一種交流固態功率開關的控制方法
2023-07-02 10:19:36 1
專利名稱：一種交流固態功率開關的控制方法
技術領域：
本發明涉及一種用於交流電氣負載控制的固態功率開關的控制方法。
背景技術：
在當前的機電控制方法和交流配電系統中，對交流電氣負載的開關控制一般 有兩種方式 一種是通過傳統的機電式電磁繼電器、斷路器、接觸器或機械電氣 開關；另一種是使用固態功率電子開關如固態繼電器。在交流供電系統中，為了 減少固態功率開關的接通和斷開對供電系統和環境的電磁幹擾，要求控制方法具 有使固態功率開關在線路電壓過零時接通和線路電流過零時斷開的功能。目前普 遍使用的固態功率開關為雙向可控矽，配以專用的過零檢測專用器件。由於該方 法存在著可控矽接通電壓降大、自身功耗多、每次過零後都需要一次觸發以及因 觸發電路的延時原因並不具備真正意義的過零接通等方面的弊病，所以它在中小 功率負載控制的領域有著較大的局限性。
發明內容
本發明涉及一種交流固態功率開關的控制方法，解決了現有技術中存在的可 控矽接通電壓降大、自身功耗多、觸發次數多等問題。本發明提供一種交流固態 功率開關的控制方法，包括控制信號輸入端、二個固態開關MOSFET、負載電流 極性採樣電路、負載電壓極性採樣電路、二個D型觸發器、電流採樣電阻和隔離 電源，其特徵在於，包括如下步驟
1) 將二個固態開關MOSFET串聯在交流電源進端，使得二隻固態開關 MOSFET的源極S通過電流採樣電阻連在一起；
2) 將一個固態開關MOSFET的漏極D與交流電源進端Vin連接，此固態開關 MOSFET為負控開關，由負控D型觸發器輸出的驅動信號Drv-控制其接通或斷開； 將另一個固態開關MOSFET的漏極D與功率輸出端Vout相連接，此固態開關 MOSFET為正控開關，由正控D型觸發器輸出的驅動信號Drv+控制其接通或斷開；當正控D型觸發器和負控D型觸發器輸出的驅動信號Drv-和Drv+為零電平時， 正控開關和負控開關均處於關斷狀態，他們內部的寄生二極體反向阻擋特性，使 負載迴路處於斷開狀態；將雙向電壓瞬態抑制器的兩端分別與負控開關和正控開 關的漏極相連接；
3) 將隔離電源輸出的輔助激勵電源地接在負控開關的源極S上，將控制信號 輸入端分別連接到正控D型觸發器和負控D型觸發器數據埠 ，控制信號輸入端 輸出的開關控制信號，控制負載迴路接通和斷開；
4) 電壓極性採樣電路檢測交流電源迴路或固態功率開關迴路上的交流電壓 極性，當該交流電壓差為正時，輸出信號V+;當該交流電壓差為負時，輸出信 號V-;
5) 電流極性採樣電路檢測負載迴路電流的極性，通過採集採樣電阻上的電 壓差獲得負載迴路電流的極性，當該電壓差為正時負載迴路電流方向為正，輸出 信號I+;當該電壓差為負時負載迴路電流方向為負，輸出信號I-;
6) 當負載迴路的電流或電源迴路的電壓的極性發生變化時，輸出的V+、 1+ 信號經過邏輯門電路輸出CLK+， CLK+把正控D型觸發器數據埠D上的開關控 制信號輸出成驅動信號Drv+至正控開關；輸出的V-、 I-信號經過邏輯門電路輸出 CLK-，CLK-把負控D型觸發器數據埠D上的開關控制信號輸出成驅動信號Drv-至負控開關；
7) Drv+信號變為高電平，使正控開關開通，Drv+信號變為低電平，使正控 開關關閉，Drv-信號變為高電平，使負控開關開通，Drv-信號變為低電平，使負 控開關關閉。
所述的正控開關為增強型金屬氧化物半導體場效應電晶體，所述的正控開關 和負控開關內分別設有寄生二極體。所述的負控開關為增強型金屬氧化物半導體 場效應電晶體。所述的邏輯門電路可以為一個乘法器和一個加法器。所述的邏輯 門電路可以為一個加法器。
本發明的優點在於本發明通過對交流電氣的接通和斷開控制，實現一次 觸發、自然過零開通和關斷的效果，受其他因素幹擾小、功耗低。
5附圖l為本發明實施例l的控制原理框附圖2是本發明實施例1控制阻性負載的控制波形附圖3是本發明實施例1控制容性負載的控制波形附圖4是本發明實施例1控制感性負載的控制波形附圖5是本發明的實施例2的控制原理框附圖6是本發明的實施例2控制感性負載的控制波形圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作詳細說明。
一種交流固態功率開關的控制方法，包括控制信號輸入端l、 二個固態開關
MOSFET、負載電流極性採樣電路2、負載電壓極性採樣電路3、 二個D型觸發器、 電流採樣電阻4和隔離電源5，其特徵在於，包括如下步驟
1) 將二個固態開關MOSFET串聯在交流電源6的進端，使得二隻固態開關 MOSFET的源極S通過電流採樣電阻4連在一起；
2) 將一個固態開關MOSFET的漏極D與交流電源6的進端Vin連接，此固態 開關MOSFET為負控開關7，由負控D型觸發器8輸出的驅動信號Drv-控制其接通 或斷開；將另一個固態開關MOSFET的漏極D與交流負載9 (即功率輸出端Vout) 相連接，此固態開關MOSFET為正控開關IO，由正控D型觸發器11輸出的驅動信 號Drv+控制其接通或斷開；當正控D型觸發器和負控D型觸發器8輸出的驅動信號 Drv-和Drv+為零電平時，正控開關和負控開關均處於關斷狀態，他們內部的寄生 二極體12反向阻擋特性，使負載迴路處於斷開狀態；將雙向電壓瞬態抑制器13
的兩端分別與負控開關和正控開關的漏極相連接；
3) 將隔離電源5輸出的輔助激勵電源地接在負控開關的源極S上，將控制信 號輸入端分別連接到正控D型觸發器和負控D型觸發器數據埠 ，控制信號輸入 端輸出的開關控制信號，控制負載迴路接通和斷開；
4) 電壓極性採樣電路3檢測交流電源迴路或固態功率開關迴路上的交流電 壓極性，當該交流電壓差為正時，輸出信號V+;當該交流電壓差為負時，輸出 信號V-;
5) 電流極性採樣電路檢測負載迴路電流的極性，通過採集採樣電阻上的電壓差獲得負載迴路電流的極性，當該電壓差為正時負載迴路電流方向為正，輸出 信號I+;當該電壓差為負時負載迴路電流方向為負，輸出信號I-;
6) 當負載迴路的電流或電源迴路的電壓的極性發生變化時，輸出的V+、 1+ 信號經過邏輯門電路輸出CLK+， CLK+把正控D型觸發器數據埠D上的開關控 制信號輸出成驅動信號Drv+至正控開關；輸出的V-、 I-信號經過邏輯門電路輸出 CLK-，CLK-把負控D型觸發器數據埠D上的開關控制信號輸出成驅動信號Drv-至負控開關；
7) Drv+信號變為高電平，使正控開關開通，Drv+信號變為低電平，使正控 開關關閉，Drv-信號變為高電平，使負控開關開通，Drv-信號變為低電平，使負 控開關關閉。
在負載迴路開通或關閉的操作過程中，分二次分別對二隻固態開關MOSFET 進行開通或關閉操作。第一次對某一隻固態開關MOSFET執行接通或關閉操作後 的半個交流電源周期內，負載迴路的接通或斷開狀態不會改變，且一直維持到負 載迴路的電壓或電流過零時間點。第二次對另一隻固態開關MOSFET執行接通或 關閉操作時，負載迴路的接通或斷開狀態已經發生了改變，即從接通變為斷開或 從斷開變為接通。
所述的正控開關為增強型金屬氧化物半導體場效應電晶體。所述的負控開關 為增強型金屬氧化物半導體場效應電晶體。增強型金屬氧化物半導體場效應晶體 管(Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)，簡稱為MOSFET。雙向 電壓瞬態抑制器的兩端分別與負控開關和正控開關的漏極相連接，對MOSFET 起護作用；
負控開關的漏極D連接交流電源進端Vin，負控D型觸發器輸出的驅動信號 Drv-控制負控開關的接通或斷開。正控開關的漏極D連接功率輸出端Vout，正控 D型觸發器輸出的驅動信號Drv+控制正控開關接通或斷開。當正控D型觸發器和 負控D型觸發器輸出的驅動信號Drv-和Drv+為零電平時，正控開關和負控開關均 處於關斷狀態，他們內部的寄生二極體相向阻擋特性，使負載迴路處於斷開狀態。
正控D型觸發器的輸出埠與正控開關的柵極相連接，負控D型觸發器的輸 出埠與負控開關的柵極相連接，正控開關的漏極和負控開關的漏極分別與雙向 電壓瞬態控制器的兩端相連接，雙向電壓瞬態抑制器起保護MOSFET作用。正控開關的源極和負控開關的源極分別與電流採樣電阻的兩端相連接，隔離電源地接在負控開關的源極上，隔離電源銜出的輔助激勵電源地接在MOSFET的源極S上。所述的邏輯門電路可以為一個加法器，也可以為一個乘法器和一個加法器的組合。所述的正控開關和負控開關內分別設有寄生二極體。所述的線路電壓極性採樣電路模塊有一端接地。
具體實施例設計電路如下
設置控制信號輸入端，用於輸入開/關控制信號；設置隔離電源；設置正控開關和負控開關，隔離電源地接在負控開關的源極上，交流電源與負控開關的漏極相連接，正控開關的漏極通過交流負載接地；
在正控開關和負控開關之間設置雙向電壓瞬態控制器、電流採樣電阻和負載電流極性採樣電路模塊，雙向電壓瞬態控制器的兩端分別與正控開關的漏極和負控開關的漏極相連接，電流採樣電阻的兩端分別與正控開關的源極和負控開關的源極相連接，負載電流極性採樣電路模塊分別與正控開關的源極和負控開關的源極相連接；
設置正控D型觸發器和負控D型觸發器，所述的正控D型觸發器的數據埠和負控D型觸發器的數據埠分別與控制信號輸入端相連接，正控D型觸發器的輸出埠與正控開關的柵極相連接，負控D型觸發器的輸出埠與負控開關的柵極相連接；
設置線路電壓極性採樣電路模塊和負載電流極性採樣電路模塊，線路電壓極性採樣電路模塊與交流電源相連接，線路電壓極性採樣電路檢測交流電源進端Vin與交流電源地之間的交流電壓極性(如附圖l實施例l)，或者檢測交流電源進端Vin與交流功率輸出Vout之間的交流電壓極性(如附圖5實施例2);
設置第一邏輯門電路14，第一邏輯門電路的輸入端與負載電流極性採樣電路模塊相連接，第一邏輯門電路的輸入端與線路電壓極性採樣電路模塊相連接，第一邏輯門電路的輸出端與正控D型觸發器的時鐘信號接口相連接；
設置第二邏輯門電路15，第二邏輯門電路的輸入端與負載電流極性採樣電路模塊相連接，第二邏輯門電路的輸入端與線路電壓極性採樣電路模塊相連接，第二邏輯門電路的輸出端與負控D型觸發器的時鐘信號接口相連接。
實施例l為兩個邏輯門電路各有一個乘法器和一個加法器的交流固態功率開
8關的控制方法。實施例2為兩個邏輯門電路各有一個加法器的交流固態功率開關 的控制方法。
圖1為本發明實施例1的控制原理框圖。
正控開關的源極和負控開關的源極分別與負載電流極性採樣電路模塊相連 接，負載電流極性採樣電路模塊分別與兩個邏輯門電路的輸入端相連接，兩個邏 輯門電路的輸出端與正控D型觸發器的時鐘信號接口相連接和負控D型觸發器的
時鐘信號接口相連接，交流電源與線路電壓極性採樣電路模塊相連接，線路電壓 極性採樣電路模塊分別與兩個邏輯門電路的輸入端相連接。
電壓極性採樣電路模塊檢測交流電源迴路電壓的極性，當交流電壓Vin為正 極性，輸出信號V+;電壓Vin為負極性，輸出信號V-。電流極性採樣電路檢測負 載迴路電流的極性，通過採集採樣電阻上的電壓差(Va-Vb)獲得負載迴路電流 的極性。當負載迴路電流方向為正時(即V^Vb)，輸出信號I+;當負載迴路電 流方向為負時(即Va〈Vb),輸出信號I-。
所述的正控D型觸發器的數據埠和負控D型觸發器的數據埠分別與開/ 關控制信號相連接，D型觸發器的觸發時針信號CLK為高電平上升沿觸發。當負 載迴路的電流或線路電壓的極性發生變化時，輸出的V+、 1+或V-、 I-信號經過 邏輯門電路輸出CLK+或CLK-， CLK+或CLK-把其相應的D型觸發器數據埠D 上的開/關控制信號輸出成驅動信號Drv+和Drv-至正控開關MOSFET或負控開關 MOSFET，以達到接通或斷開負載迴路的目的。
在實施例1中，
CL+ = It + V+ K CL-=I- + V- *TT
在表達式中，V+和V-在有I-和I+時被抑制，能夠確保在容性或感性負載時， 電流和電壓有相位差的情況下，CLK+和CLK-只在零電流時刻觸發。
假定負載迴路處於斷開狀態，在某一時刻，開/關控制信號變化為邏輯高電 平，目的是要求接通負載迴路。按照零電壓接通的要求，通過檢測負載迴路的電 壓極性來獲取交流固態功率開關的轉換時機。交流電源電壓的極性是隨時間發生 改變的，假定極性由正極性變為負極性，此時電壓極性採樣電路輸出V-信號，而負載迴路還沒有電流，即1+=1-=0。 CLK-就會隨著V-信號變化產生一個高電平觸 發脈衝，該觸發脈衝的上升沿使負控D型觸發器的數據埠D上的高電平鎖存並 輸出至其輸出埠Q上形成Drv-信號，Drv-信號變為高電平，使負控開關MOSFET 開通。由於此時電源電壓為負極性，而正控開關MOSFET還未開通，所以儘管負 控開關MOSFET已開通，此時的負載迴路並沒有電流通過。經過半個交流電源的 頻率周期，電壓極性發生改變，從負極性變為正極性，即Vh^Vout，負載迴路就 開始有正向電流。電流從交流電源進端經過負控開關MOSFET的D-S溝道(上半 個周期時刻被開通)、採樣電阻、正控開關MOSFET的內置寄生二極體到Vout， 流入交流負載至交流電源地。緊接著，該負載迴路內的正向電流在採樣電阻上形 成電壓差(Va-Vb)被電流極性採樣電路檢測到，並輸出正向電流信號I+, I+信 號經邏輯門電路產生CLK+信號，CLK+使正控D型觸發器的數據埠D上的高電 平鎖存並輸出至其輸出埠Q上形成Drv+信號，Drv+信號變為高電平，使正控開 關MOSFET開通。由於正控開關MOSFET的D-S溝道被開通，原來流經正控開關 MOSFET內置寄生二極體內的電流就轉移至從正控開關的D-S溝道流過。因為 D-S溝道間的電阻值很小，所以電流在D-S溝道上的功耗也很小。至此，正控開 關和負控開關都已完成開通操作，只要開/關控制信號保持為邏輯高電平，正控D 型觸發器和負控D型觸發器輸出的Drv+和Drv-不會發生改變，正控開關和負控開 關持續開通，負載迴路保持正常接通狀態。
在經過若干時間以後，需要斷開負載迴路，就把開/關控制信號改變為邏輯 低電平。該邏輯低電平輸入到正控和負控D型觸發器的數據埠D上。按照零電 流關斷的要求，通過檢測負載迴路的電流極性來獲取交流固態功率開關的轉換時 機。即只有在I+或I-過零時，才進行信號傳替，邏輯門電路要能抑制V+和V-的影 響(如果有的話)，此時，CLK+和CLK-將隨I+和I-的變化。假定在開/關控制信 號改變為邏輯低電平以後，電流極性從負極性變為正極性，此時電流極性採樣電 路輸出I+信號，I+信號使CLK+信號有效。CLK+的上升沿使正控D型觸發器的數 據埠D上的低電平鎖存並輸出至其輸出埠Q上形成Drv+信號，Drv+信號變為 低電平，使正控開關MOSFET斷開，正控開關的D-S溝道被關閉。由於此刻的電 流為正向電流，在負載迴路電壓的作用下，該正向電流便由已關閉的正控開關的 D-S溝道轉移至正控開關內的寄生二極體，使負載迴路內的電流繼續保持導通。
10隨著時間的推移該電流會逐漸減少，最後為零。當電流順著原來變化趨勢要求產 生負極性電流時，由於正控開關的D-S溝道被關閉，其內部的寄生二極體阻擋了 負極性電流，因此不能形成負向電流，負載迴路在電流為零後保持零電流，即被 關閉。此時交流迴路的負向電壓降在已關閉的正控開關上，電壓極性採樣電路輸 出負向電壓V-信號，V-信號使CLK-信號有效(此時I+和I-都為零)。負控D型觸 發器在CLK-信號的作用下，其數據埠D上的低電平被鎖存並輸出至其輸出埠 Q上形成Drv-信號，Drv-信號變為低電平，使負控開關MOSFET斷開，負控開關 的D-S溝道被關閉。至此，正控開關和負控開關都關閉完畢，完成了負載迴路的 斷開操作。
本發明中，交流固態功率開關由2隻背靠背連接的增強型MOSFET固態開關、 電壓極性採樣電路和電流極性採樣電路組成。根據負載迴路電壓或電流極性的變 化，通過D型觸發器鎖存開/關控制信號，以半個交流電源周期的時間差依次開通 或關閉2隻固態開關MOSFET。
在負載迴路開通或關閉的操作過程中，分2次分別對2隻固態開關MOSFET 進行開通或關閉操作。第l次對某一隻固態開關MOSFET執行接通或關閉操作後 的半個交流電源周期內，負載迴路的接通或斷開狀態不會改變，且一直維持到負 載迴路的電壓或電流過零時間點。第2次對另一隻固態開關MOSFET執行接通或 關閉操作時，負載迴路的接通或斷開狀態已經發生了改變，即從接通變為斷開或 從斷開變為接通。
固態開關MOSFET的開通或關閉，與其控制的負載迴路的接通或斷開不是同 是發生的。負載迴路的接通或斷開是在負載迴路的電壓或電流極性發生改變(即 過零)時完成的。通過對2隻固態開關MOSFET的D-S溝道控制和利用它們內部寄 生二極體的單向導電特性，使負載迴路在電壓過零時自然接通，在電流過零時自 然截止，負載迴路不會產生尖峰電流和電磁幹擾。
本發明的交流固態功率開關的接通和斷開控制方法，對每個功率開關僅進行 一次觸發，正控開關和負控開關先後開通或關閉。利用交流電路的電壓或電流的 交變特性和固態開關MOSFET內部寄生二極體的單向導電特性，使交流固態功率 開關滿足零電壓接通、零電流斷開的要求。
圖2為實施例1控制阻性負載的控制波形圖。Vth+、 Vth-是電壓極性採樣電路的檢測閥值；Ith+、 Ith-是電流極性採樣電路 的檢測閥值。負載迴路的電流與電壓同相，負載電流從零開始，按正弦波曲線變
化，電流過零時結束。V+和V-周期性變化；CLK+和CLK-周期性變化；Drv+和 Drv-在開/關信號變化後的一個頻率周期內改變，在負載接通和斷開的時間段內 保持不變。
圖3為實施例1控制容性負載的控制波形圖。
負載迴路的電流超前於電源電壓。因為負載迴路是在電壓為零時接通，並按 正弦波曲線變化，所以，容性負載電流從零開始，以最小迴路電流充電後，按正 弦波曲線變化，電流過零時結束。CLK+和CLK-在開/關信號變化時後的一個頻 率周期內不能保持周期性變化狀態；Drv+和Drv-在開/關信號變化後的一個頻率 周期內改變，在負載接通和斷開的時間段內保持不變。
圖4為實施例1控制感性負載的控制波形圖。
負載迴路的電流滯後於電源電壓。因為負載迴路是在電壓為零時接通，並按 正弦波曲線變化，所以，感性負載電流從零開始，以最小迴路電流上升後，按正 弦波曲線變化，電流過零時結束。CLK+和CLK-在開/關信號變化時後的一個頻 率周期內不能保持周期性變化狀態；Drv+和Drv-在開/關信號變化後的一個頻率 周期內改變，在負載接通和斷開的時間段內保持不變。
圖5為本發明的實施例2的控制原理框圖。
實施例2與實施例l的區別在於線路電壓極性採樣電路檢測的是Vin和Vout之
間的電壓差(Vin -Vout)。當Vin〉Vout時電壓極性採樣電路輸出信號V+;當
ViiKVout時電壓極性採樣電路輸出信號V-。 CLK+和CLK-的邏輯表達式為
01+= 1+ + V+ CL" = I畫+ V-
在實施例2中， 一個共識為Vin與Vout兩點之間的阻抗要麼非常大(負載迴路斷 開時)，要麼非常小(負載迴路接通時)，所以，有I+時就沒有V+;有V+時就 沒有I+。同理I-和V-也是互斥的。在負載迴路接通過程中，CLK+或CLK-的第一 次響應是由電壓極性變化引起的，第二次響應是電流變化引起的；在負載迴路斷 開過程中，CLK+或CLK-的第一次響應是由電流極性變化引起的，第二次響應是 電壓變化引起的。假定負載迴路處於斷開狀態，在某一時刻，開/關控制信號變化為邏輯高電 平，目的是要求接通交流負載迴路。按照零電壓接通的要求，通過檢測負載迴路 的電壓極性來獲取交流固態功率開關的轉換時刻。由於負載迴路處於斷開狀態， 交流電源電壓全部降在負控開關MOSFET和正控開關MOSFET上，其電壓差(Vin -Vout)為零時就是交流負載迴路接通的時刻。假定電壓差極性由正極性變為負 極性，即ViiKVout，此時電壓極性採樣電路輸出V-信號，而負載迴路還沒有電 流，即1+ = 1-=0。 V-信號經邏輯或門產生一個高電平觸發脈衝CLK-，該觸發脈 衝的上升沿使負控D型觸發器的數據埠D上的高電平鎖存並輸出至其輸出埠 Q上形成Drv-信號，Drv-信號變為高電平，使負控開關MOSFET(l)開通。由於此 時ViiKVout，而正控開關MOSFET的D-S溝道還未開通且其內置寄生二極體反向 截止，所以儘管負控開關MOSFET已開通，此時的交流負載迴路並沒有電流通過。 經過半個交流電源的頻率周期，電壓極性發生改變，即Vin〉Vout，負載迴路就開 始有正向電流。電流從交流電源進端Vin經過負控開關MOSFET的D-S溝道(已開 通)、採樣電阻、正控開關MOSFET的內置寄生二極體到Vout，流入交流負載至 交流電源地。緊接著，該負載迴路內的正向電流在採樣電阻的兩端a點和b點上形 成電壓差(Va-Vb)被電流極性採樣電路檢測到，並輸出正向電流信號I+;由於 此時負控開關MOSFET的D-S溝道電阻和採樣電阻的阻值很小，正控開關 MOSFET的內置寄生二極體的正向壓降相對於電源電壓來說也很小，故電壓極性 採樣電路不會輸出V+信號，即丫+ = 0。 I+和V+信號經邏輯或門產生CLK+信號， CLK+使正控D型觸發器的數據埠D上的高電平鎖存並輸出至其輸出埠Q上 形成Drv+信號，Drv+信號變為高電平，使正控開關MOSFET開通。由於正控開 關MOSFET的D-S溝道被開通，其D-S溝道間的電阻值變得很小，原來流經正控 開關MOSFET內置寄生二極體內的電流就轉移至從正控開關的D-S溝道流過。至 此，正控開關和負控開關都已完成開通操作，只要開/關控制信號保持為邏輯高 電平，正控D型觸發器和負控D型觸發器輸出的Drv+和Drv-就不會發生改變，正
控開關和負控開關就保持持續開通，交流負載迴路就保持正常接通狀態。在交流 負載迴路接通期間，Vin和Vout間的電壓降很小，此時沒有V+和V-信號。
在經過若干時間以後，需要斷開負載迴路，就把開/關控制信號改變為邏輯 低電平。該邏輯低電平輸入到正控D型觸發器和負控D型觸發器的數據埠D上。按照零電流關斷的要求，通過檢測負載迴路的電流極性來獲取交流固態功率開關 的轉換時機。即只有在I+或I-過零時，才進行信號傳替。實施例2中，在負載迴路 接通期間，沒有V+和V-的信號，此時，CLK+和CLK-就只隨I+或I-變化而變化。 假定在開/關控制信號改變為邏輯低電平以後，交變電流過零，電流極性從負極 性變為正極性，即從a點流向b點。此時電流極性採樣電路輸出I+信號，I+信號經 邏輯或門後產生CLK+信號。CLK+的上升沿使正控D型觸發器的數據埠D上的 低電平鎖存並輸出至其輸出埠Q上形成Drv+信號，Drv+信號變為低電平，使正 控開關MOSFET斷開，正控開關的D-S溝道被關閉。由於此刻的電流為正向電流， 在負載迴路電壓的作用下，該正向電流便由已關閉的正控開關的D-S溝道轉移至 正控開關內的寄生二極體，使負載迴路內的電流繼續保持導通。隨著時間的推移 該電流會逐漸減少，最後為零。當電流順著原來變化趨勢要求產生負極性電流時， 由於正控開關的D-S溝道被關閉，其內部的寄生二極體阻擋了負極性電流，因此 不能形成負向電流，負載迴路在電流為零後保持零電流，即被關閉。而此時交流 負載迴路的負向電壓會降在已關閉的正控開關上，使Vou》Vin，電壓極性採樣電 路輸出的負向電壓V-信號就使CLK-信號有效(此時I+和I-都為零)。負控D型觸 發器在CLK-信號的作用下，其數據埠D上的低電平被鎖存並輸出至其輸出埠 Q上形成Drv-信號，Drv-信號變為低電平，使負控開關MOSFET斷開，負控開關 的D-S溝道被關閉。至此，正控開關和負控開關都關閉完畢，完成了負載迴路的 斷開操作。
圖6為實施例2控制感性負載的控制波形圖。電壓差Vin-Vout是電壓極性採樣 電路的輸入，Vth+、 Vth-是電壓極性採樣電路的檢測閥值；Ith+、 Ith-是電流極性 採樣電路的檢測閥值。負載迴路接通後，負載迴路的電流滯後於電源電壓。因為 負載迴路是在電壓為零時接通，並按正弦波曲線變化，所以，感性負載電流從零 開始，以最小迴路電流上升後，按正弦波曲線變化，電流過零時結束。負載迴路 接通期間，電壓差Vin-Vou-O， V+ = V-=0;負載迴路在零電流斷開時，電流變 化率為零，感性負載內的感應電動勢也為零，電壓差Vin-Vout會快速建立至交流 電源電壓。CLK+和CLK-在開/關信號變化時後的一個頻率周期內不能保持周期 性變化狀態；Drv+和Drv-在開/關信號變化後的一個頻率周期內改變，在負載接 通和斷開的時間段內保持不變。
權利要求
1、一種交流固態功率開關的控制方法，包括控制信號輸入端、二個固態開關MOSFET、負載電流極性採樣電路、負載電壓極性採樣電路、二個D型觸發器、電流採樣電阻和隔離電源，其特徵在於，包括如下步驟1)將二個固態開關MOSFET串聯在交流電源進端，使得二隻固態開關MOSFET的源極S通過電流採樣電阻連在一起；2)將一個固態開關MOSFET的漏極D與交流電源進端Vin連接，此固態開關MOSFET為負控開關，由負控D型觸發器輸出的驅動信號Drv-控制其接通或斷開；將另一個固態開關MOSFET的漏極D與交流負載相連接，此固態開關MOSFET為正控開關，由正控D型觸發器輸出的驅動信號Drv+控制其接通或斷開；當正控D型觸發器和負控D型觸發器輸出的驅動信號Drv-和Drv+為零電平時，正控開關和負控開關均處於關斷狀態，他們內部的寄生二極體反向阻擋特性，使負載迴路處於斷開狀態；3)將隔離電源輸出的輔助激勵電源地接在負控開關的源極S上，將控制信號輸入端分別連接到正控D型觸發器和負控D型觸發器數據埠，控制信號輸入端輸出的開關控制信號，控制負載迴路接通和斷開；4)電壓極性採樣電路檢測交流電源迴路或固態功率開關迴路上的交流電壓極性，當該交流電壓差為正時，輸出信號V+；當該交流電壓差為負時，輸出信號V-；5)電流極性採樣電路檢測負載迴路電流的極性，通過採集採樣電阻上的電壓差獲得負載迴路電流的極性，當該電壓差為正時負載迴路電流方向為正，輸出信號I+；當該電壓差為負時負載迴路電流方向為負，輸出信號I-；6)當負載迴路的電流或電源迴路的電壓的極性發生變化時，輸出的V+、I+信號經過邏輯門電路輸出CLK+，CLK+把正控D型觸發器數據埠D上的開關控制信號輸出成驅動信號Drv+至正控開關；輸出的V-、I-信號經過邏輯門電路輸出CLK-，CLK-把負控D型觸發器數據埠D上的開關控制信號輸出成驅動信號Drv-至負控開關；7)Drv+信號變為高電平，使正控開關開通，Drv+信號變為低電平，使正控開關關閉，Drv-信號變為高電平，使負控開關開通，Drv-信號變為低電平，使負控開關關閉。
2、 如權利要求l所述的一種交流固態功率開關的控制方法，其特徵在於所 述的正控開關為增強型金屬氧化物半導體場效應電晶體，所述的正控開 關和負控開關內分別設有寄生二極體。
3、 如權利要求l所述的一種交流固態功率開關的控制方法，其特徵在於所 述的負控開關為增強型金屬氧化物半導體場效應電晶體。
4、 如權利要求l所述的一種交流固態功率開關的控制方法，其特徵在於所 述的邏輯門電路可以為 一個乘法器和 一個加法器。
5、 如權利要求l所述的一種交流固態功率開關的控制方法，其特徵在於所 述的邏輯門電路可以為一個加法器。
全文摘要
本發明涉及一種交流固態功率開關的控制方法，包括二隻背靠背連接的固態開關MOSFET、負載電流極性採樣電路、線路電壓極性採樣電路、D型觸發器、邏輯門電路和隔離電源，其特徵在於檢測負載迴路電壓極性或電流極性的變化，D型觸發器鎖存開/關控制信號，依次開通或關閉二隻固態開關，以接通或斷開交流負載的供電迴路。本發明的優點在於通過採用本發明的交流固態功率開關的控制方法，實現對交流電氣負載的接通和斷開控制，具有一次觸發、自然過零開通和關斷、不產生電磁幹擾、開關功耗低的特點。
文檔編號H03K17/687GK101662275SQ200810042119
公開日2010年3月3日 申請日期2008年8月27日 優先權日2008年8月27日
發明者旺 袁 申請人:上海航空電器有限公司