一种交流固态功率控制器的软开关装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术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；本实用新型专利技术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。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术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直O
技术介绍
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。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(S0A)，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Plll系列交流固态功率控制器和NHI公司的SSPC 90000系列产品。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M0C3061，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(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，MOSl和M0S2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M0S2发出开通信号，让其导通，而上管MOSl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M0S2的导电沟道和MOSl的 体内寄生二极管Dl ；在交流电源工作在负半周期间，给上管MOSl管发出导通信号，Dl中的 电流便自然地换流到MOSl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MOSl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M0S2发出关断信号， 使其关断，上管MOSl仍保持导通，此时M0S2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4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MOSl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MOSl发出关断信号，在负载电流转到 正半周时，再给下管M0S2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MOSl和M0S2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，但是双向本文档来自技高网...

【技术保护点】
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Ｑ↓［０］和Ｑ↓［１］反向串联形成主开关管，电容Ｃ↓［０］和电阻Ｒ↓［６］串联，与Ｑ↓［０］和Ｑ↓［１］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Ｒ↓［４］和Ｒ↓［５］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Ｒ↓［７］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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓斌，高朝晖，董延军，雷涛，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：实用新型
国别省市：87[]