限流的直流電力控制器的製作方法

2023-05-25 03:15:56

專利名稱：限流的直流電力控制器的製作方法
技術領域：
本發明涉及直流電力控制器，更具體地說，涉及限流的直流電力控制器。
用於先進的航空太空飛行器的高壓直流電力系統，為了保護其電源，負載和線路，需要有限流電力控制器。在短路期間，一個電力控制器的開關元件被加上了全線電壓，同時其電流又須限止到一個安全值上。適用於例如直流28伏這樣低壓系統的線路技術對高達150或200伏的這樣高直流電壓已不符合要求。在高電平時，電晶體的安全工作區域的諸特性曲線是受到嚴格限止的。一個能承受一伏直流電壓的正向管壓降並能連續通過150安培直流的大功率電晶體，以同樣的電流只允許承受150的直流電壓達100微秒。根據這一工作準則，必須實行快而準確的限流控制以防止開關元件遭受損壞。
先進的電力系統也要求具有可編程額定值的電力控制器以減少設備的成本，並能重新配置電氣系統以執行不同的使命、滿足對電源的限止以及在故障環境下工作。
本發明尋求提供一種用於較高直流電壓系統的可編程電力控制器，這種控制器能實行快速準確的限流。按照本發明設計的電力控制器包括一個具有一個用於導通一對輸出端之間電流的可控固態開關器件的輸出電路級，和一個用於根據一個控制信號控制開關器件的驅動電路。一個可編程電流源用來根據一個命令信號產生一個基準信號。串接在線電壓源和可編程電流源之間的電阻器產生一個正比於命令信號的基準電壓信號。當電力控制器關閉時，基準電壓被鉗位在一個預定數值上。一個數值正比於流經電力控制器的第二電壓信號與基準電壓合在一起產生一個差信號。根據差信號產生由驅動電路所需的控制信號。
本發明的限流特性可與各種電流電力開關電路相比擬。可編程限流設定值可由各種類型的模擬或數字輸入信號進行控制。輸出級開關器件的上升和下降時間可由電路的時常數控制。這樣，可以獲得對過載的快速響應時間並限制輸出級的電流突增。


圖1為本發明的限流直流電力控制器的最佳實施例的電路圖。
參考附圖，按本發明構成的限流直流電力控制器包括一個具有由電晶體Q1組成的可控固態開關器件的輸出電路級10，它用來導通在輸出端12和14之間的電流，當與一個電力系統相連時，將線電源16與輸出端之一相連接，並將負載18與另一輸出端相連接。按照公知的技術設計的驅動電路20按照線22上產生的控制信號控制電晶體Q1的工作。當電晶體Q1導通時，負載電流經過旁路電阻R1，從而在線24和26上產生一個電壓信號，電壓信號的幅度正比於流經電力控制器的輸出級的電流。由電阻R2，R3，R5和R6，電容C1，C2和C3，及二極體D1，D2和D3組成的電橋電路28，將線24和26上的電壓信號與相應於限流設定值的基準信號複合，從而在電容C1的兩端產生一個差信號。可編程電流源30與電阻R2相串聯，以便在電阻R2兩端出現響應於由可編程電流源30提供的常值電流的基準電壓信號。電流源給出一個由從接地點32至高壓線34之間耦合過來的信號，高壓線上的電壓例如可以是150伏或200伏直流。限流的設定值由模-數轉換器U1在點35上產生的電壓進行控制。加在輸入線36上的數字指令信號在點35處被轉換成0至10伏直流電壓範圍內的直流電壓。設定值的直流信號又被送回到端38，以便使模擬-數字轉換器能適當地工作。限流電路的其它元件，如電阻器R7，R8，R10，R11，R12和R13，電容器C4，放大器U2，以及電晶體Q2，用來產生一正比於流經R12的命令信號的恆值電流信號。該恆值電流信號ISP也通過電阻R2，從而將基準電壓信號引到電阻R2的兩端。應該認識到，控制接地點32也可在電力系統地37的同一電位上或在低於線34的其它電位上。
一個第一控制電源39用來在高壓線34和負壓供給總線40之間供給15伏的電位差。第二控制電源41用來提供15伏電源，該電源為限流電路30提供相對於控制地32的15伏電壓。在工作時，由電阻R15，R16，R17，R18和R19，電容器C5，C6和C7，二極體D4和D5，放大器U3以及電晶體Q2組成的比較器電路42，根據出現在電容C1兩端上的差信號在線22上產生一個控制信號。
在電橋電路中，通過將信號鉗位在負電源電壓上來限止出現在R2兩端上的基準電壓的幅度。這種限幅作用可防止當電流源30發生故障時的失控，以致使設定點電流ISP的額外增加。二極體D3的充電作用可限止加於電阻R2和R3上的電壓，從而限止最大限流設定點。
電力控制器是通過給端點44加上一個高電平邏輯信號予以接通的。電力控制的接通激發了在光耦合器U4中的發光二極體，使其輸出增大。在電阻R2兩端的電壓放電至編程好的基準電壓的同時，電阻R5兩端的偏壓降到零。當電容C1放電至零時，放大器U3開始驅動輸出電晶體Q1，從而將輸出級接通。當電晶體Q1導通時，其驅動電流增加，直至到由分流電阻R1所敏感的電流與等於編程的電流設定值。負載電流然後維持在該值上直至在44端的信號被去掉時為止。如果負載電阻將負載電流限制在限流設定值以下，則在線22上的控制信號將一直增大，直至電晶體Q1飽和時為止。如果負載電阻突然減少，就象在發生故障或過載時那樣，則負載電流將只增加至限流設定值。
如上討論，在分流電阻R1兩端所產生的電壓與在電橋電路28中的電阻R2上產生的電壓迭加在一起在電容C1兩端產生一個差信號。該信號被送至放大器U3的輸入端，從而產生在點45上產生一個誤差信號。該誤差信號由電晶體Q3進行電流放大，以便在線22上產生控制信號。放大器U3的增益通過電阻R15和R16以及電容C5進行控制，以保證它在線路的頻帶內穩定地工作。電容C7可加速電晶體在突然過載時的截止，以便限止電流的突增。
二極體D3和電阻R3將限流基準鉗位到關閉狀態時的固定電平上，從而提供了與編程限止電平無關的開關的接通和上升時間的控制。具體地說，電容C2用來控制基準電壓從一個由電阻R2和R3的相對值決定的預選值至相應於基準設定點的幅度的變化的速率。光耦合器U4，二極體D2和電阻R4的組合用來將電阻R5上的偏壓提高到高於電阻R2兩端的編程基準電壓。電阻R3，二極體D1和光耦合器U4一起用來當電力控制器接通時減少出現在電阻R2兩端的電壓。
通過將一低電平信號加至44端實行電力控制器的關閉。在44端上的低電平信號使U4的輸出下降。流經二極體D2和電阻R4的電流使得電阻R2兩端的電壓超過電阻R2兩端的基準電壓。光耦合器U4也使通過二極體D1和電阻R3的基準電壓降低而與編程的限流電平無關。因此，在關閉狀態時，電容C1兩端的差電壓驅使放大器U3的輸出到達高電平，從而將電晶體Q1關閉。
圖中所示的限流控制電路結構可與各種現行的驅動線路和輸出級組合相比擬。輸出級電晶體的上升和下降時間由電路元件的時常數進行控制。本電路也提供了對過載的快速相應時間並限止在輸出級中的電流突增。
雖然本發明已經在目前認為是以其最實施例的形式作了描述，但是對熟悉本技術領域的人來說，顯然可在不離開本發明的範圍內作各種改變。例如，用於建立限流設定值的指令信號在本最佳實施例中是一個數位訊號，但只需對電路作一些微小改變，該信號可以採用模擬電壓信號，模擬電流信號，也可以是一種要求的函數，例如是線電壓的反比函數，或者是一個用於限制限制負載溫度的溫度敏感器。因此，上述這種改變均在所附的權利要求的範圍內。
權利要求
1.一種限流的直流電力控制器，其特徵在於包括一個輸出電路級(10)，它有一個用於導通在一對輸出端(12，14)的電流的可控固態開關器件；一個驅動電路(20)，用於根據一個控制信號控制上述固態開關器；一個可編程電流源(30)，用於根據一個命令信號產生一個基準電流信號；一個第一電阻器R2，串接在線電壓源和上述可編程電流源之間，用來產生一個幅度正比於上述命令信號的基準電壓信號；一個鉗位裝置(D3，R3)，用於當電力控制器關斷時將上述基準電壓鉗位在一個預定的幅度上；一個裝置(R1)，用來產生一個其幅度正比於流經上述輸出電路級的電流的第二電壓信號；一個裝置(28)，用來將上述基準電壓信和上述第二電壓迭加起來以產生一個差信號；及一個裝置(42)，用來根據上述差信號產生上述控制信號。
2.如權利要求所述的電力控制器，還包括一個裝置(C2)，用來當上述電力控制器接通時，控制上述基準電壓信號從上述預定幅度變化到正比於上述基準電流信號的上述幅度的變化速率。
3.如權利要求2所述的電力控制器，其中上述用於控制上述基準電壓的變化速率的裝置還包括一個電容器(C2)，它電氣地與上述第一電阻相併聯。
4.如權利要求1所述的電力控制器，還包括一個第一控制電源(39)，它連接在上述線電壓源和一個負控制線之間;及上述鉗位裝置包括一個與上述第一電阻電氣地相串聯的第二電阻(R3)和用於將上述第二電阻連接到上述負控制線上的裝置(D3)。
5.如權利要求1所述的電力控制器還包括用於當上述電力控制器關閉時將一個偏壓加到上述第二第二電壓信號的裝置。
6.如權利要求1所述的電力控制器，還包括一個第二控制電源(41)，用來在上述電流源和一個控制地(32)之間的控制信號。
7.權利要求6所述的電力控制器，其中上述控制地與電力系統的地是公共的。
全文摘要
一個限流的直流電力控制器有一個用來導通在一對輸出端之間的電流的可控固態開關器件和一個用於根據一個控制信號控制該開關器件工作的驅動電路。一個可編程電流源用來根據一個命令信號產生一個基準電流信號而該基準電流通過一個電阻以產生一個正比於命令信號幅度的基準電壓信號。當電力控制器關閉時，基準電壓信號被鉗位到一個預定值。一個正比於負載電流的第二電壓與基準電壓信迭加在一起用以產生一個控制信號。
文檔編號H02M3/155GK1039666SQ8910454
公開日1990年2月14日 申請日期1989年7月6日 優先權日1988年7月6日
發明者戴維·艾倫·福克斯, 維廉·威文·比林 申請人:西屋電氣公司