交流固態功率開關控制方法及開關裝置的製作方法
2023-07-02 10:41:46 1
專利名稱：交流固態功率開關控制方法及開關裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種交流固態功率開關的控制方法及開關裝置，屬於電力電子與電工技術領域。
背景技術：
目前交流配電系統中對交流電氣負載的開關控制一般有兩種方式一種是使用電磁繼電器、斷路器、接觸器等帶觸點機械式開關；另一種是使用交流固態功率開關。為了抑制固態功率開關在開通過程中的電流應力以及關斷過程中的電壓應力、以及產生的電磁幹擾，要求固態功率控制開關裝置在開關時具有零電壓開通和零電流關斷的功能。公開號為 CN101662275A的中國專利「一種交流固態功率開關的控制方法」中提到利用交流電源的電壓、負載電流的交變特性和功率MOSFET內部寄生體二極體的單向導電特性，使交流固態功率開關實現自然零電壓接通和自然零電流關斷。但在該控制方法下負載開通和關斷的時間為半電源周期到一個電源周期之間，而系統一般要求交流固態功率開關在半個電源周期內導通；並且對此專利的實施例1進行分析發現該方法在感性負載情況下不能實現自然零電流關斷；對此專利的實施例2進行分析發現該方法在空載或輕載情況下不能正常開通。所以這種控制方法在實際交流配電系統中應用時存在較大的缺陷。
發明內容
本發明涉及一種交流固態功率開關的控制方法和開關裝置，解決了現有技術方案中開通關斷時間長(半個電源周期到一個電源周期)、對負載的適應性不好的問題。本發明的控制方法和開關裝置能夠在半個電源周期內完成開通和關斷，適用於阻性、感性和容性等各種負載性質，在空載或輕載、滿載、過流、短路等情況下都可以可靠工作，並且不受電源
頻率影響。為了實現上述目的，本發明首先提供一種交流固態功率開關的控制方法，具體採用如下技術方案一種交流固態功率開關的控制方法，其特徵在於，通過對功率主電路上的電源電壓信號以及負載電流信號進行採樣、判斷、處理，得到交流電源的正、負半周信號、負載電流的正、負半周信號、過流跳閘信號以及短路故障信號，並與外部控制命令信號進行邏輯組合，實現在開通過程中對功率主電路中的功率開關元件的控制完全取決於電源電壓信號， 關斷過程中對功率主電路中的功率開關元件的控制完全取決於負載電流信號，進而實現功率開關在半個電源周期內「自然零電壓開通、自然零電流關斷」。本發明還提供了一種交流固態功率控制開關裝置，其特徵在於，所述交流固態功率控制開關裝置包括主功率電路，包括上功率管(MOSl)、下功率管(M0S2)兩隻MOSFET功率管和一個用於檢測負載電流的檢測電阻，兩隻MOSFET功率管通過檢測電阻反串連；上功率管(MOSl) 的源極作為隔離電源模塊的參考地，漏極連接功率輸入端(Powerjn)，接外部交流電源，下功率管(M0S2)的漏極作為功率輸出端(P0Wer_0Ut)連接交流負載的一端，交流負載的另一端連接功率地；電源電壓檢測電路，連接在交流固態功率開關的功率輸入端(Powerjn)，對電源電壓進行採樣；電壓正負半周判斷電路，連接在電源電壓檢測電路的輸出端，根據電源電壓檢測電路輸出的電壓採樣信號得到電源電壓的正、負半周信號(U+、u-)，並輸出到邏輯組合電路；負載電流檢測電路，連接在功率主電路的檢測電阻上，對負載電流進行採樣；電流正負半周判斷電路，連接在負載電流檢測電路的輸出端，根據負載電流檢測電路輸出的電流採樣信號得到負載電流的正、負半周信號(I+、1-)，並輸出到邏輯組合電路；有效值轉換電路，連接於負載電流檢測電路的輸出端，其輸出連接到過流保護電路、負載狀態比較判斷電路的輸入端；過流保護電路，連接在有效值轉換電路的輸出端，輸出過流跳閘信號(TRIP)到邏輯組合電路；峰值檢測電路，連接於負載電流檢測電路的輸出端，其輸出連接到短路檢測電路；短路檢測電路，連接在峰值檢測電路的輸出端，當負載短路時，立即產生短路故障信號(SHORT)，並輸出到邏輯組合電路；邏輯組合電路，將其他功能模塊輸入的電源電壓的正、負半周信號(U+、U-)、負載電流的正、負半周信號(I+、I-)、過流跳閘信號(TRIP)和短路故障信號(SHORT)以及經隔離電路發送的外部的開關控制命令信號(CMDO)，進行邏輯綜合處理，最終產生兩路驅動信號(Drive+、Drive-)，分別驅動兩個 MOSFET 功率管(M0S1、M0S2)；負載電壓檢測電路，連接在交流固態功率開關的功率輸出端(P0Wer_0Ut)，對負載電壓進行採樣；負載狀態比較判斷電路，連接在負載電流檢測電路的輸出端，並輸出負載狀態比較判斷信號(LOADO)到隔離電路；功率管狀態比較判斷電路，連接在負載電壓檢測電路的輸出端，輸出功率管狀態比較判斷信號(MOSO)到隔離電路；隔離電路，作為控制命令信號、負載狀態信號、功率管狀態信號與上位機的輸入輸出接口，實現與上位機的狀態交換負載狀態比較判斷電路和功率管狀態比較判斷電路的輸出信號、以及外部控制命令(CMD)連接到隔離電路，隔離電路輸出負載狀態信號(LOAD) 和功率管狀態信號(MOQ給上位機，並輸出開關控制命令信號(CMDO)給邏輯組合電路；隔離電源模塊，將外部的偏置電源輸入進行隔離變換，為交流固態功率控制開關裝置內部的控制電路提供內部工作電源；可編程接口，實現交流固態功率開關的電流定額硬體可編程、過流保護曲線的起始保護倍數和立即跳閘保護倍數硬體可編程。本發明的功率開關控制方法及其功率控制開關裝置，具有以下優點(1)能夠實現真正意義上的「自然零電壓開通、自然零電流關斷」控制策略；
(2)能夠抑制開通關斷交流固態功率控制開關裝置過程中的電壓尖峰和電流衝擊；(3)能夠半個電源周期內完成開通和關斷；(4)具有比較精確的反時限保護特性；(5)過流保護曲線的硬體可編程；(6)具有瞬間短路保護功能。
圖1交流固態功率控制開關裝置的原理框2電源電壓檢測電路和電壓正負半周判斷電路圖3負載電流檢測電路和電流正負半周判斷電路圖4交流固態功率控制開關裝置邏輯組合電路原理5交流固態功率控制開關裝置正常帶載時零電壓開通、零電流關斷波形6交流固態功率控制開關裝置在空載條件下零電壓開通、零電流關斷波形7交流固態功率控制開關裝置在短路故障時工作波形圖8交流固態功率控制開關裝置三段式過流保護特性曲線圖9交流固態功率控制開關裝置過流保護原理框圖
具體實施例方式本發明的關鍵技術主要包括1、交流固態功率控制開關的半個電源周期內「自然零電壓開通、自然零電流關斷」 控制策略的實現包括電壓電流檢測電路與正負半周判斷電路與邏輯組合電路的設計、以及「自然零電壓開通、自然零電流關斷」功能與過流保護功能、短路保護功能的融合。2、交流固態功率控制開關裝置的硬體可編程技術包括電流定額的硬體可編程技術和過流保護曲線的硬體可編程。下面結合附圖對本發明的關鍵技術作詳細說明。圖1為交流固態功率控制開關裝置的原理框圖，主要功能模塊有主功率電路、電源電壓檢測電路、電壓正負半周判斷電路、負載電流檢測電路、電流正負半周判斷電路、有效值轉換電路、過流保護電路、峰值檢測電路、短路檢測電路、邏輯組合電路、負載電壓檢測電路、負載狀態比較判斷電路、功率MOSFET狀態判斷電路、隔離電路、隔離電源模塊和可編程接口等。每一個模塊的構成和功能如下(1)主功率電路，包括上功率管MOSl、下功率管M0S2兩隻MOSFET功率管和一個用於檢測負載電流的檢測電阻&ENSE，兩隻MOSFET功率管通過檢測電阻I^sense反串連；上功率管 MOSl的源極S作為隔離電源模塊的參考地(即內部控制電路的參考地)，漏極D連接功率輸入端Powerjn，接外部交流電源Us，下功率管M0S2的漏極D作為功率輸出端Power_out 連接交流負載的一端，交流負載的另一端連接功率地；(2)電源電壓檢測電路，連接在交流固態功率開關的功率輸入端Powerjn，對電源電壓進行採樣；(3)電壓正負半周判斷電路，連接在電源電壓檢測電路的輸出端，根據電源電壓檢測電路輸出的電壓採樣信號得到電源電壓的正、負半周信號U+、u-，並輸出到邏輯組合電路；電源電壓檢測和電壓正負半周判斷電路用於檢測固態功率開關迴路上的交流電源電壓的極性當交流電源電壓處於正半周期時(交流電源電壓為正)，則電壓正半周信號 U+為高電平，否則U+為低電平；當交流電源電壓處於負半周期時(交流電源電壓為負)，電壓負半周信號U-為高電平，否則U-為低電平；(4)負載電流檢測電路，連接在功率主電路的檢測電阻上，對負載電流進行採樣；(5)電流正負半周判斷電路，連接在負載電流檢測電路的輸出端，根據負載電流檢測電路輸出的電流採樣信號得到負載電流的正、負半周信號I+、1-，並輸出到邏輯組合電路；負載電流檢測和電流正負半周判斷電路用於檢測負載電流的極性當負載電流處於正半周期時(負載電流為正)，電流正半周信號1+為高電平，否則1+為低電平；當負載電流處於負半周期時(負載電流為負)，電流負半周信號I-為高電平，否則I-為低電平；(6)有效值轉換電路，連接於負載電流檢測電路的輸出端，將交變的負載電流變換為其對應的有效值Ui (電壓量)，其輸出連接到過流保護電路、負載狀態比較判斷電路的輸入端。(7)過流保護電路，連接在有效值轉換電路的輸出端，當負載過流時，根據負載電流的過載倍數延時產生過流跳閘信號TRIP，並輸出到邏輯組合電路，邏輯組合電路鎖存該過流故障狀態，並發出關斷命令，實現對負載的過流保護；(8)峰值檢測電路，連接於負載電流檢測電路的輸出端，檢測負載電流的峰值，其輸出連接到短路檢測電路；(9)短路檢測電路，連接在峰值檢測電路的輸出端，當負載短路時，立即產生短路故障信號SHORT，並輸出到邏輯組合電路，邏輯組合電路鎖存該短路故障狀態，並立刻使功率管的驅動電壓為低電平，實現對負載的短路保護；(10)邏輯組合電路，將其他功能模塊輸入的電源電壓的正、負半周信號U+和U-、 負載電流的正、負半周信號1+和I-、過流跳閘信號TRIP和短路故障信號SHORT以及經隔離電路發送的外部的開關控制命令信號CMD0，進行邏輯綜合處理，最終產生兩路驅動信號 Drive+和Drive-，分別驅動兩個MOSFET功率管M0S1、M0S2 ；邏輯組合電路可由分立的數字集成電路晶片實現，也可以由可編程邏輯器件如通用陣列邏輯(GAL)或者複雜可編程邏輯器件(CPLD)實現。(11)負載電壓檢測電路，連接在交流固態功率開關的功率輸出端PoWer_out，對負載電壓進行採樣；(12)負載狀態比較判斷電路，連接在負載電流檢測電路的輸出端，根據負載電流檢測電路輸出的電流採樣信號得到負載狀態比較判斷信號L0AD0，並輸出到隔離電路；(13)功率MOSFET狀態判斷電路，連接在負載電壓檢測電路的輸出端，根據負載電壓檢測電路輸出的電壓採樣信號得到功率管狀態比較判斷信號M0S0，並輸出到隔離電路；(14)隔離電路，作為控制命令信號、負載狀態信號、功率管狀態信號與上位機的輸入輸出接口，實現與上位機的狀態交換負載狀態比較判斷電路和功率管狀態比較判斷電路的輸出、以及外部控制命令CMD連接到隔離電路，隔離電路輸出負載狀態信號LOAD和功率管狀態信號MOS給上位機，並輸出開關控制命令信號CMDO給邏輯組合電路；(15)隔離電源模塊，將外部的偏置電源輸入進行隔離變換，為交流固態功率控制開關裝置內部的控制電路提供內部工作電源；(16)可編程接口，實現交流固態功率開關的電流定額硬體可編程和過流保護曲線的硬體可編程。圖2為電源電壓檢測電路和電壓正負半周判斷電路。電源電壓檢測電路由運算放大器Al，電阻R1、R2、R3、R4組成的正向差動放大電路構成；電源電壓檢測電路的輸出連於電壓正負半周判斷電路的輸入；電壓正負半周判斷電路由兩個單門限比較電路構成比較器Compl、電阻R7和RlO構成上門限比較電路，R7和RlO組成分壓電路，其分壓值為上門限閥值Uth+ ；比較器Comp2、電阻R5和R6構成下門限比較電路，R5和R6組成分壓電路，其分壓值為下門限閥值Uth-;電壓正負半周判斷電路的輸出為U+和U-，當U+為高電平時，表示交流電源電壓處於正半周期，當U-為高電平時，表示交流電源電壓處於負半周期。圖3為負載電流檢測電路和電流正負半周判斷電路。負載電流檢測電路的輸出連於電流正負半周判斷電路的輸入。負載電流檢測電路由運算放大器A2，電阻R11、R12、R13、 R14、REX1、REX2組成的反向差動放大電路組成，其中Rll = R12，R13 = R14，Rexi = Rex20負載
電流檢測電路的放大倍數為Μ^ + Rexi)。通過改變Rexi和Rex2的阻值可以改變負載電流
EXl
檢測電路的放大倍數，因此將REX1、Rex2引出到外部可編程接口，通過改變Rexi和Rex2的阻值可以實現交流固態功率開關電流定額可編程的功能。設Rexi = R11/(N-1)，則負載電流檢測
電路的放大倍數變為i1114^；^+ Rexi)，相當於負載電流定額變為原來的1/N。
EXl圖3中電流正負半周判斷電路由兩個單門限比較電路和兩個延時電路構成比較器Comp3、電阻Rl7和R18構成上門限比較電路，Rl7和R18組成分壓電路，其分壓值為電流上門限閥值Ith+ ；比較器Comp4、電阻R15和R16構成下門限比較電路，R15和R16組成分壓電路，其分壓值為電流下門限閥值Ith-；電阻R27和電容C3連於Comp3的輸出端，電阻 R26和電容C2連於Comp4的輸出端，Comp3和Comp4的輸出分別連於比較器Comp7和Comp8 的正極性輸入端；比較器Comp7、電阻R27、R28、R29、電容C3構成正半周脈衝信號(1+)延時電路，比較器&)1^8、電阻1 30、1 31、1 26、電容02構成負半周脈衝信號(I-)延時電路。圖3中電流正負半周判斷電路電流正負半周判斷電路的輸出為1+和1-，當1+為高電平時，表示負載電流處於正半周期，當I-為高電平時，表示負載電流處於負半周期。圖4為交流固態功率控制開關裝置邏輯組合電路原理圖，該電路的輸入信號為電流正負半周判斷電路的輸出信號I+、1-，電壓正負半周判斷電路的輸出信號u+、u-，過流保護電路的輸出信號TRIP，短路檢測電路的輸出信號SHORT，隔離電路的一個輸出信號CMD0。 邏輯組合電路的輸出信號為上功率管MOSl的驅動信號Drive+和下功率管M0S2的驅動信號 Drive-。邏輯組合電路由四個RS觸發器Ul、U2、U9、U10、一個三輸入與門U3、四個兩輸入與非門U4、U5、TO、U7、兩個兩輸入與門U11、U12和一個非門U8組成，過流跳閘信號TRIP連於第一 RS觸發器Ul的復位端R，短路故障信號SHORT連於第二 RS觸發器U2的復位端R， 經隔離電路傳送的開關控制命令信號CMDO分別連於第一、第二 RS觸發器Ul、U2的置位端 S，開關控制命令信號CMD0、第一 RS觸發器Ul和第二 RS觸發器U2的輸出Q端TRIPPED、SHORTED分別連接到三輸入與門U3的三個輸入端，三輸入與門U3的輸出端CMDl分別連接到第一、第二與非門U4、U5的一個輸入端，三輸入與門U3的輸出端CMDl同時連到非門U8 的輸入端，非門U8的輸出端分別連到第三、第四與非門TO、U7的一個輸入端，電源電壓正半周信號U+連接到第二與非門TO的另一個輸入端，電源電壓負半周信號U-連接到第一與非門U4的另一個輸入端，負載電流負半周信號I-連於第四與非門U7的另一個輸入端，負載電流正半周信號1+連於第三與非門U6的另一個輸入端，第一、第二與非門U4、U5的輸出端分別連接第三、第四RS觸發器U9、UlO的置位端S，第四、第三與非門U7、U6的輸出端分別連於第三、第四RS觸發器U9、UlO的復位端R，第三、第四RS觸發器U9、UlO的輸出Q端 Q1、Q2分別連接到第二、第一雙輸入與門U12、U11的一個輸入端，第二 RS觸發器U2的輸出 Q端SHORTED分別連接到第一、第二雙輸入與門U11、U12的另一個輸入端，兩個雙輸入與門 U1UU12的輸出端分別輸出兩個功率管的驅動信號Drive-、Drive+。下面結合圖5、圖6和圖7說明圖4中邏輯組合電路實現自然零電壓開通和自然零電流關斷的工作原理、空載時的工作過程以及短路故障時的工作過程。圖5為交流固態功率控制開關裝置正常帶載時零電壓開通、零電流關斷波形圖。圖5中、時刻交流固態功率開關的外部開關命令CMD由低變高(開通命令)， CMDO和CMDl也立刻由低變高；此時由於交流電源電壓Us處於正半周期(U+為高電平)， 因此Drive-首先變為高電平，M0S2開通；t2時刻交流電源電壓由正變負，主迴路經MOSl的寄生體二極體和M0S2的導電溝道自然導通；t3時刻檢測到交流電源電壓Us處於負半周期 (U-為高電平)，則此時Drive+變為高電平，MOSl開通。由分析可見，交流固態功率控制開關裝置開通過程完全取決於電源電壓的極性和開關命令，與負載性質和電源頻率無關，在半個周期內完成了自然零電壓開通。圖5中t4時刻交流固態功率開關裝置的外部開關命令CMD由高變低(關斷命令)， CMDO和CMDl也立刻由低變高(關斷命令也可能是由於負載過流故障引起TRIP信號變低， CMDl也會變為低電平)；此時由於負載電流處於負半周期(I-為高電平)，因此Drive+首先變為低電平，MOSl關斷；t5時刻負載電流從負值變為零，由於MOSl已經關斷，所以t5時刻迴路過零關斷；t6時刻，I-變為高電平，M0S2零電流關斷。由分析可見，交流固態功率控制開關裝置關斷過程完全取決於負載電流的極性和開關命令，與與負載性質和電源頻率無關，在半個周期內完成了自然零電流關斷。圖6為交流固態功率控制開關裝置在空載條件下零電壓開通、零電流關斷波形圖。圖6中交流固態功率控制開關裝置在空載條件下開通的過程與帶載時開通的過程一致；關斷過程t7時刻外部開關命令CMD由高變低(關斷命令)或者由於負載過流故障引起CMDl變為低電平，由於負載為空載(電流為零)，所以1+和I-信號一直為高電平， 觸發器U9和UlO的輸出立刻被復位為低電平，Drive+和Drive-立刻變為低電平，MOSl和 M0S2立刻關斷。圖7為交流固態功率控制開關裝置在短路故障時工作波形。為了對實現快速的短路保護，在交流固態功率控制開關裝置的設計中，採樣負載電流的峰值，當檢測到負載電流峰值大於設定閾值時，認為發生短路故障，短路檢測電路的輸出SHORT輸出一個低電平。如圖7中所示，t9時刻檢測到發生短路故障，SHORT信號為低電平，RS觸發器U2鎖存該故障狀態標誌，即SHORTED信號變為低電平並保持，直到外部復位命令到來；SHORTED信號為低電平時，則通過與門Ull和U12使MOSl和M0S2的驅動Drive+ 和Drive-瞬時為低電平，使交流固態功率控制開關裝置關斷；t1(1時刻外部開關命令CMD由高變低(關斷命令)，內部短路故障標誌清除(SHORTED由低變高)。通過上述原理分析可以說明本發明所提供的交流固態功率開關控制方法和裝置可以在半個電源周期內實現自然零電壓開通和自然零電流關斷，適用於不同性質的負載以及空載或輕載的情況，且與電源頻率無關。交流固態功率控制開關裝置的過流保護特性一般分為三段，如圖8所示當負載電流的過載倍數較低(低於Xi倍或者不過載)時，交流固態功率控制開關裝置不保護，Xi 稱為起始保護倍數；當負載電流的過載倍數大於Xl倍但小於X2倍時，交流固態功率控制開關裝置按照能反映線路過熱狀態的反時限保護特性進行延時跳閘保護；當負載電流的過載倍數大於X2倍時，則按照固定延時進行立即跳閘保護，X2稱為立即跳閘保護倍數。如圖9所示，為圖8所示過流保護特性的實現電路，其輸入信號為有效值轉換電路的輸出Ui，輸出信號為過流跳閘信號TRIP。過流保護電路由運算放大器A3、輸出級為集電極開路的比較器 Comp5 和 Comp6、電容 Cl、電阻 R19、R20、R21、R22、R23、R24、R25、R26、REX3、 Rex4組成。有效值轉換電路的輸出信號Ui連於R19的一端和比較器Comp5、Comp6的負極性輸入端，R19另一端連於運算放大器A3的負極性輸入端，電容Cl 一端連於A3的負極性輸入端，另一端連於A3的輸出端，電阻R20的一端連於隔離電源模塊的輸出V⑵另一端連於A3的正極性輸入端，電阻R21的一端也連於A3的正極性輸入端，電阻R21的另一端與電阻R22和Rex3相連，電阻R22和Rex3並聯後另一端連於隔離電源模塊參考地，A3的輸出連於比較器Comp5的正極性輸入端，電阻R23的一端連於隔離電源模塊的輸出Vrc，另一端連於 Comp6的正極性輸入端，電阻R24的一端也連於Comp6的正極性輸入端，電阻R24的另一端與電阻R25和Rex4相連，電阻R25和Rex4並聯後另一端連於隔離電源模塊參考地，Comp5和 Comp6的輸出端通過上拉電阻似6連於隔離電源模塊的輸出Vrc，Comp5和Comp6的輸出端 (TRIP)作為過流保護電路的輸出。圖9中A3、R19、C1構成積分電路；比較器Comp5和Comp6分別構成單門限比較器， 它們的輸出直接相連作為過流保護電路的輸出；R20、R21、R22、Rex3組成分壓電路，運算放大器A3正極性輸入端這點的分壓值作為起始保護倍數Xl對應的閥值電壓；R23、RM、R25、 Rex4組成分壓電路，比較器Comp6正極性輸入端這點的分壓值作為立即跳閘保護倍數X2對應的閥值電壓。圖9中過流保護電路工作原理當負載正常或者過流倍數小於起始保護倍數Xl 時，則運算放大器A3工作在比較器狀態，運算放大器A3輸出高電平，比較器Comp5和Comp6 的輸出TRIP高電平，表示過流保護電流不動作；當負載電流的過載倍數大於Xl倍但小於 X2倍時，由運算放大器A3和比較器Comp6構成的反時限保護曲線擬合電路根據過載倍數延時一個過流保護時間發出過流跳閘信號TRIP(TRIP信號變為低電平)；當負載電流的過載倍數大於X2倍時，比較器Comp6的輸出TRIP變為低電平，組合邏輯電路接受到該低電平以後關斷MOSl和M0S2從而完成過流保護。由上分析可見，運算放大器A3正極性輸入端的電位值決定了反時限保護的起始保護倍數XI，該點的電位值為Vstakt;比較器Compe正極性輸入端的電位值決定了反時限保護的立即跳閘保護倍數X2，該點的電位值為VINSTANT。根據電路連接關係，V
start 禾B Vinstant 與
電路元件參數有如下關係
權利要求
1.一種交流固態功率開關的控制方法，其特徵在於，通過對功率主電路上的電源電壓信號以及負載電流信號進行採樣、判斷、處理，得到交流電源的正、負半周信號、負載電流的正、負半周信號、過流跳閘信號以及短路故障信號，並與外部控制命令信號進行邏輯組合， 實現在開通過程中對功率主電路中的功率開關元件的控制完全取決於電源電壓信號，關斷過程中對功率主電路中的功率開關元件的控制完全取決於負載電流信號，進而實現功率開關在半個電源周期內「自然零電壓開通、自然零電流關斷」。
2.如權利要求1所述的交流固態功率開關的控制方法，其特徵在於，包括如下步驟(1)主電路部分設置上功率管(M0S1)、下功率管(M0S2)兩隻MOSFET功率管和一個用於檢測負載電流的檢測電阻，兩隻MOSFET功率管通過檢測電阻反串連；(2)當交流固態功率開關接收到開通命令時，首先判斷此時交流電源電壓處於正半周期還是負半周期若交流電源電壓處於正半周期，則立即開通下功率管(M0S2)，然後等待交流電源電壓由正變負以後再開通上功率管(MOSl)；若交流電源電壓處於負半周期， 則立即開通功率管上功率管(M0S1)，然後等待交流電源電壓由負變正以後開通下功率管 (M0S2)；從而在半個周期內自然零電壓開通交流固態功率開關；(3)當交流固態功率開關接收到關斷命令時或者由於過流故障而延時關斷時，首先判斷此時負載是否有電流以及負載電流處於正半周期還是負半周期若負載無電流，則立刻關斷兩隻MOSFET功率管；若負載電流處於正半周期，則立即關斷下功率管(M0S2)，然後等待負載電流由正變負以後關斷上功率管(MOSl)；若負載電流處於負半周期，則立即關斷上功率管(M0S1)，然後等待負載電流由負變正以後關斷下功率管(M0S2);從而在半個周期內自然零電流關斷交流固態功率開關；(4)當交流固態功率開關檢測到負載發生短路故障時，則立刻關斷兩個功率管，瞬時完成短路保護。
3.如權利要求1或2所述的交流固態功率開關的控制方法，其特徵在於所述過流跳閘信號的產生方法是檢測負載電流有效值，按照三段式過流保護曲線延時一個過流保護時間發出過流跳閘信號。
4.如權利要求3所述的交流固態功率開關的控制方法，其特徵在於所述延時一個過流保護時間是通過硬體可編程的過流保護曲線來實現，包括反時限過流保護曲線的起始保護點的硬體可編程和立即保護點的硬體可編程，即通過硬體可編程技術對反時限過流保護曲線的起始保護點基準電壓和立即跳閘點基準電壓進行調整，從而實現對過流保護時間的設定。
5.如權利要求1或2所述的控制方法，其特徵在於所述短路故障信號的產生方法是 檢測負載電流峰值，如果負載電流峰值大於設定閥值，則認為發生短路故障，並立即產生一個短路故障信號。
6.一種交流固態功率控制開關裝置，其特徵在於，所述交流固態功率控制開關裝置包括主功率電路，包括上功率管(M0S1)、下功率管(M0S2)兩隻MOSFET功率管和一個用於檢測負載電流的檢測電阻，兩隻MOSFET功率管通過檢測電阻反串連；上功率管(MOSl)的源極作為隔離電源模塊的參考地，漏極連接功率輸入端(PoWer_in)，接外部交流電源，下功率管 (M0S2)的漏極作為功率輸出端(P0Wer_0Ut)連接交流負載的一端，交流負載的另一端連接功率地；電源電壓檢測電路，連接在交流固態功率開關的功率輸入端(Powerjn)，對電源電壓進行採樣；電壓正負半周判斷電路，連接在電源電壓檢測電路的輸出端，根據電源電壓檢測電路輸出的電壓採樣信號得到電源電壓的正、負半周信號(U+、U-)，並輸出到邏輯組合電路； 負載電流檢測電路，連接在功率主電路的檢測電阻上，對負載電流進行採樣； 電流正負半周判斷電路，連接在負載電流檢測電路的輸出端，根據負載電流檢測電路輸出的電流採樣信號得到負載電流的正、負半周信號(I+、1-)，並輸出到邏輯組合電路；有效值轉換電路，連接於負載電流檢測電路的輸出端，其輸出連接到過流保護電路、負載狀態比較判斷電路的輸入端；過流保護電路，連接在有效值轉換電路的輸出端，輸出過流跳間信號(TRIP)到邏輯組合電路；峰值檢測電路，連接於負載電流檢測電路的輸出端，其輸出連接到短路檢測電路； 短路檢測電路，連接在峰值檢測電路的輸出端，當負載短路時，立即產生短路故障信號 (SHORT)，並輸出到邏輯組合電路；邏輯組合電路，將其他功能模塊輸入的電源電壓的正、負半周信號(U+、U-)、負載電流的正、負半周信號(I+、I-)、過流跳閘信號(TRIP)和短路故障信號(SHORT)以及經隔離電路發送的外部的開關控制命令信號(CMD0)，進行邏輯綜合處理，最終產生兩路驅動信號 (Drive+、Drive-)，分別驅動兩個 MOSFET 功率管(M0S1、M0S2)；負載電壓檢測電路，連接在交流固態功率開關的功率輸出端(Power_OUt)，對負載電壓進行採樣；負載狀態比較判斷電路，連接在負載電流檢測電路的輸出端，並輸出負載狀態比較判斷信號(LOADO)到隔離電路；功率管狀態比較判斷電路，連接在負載電壓檢測電路的輸出端，輸出功率管狀態比較判斷信號(MOSO)到隔離電路；隔離電路，作為控制命令信號、負載狀態信號、功率管狀態信號與上位機的輸入輸出接口，實現與上位機的狀態交換負載狀態比較判斷電路和功率管狀態比較判斷電路的輸出信號、以及外部控制命令(CMD)連接到隔離電路，隔離電路輸出負載狀態信號(LOAD)和功率管狀態信號(MOS)給上位機，並輸出開關控制命令信號(CMDO)給邏輯組合電路；隔離電源模塊，將外部的偏置電源輸入進行隔離變換，為交流固態功率控制開關裝置內部的控制電路提供內部工作電源；可編程接口，實現交流固態功率開關的電流定額硬體可編程、過流保護曲線的起始保護倍數和立即跳閘保護倍數硬體可編程。
7.如權利要求6所述的交流固態功率控制開關裝置，其特徵在於，所述邏輯組合電路由四個RS觸發器(Ul、U2、U9、U10)、一個三輸入與門(U3)、四個兩輸入與非門(U4、U5、U6、 U7)、兩個兩輸入與門(Ull、U12)和一個非門(U8)組成，過流跳間信號(TRIP)連於第一 RS 觸發器(Ul)的復位端(R)，短路故障信號(SHORT)連於第二 RS觸發器(U2)的復位端(R)， 經隔離電路傳送的開關控制命令信號(CMDO)分別連於第一、第二 RS觸發器(U1、U2)的置位端(S)，開關控制命令信號(CMD0)、第一 RS觸發器(Ul)和第二 RS觸發器(U2)的輸出Q端(TRIPPED、SHORTED)分別連接到三輸入與門(U3)的三個輸入端，三輸入與門(U3)的輸出端(CMDl)分別連接到第一、第二與非門(U4、U5)的一個輸入端，三輸入與門(U3)的輸出端(CMDl)同時連到非門(U8)的輸入端，非門(U8)的輸出端分別連到第三、第四與非門 (U6、U7)的一個輸入端，電源電壓正半周信號(U+)連接到第二與非門(U5)的另一個輸入端，電源電壓負半周信號(U-)連接到第一與非門(U4)的另一個輸入端，負載電流負半周信號(I-)連於第四與非門(U7)的另一個輸入端，負載電流正半周信號(1+)連於第三與非門 (U6)的另一個輸入端，第一、第二與非門(U4、U5)的輸出端分別連接第三、第四RS觸發器 (U9、U10)的置位端(S)，第四、第三與非門(U7、TO)的輸出端分別連於第三、第四RS觸發器 (U9、U10)的復位端(R)，第三、第四RS觸發器(U9、U10)的輸出Q端(Q1、Q2)分別連接到第二、第一雙輸入與門(U12、Ull)的一個輸入端，第二 RS觸發器(U2)的輸出Q端(SHORTED) 分別連接到第一、第二雙輸入與門(U11、U12)的另一個輸入端，兩個雙輸入與門(U11、U12) 的輸出端分別輸出兩個功率管的驅動信號(Drive-、Drive+)。
全文摘要
本發明公開一種交流固態功率開關的控制方法及交流固態功率控制開關裝置，屬電力電子領域，該控制方法通過對功率主電路上的電源電壓信號以及負載電流信號進行採樣、判斷、處理，得到交流電源的正、負半周信號、負載電流的正、負半周信號、過流跳閘信號以及短路故障信號，並與外部控制命令信號進行邏輯組合，進而在半個電源周期內實現功率開關的「自然零電壓開通、自然零電流關斷」，完全抑制開通過程中的電流應力及關斷過程中的電壓應力，適用於交流供電系統各種工作頻率下阻性、感性和容性等各種負載性質，在空載或輕載、滿載、過流、短路等情況下都可以可靠工作。
文檔編號H03K17/687GK102571053SQ20121001269
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月16日 優先權日2012年1月16日
發明者楊善水, 王莉, 鄭再然, 阮立剛 申請人:南京航空航天大學