直流固态功率开关电路制造技术

一种涉及直流固态功率开关电路属电力电子领域，包括主功率电路，与负载并联的辅助功率电路，由驱动电源，驱动隔离电路，慢通慢断控制电路，判别控制电路，短路保护电路及推挽输出电路所组成的隔离驱动保护电路，电流检测电路，电压检测电路，主功率管驱动电路，光耦隔离电路，辅助功率管开通逻辑电路和功率驱动输出电路等。本电路能限制容性负载开通过程的电流冲击，能抑制感性负载关断过程存在的尖峰电压；反时限过流保护及短路保护安全可靠，精度高，还具有热记忆功能等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种直流固态功率开关电路属电力电子与电工

技术介绍
直流固态功率开关电路在电路的具体实现上涉及到下面一些关键性技术1.如何解决感性负载关断时开关管两端的尖峰电压及实际电路中由功率管的漏电流引起积累电压的问题。2.反时限过流保护电路的实现目前在反时限过流保护的模拟电路的实现上主要有对数指数法和曲线拟合法，两种方法缺点是实现的反时限特性过流保护曲线误差大，精度低。3.电路的热记忆功能热记忆涉及到过流保护的重合闸问题及功率管的发热问题4.具有电压自举功能的电平控制型磁隔离驱动保护电路。常规的驱动隔离方式主要有光耦和磁耦两种。采用光耦隔离驱动需要单独的辅助电源，并且损耗大，耐辐射能力差，不利于小型化设计。而用磁耦隔离驱动方式能够减少辅助电源数量，降低功耗，高频化下可以进一步减小体积，同时简单可靠，耐辐射，不易受干扰。与常规的开关电源中的脉冲变压器隔离驱动电路不同，在直流固态功率开关电路中的驱动电路直接由脉冲变压器原边的电平信号进行控制，采用调制解调策略，调制后通过解调电路对副边的驱动保护电路动态供电，降低了损耗。自举产生的驱动电源，提供给后级的“慢”开通“慢”关断与短路保护电路，使其能够正常工作。这里存在个电源自举电路、信号解调电路同“慢”开通“慢”关断技术及其短路保护功能的融合问题。5.功率管的“慢”开通“慢”关断技术功率管的“慢”开通能有效地抑制开通过程容性负载的电流冲击，“慢”关断则可以抑制感性负载关断过程中的尖峰电压，目前常见的是利用弱恒流源驱动技术来实现“慢”开通“慢”关断，其缺陷是存在弱恒流源驱动与正常驱动的转换，电路结构复杂，而且“慢”通“慢”断的时间设定有限。6.短路保护功能及其与“慢”开通“慢”关断技术的融合短路保护是固态开关可靠工作的必要保护功能，短路作为系统最恶劣的故障，要求固态开关必须能在很短的瞬间内(25μs)对短路故障进行处理，切断电路，保护负载和线路免遭损坏，而“慢”关断使功率管以相对较长的时间切断负载；另外，如何保证功率管正常开通过程中不进入短路保护状态，这些都存在短路保护功能及其与“慢”开通“慢”关断技术的融合问题。
技术实现思路
本专利技术在研究现有的直流固态功率开关电路的基础上，在一些关键性技术的实现上做了改进，基于这些关键技术所设计的固态开关性能更加完善、可靠性大大提高。这些关键性技术包括1.负载两端并联带有反向二极管的辅助功率管的主、辅功率管串联应用的拓扑结构，即Uin直流输入电压经主功率管、检测电阻接负载，负载两端并联带有反向二极管的辅助功率管，辅助功率管的作用是安全电压的泄漏嵌位及感性负载关断时的续流。2.模拟器件模拟乘法器、积分器构成的过流保护电路实现了较精确的反时限过流保护功能。3.带有热记忆功能的反时限过流保护功能。4.采用调制解调策略具有电压自举功能的电平控制型磁隔离驱动保护电路。自举电压对后级驱动电路采用动态供电方式。5.用RC网络实现的功率管的“慢”开通、“慢”关断技术。6.功率管“慢”通“慢”断技术与降栅压短路保护电路的融合。本专利技术的直流固态功率开关电路的具体结构是直流输入电压经主功率电路和检测电路接负载，其特征在于，与主功率电路相连的由驱动电源和驱动隔离电路分别与驱动保护电路相连的隔离驱动保护电路，其中驱动保护电路又包括慢通慢断控制电路连于判别控制电路的输入，判别控制电路的输出连于短路保护电路。慢通慢断控制电路和短路保护电路又分别连于与主功率电路相连的推挽输出电路；负载两端并联辅助功率电路；电流检测电路分别连于反时限过流保护电路、过温保护电路、热记忆电路以及状态输出电路的输入端，反时限过流保护电路的输出连于与隔离驱动保护电路中的驱动隔离电路相连的包括延时信号电路、死区控制信号电路、状态锁存信号电路在内的主功率电路的主功率管驱动电路；状态输出电路的输出分别连于与延时信号电路相连的光耦隔离电路和辅助功率电路的辅助功率管开通逻辑判断电路；此辅助功率电路的辅助功率管开启逻辑判断电路经驱动隔离电路连于辅助功率电路相连的慢通慢断控制电路和与驱动电源相连的功率驱动输出电路。本专利技术的直流固态功率开关电路，具有下面的优点(1)限制了容性负载开通过程的电流冲击；(2)抑制了感性负载关断过程存在的尖峰电压；(3)安全电压的泄漏嵌位；(4)比较精确的反时限过流保护特性；(5)具有限流功能的及时的短路保护；(6)热记忆功能(7)需要的辅助电源数量，功耗低(8)驱动电路简单可靠，耐辐射，不易受干扰。附图说明图1直流固态功率开关电路的基本原理2直流固态功率开关电路功率回路电路3三段式过流保护特性曲线图4直流固态功率开关电路反时限过流保护电路5主功率管“慢”开通、“慢”关断波形6 RC网络实现的主功率管“慢”开通、“慢”关断电路7具有电压自举功能的电平控制型磁隔离驱动保护电路8采用光耦隔离的驱动保护电路9采用调制解调策略的驱动电路原理框图。图10采用调制解调策略的磁隔离驱动保护电路中的各点波形图11慢开通、慢关断与短路保护时序图具体实施方式图1给出了直流固态功率开关电路的基本原理图。功率输入为直流电压(600V＞Uin＞36V)，由上位机发出控制命令控制驱动电路从而控制主功率管的导通和关断。在主功率回路串联检测电路，用以采样负载电流，对采样的电流放大后进行判断和比较，以实现反时限的过流保护和负载电流的检测，过流保护的跳闸状态信号输出到驱动电路用以关断主功率管，负载电流状态输出给上位机。在功率输出端对输出电压进行采样，通过对输出电压的判断和比较实现主功率管MOSFET的状态检测以及安全电压检测。在死区控制电路的作用下，当主功率管关断时，如果输出电压大于安全电压(设定为＞30V)，则对输出进行箝位，通过逻辑电路控制辅助功率管的驱动电路，从而开通辅助功率管进行泄漏箝位。同时，主功率管MOSFET的状态输出给上位机。下面详细介绍本专利技术所涉及的一些关键性技术1.负载两端并联辅助功率管的主、辅功率管串联应用的拓扑结构，即直流输入电压经主功率管、检测电阻接负载，负载两端并联带有反向二极管的辅助功率管。图2给出了主辅功率管串联的Uin直流固态功率开关电路的功率回路电路结构直流输入电压经主功率管MOS1、检测电阻R1接负载Load，负载两端并联带有反向二极管D2的辅助功率管MOS2，辅助功率电路由辅助功率管和功率电阻R2组成。辅助功率电路中的辅助功率管和主功率管选用同样型号的MOSFET，在电路中起到泄漏箝位的作用，具体分析如下(1)图2(a)给出了纯阻性负载下的电路结构，在固态开关开通与关断瞬间都不存在能量的存储与泄放，主功率管MOS1正常开断。主功率管MOS1开通时，处于截止状态的辅助功率管MOS2作为兆欧级的大负载与负载Load并联，输入直流电经检测电阻R1作用在负载Load上，而辅助功率管支路中仅流过微安级的漏电流；主功率管MOS1关断时，辅助功率管MOS2同样也是兆欧级的大负载与主功率管MOS1串接在主电路中，因此两管中都有一定的漏电流通过。(2)图2(b)给出了容性负载下的电路结构，在固态开关开通时(即主功率管MOS1开通时)，输入电压对电容C充电，稳态时电容C相当于开路，电容C上的电压为输入电压值Uin；固态开关关断瞬间(即主功率管MOS1关断瞬间)，电容C本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直流固态功率开关电路，其构成是：直流输入电压经主功率电路和检测电路接负载，其特征在于，与主功率电路相连的由驱动电源和驱动隔离电路分别与驱动保护电路相连的隔离驱动保护电路，其中驱动保护电路又包括慢通慢断控制电路连于判别控制电路的输入，判别控制电路的输出连于短路保护电路，慢通慢断控制电路和短路保护电路又分别连于与主功率电路相连的推挽输出电路；负载两端并联辅助功率电路；电流检测电路分别连于反时限过流保护电路、过温保护电路、热记忆电路以及状态输出电路的输入端，反时限过流保护电路的输出连于与隔离驱动保护电路中的驱动隔离电路相连的包括延时信号电路、死区控制信号电路、状态锁存信号电路在内的主功率电路的主功率管驱动电路；状态输出电路的输出分别连于与延时信号电路相连的光耦隔离电路和辅助功率电路的辅助功率管开通逻辑判断电路；此辅助功率电路的辅助功率管开启逻辑判断电路经驱动隔离电路连于辅助功率电路相连的慢通慢断控制电路和与驱动电源相连的功率驱动输出电路。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王莉，王志强，严杰，杨善水，严仰光，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]