一种交流固态功率控制器及其短路保护方法技术

一种交流固态功率控制器及其短路保护方法，包括交流信号输入输出单元、逻辑驱动控制单元、工作电流检测单元、过载电流检测单元、定值极限峰值短路保护单元和动态极限瞬时短路保护单元；本发明专利技术采用负载线路电流多通道监测、动态短路保护基准实时触发与极限短路电流门限比较相结合的方式来提升交流SSPC对于交流短路的识别和保护速率和可靠性，能有效提交流SSPC的性能。该方法，也适用于航天、民用领域基于固态功率器件的交流配电保护场合、以及未来航空变频交流供电体制下新型交流SSPC的应用。用多通道电流监测、电流数据融合处理，既可以提升额定电流监测精度，也能保证短路和过载保护对电流监测的宽量程和实时性要求。保护对电流监测的宽量程和实时性要求。保护对电流监测的宽量程和实时性要求。

【技术实现步骤摘要】
一种交流固态功率控制器及其短路保护方法


[0001]本专利技术属于固态功率控制器
，特别涉及一种交流固态功率控制器及其短路保护方法。

技术介绍

[0002]随着智能化、多/全电技术的发展，用电设备的种类、数量尤其是用电功率剧增，传统的采用继电器/接触器+断路器/熔断器的方式已经不适合越来越多的用电设备对于远程控制、信息综合控制和复杂用电特性保护的要求。
[0003]近年来，航空领域大量采用基于功率半导体器件MOSFET的固态功率控制器(SSPC)来替代传统功率开关器件来实现负载线路的通/断控制和保护，通过数据总线实现控制和信息综合。现有的交流固态功率控制器(SSPC)的过载保护特别是短路保护大多采用电流瞬时值与电路设定极限电流峰值门限进行比较的方式来实现。从实际应用的情况来看，这种方式对于短路电流识别速度慢，从短路电流产生到实际电流达到极限短路电流时才触发短路保护，而此时瞬态电流已经非常大了(短路电流通常设为额定电流的10倍)，在此刻关断MOS管，瞬时功率大，特别容易引起MOSFET的损坏。
[0004]为了解决上述问题，业内一般采取的方案是通过并联半导体功率开关器件增加载流能力、或者增加高功率的限流回路或慢关断技术等来解决该问题。这些方法虽然短暂缓解了当前问题，但未能从根本上彻底解决问题，无法使得功率半导体器件的性能得到最大化利用，致使交流固态功率控制器(SSPC)功率受限于体积、重量，一直无法大范围广泛应用。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种交流固态功率控制器及其短路保护方法，以解决上述问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]一种交流固态功率控制器，包括交流信号输入输出单元、逻辑驱动控制单元、工作电流检测单元、过载电流检测单元、定值极限峰值短路保护单元和动态极限瞬时短路保护单元；工作电流检测单元和过载电流检测单元的一端连接到交流信号输入输出单元，另一端连接逻辑驱动控制单元，用于对采集的差分信号进行采集计算；定值极限峰值短路保护单元一端连接过载电流检测单元，另一端连接动态极限瞬时短路保护单元，用于接收来自过载电流检测单元的差分信号，输出短路状态信号到动态极限瞬时短路保护单元；逻辑驱动控制单元接收动态极限瞬时短路保护单元的短路出发信号，用于对功率半导体器件的通断控制和短路保护。
[0008]进一步的，交流信号输入输出单元包括交流功率输入、交流功率输出、功率半导体器件Q1、功率半导体器件Q2、分流器Rx、输出功率半导体器件Q3和输出功率半导体器件Q4；交流功率输入依次连接功率半导体器件Q2和功率半导体器件Q1；输出功率半导体器件Q3、
输出功率半导体器件Q4和交流功率输出依次连接；输出功率半导体器件Q3的输入端和功率半导体器件Q1的输出端均连接到逻辑驱动控制单元；输出功率半导体器件Q3的输入端和功率半导体器件Q1之间设置有分流器Rx；分流器Rx连接到工作电流检测单元和过载电流检测单元。
[0009]进一步的，逻辑驱动控制单元包括处理器单元U0、信号锁存器U2、反相器U5、逻辑器件与门U4和高速隔离驱动U3；处理器单元U0和反相器U5均连接到逻辑器件与门U4，信号锁存器U2的一端连接处理器单元U0，另一端连接反相器U5，逻辑器件与门U4的输出端连接高速隔离驱动U3；输出功率半导体器件Q3的输入端和功率半导体器件Q1的输出端连接到高速隔离驱动U3。
[0010]进一步的，工作电流检测单元包括高精度差分运算放大器G1和运算放大器G2；高精度差分运算放大器G1连接分流器的Rx，高精度的隔离差分采集芯片G1的输出端接运算放大器G2的输入端；运算放大器G2的输出端连接处理器单元U0。
[0011]进一步的，过载电流检测单元包括高精度差分运算放大器G3和运算放大器G4；高精度差分运算放大器G3连接接分流器的Rx，高精度差分运算放大器G3的输出端接运算放大器G4的输入端，运算放大器G4的输出端连接处理器单元U0。
[0012]进一步的，定值极限峰值短路保护单元包括运算放大器G5、绝对值转换芯片ABS1、比较器C1和基准电压源REF1；高精度差分运算放大器G3的输出端接运算放大器G5的输入端，运算放大器G5的输出端连接绝对值转换芯片ABS1，绝对值转换芯片ABS1连接比较器C1，比较器C1上连接有基准电压源REF1。
[0013]进一步的，动态极限瞬时短路保护单元包括高精度差分运算放大器G6、绝对值转换芯片ABS2、比较器C2、比较器C3、逻辑器件或门U7、逻辑器件与门U6、基准电源REF2、分压电阻R1和分压电阻R2；分压电阻R1和分压电阻R2依次连接，分压电阻R1连接交流信号输入输出单元的交流信号，高精度差分运算放大器G6采集分压电阻R2两端的电压，输入到绝对值转换芯片ABS2，然后与定值极限峰值短路保护单元的信号通过比较器C2进行对比输出，同时与绝对值ABS1的输出电压通过比较器C3进行比较，输出短路出发信号到逻辑器件与门U6，逻辑器件与门U6连接逻辑器件或门U7，比较器C1的输出端连接逻辑器件或门U7，形成短路保护出发信号。
[0014]进一步的，一种交流固态功率控制器的短路保护方法，包括以下步骤：
[0015]将过载电流检测单元的高精度差分运算放大器G3的输出信号送到运算放大器G5对其增益调节，检测超过10倍额定电流以上的电流值；
[0016]然后将增益调节后的信号输入到绝对值转换芯片ABS1实现将交变信号转化为正半轴的波形，然后与10倍额定电流以上的基准电压源REF1进行比较分析；
[0017]若此时的正半轴的电流值的瞬时值大于基准电压源REF1的参考值，则比较器C1的输出信号进行翻转，输入到逻辑器件或门U7与逻辑器件与门U6的输出做或逻辑处理，通过逻辑器件或门U7将超10倍的短路信号值锁存在信号锁存器U2，通过信号锁存器U2，再通过反相器输出到逻辑器件与门U4，直接作用到高速隔离驱动U3，实现对功率半导体的快速关断，实现快速的短路保护。
[0018]与现有技术相比，本专利技术有以下技术效果：
[0019]本专利技术提出一种新型交流固态功率控制器设计及短路保护方法，采用负载线路电
流多通道监测、动态短路保护基准实时触发与极限短路电流门限比较相结合的方式来提升交流SSPC对于交流短路的识别和保护速率和可靠性，能有效提交流SSPC的性能。该方法，也适用于航天、民用领域基于固态功率器件的交流配电保护场合、以及未来航空变频交流供电体制下新型交流SSPC的应用。用多通道电流监测、电流数据融合处理，既可以提升额定电流监测精度，也能保证短路和过载保护对电流监测的宽量程和实时性要求。
[0020]采用交流电压作为电流基准源的方法，动态的实现短路电流在任意时刻发生短路时，利用电压和电流的相位差满足GJB181B
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2012要求的相位差的余弦值的范围为0.85～1的要求，充分利用了电压上升(下降)时，电流也会跟随上升(下降)的特性，可以很准确的提前本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种交流固态功率控制器，其特征在于，包括交流信号输入输出单元、逻辑驱动控制单元、工作电流检测单元、过载电流检测单元、定值极限峰值短路保护单元和动态极限瞬时短路保护单元；工作电流检测单元和过载电流检测单元的一端连接到交流信号输入输出单元，另一端连接逻辑驱动控制单元，用于对采集的差分信号进行采集计算；定值极限峰值短路保护单元一端连接过载电流检测单元，另一端连接动态极限瞬时短路保护单元，用于接收来自过载电流检测单元的差分信号，输出短路状态信号到动态极限瞬时短路保护单元；逻辑驱动控制单元接收动态极限瞬时短路保护单元的短路出发信号，用于对功率半导体器件的通断控制和短路保护。2.根据权利要求1所述的一种交流固态功率控制器，其特征在于，交流信号输入输出单元包括交流功率输入、交流功率输出、功率半导体器件Q1、功率半导体器件Q2、分流器Rx、输出功率半导体器件Q3和输出功率半导体器件Q4；交流功率输入依次连接功率半导体器件Q2和功率半导体器件Q1；输出功率半导体器件Q3、输出功率半导体器件Q4和交流功率输出依次连接；输出功率半导体器件Q3的输入端和功率半导体器件Q1的输出端均连接到逻辑驱动控制单元；输出功率半导体器件Q3的输入端和功率半导体器件Q1之间设置有分流器Rx；分流器Rx连接到工作电流检测单元和过载电流检测单元。3.根据权利要求2所述的一种交流固态功率控制器，其特征在于，逻辑驱动控制单元包括处理器单元U0、信号锁存器U2、反相器U5、逻辑器件与门U4和高速隔离驱动U3；处理器单元U0和反相器U5均连接到逻辑器件与门U4，信号锁存器U2的一端连接处理器单元U0，另一端连接反相器U5，逻辑器件与门U4的输出端连接高速隔离驱动U3；输出功率半导体器件Q3的输入端和功率半导体器件Q1的输出端连接到高速隔离驱动U3。4.根据权利要求3所述的一种交流固态功率控制器，其特征在于，工作电流检测单元包括高精度差分运算放大器G1和运算放大器G2；高精度差分运算放大器G1连接分流器的Rx，高精度的隔离差分采集芯片G1的输出端接运算放大器G2的输入端；运算放大器G2的输出端连接处理器单元U0。5.根据权利要求3所述的一种交流固态功率控制器，其特征在于，过载电流检测单元包括高精度差分运算放大器G3和运算放大器G4；...

【专利技术属性】
技术研发人员：马立伟，木子尼，
申请(专利权)人：汉中一零一航空电子设备有限公司，
类型：发明
国别省市：