厚膜磁隔離直流固態功率控制器的製作方法

2023-09-13 01:33:10

專利名稱：厚膜磁隔離直流固態功率控制器的製作方法
技術領域：
本發明屬於電力電子與電工技術領域，特別涉及一種直流固態功率控制裝置。
背景技術：
固態功率控制器是隨著飛機配電系統的發展而產生的由半導體器件構成的智能配電裝置，它是固態配電系統的核心部件和最終執行部件，兼有開關功能和保護功能，並可以接受前級計算機的控制信號並報告其狀態信息；在負載發生過載時，按照反延時特性跳閘，保護線路和負載設備；當負載發生短路時，在幾十微秒的時間內快速動作將故障負載切斷；固態功率控制器具有無電弧、無觸點、無噪聲、響應快、電磁幹擾小以及便於計算機遠程控制等優點，在民用低壓直流配電系統、航空、坦克、太空飛行器、汽車、艦船等場合均可廣泛應用。目前直流固態功率控制器的電路在具體實現和製造工藝方面，存在著如下的一些關鍵技術問題
(1)直流固態功率控制器的軟接通和軟關斷問題
軟接通和軟關斷功能對於直流固態功率控制器而言是必不可少的容性負載在開通過程中存在較大的衝擊電流，依據負載電容的大小不同，衝擊電流可達2-6倍，甚至10倍以上，這樣可能會導致跳間；軟接通功能可以很好地抑制直流固態功率控制器帶容性負載開通時的衝擊電流，從而提高直流固態功率控制器帶容性負載能力；另外由於配電線路中不可避免地存在著分布電感，直流固態功率控制器關斷負載時會在功率半導體開關管兩端產生因di/dt引起的感應尖峰電壓，軟關斷功能可以很好地解決這個問題；目前直流固態功率控制器在軟接通和軟關斷問題的解決上多採用一些集成電路驅動晶片，一是效果不夠理想，二是方案複雜且不方便整體的電路集成。(2)直流固態功率控制器的短路保護問題
負載短路作為最嚴峻的故障模式，可能會產生極具危害的熱應力，導致固態功率控制器損壞或者上級保護裝置跳間；因此固態功率控制器應能夠快速檢測到短路故障並迅速關斷，保證功率MOSFET安全和連接在同一匯流條上的負載不中斷供電；目前短路保護的檢測方法多是檢測功率MOSFET兩端電壓，這樣存在的問題是短路保護電路和軟接通、軟關斷電路結合時較為複雜，且抗幹擾能力差，容易誤保護。(3)直流固態功率控制器中功率半導體開關管的保護問題
功率半導體開關管是直流固態功率控制器中的核心器件之一，功率半導體開關管的安全與否決定了直流固態功率控制器的功能能否正常實現；直流固態功率控制器中功率半導體開關管的保護技術一直是固態功率控制器的關鍵技術之一；目前對於功率半導體開關管的保護多採用緩衝電路的方法，這樣做只解決了關斷過程中的一些電應力，並沒有考慮系統中可能出現的浪湧電壓和負載對功率半導體開關管的影響，也沒有考慮功率MOSFET在長期工作和發生過載、短路時的熱應力。(4)直流固態功率控制器中電壓和電流狀態輸出的時序問題直流固態功率控制器可以向上位機反饋負載電壓和負載電流狀態，上位機根據開關控制命令以及反饋的負載電壓狀態和負載電流狀態判斷負載和固態功率控制器的工作狀態； 因此需要將反饋的負載電壓和負載電流狀態做同步輸出處理，否則可能導致上位機作出錯誤的判斷。(5)直流固態功率控制器的上電復位問題
直流固態功率控制器的工作過程通常是先給控制部分偏置電源供電，然後通過給控制部分發送命令來控制開通關斷；上電復位是指當SSPC控制部分沒有供電時，若已經發出開通命令，則此時再給SSPC控制部分偏置電源供電，那麼SSPC不應該開通；若要使SSPC開通，必須先發出關斷命令，再發開通命令，現有的固態功率控制器並沒有這種考慮。(6)直流固態功率控制器與上位機接口部分的隔離問題
為了避免強電迴路對弱電控制迴路幹擾，在上位機向固態功率控制器發送開通關斷控制命令以及直流固態功率控制器向上位機反饋狀態時，通常需要提供電氣隔離；目前使用較多的方法是採用光耦隔離，具有體積小、響應速度快、容易和邏輯電路配合、使用方便等優點；但是光耦隔離存在的問題是功耗較大、不耐輻射等缺點，限制了其在航天領域空間環境的使用。

發明內容
本發明所要解決的技術問題，是針對前述背景技術中指出的缺陷和不足，提供一種厚膜磁隔離直流固態功率控制器，其可優化控制器的電氣性能，減小體積重量，提高可靠性，在民用低壓直流配電系統、航空、坦克、汽車、艦船等場合均可廣泛應用，並拓展應用領域，非常適合航天應用環境。本發明為解決以上技術問題，所採用的技術方案是
一種厚膜磁隔離直流固態功率控制器，包括功率M0SFET、檢測電阻、功率二極體、TVS 二極體、電流調理電路、電壓檢測電路、電壓狀態判斷電路、電流狀態判斷電路、立即跳閘電路、反時限電路、短路檢測電路、驅動電路、狀態綜合電路、跳間狀態鎖存電路、延時復位電路、時序匹配電路、DC/DC隔離電源、第一隔離電路、第二隔離電路、第三隔離電路、狀態反饋接口電路、控制信號接口電路和上電復位電路；
功率MOSFET的漏極連接功率輸入端，源極經由檢測電阻接至負載然後到功率地，功率二極體的陽極連接功率地，陰極連接功率輸出端；TVS 二極體的陽極接至功率地，陰極接至功率輸入端；
電流調理電路的輸入端連接在檢測電阻的兩端，輸出端分別接至反時限跳閘電路、立即跳閘電路、短路檢測電路以及電流狀態判斷電路；電壓檢測電路的輸出端連接電壓狀態判斷電路；前述電壓狀態判斷電路和電流狀態判斷電路的輸出信號均經過時序匹配電路的處理後同步輸出；時序匹配電路的輸出信號則分別經過第二隔離電路和第三隔離電路後連接至狀態反饋接口電路，所述狀態反饋接口電路的輸出信號即是反饋給上位機的負載電流狀態信號和負載電壓狀態信號；
反時限電路和立即跳閘電路的輸出信號輸入到跳閘狀態鎖存電路，而短路檢測電路的輸出信號也連接至跳閘狀態鎖存電路，該跳閘狀態鎖存電路的輸出信號和第一隔離電路的輸出信號共同輸入到狀態綜合電路，而狀態綜合電路的輸出信號和短路檢測電路的輸出信號共同輸入到帶有降柵壓保護功能的軟開通軟關斷驅動電路中，該電路輸出連接到功率 MOSFET的柵源極，狀態綜合電路的輸入信號同時還作為輸入信號連接到延時復位電路，狀態綜合電路的輸出信號則傳送至時序匹配電路；
外部的控制命令經過上電復位電路連於控制信號接口電路，控制信號接口電路的輸出端連於第一隔離電路，第一隔離電路的輸出信號連至狀態綜合電路和延時復位電路，延時復位電路的輸出端則連接到跳間狀態鎖存電路；
上電復位電路、控制信號接口電路、狀態反饋接口電路由外部5V偏置電源供電，DC/DC 隔離電源將外部的5V偏置電壓升壓至15V，以功率MOSFET源極作為內部參考地，給以下功能電路模塊供電狀態綜合電路、延時復位電路、時序匹配電路、短路檢測電路、反時限電路、立即跳閘電路、跳閘狀態鎖存電路、驅動電路、電壓檢測電路、電壓狀態判斷電路、電流狀態判斷電路和電流調理電路。 上述驅動電路包含軟接通和軟關斷電路以及降柵壓短路保護電路，其中，軟接通和軟關斷電路的結構為控制信號經過第三五電阻連接NPN第五三極體的基極，電源通過第二八電阻連接第五三極體的集電極，而該第五三極體的發射極和參考地相連；第五三極體的集電極還分別通過第三一、四零電阻連於NPN第二、六三極體的基極，第二、六三極體的發射極均與參考地相連，第二、六三極體的集電極則分別通過第二七、三二電阻連於電源；第二九電阻從第二三極體的集電極出發，經過第四電容、第三四電阻、第三九電阻到達參考地，且其中的第三四電阻還正向並聯有第二二極體；第二九電阻和第四電容相連的節點連於NPN第一三極體和PNP第三三極體的基極，第一、三三極體的發射極相連，第一三極體的集電極接於電源，第三三極體的集電極接於參考地；第三零電阻的一端與第一、三三極體的發射極相連，另一端接至功率MOSFET的柵極，在功率MOSFET的柵極並聯第三七電阻， 第三、四穩壓管反向串聯後並聯在功率MOSFET的柵極和源極之間；
所述降柵壓短路保護電路的結構為短路檢測電路發出的短路狀態信號連接第一與非門的輸入端，第六三極體的集電極連接第一與非門的另一個輸入端和輸出級為集電極開路的第一比較器的負極性輸入端，第一與非門的輸出端接於第二與非門的一個輸入端，第二、 四與非門連接組成RS觸發器；第一比較器的正極性輸入端接參考電壓，並和輸出級為集電極開路的第二比較器的正極性輸入端相連，第一比較器的輸出接至第二比較器的負極性輸
入點，並且分別通過第---電阻和第五二電容連至電源和參考地，第二比較器的輸出端
經由第一一二電阻連於電源；第四與非門的輸出接至第三與非門的兩個輸入端，而該第三與非門的輸出端通過第三六電阻接到NPN第四三極體的基極，第四三極體的發射極接參考地，第四三極體的集電極通過第三三電阻和第五電容接至參考地，第一二極體的陽極連於第二九電阻和第四電容相連的節點，陰極連於第三三電阻和第五電容相連的節點；第二六電阻連接電源和第一二極體的陰極。 上述反時限電路的結構為電流調理電路的輸出端經由第一四電阻連接第三運算放大器的負極性輸入端，第一二、第一九電阻串聯組成分壓器，對5V參考電壓進行分壓， 分得的電壓通過第一七電阻連於第三運算放大器的正極性輸入端，第一五電阻接於第三運算放大器的輸出端，第三電容跨接於第一五電阻的另一端和第三運算放大器的負極性輸入端，第三比較器的輸出端經第一一電阻連於電源；第三比較器的負極性輸入端通過低通濾波器連到集電極開路的第四比較器的負極性輸入端，電源經過第二三、二五電阻接至參考地，第二二、二五電阻相連的一點接至第四比較器的正極性輸入端，而該第四比較器的輸出端和第三比較器的輸出端相連，作為反時限電路和立即跳閘電路的輸出。上述時序匹配電路的結構為第五、六、七、八比較器均是輸出級為集電極開路的比較器，狀態綜合電路的輸出端連接第五比較器的負極性輸入端和第七比較器的正極性輸入端，第五、六、八比較器的正極性輸入端與第七比較器的負極性輸入端相連且接於參考電壓；第五比較器的輸出端連接第六比較器的負極性輸入端，並通過第二三電容接參考地、 通過第七二電阻接電源；第七比較器的輸出端連接第八比較器的負極性輸入端，並通過第二四電容接參考地、通過第七四電阻接電源；第六比較器的輸出端連接第五、六與非門的輸入端，並通過第七三電阻接電源；第八比較器的輸出端連接第五、八與非門的輸入端，並通過第七五電阻接電源；第五與非門的輸出端連接第六、八與非門的輸入端，而第六、八與非門的輸出端連接第七與非門的輸入端，第七與非門的輸出端還連接第一、二 D觸發器的觸發端，而第一 D觸發器的D端接電壓狀態判斷電路的輸出端，Q端連接第三隔離電路的輸入端，第二 D觸發器的D端接電流狀態判斷電路的輸出端，Q端連接第二隔離電路的輸入端。上述上電復位電路的結構為上位機發出的開通關斷命令通過第六電阻接到NPN 第二三極體的基極，該第二三極體的發射極連於NPN第三三極體的基極，而第二、三三極體的集電極以及NPN第一三極體的基極相連，並通過第二電阻連於5V偏置電源，第一、三三極體的發射極連於5V偏置電源的參考地，第一三極體的集電極通過第一電阻接5V偏置電源；第四電阻和第二電容串聯，第四電阻的另一端接5V偏置電源，第二電容的另一端接5V 偏置電源的參考地；第三D觸發器的D端和時鐘端連於5V偏置電源的參考地，清零端連於第一三極體的集電極，預置端連於第二電容和第四電阻相連的節點，而第三D觸發器的 S端連於第一與門的輸入端，而該第一與門的另一個輸入端連接第一三極體的集電極，其輸出端則連接控制信號接口電路的輸入端。上述第一隔離電路的結構為第二與門的輸入端分別連接控制信號接口電路的輸出端和高頻脈衝，輸出端則連接NPN第九、一一三極體的基極，第九三極體的集電極接5V 偏置電源，第一一三極體的集電極接偏置電源參考地；第九三極體的發射極與第一一三極體的發射極相連，第四九電阻和第一併聯電容相互並聯組成並聯支路，該並聯支路的一端連接第九三極體的發射極，另一端連接NPN第十三極體的基極，該第十三極體的發射極連於偏置電源參考地；脈衝變壓器的同名輸入端與5V偏置電源相連，異名輸入端與第十三極體的集電極相連；穩壓管的陽極與5V偏置電源相連，陰極與第六二極體的陰極相連，而第六二極體的陽極連於脈衝變壓器的異名輸入端；脈衝變壓器的同名輸出端連接第五二極體的陽極，而該第五二極體的陰極通過第一併聯電阻連接內部參考地，所述第五二極體的陰極還通過第二並聯電容連接內部參考地，該第五二極體的陰極同時通過第四四電阻連於 NPN第八三極體的基極，第八三極體的集電極連於NPN第七三極體的基極，並通過第四五電阻連於內部電源；第七、八三極體的發射極連於內部參考地，第七三極體的集電極通過第四二電阻連於內部電源。採用上述方案後，本發明所提供的厚膜工藝磁隔離直流固態功率控制器，具有以下優點
(1)軟接通技術有效抑制了固態功率控制器帶容性負載開通過程中的衝擊電流，提高了帶容性負載的能力；(2)軟關斷技術和與負載反並聯的功率二極體有效抑制了感性負載關斷過程中的尖峰電壓，保證功率MOSFET的安全；
(3)TVS 二極體有效地抑制了系統中存在的浪湧電壓對功率MOSFET的衝擊，保證功率 MOSFET的安全；
(4)反時限電路簡單容易實現且比較精確，保護曲線可以根據通過改變元件參數需要調整；
(5)帶有降柵壓短路保護的軟接通、軟關斷電路實現了快速可靠的短路保護；
(6)實現了狀態反饋同步輸出，使得上位機對固態功率控制器和負載的狀態不會作出誤判；
(7)在固態功率控制器外部接口部分採用磁隔離技術，降低了功耗，同時能夠耐輻射， 拓展了固態功率控制器的應用場合，非常適合航天的應用環境；
(8)上電復位電路為固態功率控制器的系統應用提供了靈活性；
(9)適用於固態功率控制器的厚膜工藝和布線技術大大減小了體積和重量，提高了可靠性。


圖1是本發明的原理框圖2(a)是本發明帶純阻性負載的電路結構； 圖2(b)是圖2(a)在正常開通關斷時的波形圖； 圖3(a)是本發明帶阻容性負載的電路結構； 圖3(b)是圖3(a)在正常開通關斷時的波形圖； 圖4(a)是本發明帶阻感性負載的電路結構； 圖4(b)是圖4(a)在正常開通關斷時的波形圖5是本發明帶有降柵壓短路保護功能的軟接通和軟關斷的驅動電路圖6是圖2 (a)中負載正常開通以後發生短路故障的波形圖7是直流固態功率控制器的典型反時限保護曲線；
圖8是本發明中反時限電路的電路圖9(a)是本發明中時序匹配電路的電路圖9(b)是圖9(a)的工作波形圖10是本發明中上電復位電路的電路圖11是圖10的時序示意圖12是本發明中第一隔離電路的原理框圖13是本發明中第一隔離電路的電路圖14是圖13的工作波形圖。
具體實施例方式首先參考圖1所示，本發明提供一種厚膜磁隔離直流固態功率控制器，包括功率 M0SFET、檢測電阻、功率二極體、TVS 二極體、電流調理電路、電壓檢測電路、電壓狀態判斷電路、電流狀態判斷電路、立即跳閘電路、反時限電路、短路檢測電路、驅動電路、狀態綜合電
9路、跳間狀態鎖存電路、延時復位電路、時序匹配電路、DC/DC隔離電源、第一隔離電路、第二隔離電路、第三隔離電路、狀態反饋接口電路、控制信號接口電路和上電復位電路，以下將就其各自的連接關係及工作過程進行說明。直流電源功率輸入端經過功率MOSFET和電流檢測電路接至負載然後到功率地， 電流檢測電路的下端為功率輸出端；功率二極體的陽極接至功率地，陰極接至功率輸出端； TVS 二極體的陽極接至功率地，陰極接至功率輸入端。採用檢測電阻將固態功率控制器的電流轉化為電壓進行檢測，所述的檢測電阻連接在功率MOSFET和功率二極體之間，電流調理電路用於將檢測電阻的電壓進行放大和抬壓，並進行濾波消除幹擾。電流調理電路的輸出端分別接至反時限跳閘電路、立即跳閘電路、短路檢測電路以及電流狀態判斷電路；負載電壓檢測電路的輸出端連接電壓狀態判斷電路；前述電壓狀態判斷電路和電流狀態判斷電路的輸出信號均經過時序匹配電路的處理後同步輸出；時序匹配電路的輸出信號則分別經過第二隔離電路和第三隔離電路連接至狀態反饋接口電路， 所述狀態反饋接口電路的輸出信號即是反饋給上位機的負載電流狀態信號和負載電壓狀態信號。接前述，反時限電路和立即跳閘電路的輸出信號TRIP輸入到跳閘狀態鎖存電路， 而短路檢測電路的輸出信號SHORT也連接至跳閘狀態鎖存電路，該跳閘狀態鎖存電路的輸出信號FAULT和第一隔離電路的輸出信號CMD2共同輸入到狀態綜合電路，而狀態綜合電路的輸出信號CMD3和短路檢測電路的輸出信號SHORT共同輸入到帶有降柵壓保護功能的軟開通軟關斷驅動電路中，該電路輸出連接到功率MOSFET的柵源極，狀態綜合電路的輸入信號CMD2同時還作為輸入信號連接到延時復位電路，狀態綜合電路的輸出信號CMD3則傳送至時序匹配電路。外部的控制命令CMD經過上電復位電路連於控制信號接口電路，控制信號接口電路的輸出端連於第一隔離電路，第一隔離電路的輸出信號CMD2連至狀態綜合電路和延時復位電路，延時復位電路的輸出端則連接跳閘狀態鎖存電路。上電復位電路、控制信號接口電路、狀態反饋接口電路由外部5V偏置電源供電， DC/DC隔離電源將外部的5V偏置電壓升壓至15V，以功率MOSFET源極作為內部參考地，給以下功能電路模塊供電狀態綜合電路、延時復位電路、時序匹配電路、短路檢測電路、反時限電路、立即跳閘電路、跳閘狀態鎖存電路、驅動電路、電壓狀態判斷電路、電流狀態判斷電路、電流調理電路、電壓檢測電路。再配合圖1所示，本發明工作時，由上位機發出控制命令CMD，經過內部邏輯處理後控制驅動電路驅動功率MOSFET控制負載的接通和關斷；功率輸入為直流匯流條電壓，功率輸出接負載並由功率地返回；功率迴路中採用檢測電阻採樣負載電流，對採樣的信號經過電流調理電路的放大、抬壓和濾波後，與反時限電路和立即跳閘電路以及短路檢測電路的基準進行比較和延時；反時限電路和立即跳閘電路的輸出經過跳閘狀態鎖存電路後將跳閘狀態鎖存，與從前端發出的CMD2信號進行狀態綜合；當反時限電路和立即跳閘電路動作時，通過驅動電路軟關斷負載；當發生負載短路時，短路檢測電路會檢測到，驅動電路接收前述短路檢測電路的信號並鎖存短路狀態，通過驅動電路中的降柵壓電路迅速關斷功率 MOSFET ；電壓、電流狀態判斷電路的結果分別經過時序匹配電路和第二、三隔離電路傳送到狀態反饋接口電路中，完成向上位機的狀態反饋。下面詳細介紹本發明所涉及的一些關鍵技術，以支持權利要求部分。1.直流固態功率控制器的主功率拓撲結構即直流電壓經功率輸入端到功率 M0SFET、檢測電阻到負載再到功率地，負載兩端反並聯功率二極體，功率輸入和功率地之間並聯TVS 二極體；當功率MOSFET處於關斷狀態時，電源功率輸入電壓幾乎完全加在功率 MOSFET兩端，TVS 二極體可以在功率輸入端過電壓時將其限制在一定範圍，因此可以有效保護功率開關管。圖2(a)給出了本發明帶純阻性負載下的電路結構，通過控制功率MOSFET來控制負載的開通或關斷，負載電壓VlMd和負載電流(此時即SSPC的電流Issrc)同步變化，圖2(b) 中給出了相關波形。圖3(a)給出了本發明帶阻容性負載下的電路結構，在固態功率控制器開通時，功率輸入端的電源電壓要給負載電容充電，因此會在開通過程中存在衝擊電流；穩態開通以後電容相當於是開路的，電容上的電壓為功率輸入端電壓減去固態功率控制器的電壓降； 在固態功率控制器關斷時，電容上存儲的能量通過負載電阻洩放，圖3(b)給出了相關波形。圖4(a)給出了本發明帶阻感性負載下的電路結構，在固態功率控制器開通時，由於負載中串接了電感，所以負載電流的上升要滯後於負載電壓的上升；關斷時負載電流的下降也是滯後於負載電壓的下降，因此當負載電壓在一定時間內下降至零後，由於負載電流沒有下降到零，必定會從與負載反並聯的功率二極體Dl續流，直至電感電流衰減到零； 圖4(b)給出了相關波形；續流的功率二極體Dl有效地降低了關斷時功率MOSFET的電壓應力，保護了功率MOSFET的安全。2.帶有降柵壓短路保護功能的軟接通、軟關斷驅動電路
帶有降柵壓短路保護功能的軟接通和軟關斷驅動電路以功率MOSFET的源極作為參考地，記為FGND，由兩部分組成一是軟接通和軟關斷電路，二是降柵壓短路保護電路。具體組成如圖5所示，分別敘述如下
軟接通和軟關斷電路的結構為控制信號CMD3經過電阻R35連於NPN三極體T5的基極，電源Vcc(15V)通過電阻似8連於三極體T5的集電極，而三極體T5的發射極和參考地 FGND相連；三極體T5的集電極還分別通過電阻R31和R40連於NPN三極體T2和T6的基極，三極體T2和T6的發射極與參考地FGND相連，三極體T2和T6的集電極則分別通過電阻R27和R32連於電源Vcc ；電阻似9從三極體T2的集電極出發，經過電容C4、電阻R34、 電阻R39到達參考地FGND，且其中的電阻R34還正向並聯有二極體D2 ；電阻似9和電容C4 相連的節點DRIVEO連於NPN三極體Tl和PNP三極體T3的基極，三極體Tl和T3的發射極相連，三極體Tl的集電極接於電源Vcc，三極體T3的集電極接於參考地FGND ；電阻R30的一端與三極體T1、T3的發射極相連，另一端接至MOSFET的柵極，在MOSFET的柵極並聯電阻 R37，穩壓管Ti和TA反向串聯後並聯在MOSFET柵極和源極之間。降柵壓短路保護電路的結構為U5A、U5B、U5C和U5D是與非門，Ul IlA和UlllB是輸出級為集電極開路的比較器；SHORT信號是短路檢測電路發出的短路狀態信號，連於與非門U5A的輸入端，三極體T6的集電極連接與非門U5A的另一個輸入端和UlllA的負極性輸入端，U5A的輸出端接於TOB的一個輸入端，U5B和U5D連接成RS觸發器的形式；UlllA的正極性輸入端接參考電壓HalfREF (7. 5V)，並和UlllB的正極性輸入端相連，Ul IlA的輸出接至UlllB的負極性輸入點，並且分別通過電阻Rlll和電容C52連至電源Vcc和參考地 FGND，U111B的輸出端經由電阻R112連於電源Vcc ；U5D的輸出SHORTED接至U5C的兩個輸入端，U5C的輸出端通過電阻R36接到NPN三極體T4的基極，T4的發射極接參考地FGND， T4的集電極通過電阻R33和電容C5接至參考地FGND，二極體Dl的陽極連於DRIVEO，陰極連於R33和C5相連的節點；似6連接電源Vcc和二極體Dl的陰極。下面敘述帶有降柵壓短路保護功能的軟接通、軟關斷驅動電路的工作原理 (1)軟接通過程
正常軟接通和軟關斷過程中短路保護電路並不起作用=SHORT信號為低電平表示未發生短路，未發生短路時，與非門U5D的輸出SHORTED為高電平，與非門U5C的輸出為低電平， 三極體T4處於關斷狀態，電容C5的電壓等於電源電壓Vcc，二極體Dl處於截止狀態。軟開通的思想是控制MOSFET的柵極電壓緩慢上升，達到限制容性負載衝擊電流的目的；當CMD3由低電平變為高電平時，三極體T5飽和導通，三極體T2關斷，電源Vcc通過電阻R27、R29、二極體D2及其並聯的R34、電阻R39給電容C4充電，DRIVEO電位逐漸上升，經過由三極體Tl和T3組成的圖騰柱輸出級和電阻R30後驅動功率M0SFET。(2)軟關斷過程
軟關斷的思想是控制MOSFET的柵極電壓緩慢下降，達到降低功率MOSFET電壓應力的目的；當CMD3由高電平變為低電平時，三極體T5關斷，三極體T2飽和導通，電容C4通過電阻以9和三極體T2的集電極放電，DRIVEO電位逐漸下降，經過由三極體Tl和T3組成的圖騰柱輸出級和電阻R30後驅動功率M0SFET，DRIVE1電位下降至開啟電壓以下後功率MOSFET 關斷。(3)短路保護過程
當負載發生短路時，短路檢測電路會檢測到負載電流如果負載電流大於設定值(12 倍額定電流)，SHORT變為高電平；同時跳閘狀態鎖存電路會將短路狀態鎖存，使FAULT信號保持為低電平，狀態綜合電路動作使得CMD3信號為低電平；與非門U5B和U5D構成的RS觸發器也將短路狀態鎖存，SHORTED信號在短路狀態復位前一直保持低電平，三極體T4保持導通，DRIVEO電位迅速下降，DRIVEl電位也迅速下降，從而讓功率MOSFET關斷。CMD3變為低電平時，三極體T6飽和導通，其集電極變為低電平，Ul IlA和UlllB組成的延時電路將T6 集電極的低電平延時一段時間輸出，並使SHORTED信號為高電平，此時短路保護已經完成， 功率MOSFET已經關斷，相關波形如圖6所示。3.反時限電路和立即跳閘電路
直流固態功率控制器的反時限過流保護特性通常使用負載電流與跳閘延時時間的方程或曲線表示，圖7所示即為本發明的典型反時限保護曲線當負載電流小於1.15-1. 45 倍的額定電流時，固態功率控制器保持導通狀態；當負載電流大於1. 15-1. 45倍且小於 8-12倍額定電流時，跳間延時時間與電流的平方成反比；當負載電流大於8-12倍時，固態功率控制器立即跳閘。圖8給出了反時限電路圖，LCS的電壓為電流調理電路的輸出，LCS經由電阻R14 連接運算放大器U3C的負極性輸入端，REF5為5V的參考電壓，電阻R12和R19組成分壓器， 分得的電壓通過電阻R17連於運算放大器U3C的正極性輸入端，電阻R15接於U3C的輸出端，電容C3跨接於R15的另一端(即輸出級為集電極開路的比較器UlC的正極性輸入端)和 U3C的負極性輸入端，比較器UlC的負極性輸入端為LCS，輸出端經電阻Rll連於電源Vcc ； LCS同時通過由電阻Rf si和電容Cf stl構成的低通濾波器連到集電極開路的比較器UlD的負極性輸入端，電源Vcc經過電阻R23和電阻R25接至參考地FGND，R23和R25相連的一點接至UlD的正極性輸入端，UlD的輸出和UlC的輸出相連於TRIP，作為反時限電路和立即跳閘電路的輸出。下面敘述反時限電路和立即跳閘電路的工作原理
(1)未發生過載時，LCS點電壓大於由R12和R19組成的分壓器所設定的電壓，運算放大器U3C作為比較器開環工作，輸出接近電源電壓Vcc的電壓值，大於UlC負極性輸入端 LCS的電壓，UlC輸出高電平；並且由於UlD此時也會輸出高電平，所以TRIP的輸出為高電平；
(2)當負載發生過載但未達到立即跳閘保護點時，LCS點電壓大於由R12和R19組成的分壓器所設定的電壓，U3C作為積分器工作，UlC經過與過載倍數對應的延遲時間後輸出 TRIP變為低電平；TRIP為低電平時，跳閘狀態鎖存電路立刻將TRIP狀態鎖存，狀態綜合電路輸出低電平，通過驅動電路軟關斷固態功率控制器；
(3)當負載的過載倍數達到立即跳閘點時(立即跳閘點由電阻R23和電阻R25組成的分壓器設定)，比較器UlD的輸出信號TRIP變為低電平產生跳閘信號，狀態綜合電路輸出低電平，通過驅動電路軟關斷固態功率控制器。4.時序匹配電路
固態功率控制器必須向上位機提供兩個狀態信息，一個是負載電流狀態(STATE1)，另一個是負載電壓狀態(STATE2);STATE1由電流調理電路和電流狀態判斷後經時序匹配電路和狀態反饋接口電路輸出；STATE2由負載電壓檢測和負載電壓狀態判斷後經時序匹配電路和狀態反饋接口電路輸出。時序匹配電路具體結構如圖9(a)所示，輸入信號有3個CMD3、LOADO和MOSO，其中CMD3是外部控制信號CMD和鎖存內部跳閘狀態FAULT狀態綜合以後的信號，LOADO是負載電流狀態判斷電路的輸出，MOSO是負載電壓狀態判斷電路的輸出；輸出信號有2個 LOADl和MOSl ；U2A.U2B.U2C和U2D是輸出級為集電極開路的比較器，U8A、U8B、U8C和U8D 為與非門，U22A和U22B是D觸發器。CMD3連於U2A的負極性輸入端和U2C的正極性輸入端，U2A、U2B和U2D的正極性輸入端與U2C的負極性輸入端相連並接於參考電壓HalfREF (7. 5V) ；U2A的輸出接於U2B的負極性輸入端，並通過電容C23接參考地FGND、通過電阻R72 接電源Vcc ；U2C的輸出端連接U2D的負極性輸入端，並通過電容CM接參考地FGND、通過電阻R74接電源Vcc ；U2B的輸出端連接U8A和U8B的輸入端，並通過電阻R73接電源Vcc ； U2D的輸出端連接U8A和U8D的輸入端，並通過電阻R75接電源Vcc ；與非門U8A的輸出端連接U8B和U8D的輸入端，U8B和U8D的輸出端連接U8C的兩個輸入端，U8C的輸出信號CLK 作為U22A和U22B的觸發端CLK，U22A的D端接M0S0，U22B的D端接L0AD0，U22A的Q端輸出信號為MOSl，U22B的Q端輸出信號為LOADl。當CMD3信號發生跳變時，無論是由於外部控制命令CMD或者負載跳閘或者短路引起的，由U2A、U2B、U2C和U2D以及U8A、U8B、U8C和U8D組成的電路會延時產生一個上升沿 CLK，可同時配合圖9 (b)所示，這個上升沿CLK觸發U22A和U22B，就可以使U22A和U22B的輸出0!端)^051的值被刷新為M0S0，LOADl的值被刷新為L0AD0，並且這個過程是同時的， 即完成了狀態反饋的同步輸出。5.上電復位電路
圖10為本發明中的上電復位電路，CMD為上位機發出的開通關斷命令，通過電阻R06接到NPN三極體T02的基極，T02的發射極連於NPN三極體T03的基極，T02和T03的集電極以及NPN三極體TOl的基極相連，並通過電阻R02連於5V偏置電源，TOl和T03的發射極連於5V偏置電源的參考地，TOl集電極通過電阻ROl接5V偏置電源，電阻R04和電容C02串聯，電阻R04的另一端接5V偏置電源，電容C02的另一端接5V偏置電源的參考地；U14為帶有預置端(PRE)和清零端(CLR)的D觸發器，低電平有效 』U14的D端和時鐘端(CLK)連於 5V偏置電源的參考地，時鐘端連於TOl的集電極，預置端連於C02和R04相連的節點；U14 的0端連於與門U20B的輸入，U20B的另一個輸入連於TOl的集電極，U20B的輸出為CMD1。下面敘述上電復位電路的工作原理
(1)圖10中電容C02和電阻R04串接組成微分電路，當5V偏置電源上電時，D觸發器 U14的預置端保持為低電平，然後電容C02充電使得預置端電壓緩慢上升為高電平，利用上電初始時刻預置端的低電平脈衝完成上電復位；
(2)配合圖11所示，當初始時刻CMD信號為低電平或懸空，若此時供電電源上電，D觸發器U14的清零端為低電平，β端輸出一直為高電平，預置端的上電復位低電平脈衝不會影響g端的輸出，此時使CMD為高電平，可以得到CMDl與CMD保持一致；
(3)當初始時刻CMD信號為高電平，若此時偏置電源上電，U14的清零端為高電平，預置端的低電平脈衝會將δ端置為低電平，此時儘管CMD為高電平，但是由於β端為低電平，所以CMDl為低電平；只有先將CMD信號置為低電平，U14的清零端置低，10端為高電平，再使 CMD為高才可以使CMDl與CMD保持一致。6.磁隔離電路
本發明在上位機向固態功率控制器發送開關命令和狀態反饋時使用了磁隔離的方法， 如圖12所示為第一隔離電路的原理框圖，將CMDl信號進行高頻調製，通過脈衝變壓器傳遞到變壓器副邊，在副邊解調後再整形還原成調製前的開關信號。圖13為實現電路CMD1為經過上電復位電路處理過以後的開關信號，PULSEl為高頻(150KHZ-250KHZ)脈衝，CMDl和 PULSEl連到與門U20C的輸入端，U20C的輸出連於NPN三極體T9和PNP三極體Tll的基極，T9的集電極接5V偏置電源，Tll的集電極接偏置電源參考地；T9的發射極與Tll的發射極相連，並通過並聯的電阻R49和電容Cft3連於NPN三極體TlO的基極，TlO的發射極連於偏置電源參考地；脈衝變壓器TFl的同名輸入端(1端)與5V偏置電源相連，異名輸入端 (2端)與TlO集電極相連；穩壓管Z5的陽極與5V偏置電源相連，陰極與二極體D6陰極相連，D6陽極連於TFl的2端；TFl的同名輸出端(4端)連於二極體D5的陽極，D5的陰極通過並聯的電阻Rfl和Cfl接內部參考地FGND，D5的陰極同時通過電阻R44連於NPN三極體 T8的基極，T8的集電極連於NPN三極體T7的基極，並通過電阻R45連於內部電源Vcc ；T7 和T8的發射極連於內部參考地FGND，T7的集電極CMD2通過電阻R42連於內部電源Vcc。下面敘述該電路工作原理
當CMDl為高電平時，U20C的輸出是高頻脈衝信號，經過由三極體T9、Tll以及電容
14Cft3和R49組成的驅動電路後驅動三極體TlO高頻通斷；三極體TlO導通時，加在變壓器原邊的電壓等於偏置電源電壓(5V)；三極體TlO關斷時，加在變壓器副邊的電壓為負值，等於二極體Dl的壓降加上穩壓管Z5的反向擊穿電壓值；於是在變壓器副邊得到有正有負高頻脈衝，通過二極體D5和電容Cfl半波整流得脈動的直流電壓，Rfl為假負載電阻，T7和T8 以及R42和R45組成整形電路，將脈動的直流電壓變為穩定的高電平開通信號。當CMDl為低電平時，U20的輸出始終為低電平，三極體TlO —直是關斷的，變壓器原副邊的電壓一直為零，所以電容Cfl的電壓也為零，T8處於關斷狀態，T7飽和導通，CMD2 為低電平。相關波形如圖14所示。7.適用於固態功率控制器的厚膜工藝和布線技術
本發明採用多層布線技術，用絲網印刷和燒結等厚膜工藝在氧化鋁基片上製作電阻和電容，電阻的精度可達60%，進過雷射調阻後可達5%，溫度係數達10_4/°C，並在其上組裝功率MOSFET裸晶片、分立器件和集成電路裸晶片；在功率MOSFET的下面採用導熱性能更好的氧化鈹陶瓷，且功率MOSFET安裝在靠近外殼邊緣的地方，以利於散熱；流過大電流的功率迴路部分的導帶儘量粗、短且靠近引腳，以減小導帶電阻，降低損耗；整個電路外加10#冷軋鋼金屬殼封裝，並衝入氮氣，大大減小了固態功率控制器的體積和重量，增加了可靠性。以上實施例僅為說明本發明的技術思想，不能以此限定本發明的保護範圍，凡是按照本發明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發明保護範圍之內。
權利要求
1.一種厚膜磁隔離直流固態功率控制器，其特徵在於包括功率M0SFET、檢測電阻、功率二極體、TVS 二極體、電流調理電路、電壓檢測電路、電壓狀態判斷電路、電流狀態判斷電路、立即跳閘電路、反時限電路、短路檢測電路、驅動電路、狀態綜合電路、跳閘狀態鎖存電路、延時復位電路、時序匹配電路、DC/DC隔離電源、第一隔離電路、第二隔離電路、第三隔離電路、狀態反饋接口電路、控制信號接口電路和上電復位電路；功率MOSFET的漏極連接功率輸入端，源極經檢測電阻接至負載然後到功率地，功率二極體的陽極連接功率地，陰極連接功率輸出端；TVS 二極體的陽極接至功率地，陰極接至功率輸入端；電流調理電路的輸入端連接在檢測電阻的兩端，輸出端分別接至反時限跳閘電路、立即跳閘電路、短路檢測電路以及電流狀態判斷電路；電壓檢測電路的輸出端連接電壓狀態判斷電路；前述電壓狀態判斷電路和電流狀態判斷電路的輸出信號均經過時序匹配電路的處理後同步輸出；時序匹配電路的輸出信號則分別經過第二隔離電路和第三隔離電路連接至狀態反饋接口電路，所述狀態反饋接口電路的輸出信號即是反饋給上位機的負載電流狀態信號和負載電壓狀態信號；反時限電路和立即跳閘電路的輸出信號輸入到跳閘狀態鎖存電路，而短路檢測電路的輸出信號也連接至跳閘狀態鎖存電路，該跳閘狀態鎖存電路的輸出信號和第一隔離電路的輸出信號共同輸入到狀態綜合電路，而狀態綜合電路的輸出信號和短路檢測電路的輸出信號共同輸入到帶有降柵壓保護功能的軟開通軟關斷驅動電路中，該電路輸出連接到功率 MOSFET的柵源極，狀態綜合電路的輸入信號同時還作為輸入信號連接到延時復位電路，狀態綜合電路的輸出信號則傳送至時序匹配電路；外部的控制命令經過上電復位電路連於控制信號接口電路，控制信號接口電路的輸出端連於第一隔離電路，第一隔離電路的輸出信號連至狀態綜合電路和延時復位電路，延時復位電路的輸出端則連接跳間狀態鎖存電路；上電復位電路、控制信號接口電路、狀態反饋接口電路由外部5V偏置電源供電，DC/DC 隔離電源將外部的5V偏置電壓升壓至15V，以功率MOSFET源極作為內部參考地，給以下功能電路模塊供電狀態綜合電路、延時復位電路、時序匹配電路、短路檢測電路、反時限電路、立即跳閘電路、跳閘狀態鎖存電路、驅動電路、電壓狀態判斷電路、電流狀態判斷電路、 電壓檢測電路和電流調理電路。
2.如權利要求1所述的厚膜磁隔離直流固態功率控制器，其特徵在於所述驅動電路包含軟接通和軟關斷電路以及降柵壓短路保護電路，其中，軟接通和軟關斷電路的結構為 控制信號經過第三五電阻連接NPN第五三極體的基極，電源通過第二八電阻連接第五三極體的集電極，而該第五三極體的發射極和參考地相連；第五三極體的集電極還分別通過第三一、四零電阻連於NPN第二、六三極體的基極，第二、六三極體的發射極均與參考地相連， 第二、六三極體的集電極則分別通過第二七、三二電阻連於電源；第二九電阻從第二三極體的集電極出發，經過第四電容、第三四電阻、第三九電阻到達參考地，且其中的第三四電阻還正向並聯有第二二極體；第二九電阻和第四電容相連的節點連於NPN第一三極體和PNP 第三三極體的基極，第一、三三極體的發射極相連，第一三極體的集電極接於電源，第三三極體的集電極接於參考地；第三零電阻的一端與第一、三三極體的發射極相連，另一端接至功率MOSFET的柵極，在功率MOSFET的柵極並聯第三七電阻，第三、四穩壓管反向串聯後並聯在功率MOSFET的柵極和源極之間；所述降柵壓短路保護電路的結構為短路檢測電路發出的短路狀態信號連接第一與非門的輸入端，第六三極體的集電極連接第一與非門的另一個輸入端和輸出級為集電極開路的第一比較器的負極性輸入端，第一與非門的輸出端接於第二與非門的一個輸入端，第二、 四與非門連接組成RS觸發器；第一比較器的正極性輸入端接參考電壓，並和輸出級為集電極開路的第二比較器的正極性輸入端相連，第一比較器的輸出接至第二比較器的負極性輸入點，並且分別通過第---電阻和第五二電容連至電源和參考地，第二比較器的輸出端經由第一一二電阻連於電源；第四與非門的輸出接至第三與非門的兩個輸入端，而該第三與非門的輸出端通過第三六電阻接到NPN第四三極體的基極，第四三極體的發射極接參考地，第四三極體的集電極通過第三三電阻和第五電容接至參考地，第一二極體的陽極連於第二九電阻和第四電容相連的節點，陰極連於第三三電阻和第五電容相連的節點；第二六電阻連接電源和第一二極體的陰極。
3.如權利要求1或2所述的厚膜磁隔離直流固態功率控制器，其特徵在於所述反時限電路的結構為電流調理電路的輸出端經由第一四電阻連接第三運算放大器的負極性輸入端和集電極開路的第三比較器的負極性輸入端，第一二、第一九電阻串聯組成分壓器，對5V 參考電壓進行分壓，分得的電壓通過第一七電阻連於第三運算放大器的正極性輸入端，第三運算放大器的輸出端經過第一五電阻連於第三比較器的正極性輸入端，第三電容跨接於第三比較器的正極性輸入端和第三運算放大器的負極性輸入端，第三比較器的輸出端經第一一電阻連於電源；電流調理電路的輸出通過低通濾波器連到集電極開路的第四比較器的負極性輸入端，電源經過第二三、二五電阻接至參考地，第二三、二五電阻相連的一點接至第四比較器的正極性輸入端，而該第四比較器的輸出端和第三比較器的輸出端相連，作為反時限電路和立即跳閘電路的輸出。
4.如權利要求1、2或3所述的厚膜磁隔離直流固態功率控制器，其特徵在於所述時序匹配電路的結構為第五、六、七、八比較器均是輸出級為集電極開路的比較器，狀態綜合電路的輸出端連接第五比較器的負極性輸入端和第七比較器的正極性輸入端，第五、六、八比較器的正極性輸入端與第七比較器的負極性輸入端相連且接於參考電壓；第五比較器的輸出端連接第六比較器的負極性輸入端，並通過第二三電容接參考地、通過第七二電阻接電源；第七比較器的輸出端連接第八比較器的負極性輸入端，並通過第二四電容接參考地、通過第七四電阻接電源；第六比較器的輸出端連接第五、六與非門的輸入端，並通過第七三電阻接電源；第八比較器的輸出端連接第五、八與非門的輸入端，並通過第七五電阻接電源； 第五與非門的輸出端連接第六、八與非門的輸入端，而第六、八與非門的輸出端連接第七與非門的輸入端，第七與非門的輸出端還連接第一、二 D觸發器的觸發端，而第一 D觸發器的 D端接電壓狀態判斷電路的輸出端，Q端連接第三隔離電路的輸入端，第二 D觸發器的D端接電流狀態判斷電路的輸出端，Q端連接第二隔離電路的輸入端。
5.如權利要求1、2、3或4所述的厚膜磁隔離直流固態功率控制器，其特徵在於所述上電復位電路的結構為上位機發出的開通關斷命令通過第六電阻接到NPN第二三極體的基極，該第二三極體的發射極連於NPN第三三極體的基極，而第二、三三極體的集電極以及 NPN第一三極體的基極相連，並通過第二電阻連於5V偏置電源，第一、三三極體的發射極連於5V偏置電源的參考地，第一三極體的集電極通過第一電阻接5V偏置電源；第四電阻和第二電容串聯，第四電阻的另一端接5V偏置電源，第二電容的另一端接5V偏置電源的參考地；第三D觸發器的D端和時鐘端連於5 V偏置電源的參考地，清零端連於第一三極體的集電極，預置端連於第二電容和第四電阻相連的節點，而第三D觸發器的 0端連於第一與門的輸入端，而該第一與門的另一個輸入端連接第一三極體的集電極，其輸出端則連接控制信號接口電路的輸入端。
6.如權利要求1至5中任意一項所述的厚膜磁隔離直流固態功率控制器，其特徵在於所述第一隔離電路的結構為第二與門的輸入端分別連接控制信號接口電路的輸出端和高頻脈衝，輸出端則連接NPN第九三極體和PNP第一一三極體的基極，第九三極體的集電極接 5V偏置電源，第一一三極體的集電極接偏置電源參考地；第九三極體的發射極與第一一三極體的發射極相連，第四九電阻和第一併聯電容相互並聯組成並聯支路，該並聯支路的一端連接第九三極體的發射極，另一端連接NPN第十三極體的基極，該第十三極體的發射極連於偏置電源參考地；脈衝變壓器原邊的同名輸入端與5V偏置電源相連，原邊的異名輸入端與第十三極體的集電極相連；第五穩壓管的陽極與5V偏置電源相連，陰極與第六二極體的陰極相連，而第六二極體的陽極連於脈衝變壓器原邊的異名輸入端；脈衝變壓器副邊的同名輸出端連接第五二極體的陽極，異名輸出端連接內部參考地；第五二極體的陰極通過第一併聯電阻連接內部參考地，第五二極體的陰極通過第二並聯電容連接內部參考地， 同時通過第四四電阻連於NPN第八三極體的基極，第八三極體的集電極連於NPN第七三極體的基極，並通過第四五電阻連於內部電源；第七、八三極體的發射極連於內部參考地，第七三極體的集電極通過第四二電阻連於內部電源。
全文摘要
本發明公開一種厚膜磁隔離直流固態功率控制器，包括功率MOSFET、檢測電阻、功率二極體、TVS二極體、電流調理電路、電壓檢測電路、電壓狀態判斷電路、電流狀態判斷電路、立即跳閘電路、反時限電路、短路檢測電路、驅動電路、狀態綜合電路、跳閘狀態鎖存電路、延時復位電路、時序匹配電路、DC/DC隔離電源、第一隔離電路、第二隔離電路、第三隔離電路、狀態反饋接口電路、控制信號接口電路和上電復位電路。此種電路結構可優化控制器的電氣性能，減小體積重量，提高可靠性，在民用低壓直流配電系統、航空、航天、坦克、汽車、艦船等領域均可廣泛應用。
文檔編號H02H7/10GK102340246SQ20111023726
公開日2012年2月1日 申請日期2011年8月18日 優先權日2011年8月18日
發明者何勇, 徐成寶, 王莉, 阮立剛 申請人:中國電子科技集團公司第四十三研究所, 南京航空航天大學