三相交流固態功率控制器的同步控制方法
2023-05-19 02:10:56 2
專利名稱：三相交流固態功率控制器的同步控制方法
技術領域：
本發明涉及三相交流固態功率控制器的一種控制方法，屬於電力電子及電工 技術領域中的交流固態功率控制器的控制方法。
背景技術：
固態功率控制器就是基於飛機配電系統的發展應運而生的，是指用來代替繼 電器的轉換功能和斷路器的電路保護功能於一體的固態元器件，是與固態配電系 統相配套的控制負載通斷的開關裝置。它具有無觸點、無電弧、無噪聲、響應快、 電磁幹擾小、壽命長、可靠性高以及便於計算機遠程控制等優點，在飛機，坦克， 民用汽車、輪船，民用電網輸配電等方面均有著廣泛的應用。
為了減小交流固態功率控制器開關時因W&、力7&引起的浪湧電流和尖 峰電壓，減小開關時引起的電磁幹擾，減緩開關時功率管承受的應力， 一般交流 固態功率控制器都採用了"零電壓導通、零電流關斷"這種軟開關方式。但交流
固態功率控制器的這種控制方法存在以下一些不足
(l)"零電壓導通、零電流關斷"這種控制方法複雜，需要電流過零檢測、 電壓過零檢測、邏輯判斷等電路，增加了交流固態功率控制器的體積和重量。
(3)交流固態功率控制器用於三相場合，採用"零電壓導通、零電流關斷" 這種控制方法時，由於三相之間存在相位差如圖l所示，A和4表示開通關斷所
需的過渡時間，最早導通相或關斷相與最後的導通相或關斷相至少存在120°相 位差，所以三相開通、關斷將不同步，這有可能影響三相負載的正常工作。
發明內容
由於"零電壓導通、零電流關斷"控制的三相交流功率控制器開通和關斷存 在延遲(《T/2， T供電電源周期)，且三相不能同時接通和斷開，為了克服這些 缺點，本發明提出了三相交流固態功率控制器的一種新的同步控制方法即用"慢 開通，慢關斷"控制三相交流固態功率控制器的開通和關斷，可實現三相負載的 同時開通和關斷，該方法適用於任意頻率的供電電源系統情況，如民用和軍用恆
頻系統，非併網、併網風力發電電源系統和飛機變頻電源系統，適用於阻性、容 性和感性負載。
一種三相交流固態功率控制器的同步控制方法，其特徵在於，三相同時接收 同樣的控制命令，三相的功率控制開關實現同時的"慢開通慢關斷"，開通和關
斷時間單位能控制在US級；當三相負載正常時，故障跳閘信號為高電平，三相
功率控制開關受外部控制命令控制同時導通或關斷，當三相負載中任意一相負載 出現故障時，故障跳閘信號為低電平，控制三相功率控制開關同時實現慢關斷，
切斷負載隔離故障，實現真正的三相同步快速導通和關斷；在任意電源頻率和任 意控制時刻，能實現三相交流固態功率控制器中三相功率控制開關的同時開通或 關斷，具體每相功率管的通斷控制方法為，在功率電路中利用兩個功率場效應管 反向串連的結構作為每相交流固態功率控制器的功率控制開關，控制負載的通與 斷；當控制信號為高時，每相反向串聯結構的兩個功率場效應管導通，接通負載； 當控制信號為低時，每相反向串聯結構的兩個功率場效應管截止，斷開負載，具 體方法是，利用功率場效應管的柵源電壓的緩慢增加來控制負載電流的上升和下 降時間，當控制信號控制功率場效應管導通時，控制功率場效應管的柵源電壓略 大於功率場效應管的門檻電壓，使功率場效應管處於導通狀態，然後使柵源電壓 緩慢上升，控制功率場效應管導通電阻逐漸減小到穩定，實現緩慢開通；當控制 信號控制功率場效應管關斷時，控制功率場效應管的柵源電壓逐漸下降到零，控 制功率場效應管導通電阻逐漸增加直至功率場效應管過渡到完全關斷狀態，實現 功率管開關的慢關斷。
圖1 "零電壓導通和零電流關斷"控制時的示意圖
圖2單相交流固態功率控制器"慢開通、慢關斷"的驅動電路
圖3三相交流固態功率控制器結構圖
圖4單相交流固態功率控制器的構成圖
圖5單相交流固態功率控制器帶阻性負載時的"慢開通、慢關斷"開關波形 (400hz)
圖6三相交流固態功率控制器帶純阻性負載時的同時開關波形(400Hz)
圖7三相交流固態功率控制器帶阻容性負載時的同時開關波形(400Hz) 圖8三相交流固態功率控制器帶阻感性負載時的同時開關波形(400Hz) 圖9三相交流固態功率控制器帶純阻性負載時的同時開關波形(50Hz)
具體實施例方式
一種三相交流固態功率控制器的同步控制方法，其特徵在於，三相交流固態 功率控制器的功率管採用功率場效應管，每相採用兩個場效應管反向串聯的結構 如圖2所示；本發明用"慢開通、慢關斷"這種控制方法對圖2中每相反串聯結
構的功率管進行控制，控制負載的通與斷，當控制信號(CMD)為高時，反向串 連結構的兩個功率場效應管導通，接通負載；當控制信號(CMD)為低時，反向 串連結構的兩個功率場效應管截止，斷開負載；本發明的三相交流固態功率控制 器的同步控制構成如圖3所示，當控制信號(CONTROL)為高時，採用"慢開通" 方式控制三相交流固態功率開關同時導通，接通三相負載，當控制信號(CONTROL) 為低時，採用"慢關斷"方式控制三相交流固態功率開關同時關斷，斷開三相負 載，既可以抑制開通和關斷瞬時的oVW和t/Z/W，又簡化了設計，有利於減小 交流固態功率控制器的體積和重量，並且真正實現了三相交流固態功率控制器的 同歩開斷。
本發明的三相交流固態功率控制器的同步控制構成如圖3所示，CONTROL為 上級管理控制單元發出的三相開關控制命令，定義高電平控制導通，低電平控制 關斷，用來控制三相交流固態功率控制器的通斷，A—ACSSPC、 B—ACSSPC和 C—ACSSPC分別為A相、B相和C相固態功率控制器，分別控制A相、B相和C相 負載的通斷和保護，CMDA、 CMDB和CMDC分別為A相、B相和C相的控制信號， 定義高電平控制導通，低電平控制關斷，A相、B相和C相保護信號是A相、B 相和C相檢測到過流和短路故障而產生的保護信號，設定正常情況下為電平高， 故障情況下電平為低；負載正常情況下，A相、B相和C相保護信號為高，則 CMDA=CMDB=CMDC=CONTROL;負載出現故障時，若A相、B相和C相三個保護信 號中任意一個為低，則CMDA二CMDB《MDC為低電平，控制三相功率開關同時關斷， 切斷負載將故障隔離；在負載故障出現但還沒有清除情況下，A相、B相和C相 中故障相保護信號一直鎖定並保持，復位信號主要在三相負載故障清除後，能使A相、B相和C相三個保護信號置為高電平，恢復上級管理控制單元開關控制作用。
單相交流固態功率控制器的構成圖如圖4所示，每相採用兩個功率場效應管 反向串聯的結構，驅動電路採用"慢開通、慢關斷"控制，電流檢測採用主電路 內串接採樣電阻(Rs)，檢測的負載電流大小，送到短路保護和過流保護電路，根 據負載電流大小判定是否進行短路保護或I2t過流保護;根據檢測的電壓和電流， 可輸出的信號有保護信號、負載電流狀態信號和開關的狀態，負載電流狀態信號 用來判定是否有負載電流，開關的狀態反應開關的通斷情況；隔離電路可將功率 與控制信號、輸出的負載電流狀態和開關狀態完全隔離。
每相的驅動電路和主電路如圖2所示，控制信號CMD經光耦U隔離後送至第 一三極體T1的基極，第一三極體T1的集電極輸出接至由第八電阻R8、第一電 容C1、第九電阻R9、第十電阻RIO、第一二極體D1構成的"慢開通、慢關斷" 電路，第八電阻R8和第一電容Cl的聯結點為信號的輸出，送至由第二三極體 T2、第三三極體T3組成的推挽電路，推挽的輸出分別經第四電阻R4、第六電阻 R6送至兩個功率場效應管M0SFET1、M0SFET2的柵極，從而控制場效應管的通斷。
在圖3中，當控制信號(CMD)信號為高時，第一三極體T1的基極電壓由高 電平變換到低電平，第一三極體T1截止，在第一三極體T1截止的瞬間，第一電 容Cl相當於短路，此時第一電容Cl的電壓fe為0，所以此時兩個功率場效應 管M0SFET1、 M0SFET2的柵源驅動電壓〃Ugs1和Ugs2"為
formula see original document page 6其中Ugs1,Ugs2分別為第一二極體Dl的導通壓降和第二三極體T2的基射極壓降，設計參數使開通瞬間兩個功率場效應管M0SFET1、 M0SFET2的柵源電壓U,等於場效應管的門檻電壓f^，兩個功率場效應管M0SFET1、 M0SFET2處於剛導通狀態，圖2中的電路中供電電源Vcc通過第三電阻R3，第八電阻R8、第十電 阻R10對第一電容Cl充電；任意時刻
formula see original document page 6這樣，隨著第一電容Cl電壓升高至穩定為供電電源電壓Vcc，兩個功率場效應
管M0SFET1和M0SFET2柵源驅動電壓從開啟電壓F^上升至穩定在Vcc-^T2，兩
個功率場效應管M0SFET1和M0SFET2柵源驅動電壓從開啟電壓f^上升開始到負
載電流上升到穩態值的90%這段時間t即為"慢開通"時間，調整第十電阻R,。 和第八電阻Rs大小，可以改變開通的時間。交流固態功率控制器使用了 "慢開 通"這種控制方法後，開通時，負載電流緩慢上升，功率管兩端電壓緩慢下降， 抑制了開通時因aU/W引起的浪湧電流。
當控制信號即CMD信號為低電平時，這時第一三極體T1導通，第一三極體 Tl導通的瞬間，第一電容C1的電壓ft屍Vcc，所以此時兩個功率場效應管MOSFETl 和M0SFET2的柵源電壓"^和"《為formula see original document page 7
式中仏,3為第三三極體T3的基射極壓降，設計第八電阻fe、第九電阻R9和第十 電阻Rw的參數，使關斷瞬間的柵源電壓"w和Z7w等於功率場效應管的門檻電壓 P^的(1.2 1.5)倍，隨後，第一電容C1通過第八電阻R8、第九電阻R9、第
十電阻R10放電至0，相應地功率場效應管逐漸過渡至完全關斷狀態，此過程中 任意時刻
formula see original document page 7
柵源驅動電壓從(1.2 1.5) !;下降開始，到兩個功率場效應管M0SFET1
和M0SFET2完全關斷，負載電流下降到穩態值的10%這段時間t即為"慢關斷" 時間，改變第八電阻R8、第九電阻R9和第十電阻R10的參數，可改變關斷過程 的時間，即改變負載電流的變化率；交流固態功率控制器使用"慢關斷"這種控 制方法後，負載電流逐漸減小，可以很好地抑制關斷時因di/dt引起的尖峰電壓。 圖5為單相交流固態功率控制器帶阻性負載時的"慢開通、慢關斷"開關示意波 形，圖中供電電源為交流115V(400Hz)。
當負載為阻性時，三相交流固態功率控制器採用"緩開通、慢關斷"這種方 法進行控制時，其開通關斷的波形如圖6所示，當開通或關斷功率管時，負載電 流緩慢上升或下降，可以減小開關時的^/^和A7&，實現了三相負載的同時接通和斷開。
當帶容性負載開通時，三相交流固態功率控制器採用"慢開通、慢關斷"這 種方法進行控制時，其開通的波形如圖7所示，帶容性負載開通時，t/"/^得到 了很好地抑制，浪湧電流很小，實現了三相負載的同時接通和斷開。
帶感性負載關斷時，三相交流固態功率控制器採用"慢開通、慢關斷"這種 方法進行控制時，波形如圖8所示。隨著柵源電壓^緩慢下降，帶感性負載關 斷時，因力7W弓l起的尖峰電壓得到了有效地抑制，實現了三相負載的同時接 通和斷開。
三相電源頻率為50Hz，阻性負載情況下，三相負載同時通斷的波形示意如 圖9所示，三相交流固態功率控制器採用"慢開通、慢關斷"這種方法進行控制 時，開通和關斷控制不受電源頻率的影響。
三相交流固態功率控制器採用了"慢開通、慢關斷"這種控制方法後，同樣可以 抑制開關時因W&、力7"引起的浪湧電流和尖峰電壓，減小了電磁幹擾；但 可以省去"零電壓導通、零電流關斷"時所必須的電流檢測、電壓檢測、過零判 斷等電路，可以極大地簡化設計，減小了交流固態功率控制器的體積和重量；另 外，採用"緩開通、慢關斷"這種方法控制三相交流固態功率控制器後，可以真 正地實現三相開關的同步接通和斷開，該方法可推廣應用任何頻率和電壓等級的 交流供電系統中。
權利要求
1、一種三相交流固態功率控制器的同步控制方法，其特徵在於，三相同時接收同樣的控制命令，三相的功率控制開關實現同時的「慢開通慢關斷」，開通和關斷時間單位能控制在us級；當三相負載正常時，故障跳閘信號為高電平，三相功率控制開關受外部控制命令控制同時導通或關斷，當三相負載中任意一相負載出現故障時，故障跳閘信號為低電平，控制三相功率控制開關同時實現慢關斷，切斷負載隔離故障，實現真正的三相同步快速導通和關斷；在任意電源頻率和任意控制時刻，能實現三相交流固態功率控制器中三相功率控制開關的同時開通或關斷，具體每相功率管的通斷控制方法為，在功率電路中利用兩個功率場效應管反向串連的結構作為每相交流固態功率控制器的功率控制開關，控制負載的通與斷；當控制信號為高時，每相反向串聯結構的兩個功率場效應管導通，接通負載；當控制信號為低時，每相反向串聯結構的兩個功率場效應管截止，斷開負載，具體方法是，利用功率場效應管的柵源電壓的緩慢增加來控制負載電流的上升和下降時間，當控制信號控制功率場效應管導通時，控制功率場效應管的柵源電壓略大於功率場效應管的門檻電壓，使功率場效應管處於導通狀態，然後使柵源電壓緩慢上升，控制功率場效應管導通電阻逐漸減小到穩定，實現緩慢開通；當控制信號控制功率場效應管關斷時，控制功率場效應管的柵源電壓逐漸下降到零，控制功率場效應管導通電阻逐漸增加直至功率場效應管過渡到完全關斷狀態，實現功率管開關的慢關斷。
全文摘要
一種三相交流固態功率控制器的同步控制方法，屬交流固態功率控制器的控制方法。本方法採用「慢開通慢關斷」方式控制三相交流固態功率器的通與斷，每相利用兩個功率場效應管反向串聯控制負載的通與斷，當控制功率場效應管導通時，控制功率場效應管的柵源電壓緩慢上升，使功率場效應管導通電阻逐漸減小，實現緩慢開通；當控制功率場效應管關斷時，控制功率場效應管的柵源電壓逐漸下降到功率場效應管的門檻電壓，使功率場效應管逐漸加大並逐漸過渡到完全關斷狀態，實現慢關斷；既能真正實現三相的同步導通和關斷，提高供電質量，又能抑制開關瞬時的du/dt和di/dt，降低了控制電路的複雜性，減小了體積和重量，適於任意工作頻率的供電電源系統。
文檔編號H03K17/00GK101340185SQ20081012459
公開日2009年1月7日 申請日期2008年8月26日 優先權日2008年8月26日
發明者嚴仰光, 楊善水, 江登宇, 莉 王, 陳昌林 申請人:南京航空航天大學