CN201752109U

CN201752109U - 一种交流固态功率控制器的软开关装置

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Publication number: CN201752109U
Application number: CN2010202463734U
Authority: CN
Inventors: 张晓斌; 高朝晖; 董延军; 雷涛
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2010-07-01
Filing date: 2010-07-01
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2020-07-01

Abstract

本实用新型涉及一种交流固态功率控制器的软开关装置，其特征在于包括功率电路和控制电路，控制电路接收输入的控制信号，将该控制信号与由功率电路采样得到的电流信号CUR和电压信号VOL，并输出功率开关管驱动信号QG给功率电路；本实用新型提出的交流固态功率控制器的软开关装置，用功率MOSFET管取代双向晶闸管，作为交流SSPC的主开关器件，既能克服前述的晶闸管的缺点，又能实现交流SSPC的软开关控制，完成两个主功率MOSFET管共用一个驱动电路，在电源电压过零点，两管同时导通；在流过功率管的电流过零点，两管同时关断。

Description

一种交流固态功率控制器的软开关装置

技术领域

本实用新型涉及一种交流固态功率控制器的软开关装置，属于电路通断自动控制装置。

背景技术

固态功率控制器(Solid-State Power Controller，SSPC)是由半导体器件构成的智能开关装置，用于接通或断开电路，实现电路保护和接受前级计算机的控制信号并报告其工作状态信号。它的作用与传统的机械式热自动开关、保险丝与继电器串联的联合体或者其他控制保护器相似，但在性能及功能上大大优于这些传统的装置：它能快速接通和断开电路而不产生电弧，因而高空性能好，特别适合于航空应用；它内部没有活动部件，因此不产生机械磨损，故障率低，可靠性高；过载时按反延时特性“跳闸”，保护电气负载设备和线路；设有电气隔离措施，抗干扰能力强等^[1]。早在上世纪70年代，国外就开始研究SSPC，但多年后仍未得到实际应用。其主要原因是当时晶体管的通态压降大，达0.4伏～0.5伏，通态损耗远大于触点开关。近年来，电力电子技术有了突破性进展，MOS管器件的通态电阻仅毫欧级，为SSPC的发展创造了条件。目前SSPC已在国外新型飞机上大量采用。

在交流SSPC中，功率开关管零电压导通和零电流关断的软开关技术是一项关键技术。

传统的硬开关电路，在导通和关断的时刻由于开关器件的延时，使得电压和电流有相当的重合部分，这样导致了很大的功率损耗。软开关技术，就是在开关管开通前，使电压下降到零，实现零电压开通；在开关管关断前，使其电流减小到零，实现零电流关断。

软开关技术不仅可以有效减小开关管的开通关断损耗，还可以减小在开通关断瞬间由于电压电流的突变而引起过高的dv/dt、di/dt产生的电压、电流尖峰，从而避免开关管运行轨迹超出安全工作区(SOA)，保证开关管的可靠运行，同时还会减小由过高的di/dt、dv/dt产生的严重的电磁干扰。

目前国外交流固态功率控制器产品的主功率管都采用双向晶闸管，例如LEACH公司的P111系列交流固态功率控制器^[2]和NHI公司的SSPC 90000系列产品^[3]。双向晶闸管作为电力半导体器件，具有体积小、重量轻、容量高、控制特性好等优点。双向晶闸管可以实现电流自然过零关断，配置上专用的触发芯片，例如摩托罗拉公司生产的MOC3061，双向晶闸管亦可容易地实现零电压开通。

虽然双向晶闸管应用于交流场合时，可以实现零电压开通和电流自然过零关断，但双向晶闸管用作交流固态功率控制器的功率开关时，也带来了一些问题：

(1)当交流固态功率控制器发生大电流短路故障，立即保护电路动作，发出保护关断信号，但双向晶闸管仍然要等到电流过零时才能关断，这将导致短路电流持续时间过长，短路电流最长可持续半个周期。

(2)晶闸管的内部结构决定其导通压降较大，其导通压降基本上是两个晶体管基射极的压降，相当于两个PN结的压降。

(3)晶闸管开通时间约为1～4.5微妙，但其关断时间较长，约几百微妙，这是因为关断后，抽取少数载流子以及载流子的复合都需要一段时间。所以，双向可控硅的工作频率较低，一般用于400Hz以下的场合，这不满足飞机交流变频电源系统的需求。

上述这些因素限制了双向晶闸管在固态功率控制器中的使用。特别是晶闸管导通压降大，导致了现有交流固态功率控制器仅能用于小功率场合，随着负载电流的增加，晶闸管的功耗显著增加，管子发热严重。因此随着我国航空航天事业的发展，迫切需要研制以新型电力电子器件为主功率开关的交流固态功率控制器。

随着电力电子技术的发展，功率MOSFET逐渐斩露头角，由于它是电压型控制器件，具有很高的输入阻抗，驱动功率小，开关速度快、导通电阻小，而且导通电阻是正温度系数，易并联，这些优点使得功率MOSFET可能取代双向晶闸管，成为新型交流固态功率控制器的主开关器件。

MOSFET常用作直流开关，直流电路中，给MOSFET的栅极和源极间加上适当控制电压，即可对负载进行通断控制。MOSFET也可对交流电路进行控制，由于其结构上的寄生二极管，因此单个MOSFET用作交流开关时，仅能对正半周期进行控制，负半周期电流会通过寄生二极管接通电路。因此功率MOSFET不适用于直接开关交流波形。

配置一串联结构的组合电路可以解决功率MOSFET对交流波形的控制，该组合电路如图1所示。两个功率MOSFET反向串联，MOS1和MOS2源极接在一起。MOSFET内部寄生的反并联二极管防止彼此同时导通。功率MOSFET的沟道是个双向开关，即施加适当的控制电压，MOSFET反向也能传导电流，只要沟道上的电压小于内部二极管上的电压(该电压一般高于分立二极管的电压)，则大部分电流将流过功率MOSFET的沟道，而不流过内部的二极管。因此图1所示电路开关导通时，可以实现低的开关压降。

采用功率MOSFET作为交流固态功率控制器的开关管，虽然可以克服前述的晶闸管的缺点，但随之也带来了难以实现软开关的问题。因此必须要设计专用的驱动电路实现电路的“零电压开通和零电流关断”。

电路中两个MOSFET的控制驱动信号不是同时发出，而需与交流电源的正负半周有机地结合起来，按照一定的次序控制MOSFET的通断。当功率管处于截止状态，交流电源处于正半周时，首先给反串联结构的下管MOS2发出开通信号，让其导通，而上管MOS1仍保持关断状态，此时整个回路仍然处于截止状态，没有电流流过；当交流电源由正半周转到负半周时，主回路在交流电源过零的瞬间有电流流过，流通路径为MOS2的导电沟道和MOS1的体内寄生二极管D1；在交流电源工作在负半周期间，给上管MOS1管发出导通信号，D1中的电流便自然地换流到MOS1的导电沟道(假定导电沟道的压降较小，不足以使体内寄生二极管导通箝位)。这样便实现了交流固态功率控制器的开通过程，由上述分析可知，功率管属于自然过零开通，因此过零精度好，过零无误差，而且此控制策略对过零点的检测要求并不苛刻，只需在半个周期内给对应的MOSFET发出开通信号即可。若交流电源处于负半周时，根据同样的道理，首先在负半周期间给上管MOS1发开通信号，然后在电源转到正半周给下管发出开通信号即可。

这种控制方法的关断过程是若在负载处于正半周时给下管MOS2发出关断信号，使其关断，上管MOS1仍保持导通，此时MOS2管的电流由它的导电沟道自然换流到体内寄生二极管D2，交流固态功率控制器仍保持导通状态；当负载电流由正半周转到负半周工作时，回路电流被二极管D2阻止，主回路中没有电流流过，然后只需给上管MOS1发出关断信号即可。同理，若负载电流处于负半周时，需先给上管MOS1发出关断信号，在负载电流转到正半周时，再给下管MOS2发出关断信号即可。这种控制策略由于导通和关断是在交流信号的自然过零处，所以可以实现交流固态功率控制器精确的零电压导通和零电流关断功能，完全抑制了开通关断时的du/dt和di/dt。

这种控制方法的缺点是驱动控制电路复杂，两个功率管MOS1和MOS2的驱动控制电路需要单独分开设计，这会对交流固态功率控制器的工作可靠性和器件体积造成不利影响。

如前所述，双向晶闸管用于交流固态功率控制器的主开关器件，由于其自身结构和成熟配套的驱动芯片，可以较为容易地实现零电压开通和零电流关断，但是双向晶闸管导通压降大、短路保护不能及时关断和工作频率低这些缺点限制了其在固态功率控制器中的应用。

如果采用功率MOSFET取代双向晶闸管，虽然可以克服前述的晶闸管的缺点，但随之也带来了难以实现软开关的问题，现有方法驱动控制电路复杂，导致器件工作可靠性降低，同样也限制了其在固态功率控制器中的应用。

发明内容

为了避免现有技术的不足之处，本实用新型提出一种交流固态功率控制器的软开关装置，使得MOS1和MOS2共用一个驱动电路，只要驱动电路发出控制信号，两管便同时开通或同时断开，实现交流固态功率控制器的零电压导通和零电流关断。

一种交流固态功率控制器的软开关装置，其特征在于包括功率电路和控制电路，控制电路接收输入的控制信号，将该控制信号与由功率电路采样得到的电流信号CUR和电压信号VOL，并输出功率开关管驱动信号QG给功率电路；所述控制电路包括检测电路、DSP电路和CPLD电路，检测电路对回路中交流电源的电压信号VOL和电流信号CUR进行过零检测，两种信号中任一种出现过零信号值时向CPLD电路发出过零信号；DSP电路接收上位输入的开通关断控制信号，向CPLD电路发出通断控制信号；CPLD电路对DSP电路发出的控制信号和检测电路发出的电压电流过零信号进行逻辑计算，然后发出功率管软开关驱动信号QG；所述的功率电路包括MOSFET管和偏置电阻，两个MOSFET管Q₀和Q₁反向串联形成主开关管，电容C₀和电阻R₆串联，与Q₀和Q₁的漏极相连接，形成并联于主开关管两端的吸收保护电路；电阻R₄和R₅和主开关管并联，形成主回路分压电路，向控制电路提供功率回路的交流电压信号VOl；采样电阻R₇串联于功率电路，将流过功率电路的电流转换为电压信号CUR给控制电路。

所述的检测电路包括电压检测电路和电流检测电路，所述的电压检测电路由运算放大器LM741构成反相放大电路，将得到的主回路交流电压信号VOL进行放大，放大之后的信号送到光电耦合器HCPL-3700进行过零检测，在电源电压过零点发出脉冲信号VZ00；R₃₈和R₁₈将主回路采样电阻上的电压信号CUR进行分压后输入到HCPL-788J的VIN+和VIN-，R₁₈和幅值二极管D₆、D₇并联与HCPL-788J的VIN+和VIN-之间，VREF脚接3V的基准参考电压，HCPL-788J对输入信号进行隔离放大后从VOUT输出，通过R₃₄、R₃₅和R₃₆送至电压比较器U1A的2管脚和U1B的5管脚，1.5V的比较电平施加于比较器U1A的3管脚和U1B的6管脚；电容C18和R16的串联电路在U1A的输出端，且与地并联R₂₈和二极管D₄，电容C₁9和R₁₇的串联电路在U1B的输出端，且与地并联R₂₉和二极管D₅。

本实用新型提出的交流固态功率控制器的软开关装置，用功率MOSFET管取代双向晶闸管，作为交流SSPC的主开关器件，既能克服前述的晶闸管的缺点，又能实现交流SSPC的软开关控制，完成两个主功率MOSFET管共用一个驱动电路，在电源电压过零点，两管同时导通；在流过功率管的电流过零点，两管同时关断。

附图说明

图1：现有技术中的功率MOSFET交流开关；

图2：本实用新型提出的交流固态功率控制器软开关装置原理框图；

图3：本实用新型提出的交流固态功率控制器软开关装置中功率电路原理图；

图4：本实用新型提出的交流固态功率控制器软开关装置中控制电路原理框图；

图5：电压检测电路原理图；

图6：电流检测电路原理图；

图7：CPLD电路内部原理图；

图8：交流SSPC零电压开通波形图；

图9：交流SSPC零电流关断波形图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本实用新型作进一步描述：

功率电路原理图如图3所示，本电路设计额定电流为10A，考虑裕量后，主开关管Q₀和Q₁选择德国IXYS公司的MOSFET管IXKH70N60，该功率管的额定电流为70A；吸收保护电路的电容C₀选取0.1μF，电阻R₆选取47Ω；采样电阻R₇选取10mΩ，以保证流过额定电流时，采样电阻能产生100mV的电压。

控制电路中，DSP芯片采用的是TI公司的TMS320F2812，CPLD芯片采用的是ALTERA公司的EPM7128AETC100；电压检测电路原理图如图5所示，图中运算放大器LM741采用NS公司的产品，光电耦合器HCPL-3700采用HP公司的产品，图中外围电路元器件的电阻值和电容值皆如图所示；电流检测电路原理图如图6所示，图中隔离放大器788J选用的是HP公司的产品，运放U1A和U1B采用的是NS公司的LM393，其它外围电路元器件的电阻值和电容值皆如图所示。

本实用新型中交流固态功率控制器软开关装置的原理框图如图2所示。

图2中，该装置分为功率电路和控制电路两大部分，功率电路主要由功率开关管MOSFET和采样电阻构成，实现接通和断开电源与负载；控制电路完成功率开关管的驱动和控制功能。从图2可以看出，控制电路接收上位机发出的控制信号，同时从功率电路采样电路的电流信号CUR和电压信号VOL，进行分析计算，发出功率开关管驱动信号QG。

下面对功率电路和控制电路的构成和原理进行详细说明。

其中功率电路的原理图如图3所示。

图3中，由MOSFET管Q₀和Q₁反向串联形成主开关管，电容C₀和电阻R₆串联，与Q₀和Q₁的漏极相连接，即并联于主开关管两端，形成吸收保护电路；电阻R₄和R₅和主开关管并联，形成主回路分压电路，向控制电路提供功率回路的交流电压信号VOl；采样电阻R₇串联于功率电路，将流过功率电路的电流转换为电压信号CUR，提供给控制电路。

装置中的控制电路是本实用新型的核心部分，能够完成装置中功率开关管的驱动和控制，实现软开关功能。

软开关装置中控制电路的原理框图如图4所示。

从图4可以看出，装置中控制电路由检测电路、DSP电路和CPLD电路等几部分组成。其中检测电路通过对交流电源的电压信号VOL进行过零检测，通过主回路采样电阻对流过主回路的电流信号CUR进行过零检测，并分别在电压电流过零点向CPLD电路发出过零信号；DSP电路接收由上位机通过CAN总线发出的开通关断控制信号，向CPLD电路发出通断控制信号；CPLD电路对DSP电路发出的控制信号和检测电路发出的电压电流过零信号进行逻辑计算，发出功率管软开关驱动信号QG，实现主回路功率管的零电压开通和零电流关断。

●DSP电路

本装置中DSP芯片采用的是TI公司的TMS320F2812，上位机与DSP根据编制的通信协议通过CAN总线进行通信。上位机需要向本装置发送命令时，只需将CAN消息写入装在上位机的CAN卡的发送缓存中。写入后，CAN消息将自动通过CAN总线发送至本装置DSP芯片的CAN接收缓存，并产生消息接收中断。检测到中断信号，DSP主程序立即响应中断，读取其接收缓存中的消息，并根据DSP与上位机之间的通讯协议，通过I/O口将开关命令传送至CPLD电路。

●检测电路

检测电路为电压检测电路和电流检测电路。其中电压检测电路原理图如图5所示。

图5中，由运算放大器LM741构成反相放大电路，对取自于主回路的交流电压信号VOL进行放大，放大之后的信号送到光电耦合器HCPL-3700。

HCPL-3700是FAIRCHILD公司生产的电压/电流阈值检测光电耦合器，对输入交流信号进行过零检测。HCPL-3700对交流信号进行检测时，首先通过内部的二极管整流电路，对交流信号进行全波整流，整流后的信号与预设的阈值进行比较，本实用新型中阈值设定为零。当输入交流信号大于零点时，电路输出为低电平；当输入信号小于零电平时，也就是在交流信号的过零点，电路输出由低变高，发出一个脉冲信号，脉冲信号的宽度由HCPL-3700内部的滞环决定。由以上分析可知电压检测电路可以在电源电压过零点发出脉冲信号VZ00。同时HCPL-3700对输入输出信号在电路上进行了隔离。

电流检测电路完成隔离放大和电流过零检测任务，其电路原理图如图6所示。

从图中可以看出，来自主回路采样电阻的电压信号CUR经R₃₈和R₁₈分压后输入到788J的VIN+和VIN-，图中由788J为主要器件的电路完成隔离放大功能。788J是具有短路和过载检测功能的隔离放大器。其输出电平直接兼容A/D转换器，具有快速短路检测(3us)功能，以输入信号的绝对值方式输出过载检测信号。788J要求输入电压最大值为正负256mV，正常情况下应限制在200mV之内。因此在788J的VIN+和VIN-之间并联两个二极管D₆、D₇，用于对输入信号的幅值进行限制，防止主回路发生过载或短路故障时，因电流过大导致该芯片损坏。788J对输入信号进行隔离放大，从VOUT输出，输出值在0和VREF之间变化，其输出增益典型值为VREF/504mV。本电路中，VREF脚所接外部的基准源为3V的参考电压，因此HCPL-788J的实际增益约为6。由于VREF为3V，788J的输出交流信号是叠加在1.5V的直流电平之上的。

HCPL-788J输出VOUT管脚将隔离放大电路的输出信号送至电压比较器U1A的2管脚和U1B的5管脚。U1A和U1B采用的是运放LM393。由于隔离放大电路的输出信号为叠加在1.5V直流电平上的交流信号，进行过零点比较前必须将1.5V偏置电平减掉。因此图中通过基准源，为比较器U1A3管脚和U1B的6管脚提供1.5V的比较电平REF1.5。当输入的过零比较电路的交流信号大于比较电平时，U1B输出+5V高电平；当输入的过零比较电路的交流信号小于比较电平时，U1A输出+5V高电平。电容C₁₈和C₁₉检测出U1A和U1B的输出电平上升沿，将该信号变换成脉冲信号。

由以上分析可知电流检测电路在流过主回路电流的过零点会发出脉冲信号CZ00-1和CZ00-2。

●CPLD电路

本装置中CPLD电路对DSP电路发出的控制信号CMD和检测电路发出的电压过零信号VZ00和电流过零信号CZ00-1、CZ00-2进行逻辑计算。当上位机发出开通命令，CPLD在交流电压过零点，发出功率管开通信号；功率管开通后，当上位机发出关断命令，CPLD在交流电流过零点，发出关断信号，实现交流固态功率控制器的零电压开通和零电流关断。

CPLD电路内部原理图如下：

图7中，电路初始状态，功率管驱动信号QG为低电平，该低电平封锁了与门inst8，通过非们inst26开放与门inst9，即电路初始状态，电流过零信号CZ00-1和CZ00-2在电路中不会得到响应，电压过零信号VZ00有效。电压过零信号VZ00通过或门inst10送入D触发器inst27，通过D触发器，在每个电压过零点，CPLD电路将DSP电路发出的控制信号CMD送至电路输出信号QG，一旦CMD信号由低电平转为高电平，功率驱动信号QG即在电压过零点由低翻转为高电平，实现功率管的零电压开通；此时，CPLD电路输出信号QG保持为高电平，该电平通过非们inst26封锁住与门inst9，同时开放与门inst8，即功率管开通后，电压过零信号VZ00在电路中不会得到响应，而电流过零信号CZ00-1和CZ00-2变为有效。电流过零信号同样也送入D触发器，通过D触发器，在每个电流过零点，CPLD电路将控制信号CMD送至电路输出信号QG，一旦CMD信号由高电平转为低电平，功率驱动信号QG即在电流过零点由高电平翻转为低电平，实现功率管的零电流关断。

本实施例的效果：

根据上述原理设计的交流SSPC可以方便可靠地实现器件的零电压开通和零电流关断功能，下面分别根据器件在接收到开通和关断命令后的波形图进行效果分析。

图8中，通道1检测的是MOSFET驱动信号，该信号低电平为0V，高电平为12V；通道2检测的是SSPC的负载电压，可以看出负载电压为有效值115V，峰值162V。从图8可以看出，本实用新型中零电压开通电路可以准确检测出电压过零点，当开通控制信号发出后，经过零电压开通电路，在电源电压过零时刻准确发出MOSFET驱动信号，实现了功率开关的零电压开通。

图9中，通道2检测的是MOSFET驱动信号；通道1检测的是SSPC的负载电流，从图中可以看出负载电流有效值为5A。从图9可以看出，当关断命令发出后，SSPC并不会立即关断，而是通过零电流关断电路的作用，在负载电流过零点准确发出关断信号，实现零电流关断。

从图8、图9的波形可以看出，由于电路有效实现了零电压开通和零电流关断，因此在SSPC开通关断瞬间，功率回路不会由于dv/dt、di/dt产生电压、电流尖峰，保证了开关管的可靠运行，同时减小了由di/dt、dv/dt产生的电磁干扰，有效提高了器件的可靠性。

Claims

1.一种交流固态功率控制器的软开关装置，其特征在于包括功率电路和控制电路，控制电路接收输入的控制信号，将该控制信号与由功率电路采样得到的电流信号CUR和电压信号VOL，并输出功率开关管驱动信号QG给功率电路；所述控制电路包括检测电路、DSP电路和CPLD电路，检测电路对回路中交流电源的电压信号VOL和电流信号CUR进行过零检测，两种信号中任一种出现过零信号值时向CPLD电路发出过零信号；DSP电路接收上位输入的开通关断控制信号，向CPLD电路发出通断控制信号；CPLD电路对DSP电路发出的控制信号和检测电路发出的电压电流过零信号进行逻辑计算，然后发出功率管软开关驱动信号QG；所述的功率电路包括MOSFET管和偏置电阻，两个MOSFET管Q₀和Q₁反向串联形成主开关管，电容C₀和电阻R₆串联，与Q₀和Q₁的漏极相连接，形成并联于主开关管两端的吸收保护电路；电阻R₄和R₅和主开关管并联，形成主回路分压电路，向控制电路提供功率回路的交流电压信号VOl；采样电阻R₇串联于功率电路，将流过功率电路的电流转换为电压信号CUR给控制电路。

2.根据权利要求1所述的交流固态功率控制器的软开关装置，其特征在于：所述的检测电路包括电压检测电路和电流检测电路，所述的电压检测电路由运算放大器LM741构成反相放大电路，将得到的主回路交流电压信号VOL进行放大，放大之后的信号送到光电耦合器HCPL-3700进行过零检测，在电源电压过零点发出脉冲信号VZ00；R₃₈和R₁₈将主回路采样电阻上的电压信号CUR进行分压后输入到HCPL-788J的VIN+和VIN-，R₁₈和幅值二极管D₆、D₇并联与HCPL-788J的VIN+和VIN-之间，VREF脚接3V的基准参考电压，HCPL-788J对输入信号进行隔离放大后从VOUT输出，通过R₃₄、R₃₅和R₃₆送至电压比较器U1A的2管脚和U1B的5管脚，1.5V的比较电平施加于比较器U1A的3管脚和U1B的6管脚；电容C₁₈和R₁₆的串联电路在U1A的输出端，且与地并联R₂₈和二极管D₄，电容C₁₉和R₁₇的串联电路在U1B的输出端，且与地并联R₂₉和二极管D₅。