CN202524169U - 一种270v直流固态功率控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种270V直流固态功率控制器，包括功率开关回路单元和控制单元；功率开关回路单元包括固态功率开关；控制单元包括：控制信令处理装置、逻辑阵列装置和驱动回路。控制信令处理装置将接收的控制指令输送到逻辑阵列装置；逻辑阵列装置根据控制指令向驱动电路发送驱动控制指令；驱动回路根据驱动控制指令向固态功率开关发送驱动信号，控制固态功率开关接通或断开。固态功率开关为功率MOSFET。本实用新型的270V直流固态功率控制器显著降低导通线路压降，并避免了传统继电器在开通或断开负载时机械触点动作产生的电弧，彻底消除了电磁干扰。

Description

一种270V直流固态功率控制器

技术领域

本实用新型涉及直流供电技术领域，特别涉及一种270V直流固态功率控制器。 

背景技术

现代飞机、车辆的功能愈发复杂，性能要求越来越高，用电设备数量急剧增加，使得传统供电系统的容量、效率已不适应要求，配电系统下的供电电缆数量多，贯穿长，影响飞机、车辆的机动特性和载重量。

采用高压直流供电系统，在同样的负载功率下，可显著减少馈电导线的线径；采用分布式配电方式，就近将汇流条电能分配给用电设备，大大降低馈电线缆的长度。这两种技术结合起来，可显著提升配电系统的效率，降低配电线路电能损耗。

金属-氧化物-半导体-场效应晶体管，简称金氧半场效晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET），是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管（field-effect transistor）。MOSFET依照其“通道”的极性不同，可分为n沟通、p沟通的MOSFET。功率MOSFET是一种以栅源极间电压控制漏源极间电流的功率控制器件，其所需驱动功率小、开关速度快、导通电阻小且为正温度系数，易并联，可用作固态功率开关。随着功率MOSFET制造工艺快速发展，器件的耐压值可达1000V以上，在满足通流量的情况下导通电阻可低至几十毫欧，可显著降低导通压降和功率损耗。另一方面，嵌入式计算机控制技术飞速发展，一个很小封装的微控制器就能达到几十兆赫兹的运算频率，并且包含了多种串行通信总线接口、I/O口和AD采集端口，为实现智能功率控制提供了条件。

目前使用的270V高压直流供电系统比28V直流供电系统的绝缘耐压要求高，传统配电方式中的断路器、熔断器应用时极易产生接触电弧，烧蚀金属触点，产生积炭或氧化物，影响导通性能。

发明内容

有鉴于此，本实用新型要解决的一个技术问题是提供一种270V直流固态功率控制器，能够提高270V高压直流供电系统的导通性能。

一种270V直流固态功率控制器，包括：功率开关回路单元和控制单元；所述功率开关回路单元包括固态功率开关；所述控制单元包括：控制信令处理装置、逻辑阵列装置和驱动回路；所述控制信令处理装置与所述逻辑阵列装置连接，所述控制信令处理装置将接收的控制指令输送到所述逻辑阵列装置；所述逻辑阵列装置与所述驱动回路连接，所述逻辑阵列装置根据所述控制指令向所述驱动电路发送驱动控制指令；所述驱动回路与所述固态功率开关连接，所述驱动回路根据所述驱动控制指令向所述固态功率开关发送驱动信号，控制所述固态功率开关接通或断开；其中，所述固态功率开关为功率MOSFET。

根据本实用新型的一个实施例，进一步的，所述功率MOSFET为耐压值在600V以上的N沟道绝缘栅型场效应管。

根据本实用新型的一个实施例，进一步的，所述固态功率开关中设置栅源输入电容；所述驱动电路中包括电阻能够改变的栅极电阻。

根据本实用新型的一个实施例，进一步的，所述控制信令处理装置通过串行通信总线接收外部上位机的控制指令；其中，所述通信总线配置为SCI、SPI和I ² C三种中的一种。

根据本实用新型的一个实施例，进一步的，所述控制单元还包括：接收超控指令并将所述超控指令传送到所述逻辑阵列装置的超控指令接收装置；其中，所述超控指令为用户通过所述功率控制器外部的超控指令按扭输入，并且所述超控指令的控制优先级最高。

根据本实用新型的一个实施例，进一步的，所述功率开关回路还包括：与所述固态功率开关和负载串联的采样电阻；所述控制单元还包括：采集所述采样电阻的电压数据的短路电流比较装置；所述短路电流比较装置与所述逻辑阵列连接；在所述短路电流比较装置判断出现短路的状态下，所述短路电流比较装置向所述逻辑阵列单元发送短路产生信号；所述短路电流比较装置与所述控制信令处理装置连接；在短路电流比较装置判断所述采样电阻的电压小于电压基准的状态下，所述短路电流比较装置将所述采样电阻的电压数据输入到所述控制信令处理装置。

根据本实用新型的一个实施例，进一步的，所述控制信令处理装置与所述驱动电路连接，并实时采集所述驱动电路输出的控制信号。

根据本实用新型的一个实施例，进一步的，所述功率控制器还包括：实时监测电源功率输出的电源状态监控装置；所述电源状态监控装置与所述控制信令处理装置连接，并将所述电源功率输出数据发送给所述控制信令处理装置。

根据本实用新型的一个实施例，进一步的，所述功率控制器还包括：实时采集负载输出端的电压的电压采样装置；所述电压采样装置与所述控制信令处理装置连接，并将所述负载输出端的电压数据发送给所述控制信令处理装置。

根据本实用新型的一个实施例，进一步的，所述功率控制器还包括告警指示单元；其中，所述告警指示单元与所述控制信令处理装置，接收所述控制信令处理装置发送的跳闸指示指令。 

本实用新型的270V直流固态功率控制器显著降低导通线路压降，并避免了传统继电器在开通或断开负载时机械触点动作产生的电弧，彻底消除了电磁干扰。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 

图1是根据本实用新型的270V直流固态功率控制器的一个实施例的示意图； 

图2为使用本实用新型的270V直流固态功率控制器的一个实施例的反时限保护曲线示意图。

具体实施方式

下面参照附图对本实用新型进行更全面的描述，其中说明本实用新型的示例性实施例。下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。下面结合图和实施例对本实用新型的技术方案进行多方面的描述。 

图1是根据本实用新型的270V直流固态功率控制器的一个实施例的示意图。如图1所示，270V直流固态功率控制器包括功率开关回路单元23和控制单元12。270V直流固态功率控制器还包括：电源隔离装置8、电压调整装置9、电压基准装置10、隔离接口19、20、21。功率开关回路单元23包括固态功率开关1。控制单元12包括：控制信令处理装置13、逻辑阵列装置14、驱动回路4、电流采样装置15、电压采样装置16。控制信令处理装置13可以通过微处理器、集成电路、ARM等来实现。控制信令处理装置13与逻辑阵列装置14连接，控制信令处理装置13将接收的控制指令输送到逻辑阵列装置14。逻辑阵列装置14与驱动回路4连接，逻辑阵列装置14根据控制指令向驱动电路4发送驱动控制指令。驱动回路4与固态功率开关1连接，驱动回路4根据驱动控制指令向固态功率开关1发送驱动信号，控制固态功率开关接通或断开。固态功率开关为功率MOSFET。控制信令处理装置13和外部通信，接收突发的接通或关断指令，进行处理后由逻辑阵列装置14完成逻辑运算，输出至驱动电路4以驱动功率开关1。

根据本实用新型的一个实施例，功率MOSFET为耐压值在600V以上的N沟道绝缘栅型场效应管。功率开关回路单元23的作用是响应驱动电路4的输出信号，将功率汇流条输入功率分配给用电负载2。分配分为两种形式：接通或断开。功率开关回路23包括固态功率开关1、功率输出引脚7和功率电源回线引脚3。传统断路器利用双金属片的热膨胀系数不一致来断开触点，在过流情况下为功率回路设备提供保护。而本实用新型的固态功率控制器是基于功率回路电流进行精确保护控制，回路电流是极其重要的特征量，因此，采用高精密、低阻值贴片电阻5采集回路电流。

根据本实用新型的一个实施例，用电负载2常见的类型有阻性、容性、感性及电动机、灯负载等，实际上纯阻性的用电设备极少，往往是阻容性或阻感性的较多。容性负载接通时产生很大的di/dt，极易产生电磁发射，干扰整个电源系统。固态功率开关1是靠改变栅源极间电压来控制漏源导电沟道的宽度，从而控制导通电流，即可利用栅源电压上升速率来控制负载回路的电流上升速率。由于功率开关存在栅源输入电容，只需调整驱动电路4中的栅极电阻改变驱动信号的上升时间常数，即可改变栅极电压上升速率。相对缓慢开通容性负载的另一个目的是防止瞬时接通很多容性负载造成电源系统的欠压浪涌，本实用新型的固态功率控制器的负载电压上升时间为200微秒左右。

感性负载断开时产生较大的反向电动势du/dt，极易损伤电源系统。采用超快恢复功率二极管6作为续流回路，使断开感性负载时产生的反向感应电流可持续消耗在负载上。另一方面，调整驱动电路4中的栅极电压下降时间常数以达到缓慢关断的目的可减小du/dt，本实用新型的固态功率控制器的负载电压下降时间为100微秒左右。

根据本实用新型的一个实施例，控制信令处理装置13通过串行通信总线接收外部上位机的控制指令。通信总线配置为三选一形式，可供选择的通信方式有SCI、SPI和I ² C。默认配置为SCI，通信的波特率为19200bps，奇校验。用户若需配置其他工作方式，则需按照通信协议输入相应的配置命令，配置成功后才可使用。内外部通信之间用隔离接口20隔离。

相对正常使用状态，控制单元12还包括接收超控指令并将超控指令传送到逻辑阵列装置14的超控指令接收装置（在图1中未画出），即在通信线路失效或控制信令处理装置13失效的情况下，用户可通过外部超控开关直接对功率开关1进行控制，超控信号通过隔离接口19与外部隔离。超控的控制优先级高于总线通信控制，控制信令处理装置13收到上位机控制指令后进行解析，然后输出到逻辑阵列装置14进行逻辑综合，逻辑综合的结果输出至驱动电路4。

驱动电路4收到接通信号将固态功率开关1打开后，功率回路便产生电流，电流在采样电阻5上形成电压，该电压直接进入短路电流比较电路装置17用于判断功率回路是否存在短路，若存在短路，则短路比较电路17后产生短路信号并送至逻辑阵列装置14，通过内部逻辑将短路信号锁存并触发短路保护机制，输出关断信号至驱动电路4以切断功率开关1。若小于电压基准，短路电流比较装置17将采样电阻的电压数据输入到控制信令处理装置。根据一个实施例，也可以由电流采样电路15将该电压信号采集后输入到控制信令处理装置13，控制信令处理装置13内部的AD转换模块进行模拟—数字转换后得到功率回路电流的准确数字值，计算相对于额定电流的倍数，判断是否启用过流保护程序。

根据本实用新型的一个实施例，在短路情况下，回路电流取决于电源内阻和线路阻抗。本实用新型中运用限流电路18限制功率回路短路电流。当固态功率开关1因短路或过流而关断后，控制信令处理装置13采集短路信号、过流信号、驱动信号和控制指令。功率控制器还包括告警指示单元（在图1中未画出），告警指示单元接收控制信令处理装置13发送的跳闸指示指令。根据一个实施例，通过隔离接口电路22，外部可接告警指示灯指示或用离散量采集接口采集。此时，若要再次接通负载，只需先向固态功率控制器发送断开命令，再发送一次接通命令即可对固态功率控制器完成复位动作。

根据本实用新型的一个实施例，传统断路器只能对额定电流的负载提供有效的过流保护，本实用新型的固态功率控制器则可根据负载保护特性需求提供适应性调整。例如，额定电流为5安培的断路器用于额定电流为5安培的负载，当负载回路电流为10安培（2倍过载），保护时间为10秒，能恰好提供有效保护。如果将该断路器应用于额定电流为2安培的负载，负载回路电流为10安培（5倍过载），因为断路器的保护时间是由双金属片的物理特性决定的，其保护时间仍为10秒，显然，5倍过载情况下的过流保护时间应比2倍过载短，所以，此断路器无法为2安培负载回路提供有效保护。面对这种情况，如果断路器的额定电流或者保护特性可供用户配置的话，它的适用范围就很广了。对于本实用新型的功率控制器，用户可将真实额定电流值通过总线配置到固态功率控制器内部，上电后即可基于真实额定电流值计算过流倍数，提供精确保护。根据一个实施例，5安培的固态功率控制器可编程配置的范围为1安培至5安培。

根据本实用新型的一个实施例，在用电设备数量巨大的情况下，供电系统的可靠性和维修性显得尤为重要。如果配电开关能够提供冗余供电或者容错供电，可以极大程度的提高设备的任务可靠性。同样，在供电系统维修时，靠人工排查进行定位故障，势必造成效率低下，影响飞机的派遣率，这一切都依赖于产品自检测（BIT）。本固态功率控制器提供三种BIT方式：上电BIT、连续BIT和维护BIT，提供原位检测和离位检测。

可以提供总线通信状态检测、驱动电路4检测、功率汇流条状态检测和功率输出检测。功率控制器还包括实时监测电源功率输出的电源状态监控装置11。电源状态监控装置11与控制信令处理装置13连接，并将电源功率输出数据发送给控制信令处理装置13。实时采集负载输出端的电压的电压采样装置16，电压采样装置16与控制信令处理装置13连接，并将负载输出端的电压数据发送给控制信令处理装置13。

根据一个实施例，由于本实用新型的固态功率控制器中各个部件、单元和装置等实现的方式不同，例如通过集成电路、单片机或处理器等等实现，各个部件、单元和装置之间的连接方式可以有电路连接、电线连接等方式。

根据一个实施例，控制信令处理装置13实时采集驱动电路4输出的控制信号电平，结合上位机命令，反馈有效/无效接通及有效/无效断开状态。电源状态监控电路11实时监测功率汇流条输入电压，电压等于或大于设定阀值，电源状态监控电路11产生有效信号输出到控制信令处理装置13，反之，汇流条输入电压小于阀值，电源状态监控电路11产生有无效信号输出到控制信令处理装置13。根据一个实施例，实时监测电源功率输出的电源状态监控装置11，电源状态监控装置11与控制信令处理装置13连接，并将电源功率输出数据发送给控制信令处理装置13。电压采样电路16实时采集负载输出端7的电压，结果送至控制信令处理装置13的AD端口进行转换，转换后的结果通过通信总线上报。两个或多个固态功率控制器可以并联使用给负载供电，其中一路失效可以启用另外的固态功率控制器持续给负载供电。

根据一个实施例，在电气负载管理中心中集成控制管理多路固态功率控制器时，可采用总线型拓扑结构组成通信网络。上位机可通过总线在线配置本固态功率控制器的身份识别码、通信波特率。

图2为使用本实用新型的270V直流固态功率控制器的一个实施例的反时限保护曲线示意图。如图2所示，本实用新型的270V直流固态功率控制器实时采集回路电流，并计算采集值与设定的额定电流值的比值，根据反时限保护曲线（即I²t曲线）进行过流保护。图2中显示了本实用新型的270V直流固态功率控制器进行过流保护的3条反时限保护曲线。当实际电流为额定电流的1.25倍以上时，固态功率控制器进入延时程序，若在延时过程中电流采样值持续不变，则在按I²t曲线的时间延时到达的时刻，发出关断信号至驱动电路4以切断功率开关1。若在延时过程中，实际电流增大，则延时时间缩短。若在延时过程中，实际电流降到额定电流的1.25倍以下，则跳出反时限保护。固态功率控制器的初始保护曲线为中间的一条，如负载需快速保护，只需从上位机发送“80%”到控制信令处理装置13中，如负载需慢速保护，只需发送“180%”到控制信令处理装置13中，同理，保护特性在这两者间的均可配置。 

本实用新型的270V直流固态功率控制器具有下述特点：

1、显著降低导通线路压降。同时辅以漏电流吸收电路，使固态功率控制器的漏电流在1微安以下，避免了传统继电器在开通或断开负载时机械触点动作产生的电弧，彻底消除了电磁干扰。

 2、具有软开关功能，即慢开通和慢关断功能。缓慢接通大容性负载，降低冲击电流的危害；缓慢关断感性负载，防止反向电动势损坏供电回路和供电电源；还具有续流回路，防止关断感性负载时对固态开关造成损伤。

 3、通过三种可选择的串行通信总线接收上位计算机的开关命令，可在短时间内接通或断开负载，并可以实现自动供电、远程供电和智能供电，避免机组人员手动扳动供电开关。

 4、具有跳闸指示和复位功能。当供电回路因短路、过流或过热进入保护状态时，通过离散量状态告知外部供电开关已跳闸。跳闸后可接受上位机复位指令，清除跳闸状态，对负载再次进行控制。

 5、可监控总线运行状态、正常开通或断开状态、过流或短路保护状态、汇流条开路或断路状态和输出电压，通过总线反馈BIT结果，便于机组人员实时监控和记录设备状态以采取有效措施，在地面时，也方便维修人员快速定位故障，显著降低维修成本和提升效率。

 6、可通过超控输入引脚对功率开关进行超越控制，即强行开通或关断负载。

本实用新型的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本实用新型限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本实用新型的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本实用新型从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (10)

1.一种270V直流固态功率控制器，包括：功率开关回路单元和控制单元；其特征在于：

所述功率开关回路单元包括固态功率开关；所述控制单元包括：控制信令处理装置、逻辑阵列装置和驱动回路；

其中，所述控制信令处理装置将接收的控制指令输送到所述逻辑阵列装置；所述逻辑阵列装置根据所述控制指令向所述驱动电路发送驱动控制指令；所述驱动回路根据所述驱动控制指令向所述固态功率开关发送驱动信号，控制所述固态功率开关接通或断开；

所述固态功率开关为功率MOSFET。

2.如权利要求1所述的功率控制器，其特征在于：

所述功率MOSFET为耐压值在600V以上的N沟道绝缘栅型场效应管。

3.如权利要求2所述的功率控制器，其特征在于：

所述固态功率开关中设置栅源输入电容；

所述驱动电路中设置栅极电阻，所述栅极电阻的电阻值能够改变。

4.如权利要求1所述的功率控制器，其特征在于：

所述控制信令处理装置通过串行通信总线接收外部上位机的控制指令； 

其中，所述通信总线配置为SCI、SPI和I²C三种中的一种。

5.如权利要求1所述的功率控制器，其特征在于：

所述控制单元还包括：接收超控指令并将所述超控指令传送到所述逻辑阵列装置的超控指令接收装置；

其中，所述超控指令为用户通过所述功率控制器外部的超控指令按扭输入，并且所述超控指令的控制优先级最高。

6.如权利要求1所述的功率控制器，其特征在于：

所述功率开关回路还包括：与所述固态功率开关和负载串联的采样电阻；

所述控制单元还包括：采集所述采样电阻的电压数据的短路电流比较装置；其中，在所述短路电流比较装置判断出现短路的状态下，所述短路电流比较装置向所述逻辑阵列单元发送短路产生信号；在短路电流比较装置判断所述采样电阻的电压小于电压基准的状态下，所述短路电流比较装置将所述采样电阻的电压数据输入到所述控制信令处理装置。

7.如权利要求3所述的功率控制器，其特征在于：

所述控制信令处理装置与所述驱动电路连接，并实时采集所述驱动电路输出的控制信号。

8.如权利要求1所述的功率控制器，其特征在于：

所述功率控制器还包括：实时监测电源功率输出的电源状态监控装置；所述电源状态监控装置与所述控制信令处理装置连接，并将所述电源功率输出数据发送给所述控制信令处理装置。

9.如权利要求1所述的功率控制器，其特征在于：

所述功率控制器还包括：实时采集所述功率控制器的负载输出端的电压的电压采样装置；所述电压采样装置与所述控制信令处理装置连接，并将所述负载输出端的电压数据发送给所述控制信令处理装置。

10.如权利要求1至9中任意一项所述的功率控制器，其特征在于：

所述功率控制器还包括告警指示单元；其中，所述告警指示单元接收所述控制信令处理装置发送的跳闸指示指令。

Images