CN107171550A - 一种大功率电源控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种大功率电源控制器，包括分流调节器 SR主功率部分、驱动和滞环控制单元以及保护电路。其中，SR主功率部分采用 MOSFET管分流和二极管串联机制，两个 MOSFET管串联，两个二极管分别并联于两个 MOSFET管的两端，驱动和滞环控制单元采用两套，分别控制串联的上下两个 MOSFET管。太阳阵正线与限流电感加阻容吸收电路的输入端相连，限流电感加阻容吸收电路的输出端与所述 SR主功率部分相连，限流电感加阻容吸收电路的输出端通过整流二极管与母线正线相连。无论任何一路 MOSFET发生故障，母线电压波形和分流路电流波形均不会受到影响，本发明的方案可以实现 SR分流较高的可靠性，并且通过 MOSFET并联降低调节路 MOSFET的温度。

Description

一种大功率电源控制器
技术领域
本发明属于电源控制器技术领域，具体涉及一种大功率电源控制器。
背景技术
随着新一代电源控制器系统功率密度的进一步提高以及三结砷化镓(GaAs)多节太阳能电池的引入，使得S3R调节技术的设计变得更加复杂，而采用“砷化镓(GaAs)三接调节技术”的太阳能阵列(28％)较传统硅阵列(18％)具有更高的效率、重量和体积都相应地减少等优点，但是它的寄生参数明显增加。寄生参数的增加会带来以下问题：
1.当MOSFET开通的瞬间，寄生电容CSA放电，由可知，在开通瞬间必然会产生很高的尖峰电流，此时需要设计一个电流吸收装置来减小电流尖峰，更重要一方面是它会使得开关损耗很大，效率降低。
2.增加由于寄生电容带来的延迟时间会降低母线直流特性，降低整个控制系统带宽，使得输出阻抗提高，削弱系统动态响应。
3.单阵太阳能电池电流达到16A，任何一路不应该允许有短路失效故障，造成单阵1600W功率的丧失，因此采用MOSFET串联的方式避免此问题。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，针对于S3R电源系统在高太阳能电池寄生电容、高单阵电流以及高母线电压应用中所存在的高开关频率、高损耗问题，本发明提出了一种大功率电源控制器，提升了电源控制器的功率等级及转换效率。
本发明具体通过如下技术方案实现：
一种大功率电源控制器，包括分流调节器SR主功率部分、驱动和滞环控制单元以及保护电路；其中，SR主功率部分采用MOSFET管分流和二极管串联机制，两个MOSFET管串联，两个二极管分别并联于两个MOSFET管的两端，驱动和滞环控制单元采用两套，分别控制串联的上下两个MOSFET管；太阳阵正线与限流电感加阻容吸收电路的输入端相连，限流电感加阻容吸收电路的输出端与SR主功率部分相连，限流电感加阻容吸收电路的输出端通过整流二极管与母线正线相连。
进一地，太阳阵正线与电阻R1的一端相连，R1的另一端与电容C1的一端相连，电感L1的一端与太阳阵正线相连，L1的另一端与C1的另一端相连；两个二极管D1的正极均与L1的另一端相连，两个二极管的负极均与母线正线相连；负载的一端与母线正线相连，负载的另一端与母线回线相连，电容阵C并联于负载的两端。
进一步地，MOSFET管为N沟道MOSFET管，MOSFET管P1的漏极与电感L1的另一端相连，P1的源极与MOSFET管P2的漏极相连，P2的源极与电阻Rs的一端相连，Rs的另一端与母线回线相连；P1的栅极与高边驱动电路的输出端相连，P2的栅极与低边驱动电路的输出端相连。
进一步地，太阳阵MEA接口R的输出与高边驱动电路的输入端相连，太阳阵MEA接口N的输出与低边驱动电路的输入端相连；其中，太阳阵MEA接口R为第一比较器，第一比较器的一输入端输入MEA电压，另一输入端输入第一参考电压；太阳阵MEA接口N为第二比较器，第二比较器的一输入端输入MEA电压，另一输入端输入第二参考电压。
进一步地，所述保护电路包括单二极管失效保护电路，反向电流采样电路为电流互感器，电流互感器串接在电感L1与二极管D1之间，所述反向电流采样电路的采样到的电流输入到反向电流检测电路的输入端，反向电流检测电路的输出端与保护闭锁及复位电路的输入端相连，保护闭锁及复位电路的输出端分别与高边驱动电路的输入端、低边驱动电路的输入端相连。
进一步地，反向电流检测电路是第三比较器，反向电流采样电路的输出端与第三比较器的一输入端相连，第三比较器的另一输入端接第三参考电压。
进一步地，所述保护电路包括过流保护电路，过流保护电路是第四比较器，第四比较器的一输入端接采样电阻Rs的非接地端，第四比较器的另一输入端接参考电压，过流保护电路的输出端与保护闭锁及复位电路的输入端相连。
进一步地，所述保护电路还包括欠压保护电路、过损保护电路和峰值电流保护电路。
附图说明
图1是本发明的电源控制器的结构图；
图2是分流路SR驱动电压示意图；
图3是供电路SR驱动电压示意图；
图4是开关路SR驱动电压示意图；
图5是母线电压仿真波形图；
图6是分流路电流仿真波形图；
图7是带有嵌套的SR阵列控制示意图；
图8是位于SR区域母线电压输出纹波示意图；
图9是本发明的电源控制器母线电压调节控制框图；
图10是本发明的电源控制器进行单二极管失效保护的工作示意图；
图11是本发明的电源控制器进行过流保护的工作示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。
本发明是一种高功率密度，适应三结砷化镓多节太阳能的电池大功率电源控制器。如附图1所示，本发明的大功率电源控制器包括SR主功率部分、驱动和滞环控制单元以及保护电路；其中，SR主功率部分采用MOSFET管分流和二极管串联机制，MOSFET管采用两组串联的模式，二极管并联于MOSFET管的两端，驱动和滞环控制单元采用两套，分别控制串联的上下两个MOSFET管；太阳阵正线与限流电感加阻容吸收电路的输入端相连，限流电感加阻容吸收电路的输出端与SR主功率部分相连。限流电感加阻容吸收电路的输出端通过整流二极管与母线正线相连。所述整流二极管是封在同一个壳体里的共阴型二极管。
具体地，太阳阵正线与电阻R1的一端相连，R1的另一端与电容C1的一端相连，电感L1的一端与太阳阵正线相连，L1的另一端与C1的另一端相连；两个二极管D1的正极均与L1的另一端相连，两个二极管的负极均与母线正线相连；负载的一端与母线正线相连，负载的另一端与母线回线相连，电容阵C并联于负载的两端。
MOSFET管以N沟道MOSFET管为例，MOSFET管P1的漏极与电感L1的另一端相连，P1的源极与MOSFET管P2的漏极相连，P2的源极与电阻Rs的一端相连，Rs的另一端与母线回线(即地)相连；P1的栅极与高边驱动电路的输出端相连，P2的栅极与低边驱动电路的输出端相连。电容C2的一端与P1的漏极相连，C2的另一端与电阻R2的一端相连，R2的另一端与P2的源极相连，R2和C2的这条支路主要是为了吸收MOSFET上的电压尖峰。MOSFET管为P沟道MOSFET管时，同样可以实现SR主功率部分的功能。
如附图2所示，当该路SR处于分流时，两组驱动分别输出为高，控制两组MOSFET导通，SA对地分流。
如附图3所示，当该路SR处于供电时，两组驱动分别输出为低，控制两组MOSFET关断，SA通往母线。
如附图4所示，当该路SR处于调节时，主备份驱动输出为脉冲驱动信号，制备份MOSFET导通，SA开关调节控制母线电压。
附图5是母线电压仿真波形图，附图6是分流路电流仿真波形图，从上述仿真波形中可以看出，无论任何一路MOSFET发生故障，母线电压波形和分流路电流波形均不会受到影响，本发明的方案可以实现SR分流较高的可靠性，并且通过MOSFET并联降低调节路MOSFET的温度。
[控制方式设计]
在阳光区，母线误差放大器(MEA)调度整个能量的分配工作，其功能是稳定母线电压，控制不同的太阳能电池方阵分别处在分流、供电或调整状态。太阳阵MEA接口R的输出与高边驱动电路的输入端相连，太阳阵MEA接口N的输出与低边驱动电路的输入端相连。其中，太阳阵MEA接口为一比较器，比较器的一输入端输入MEA电压，另一输入端输入参考电压。
每一路SR有一个专用的基准电压，每一路SR的参考电压由电阻分压网络提供。因此分压电路需要保证每一路SR阵列都能有一个基准电压，以保障系统工作的可靠性。分压网络采用输出电压100V，母线作为基准电阻网络的供电，之后利用精确的电阻进行分压，每一路通过运放跟随以保障分压处获取电流接近于0。这样只要母线存在，SR就有相应的基准电压，电阻采用并联的方式增加可靠性，任意一个电阻开路都可以使得系统正常工作，保证了系统工作可靠性。本发明的电源控制器启动时刻，母线保持电池电压，同样可以提供基准电压，使得SR进行工作稳定母线。
滞环控制方式，母线电压纹波(峰峰值)用ΔU表示。开关频率用fsr表示。每个分阵列SR电流为ISR。带有嵌套的SR阵列控制如附图7所示，母线电压纹波如附图8所示。
当母线电压低于下限值时，这样会使得MEA输出低于SR阵列中某一个SR的下限值，使得最近的SR阵列打开对负载充电，充电时间为TR，当母线电压高于上限值时，会使得MEA输出电压打到滞环区域的上限值，这时关闭最近SR，负载放电，电压下降。这样此位置的SR阵列处于最大开关频率fsrmax工作(和其他SR阵列相比)。结合附图8：
其中TR为对母线电容充电时间，充电电流为IC。TD为对母线电容放电时间，放电电流为ID。
根据电容伏安特性：
结合上述公式有：
当IC*ID为最大时，开关频率取得最大值。
当取得最大值，最大值为：
因此纹波满足：
母线分压系数：由于选择MEA中选择温度特性较好的6.4V稳压管，母线分压系数为：
比例参数的选择：在满足S3R动态响应和防止双段调节的情况下选择比例参数A为：
滞环区间的分布：单路滞环宽度是指单路SR的正门限电压与负门限电压之差，可以计算得出宽度为：
Vhyst＝KAΔVripple
在计算得出滞环宽度基础上，计算相邻SR间下限电压间距为：
因此根据以上二式即可确定S3R总体的分布情况。
如附图9所示的是电源控制器母线电压调节控制框图，图中R为MEA的比例增益，G模块等效的压控电流源，K为母线电压反馈系数，Vref为MEA基准电压，R(s)为PI控制器传递函数，G(s)为跨导增益，带宽为20kHZ(开关频率100kHZ的五分之一)，CBus为母线输出滤波电容阵列。
由于对PI控制中的积分不影响开环带宽和闭环带宽，因此系统闭环带宽计算省去积分部分，直接比例控制。
开环传函：
求得开环带宽：
当ωR·C＞＞1时，得到：
所以得到开环带宽(闭环带宽)为：
从上述分析可以看出，电源控制器输出带宽、输出阻抗以及母线滤波电容存在上式所表示的关系，因此可以作为电源控制器总体设计的根本依据。
[保护电路设计]
1、单二极管失效保护：单路SR采用单个二极管以降低损耗提高效率，然而必须考虑到二极管如果短路失效对母线造成的影响。因此对电路进行实时监测，二极管一旦短路失效，立即打开该路MOSFET，避免对母线进行对地分流。
如附图10所示，本发明主要通过电流互感器检测当二极管发生短路时，电流互感器产生相应的电压信号与设置的电流参考进行比较后的信号送给保护闭锁及复位单元，再经过反向电流检测单元电路把信号送到保护闭锁及复位单元后，执行关闭P1和P2的指令，使SR的能量直通母线，不会造成能量损失。反向电流采样电路为电流互感器L3，电流互感器L3串接在电感L1与二极管D1之间，所述反向电流采样电路的采集到的电流输入到反向电流检测电路的输入端，反向电流检测电路的输出端与保护闭锁及复位电路的输入端相连，保护闭锁及复位电路的输出端分别与高边驱动电路的输入端、低边驱动电路的输入端相连。
2、过流保护：如附图11所示，当检测到采样电阻Rs的电流超过额定电流时，过流保护单元电路将产生一个过流保护信号发送到保护闭锁及复位单元后，执行关闭功率管P1和功率管P2的指令，使SR的能量直通母线，从而不会造成能量损失。过流保护电路可以是一比较器，比较器的一输入端接采样电阻Rs的非接地端，比较器的另一输入端接参考电压，过流保护电路的输出端与保护闭锁及复位电路的输入端相连。
3、欠压保护：欠压保护电路可以是一比较器，比较器的一输入端接母线正线，另一输入端接参考电压，比较器的输出端与低边驱动电路的输入端相连。
4、过损保护：过损保护电路的输入端接P1的漏极，过损保护电路的输出端与保护闭锁及复位电路的输入端相连。
5、峰值电流保护：峰值电流采样电路为电流互感器L2，电流互感器L2串接在电感L1与二极管D1之间，所述峰值电流采样电路的采样到的电流输入到峰值电流控制电路的输入端，峰值电流控制电路的输出端与低边驱动电路的输入端相连。峰值电流控制电路可以是一比较器，电流互感器L2的输出端与比较器的一输入端相连，比较器的另一输入端接参考电压。峰值电流控制电路的输入端还与电阻R2的一端相连，R2的另一端与电容C2的一端相连，C2的另一端与P1的漏极相连。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种大功率电源控制器，其特征在于：所述电源控制器包括分流调节器SR主功率部分、驱动和滞环控制单元以及保护电路；其中，SR主功率部分采用MOSFET管分流和二极管串联机制，两个MOSFET管串联，两个二极管分别并联于两个MOSFET管的两端，驱动和滞环控制单元采用两套，分别控制串联的上下两个MOSFET管；太阳阵正线与限流电感加阻容吸收电路的输入端相连，限流电感加阻容吸收电路的输出端与所述SR主功率部分相连，限流电感加阻容吸收电路的输出端通过整流二极管与母线正线相连。
2.根据权利要求1所述的电源控制器，其特征在于：太阳阵正线与电阻R1的一端相连，R1的另一端与电容C1的一端相连，电感L1的一端与太阳阵正线相连，L1的另一端与C1的另一端相连；两个二极管D1的正极均与L1的另一端相连，两个二极管的负极均与母线正线相连；负载的一端与母线正线相连，负载的另一端与母线回线相连，电容阵C并联于负载的两端。
3.根据权利要求2所述的电源控制器，其特征在于：MOSFET管为N沟道MOSFET管，MOSFET管P1的漏极与电感L1的另一端相连，P1的源极与MOSFET管P2的漏极相连，P2的源极与电阻Rs的一端相连，Rs的另一端与母线回线相连；P1的栅极与高边驱动电路的输出端相连，P2的栅极与低边驱动电路的输出端相连。
4.根据权利要求3所述的电源控制器，其特征在于：太阳阵MEA接口R的输出与高边驱动电路的输入端相连，太阳阵MEA接口N的输出与低边驱动电路的输入端相连；其中，太阳阵MEA接口R为第一比较器，第一比较器的一输入端输入MEA电压，另一输入端输入第一参考电压；太阳阵MEA接口N为第二比较器，第二比较器的一输入端输入MEA电压，另一输入端输入第二参考电压。
5.根据权利要求3所述的电源控制器，其特征在于：电容C2的一端与P1的漏极相连，C2的另一端与电阻R2的一端相连，R2的另一端与P2的源极相连，R2和C2的这条支路主要是为了吸收MOSFET上的电压尖峰。
6.根据权利要求3或4所述的电源控制器，其特征在于：所述保护电路包括单二极管失效保护电路，反向电流采样电路为电流互感器，电流互感器串接在电感L1与二极管D1之间，所述反向电流采样电路的采样到的电流输入到反向电流检测电路的输入端，反向电流检测电路的输出端与保护闭锁及复位电路的输入端相连，保护闭锁及复位电路的输出端分别与高边驱动电路的输入端、低边驱动电路的输入端相连。
7.根据权利要求5所述的电源控制器，其特征在于：反向电流检测电路是第三比较器，反向电流采样电路的输出端与第三比较器的一输入端相连，第三比较器的另一输入端接第三参考电压。
8.根据权利要求3或4所述的电源控制器，其特征在于：所述保护电路包括过流保护电路，过流保护电路是第四比较器，第四比较器的一输入端接采样电阻Rs的非接地端，第四比较器的另一输入端接参考电压，过流保护电路的输出端与保护闭锁及复位电路的输入端相连。
9.根据权利要求3或4所述的电源控制器，其特征在于：所述保护电路还包括欠压保护电路、过损保护电路和峰值电流保护电路。
10.根据权利要求1所述的电源控制器，其特征在于：所述整流二极管是封在同一个壳体里的共阴型二极管。
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