路和第三驱动隔离电路；进入限流态判断电路的输出和过零开关和状态锁存电路输出的第一功率管过零开关信号 Q1pre 输入至第一与门 U13 ，第一与门 U13 的输出连于第一驱动隔离电路，第一驱动隔离电路输出连于第一功率管栅极；进入限流态判断电路输出和过零开关和状态锁存电路输出的第二功率管过零开关信号 Q2pre 输入至第二与门 U14 ，第二与门 U14 的输出连于第二驱动隔离电路，第二驱动隔离电路输出连于第二功率管栅极；第一功率管过零开关信号 Q1pre 和第二功率管过零开关信号 Q2pre 输入至第三与门 U15 ，第三与门 U15 的输出连于第三驱动隔离电路，第三驱动隔离电路的输出连于第三功率管和第四功率管的栅极。

短路判断电路包括第十二比较器 Comp12 、延迟触发的单稳态模块 U19 、第二三输入或门 U20 ；进入限流态判断电路的输出连于延迟触发的单稳态模块 U19 的输入端和第二三输入或门 U20 的输入端，延迟触发的单稳态模块 U19 的输出连于第二三输入或门 U20 的输入端，延迟触发的单稳态模块 U19 在限流态判断电路的输出信号变为低电平时延迟设定时间产生一个低电平短脉冲，设定时间ΔT约为电源周期的1/4左右；平均值转换电路的输出连于第十二比较器 Comp12 的正极性端，第十二比较器 Comp12 的负极性端连于第三电压阀值 Uth3 ，第三电压阀值Uth3为交流固态功率控制器带最大容性负载启动时、负载电压平均值在设定时间内的最小上升量；第十二比较器 Comp12 的输出连于第二三输入或门 U20 的输入端，第二三输入或门 U20 的输出 SHORT 连于过零开关和状态锁存电路。

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、组成的反向差动放大电路组成，其中R11=R12，R13=R14。

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器装置中过零开关和故障锁存电路原理图，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第一功率管 Q1 的驱动信号Q1pre和第二功率管 Q2 的驱动信号Q2pre。

过零开关和故障锁存电路由四个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的输出端分别输出第一功率管 Q1 的驱动信号Q1pre和第二功率管 Q2 的驱动信号Q2pre。

图5为本发明技术方案中第一、第二、第三绝对值转换电路采用的典型精密绝对值转换电路，由两个运算放大器A3、A4，四个二极管D1~D4，五个电阻R32~R36组成。该电路的输入信号连于电阻R32和R36，R32的另一端连于运算放大器A3的负极性端，A3负极性端同时连于二极管D1阳极和电阻R34，二极管D1阴极连于二极管D2阳极和运算放大器A3输出端，电阻R34另一端连于二极管D2阴极；电阻R33一端连接运算放大器A3的正极性端，另一端接地；电阻R36一端连于输入信号，另一端连于运算放大器A4的正极性端，运算放大器A4的负极性端连于二极管D3阳极和电阻R35，二极管D3阴极连于二极管D4阳极和运算放大器A4输出端，二极管D4阴极连于R35的另一端和二极管D2的阴极。以二极管二极管D2、D4的阴极作为绝对值转换电路的输出。

图6为本发明技术方案中采用的负载电压平均值检测电路，由负载电压检测电路、绝对值转换电路和平均值电路三级组成。第一级是负载电压检测电路，以典型的差动放大电路采样负载电压；第二级为图5所述的典型精密绝对值转换电路；第三级为平均值电路，由一阶低通滤波电路和电压跟随器组成。

下面结合图7~图10说明本发明的控制方法和装置的工作原理。

图7 交流固态功率控制器装置在负载为阻性负载、阻感性负载或小容量的阻容性负载以及具有较小滤波电容的整流桥负载时，零电压开通、零电流关断波形图。

图7中t₁时刻交流固态功率控制器的外部开关命令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Q2pre、Q2_Dr0、Q2_Dr首先变为高电平，第二功率管开通；t₂时刻交流电源电压由正变负，主回路经第一功率管的寄生体二极管和第二功率管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Q1pre、Q1_Dr0、Q1_Dr变为高电平，然后Q34Dr0、Q34Dr也随即变为高电平，第一、第三、第四功率管导通。由分析可见，交流交流固态功率控制器装置开通过程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7中t₄时刻交流固态功率控制器的外部开关命令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Q1pre、Q1_Dr0、Q1_Dr首先变为低电平，然后Q34Dr0、Q34Dr也随即变为低电平，第一、第三、第四功率管关断；t₅时刻负载电流从负值变为零，由于第一功率管已经关断，所以t₅时刻交流回路自然过零关断；t₆时刻，I+变为高电平，第二功率管关断。由分析可见，交流固态功率控制器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8 交流固态功率控制器装置在空载条件下零电压开通、零电流关断波形图。图8中交流固态功率控制器装置在空载条件下开通的过程与带载时开通的过程一致；但在关断过程中，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-一直为高电平，触发器U9和U10的输出立刻被复位为低电平，Q1pre和Q2pre立刻变为低电平，Q1_Dr0、Q1_Dr、Q2_Dr0、Q2_Dr、Q34_Dr0立刻变为低电平，第一、第二、第三、第四功率管同时关断。

图9为交流固态功率控制器装置在负载为具有大容量滤波电容的整流桥负载时，零电压开通过程、限流过程和零电流关断过程的波形图。t₈时刻交流固态功率控制器的外部开关命令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Q2pre、Q2_Dr0、Q2_Dr首先变为高电平，第二功率管开通；t₉时刻交流电源电压由正变负，主回路经第一功率管的寄生体二极管和第二功率管的导电沟道自然导通，t₁₀时刻Q1pre、Q1_Dr0、Q1_Dr变为高电平，第一功率管零电压开通，Q34_Dr0、Q34_Dr也同时变为高电平，第三、第四功率管也同时导通；由于负载是具有大容量滤波电容的整流桥负载，所以从t₉时刻开始随着交流电源电压升高，交流固态功率控制器电流逐渐增大，t₁₁时刻达到限流阀值U_th1，进入限流态判断电路的输出Limiting信号变为低电平，Q1_Dr0、Q1_Dr、Q2_Dr0、Q2_Dr也同时变为低电平，第一、第二功率管立刻关断，第三、第四功率管维持导通；t₁₁时刻开始交流电源通过第三、第四功率管和限流电阻向整流桥负载电容充电，t₁₂时刻负载电压平均值达到第二电压阀值U_th2即额定电源电压平均值的75%左右，等待t₁₃时刻交流固态功率控制器电流变为零时，过零转换信号ZVS_ON信号变为低电平时，t₁₃时刻解除限流状态，BACK信号变为低电平，Q1_Dr0、Q1_Dr、Q2_Dr0、Q2_Dr也同时变为高电平，交流固态功率控制器重新继续开通，接下来交流电源通过第一、第二功率管向整流桥负载电容充电，直至稳态供电。

图9中t₁₄时刻交流固态功率控制器的外部开关命令CMD由高变低（关断命令），CMD0和CMD1也立刻由低变高；此时由于负载电流处于正半周期（I+为高电平），因此Q2pre、Q2_Dr0、Q2_Dr首先变为低电平，然后Q34Dr0、Q34Dr也随即变为低电平，第二、第三、第四功率管关断；t₁₅时刻负载电流从正值变为零，由于第二功率管已经关断，所以t₁₅时刻交流回路自然过零关断；t₁₆时刻，I-变为高电平，第一功率管关断。

图10 交流固态功率控制器装置起动过程或者在正常导通过程中发生在短路故障并限流然后关断保护的波形图。t₁₇时刻交流固态功率控制器的外部开关命令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Q2pre、Q2_Dr0、Q2_Dr首先变为高电平，第二功率管开通；t₁₈时刻交流电源电压由正变负，主回路经第一功率管的寄生体二极管和第二功率管的导电沟道自然导通，t₁₉时刻Q1pre、Q1_Dr0、Q1_Dr变为高电平，第一功率管零电压开通，Q34_Dr0、Q34_Dr也同时变为高电平，第三、第四功率管也同时导通；由于负载已经被短路，所以从t₁₉时刻开始随着交流电源电压升高，交流固态功率控制器短路电流迅速上升，t₂₀时刻达到限流阀值U_th1，进入限流态判断电路的输出Limiting信号变为低电平，Q1_Dr0、Q1_Dr、Q2_Dr0、Q2_Dr也同时变为低电平，第一、第二功率管立刻关断，第三、第四功率管维持导通；从t₂₀时刻开始，延时设定的ΔT时间（约为电源周期的1/4）在t₂₁时刻产生一个短的低电平脉冲MM（脉冲宽度为数十个μs），此时判断负载电压平均值是否大于第三电压阀值Uth3；Uth3为交流固态功率控制器带最大容性负载启动时、负载电压平均值在ΔT时间内的最小上升量；由于负载已经被短路，所以短路故障信号SHORT必然在t₂₁时刻变为低电平，然后过零开关电路和状态锁存电路锁存该故障状态，SHOTED信号变为低电平，Q34Dr0、Q34Dr也随即变为低电平，第三、第四功率管关断，短路保护过程完成。t₂₂时刻CMD信号变为低电平，短路故障锁存状态SHOTED信号变为高电平，故障复位完成，等待下次开通命令。

Claims

1.一种交流固态功率控制器的限流控制方法，交流固态功率控制器的功率主电路包含主支路和检测电阻，主支路由第一功率管（Q1）和第二功率管（Q2）反串联组成，其特征在于限流控制方法包括如下步骤：

（1）在交流固态功率控制器的功率主电路中设置限流支路，限流支路和主支路并联，该并联结构的一端作为交流固态功率控制器的功率输入端连接外部交流电源，另一端与检测电阻串联，作为交流固态功率控制器的功率输出端连接负载至功率地；限流支路由第三功率管（Q3）、第四功率管（Q4）和限流电阻（R_LIMIT）组成，第三功率管（Q3）和第四功率管（Q4）反串联后与限流电阻（R_LIMIT）串联；

（2）当交流固态功率控制器接收到开通命令时，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，则立即开通第二功率管（Q2），然后等待交流电源电压由正变负以后再开通第一功率管（Q1），并立刻开通第三和第四功率管（Q3、Q4）；若接收到开通命令时交流电源电压处于负半周期，则立即开通第一功率管（Q1），然后等待交流电源电压由负变正以后再开通第二功率管（Q2），并立刻开通第三和第四功率管（Q3、Q4）；从而完成在半个电源电压周期内自然零电压开通交流固态功率控制器；

（3）当交流固态功率控制器的负载为大容量阻容性负载或者具有较大滤波电容的整流桥负载时，则交流固态功率控制器在零电压开通过程完成后，第一、第二、第三、第四功率管均已导通，交流固态功率控制器的电流随着交流电压的增加而快速上升，当检测到交流固态功率控制器电流绝对值大于设定的限流阀值时，则立刻关断第一和第二功率管（Q1、Q2），并延时设定时间检测负载电压平均值；若此时负载电压平均值上升至设定的第三电压阀值，则检测负载电压平均值是否达到设定的第二电压阀值，若达到则重新开通第一和第二功率管（Q1、Q2）；

（4）当交流固态功率控制器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，则立刻关断第一、第二、第三、第四功率管（Q1、Q2、Q3、Q4）；若负载电流处于正半周期，则立即关断第二、第三、第四功率管（Q2、Q3、Q4），然后等待负载电流由正变负时自然过零关断，再关断第一功率管（Q1）；若负载电流处于负半周期，则立即关断第一、第三、第四功率管（Q1、Q3、Q4），然后等待负载电流由负变正时自然过零关断，再关断第二功率管（Q2）；从而在半个电源周期内自然零电流关断交流固态功率控制器；

（5）当交流固态功率控制器在启动或正常导通过程中发生短路故障时，则在检测到交流固态功率控制器电流绝对值大于设定的限流阀值时，立刻关断第一和第二功率管（Q1、Q2），并延时设定时间检测负载电压平均值；若此时负载电压平均值未能上升至设定的第三电压阀值，则认为发生短路故障，此时关断第三和第四功率管（Q3、Q4）。

2.一种具有限流功能的交流固态功率控制器，包括主功率电路、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、过零开关和状态锁存电路、短路判断电路、功率管状态比较判断电路、负载状态比较判断电路、隔离电路和隔离电源模块，其特征在于：

主功率电路包括主支路、限流支路和检测电阻；主支路由第一功率管（Q1）和第二功率管（Q2）反串联组成；限流支路由第三功率管（Q3）、第四功率管（Q4）和限流电阻（R_LIMIT）组成，第三功率管（Q3）和第四功率管（Q4）反串联后与限流电阻（R_LIMIT）串联；主支路和限流支路并联，该并联结构的一端作为交流固态功率控制器的功率输入端连接外部交流电源；另一端与检测电阻串联，作为交流固态功率控制器的功率输出端连接负载至功率地；

交流固态功率控制器还包括：

进入限流态判断电路，包括第一绝对值转换电路、第九比较器（Comp9）、第一D触发器（U16）、第四与非门（U17）；负载电流检测电路的输出连于第一绝对值转换电路，第一绝对值转换电路的输出连于第九比较器（Comp9）的正极性输入端，第九比较器（Comp9）的负极性输入端连于第一电压阀值（Uth1），第九比较器（Comp9）的输出连于第一D触发器（U16）的上升沿触发端（CLK），第一D触发器（U16）的D端接低电平，第四与非门（U17）的一个输入端连于隔离电路的输出，第四与非门（U17）的另一个输入端连于解除限流态判断电路的输出，第四与非门（U17）的输出连于第一D触发器的置位端；

解除限流态判断电路，包括功率输入输出电压差动检测电路、第二绝对值转换电路、第十比较器（Comp10）、第十一比较器（Comp11）、第一三输入或门（U18）；功率输入输出电压差动检测电路检测交流固态功率控制器的功率输入和功率输出的电压差，其输出连于第二绝对值转换电路，第二绝对值转换电路的输出连于第十比较器（Comp10）的正极性端，第十比较器（Comp10）的负极性端连于控制电路参考地，第十比较器（Comp10）的输出（ZVS_ON）连于第一三输入或门（U18）的输入，进入限流态判断电路输出信号（Limiting）也连于第一三输入或门（U18）的输入，平均值转换电路的输出连于第十一比较器（Comp11）的负极性端，第十一比较器（Comp11）的正极性端连于第二电压阀值（Uth2），第十一比较器（Comp11）的输出连于第一三输入或门（U18）的输入，第一三输入或门（U18）的输出（BACK）连于第四与非门（U17）的输入；

驱动信号生成电路，包括第一与门（U13），第二与门（U14）、第三与门（U15）和第一驱动隔离电路，第二驱动隔离电路和第三驱动隔离电路；进入限流态判断电路的输出和过零开关和状态锁存电路输出的第一功率管过零开关信号（Q1pre）输入至第一与门（U13），第一与门（U13）的输出连于第一驱动隔离电路，第一驱动隔离电路输出连于第一功率管栅极；进入限流态判断电路输出和过零开关和状态锁存电路输出的第二功率管过零开关信号（Q2pre）输入至第二与门（U14），第二与门（U14）的输出连于第二驱动隔离电路，第二驱动隔离电路输出连于第二功率管栅极；第一功率管过零开关信号（Q1pre）和第二功率管过零开关信号（Q2pre）输入至第三与门（U15），第三与门（U15）的输出连于第三驱动隔离电路，第三驱动隔离电路的输出连于第三功率管和第四功率管的栅极。

3.如权利要求2所述的具有限流功能的交流固态功率控制器，其特征在于短路判断电路包括第十二比较器（Comp12）、延迟触发的单稳态模块（U19）、第二三输入或门（U20）；进入限流态判断电路的输出连于延迟触发的单稳态模块（U19）的输入端和第二三输入或门（U20）的输入端，延迟触发的单稳态模块（U19）的输出连于第二三输入或门（U20）的输入端，延迟触发的单稳态模块（U19）在限流态判断电路的输出信号变为低电平时延迟设定时间产生一个低电平短脉冲；平均值转换电路的输出连于第十二比较器（Comp12）的正极性端，第十二比较器（Comp12）的负极性端连于第三电压阀值（Uth3）；第十二比较器（Comp12）的输出连于第二三输入或门（U20）的输入端，第二三输入或门（U20）的输出（SHORT）连于过零开关和状态锁存电路。