專利名稱：直流固態(tài)功率開關電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種直流固態(tài)功率開關電路屬電力電子與電工技術領域背景技術直流固態(tài)功率開關電路在電路的具體實現(xiàn)上涉及到下面一些關鍵性技術1.如何解決感性負載關斷時開關管兩端的尖峰電壓及實際電路中由功率管的漏電流引起積累電壓的問題。
2.反時限過流保護電路的實現(xiàn)目前在反時限過流保護的模擬電路的實現(xiàn)上主要有對數(shù)指數(shù)法和曲線擬合法，兩種方法缺點是實現(xiàn)的反時限特性過流保護曲線誤差大，精度低。
3.電路的熱記憶功能熱記憶涉及到過流保護的重合閘問題及功率管的發(fā)熱問題4.具有電壓自舉功能的電平控制型磁隔離驅(qū)動保護電路。
常規(guī)的驅(qū)動隔離方式主要有光耦和磁耦兩種。采用光耦隔離驅(qū)動需要單獨的輔助電源，并且損耗大，耐輻射能力差，不利于小型化設計。而用磁耦隔離驅(qū)動方式能夠減少輔助電源數(shù)量，降低功耗，高頻化下可以進一步減小體積，同時簡單可靠，耐輻射，不易受干擾。
與常規(guī)的開關電源中的脈沖變壓器隔離驅(qū)動電路不同，在直流固態(tài)功率開關電路中的驅(qū)動電路直接由脈沖變壓器原邊的電平信號進行控制，采用調(diào)制解調(diào)策略，調(diào)制后通過解調(diào)電路對副邊的驅(qū)動保護電路動態(tài)供電，降低了損耗。自舉產(chǎn)生的驅(qū)動電源，提供給后級的“慢”開通“慢”關斷與短路保護電路，使其能夠正常工作。這里存在個電源自舉電路、信號解調(diào)電路同“慢”開通“慢”關斷技術及其短路保護功能的融合問題。
5.功率管的“慢”開通“慢”關斷技術功率管的“慢”開通能有效地抑制開通過程容性負載的電流沖擊，“慢”關斷則可以抑制感性負載關斷過程中的尖峰電壓，目前常見的是利用弱恒流源驅(qū)動技術來實現(xiàn)“慢”開通“慢”關斷，其缺陷是存在弱恒流源驅(qū)動與正常驅(qū)動的轉(zhuǎn)換，電路結(jié)構復雜，而且“慢”通“慢”斷的時間設定有限。
6.短路保護功能及其與“慢”開通“慢”關斷技術的融合短路保護是固態(tài)開關可靠工作的必要保護功能，短路作為系統(tǒng)最惡劣的故障，要求固態(tài)開關必須能在很短的瞬間內(nèi)(25μs)對短路故障進行處理，切斷電路，保護負載和線路免遭損壞，而“慢”關斷使功率管以相對較長的時間切斷負載；另外，如何保證功率管正常開通過程中不進入短路保護狀態(tài)，這些都存在短路保護功能及其與“慢”開通“慢”關斷技術的融合問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在研究現(xiàn)有的直流固態(tài)功率開關電路的基礎上，在一些關鍵性技術的實現(xiàn)上做了改進，基于這些關鍵技術所設計的固態(tài)開關性能更加完善、可靠性大大提高。
這些關鍵性技術包括1.負載兩端并聯(lián)帶有反向二極管的輔助功率管的主、輔功率管串聯(lián)應用的拓撲結(jié)構，即Uin直流輸入電壓經(jīng)主功率管、檢測電阻接負載，負載兩端并聯(lián)帶有反向二極管的輔助功率管，輔助功率管的作用是安全電壓的泄漏嵌位及感性負載關斷時的續(xù)流。
2.模擬器件模擬乘法器、積分器構成的過流保護電路實現(xiàn)了較精確的反時限過流保護功能。
3.帶有熱記憶功能的反時限過流保護功能。
4.采用調(diào)制解調(diào)策略具有電壓自舉功能的電平控制型磁隔離驅(qū)動保護電路。自舉電壓對后級驅(qū)動電路采用動態(tài)供電方式。
5.用RC網(wǎng)絡實現(xiàn)的功率管的“慢”開通、“慢”關斷技術。
6.功率管“慢”通“慢”斷技術與降柵壓短路保護電路的融合。
本發(fā)明的直流固態(tài)功率開關電路的具體結(jié)構是直流輸入電壓經(jīng)主功率電路和檢測電路接負載，其特征在于，與主功率電路相連的由驅(qū)動電源和驅(qū)動隔離電路分別與驅(qū)動保護電路相連的隔離驅(qū)動保護電路，其中驅(qū)動保護電路又包括慢通慢斷控制電路連于判別控制電路的輸入，判別控制電路的輸出連于短路保護電路。慢通慢斷控制電路和短路保護電路又分別連于與主功率電路相連的推挽輸出電路；負載兩端并聯(lián)輔助功率電路；電流檢測電路分別連于反時限過流保護電路、過溫保護電路、熱記憶電路以及狀態(tài)輸出電路的輸入端，反時限過流保護電路的輸出連于與隔離驅(qū)動保護電路中的驅(qū)動隔離電路相連的包括延時信號電路、死區(qū)控制信號電路、狀態(tài)鎖存信號電路在內(nèi)的主功率電路的主功率管驅(qū)動電路；狀態(tài)輸出電路的輸出分別連于與延時信號電路相連的光耦隔離電路和輔助功率電路的輔助功率管開通邏輯判斷電路；此輔助功率電路的輔助功率管開啟邏輯判斷電路經(jīng)驅(qū)動隔離電路連于輔助功率電路相連的慢通慢斷控制電路和與驅(qū)動電源相連的功率驅(qū)動輸出電路。
本發(fā)明的直流固態(tài)功率開關電路，具有下面的優(yōu)點(1)限制了容性負載開通過程的電流沖擊；(2)抑制了感性負載關斷過程存在的尖峰電壓；(3)安全電壓的泄漏嵌位；(4)比較精確的反時限過流保護特性；(5)具有限流功能的及時的短路保護；(6)熱記憶功能(7)需要的輔助電源數(shù)量，功耗低(8)驅(qū)動電路簡單可靠，耐輻射，不易受干擾。


圖1直流固態(tài)功率開關電路的基本原理2直流固態(tài)功率開關電路功率回路電路3三段式過流保護特性曲線圖4直流固態(tài)功率開關電路反時限過流保護電路5主功率管“慢”開通、“慢”關斷波形6 RC網(wǎng)絡實現(xiàn)的主功率管“慢”開通、“慢”關斷電路7具有電壓自舉功能的電平控制型磁隔離驅(qū)動保護電路8采用光耦隔離的驅(qū)動保護電路9采用調(diào)制解調(diào)策略的驅(qū)動電路原理框圖。
圖10采用調(diào)制解調(diào)策略的磁隔離驅(qū)動保護電路中的各點波形圖11慢開通、慢關斷與短路保護時序圖具體實施方式
圖1給出了直流固態(tài)功率開關電路的基本原理圖。功率輸入為直流電壓(600V＞Uin＞36V)，由上位機發(fā)出控制命令控制驅(qū)動電路從而控制主功率管的導通和關斷。在主功率回路串聯(lián)檢測電路，用以采樣負載電流，對采樣的電流放大后進行判斷和比較，以實現(xiàn)反時限的過流保護和負載電流的檢測，過流保護的跳閘狀態(tài)信號輸出到驅(qū)動電路用以關斷主功率管，負載電流狀態(tài)輸出給上位機。在功率輸出端對輸出電壓進行采樣，通過對輸出電壓的判斷和比較實現(xiàn)主功率管MOSFET的狀態(tài)檢測以及安全電壓檢測。在死區(qū)控制電路的作用下，當主功率管關斷時，如果輸出電壓大于安全電壓(設定為＞30V)，則對輸出進行箝位，通過邏輯電路控制輔助功率管的驅(qū)動電路，從而開通輔助功率管進行泄漏箝位。同時，主功率管MOSFET的狀態(tài)輸出給上位機。
下面詳細介紹本發(fā)明所涉及的一些關鍵性技術1.負載兩端并聯(lián)輔助功率管的主、輔功率管串聯(lián)應用的拓撲結(jié)構，即直流輸入電壓經(jīng)主功率管、檢測電阻接負載，負載兩端并聯(lián)帶有反向二極管的輔助功率管。
圖2給出了主輔功率管串聯(lián)的Uin直流固態(tài)功率開關電路的功率回路電路結(jié)構直流輸入電壓經(jīng)主功率管MOS1、檢測電阻R1接負載Load，負載兩端并聯(lián)帶有反向二極管D2的輔助功率管MOS2，輔助功率電路由輔助功率管和功率電阻R2組成。輔助功率電路中的輔助功率管和主功率管選用同樣型號的MOSFET，在電路中起到泄漏箝位的作用，具體分析如下(1)圖2(a)給出了純阻性負載下的電路結(jié)構，在固態(tài)開關開通與關斷瞬間都不存在能量的存儲與泄放，主功率管MOS1正常開斷。主功率管MOS1開通時，處于截止狀態(tài)的輔助功率管MOS2作為兆歐級的大負載與負載Load并聯(lián)，輸入直流電經(jīng)檢測電阻R1作用在負載Load上，而輔助功率管支路中僅流過微安級的漏電流；主功率管MOS1關斷時，輔助功率管MOS2同樣也是兆歐級的大負載與主功率管MOS1串接在主電路中，因此兩管中都有一定的漏電流通過。
(2)圖2(b)給出了容性負載下的電路結(jié)構，在固態(tài)開關開通時(即主功率管MOS1開通時)，輸入電壓對電容C充電，穩(wěn)態(tài)時電容C相當于開路，電容C上的電壓為輸入電壓值Uin；固態(tài)開關關斷瞬間(即主功率管MOS1關斷瞬間)，電容C上電壓上正下負，控制電路產(chǎn)生一個柵極驅(qū)動信號使輔助功率管MOS2開通從而形成放電回路，電容C通過輔助功率管MOS2所串功率電阻R2放電。
(3)圖2(c)給出了感性負載下的電路結(jié)構，在固態(tài)開關開通時(即主功率管MOS1開通時)，在電感L兩端產(chǎn)生的感應電勢上正下負，負載電流緩慢上升，同時負載電流的變化率逐漸減小，電感L兩端的感應電勢隨之逐漸減小，穩(wěn)態(tài)時電感相當于短路，負載電阻上的電壓為輸入電壓值Uin；在固態(tài)開關關斷瞬間(即主功率管MOS1關斷瞬間)，負載上的電流呈減小趨勢，在關斷瞬間電感L上產(chǎn)生的感應電勢下正上負，由于輔助功率管MOS2內(nèi)部有一個反并聯(lián)的寄生體二極管D2，這個寄生二極管D2可以作為箝位二極管和負載一起構成放電回路，電感電流通過輔助功率管MOS2所串的功率電阻R2泄放。
(4)在固態(tài)開關關斷狀態(tài)下主功率管MOS1的漏源間仍然會有μA級的漏電流存在，而實際的負載不可能只是純電阻或者電感，往往會有一定的容性，這樣長時間關斷狀態(tài)下產(chǎn)生的漏電流將使功率輸出端積累一定的電壓，該積累電壓作用在負載上對負載和系統(tǒng)本身都會造成不良影響，所以必須對功率輸出端的電壓進行箝位。當由漏電流產(chǎn)生的功率輸出端的電壓超過安全電壓(30V)時，泄漏箝位電路產(chǎn)生一個柵極驅(qū)動信號使得輔助功率管MOS2開通，使積累電壓維持在安全電壓以下，從而實現(xiàn)了對負載的保護，而功率輸出端的電壓也得到了箝位。
綜上所述，輔助功率電路的作用，一是利用內(nèi)部反并聯(lián)的二極管為阻感性負載提供電流泄放回路，二是在主功率管關斷狀態(tài)下有條件地開通從而對功率輸出端的電壓進行箝位，同時對固態(tài)開關起到保護作用。
2、模擬乘法器(獨立器件)、積分器(運算放大器構成)構成的過流保護電路直流固態(tài)功率開關電路的過流保護特性是指負載電流與跳閘延遲時間的關系I＝f(t)，其中，跳閘延遲時間是指從電路檢測到過載或短路故障開始到固態(tài)開關關斷所需要的時間。這個特性也可以用負載電流的倍數(shù)與跳閘延遲時間來表示，即I/Ie＝f(t)，要求它與所保護的供電線的過熱特性及負載的過熱特性相匹配。
反時限跳閘延時電路根據(jù)固態(tài)開關的過載情況，確定跳閘延遲時間，并向邏輯電路發(fā)出跳閘信號。設計時采用10Ie立即跳閘方式，它的基本原理是當負載電流小于臨界跳閘電流1.1Ie時，固態(tài)開關保持接通狀態(tài)；當負載電流在1.1Ie～10Ie之間時，固態(tài)開關的跳閘延遲時間與負載電流的平方成反比，即利用反時限特性對負載進行過載保護；當負載電流大于10Ie時，固態(tài)開關立即跳閘，起到保護功率開關和切斷故障電流的作用。圖3給出了三段式過流保護特性曲線。
圖4給出的是帶熱記憶功能的反時限過流保護電路圖，圖中M為模擬乘法器，用來實現(xiàn)平方運算；A1、A2為運算放大器，A1實現(xiàn)的是同相輸入端的求和(即加法器)，A2是一個積分器；IC1、IC2為比較器，比較器IC1、IC2選擇OC輸出的比較器，由OC門的輸出端可以直接連接在起實現(xiàn)“線與”邏輯運算。熱記憶電路包括積分器A3和比較器IC3。具體電路組成是，模擬乘法器M的輸出分兩路，一路直接連于比較器IC2；另一路經(jīng)過加法器A1再與比較器IC1相連后與比較器IC2的輸出端并聯(lián)組成反時限過流保護電路；熱記憶電路由積分器A3連于比較器IC3后并聯(lián)在反時限過流保護電路的積分器A2與比較器IC1的串聯(lián)電路上。
反時限過流保護電路工作原理(1)模擬乘法器M實現(xiàn)的平方運算在固態(tài)開關的反時限過流保護電路中，模擬乘法器M實現(xiàn)的是平方運算，把檢測信號放大器的輸出電壓U1進行平方處理，得到電流過載倍數(shù)的平方，考慮到電路中用15V電源供電，所以實際應用中乘以了一個整定系數(shù)K，即U2＝K*U12取K＝0.1，則U2＝0.1*U12(2)加法器A1U1經(jīng)模擬乘法器實現(xiàn)平方運算得到U2＝0.1*U12，當U1較小時，U2也較小，U1＝1V時，U2＝0.1V，這么小的電壓值在電路中很難進行比較，可以用運算放大器A1在U2上加上一個基準電壓Vc1。運算放大器A1與R1、R2、R3、R4、R5構成同相端求和的加法器，取合適的參數(shù)，可以推導出U3＝U2+Vc1取Vc1＝2V則U3＝U2+2U3＝0.1U12+2(3)積分器A2。
當積分器A2反向輸入端電壓U3＜Vc2時，積分器輸出為高電平15V；當積分器A2反向輸入端電壓U3＞Vc2時，積分電容C1積分充電，積分器A2的輸出電壓開始由15V下降，設此時為初始狀態(tài)，其電壓方程為U3-Vc2R6=Cd(Vc2-U4)dt]]>固態(tài)開關正常工作情況下，負載電流I＜1.1Ie，積分器輸出電壓U4＝15V(此值為積分放大器輸出電壓得初始值，即U4(0)＝15V)；當負載電流I＞1.1Ie時，積分器輸出電壓U4由15V下降，當U4＝Vc3(此值為積分放大器輸出電壓的終態(tài)值，即U4(t)＝Vc3)時，比較器IC1輸出低平，產(chǎn)生跳閘信號，從電路檢測到過流信號到積分放大器積分延遲產(chǎn)生跳閘信號的這段時間t即為過流保護時間。
t=(15-Vc3)×R6×CU3-Vc2]]>t=(Vcc-Vc3)×R6×C0.1U12+2-Vc2]]>其中Vc2、Vc3、R6、C均為常數(shù)，則上式為過流保護時間t和電壓U1的關系式，檢測電壓U1與過載倍數(shù)在數(shù)值上是對應的，因此上式實際上就是固態(tài)開關過流保護時間t和過載倍數(shù)I/Ie的關系，即t=10×R6×C×(15-Vc3)(I/Ie)2+20-10Vc2]]>(4)熱記憶電路工作原理圖4給出的反時限過流保護電路圖帶有熱記憶功能，熱記憶電路是由積分單元A3和比較單元IC3構成，與反時限過流保護電路部分的積分和比較單元相比，只是在運放A3的反向輸入端多了一個電阻R8和一個二極管D，并且參數(shù)設計上有R6C1＝R9C2。當負載出現(xiàn)過載故障時，固態(tài)開關進行反時限過流保護進入跳閘狀態(tài)(通過A2，IC1實現(xiàn))，跳閘后固態(tài)開關關斷，U3＜VC2，C1，C2釋放能量，由于反向二極管D與大阻值電阻R8的存在，使得電容C2中存儲能量的釋放時間遠大于C1，設定為10s，經(jīng)過一定的時間后上位機復位取消跳閘信號，然后上位機發(fā)出導通信號使固態(tài)開關再次導通，若導通后再次出現(xiàn)過載進行過流保護，如果兩次跳閘的時間間隔Δt小于設定值10s，也就是說C2中的能量沒有完全釋放，那么第二次過流保護將是在第一次保護殘存能量的基礎上進行，所以相應的過流保護時間要比第一次小，由于R6C1＝R9C2，所以第二次保護是由積分器A3、比較器IC3實現(xiàn)。
3、功率管的“慢”開通、“慢”關斷技術有“慢”開通和“慢”關斷功能的固態(tài)開關，在開啟時能夠限制容性負載開通過程的電流沖擊，在關斷時能夠抑制感性負載關斷過程加在主功率管兩端的感應電壓。當上位機控制開關管導通時，運用電路設計使柵源驅(qū)動電壓等于MOS管的開啟電壓，即Vgs＝VTH，這時MOS管處于“淺”導通狀態(tài)，然后柵源驅(qū)動電壓Vgs從VTH緩慢上升到+15V，隨著Vgs增大的過程，MOS管逐漸完全導通，因而負載電流逐漸從零上升到最大值；開關管的關斷過程與此相反。圖5給出了有“慢”開通和“慢”關斷功能的固態(tài)開關中開關管的驅(qū)動電壓和負載電流的工作波形。
圖6給出了實現(xiàn)“慢”開通、“慢”關斷功能的電路，電路是由電阻R2、R3、R4、電容C、二極管D組成的RC網(wǎng)絡。
圖6(b)給出了“慢”開通過程的工作電路上位機發(fā)出導通命令信號時，Ui由高電平變換到低電平，這時晶體管T關斷，由于晶體管關斷的瞬間，電容相當于短路，此時UC＝0，所以有柵源驅(qū)動電壓Ugs=UR4=(15-0.7)×R4R1+R2+R4]]>選擇合適的參數(shù)，使開通瞬間的柵源驅(qū)動電壓等于MOS管的開啟電壓，即Ugs＝UTH之后，15V電壓通過R1，R2對電容充電，充電常數(shù)τ＝(R1+R2+R4)C電容C兩端電壓uC=(15-0.7)(1-e-tτ)=(15-0.7)(1-e-t(R1+R2+R4)C)]]>任意時刻電路電流i=iC=CduCdt=15-0.7R1+R2+R4e-t(R1+R2+R4)C]]>任意時刻Ugsugs=iR4+0.7+uC=(15-0.7)R4R1+R2+R4e-t(R1+R2+R4)C+(15-0.7)(1-e-t(R1+R2R4)C)+0.7]]>柵源驅(qū)動電壓ugs從開啟電壓UT上升到MOS管完全導通時柵源驅(qū)動電壓的這段時間t即為“慢”開通時間。
圖6(C)給出了“慢”關斷過程的工作電路上位機發(fā)出關斷命令信號時，Ui由低電平變換到高電平，這時晶體管T導通，由于晶體管導通的瞬間，UC＝15V所以Ugs=UR2=15×R2R2+R3+R4]]>選擇合適的參數(shù)，使關斷瞬間的柵源驅(qū)動電壓等于MOS管的開啟電壓，即Ugs＝UTH之后，電容通過R2、R3、R4放電，電容兩端電壓uC=15e-t(R2+R3+R4)C]]>任意時刻電路電流i=-iC=-CduCdt=15R2+R3+R4e-t(R2+R3+R4)C]]>任意時刻Ugs
ugs=iR2=15R2R2+R3+R4e-t(R2+R3+R4)C]]>柵源驅(qū)動電壓ugs從開啟電壓UT下降到MOS管完全關斷時柵源驅(qū)動電壓的這段時間t即為“慢”關斷時間。
4.本發(fā)明的驅(qū)動隔離電路可采用磁隔離驅(qū)動電路或光耦隔離驅(qū)動電路。
圖7所示的是具有電壓自舉功能的電平控制型磁隔離驅(qū)動保護電路。
由圖7(a)可知，本電路兼有短路保護功能和慢通慢斷功能的融合電路，包括磁隔離驅(qū)動和驅(qū)動保護電路兩部分。其中磁隔離驅(qū)動電路，包括高頻調(diào)治器連于脈沖變壓器隔離電路，脈沖變壓器隔離電路輸出分別連于控制信號解調(diào)器和驅(qū)動電壓自舉電路，由控制信號解調(diào)器信號驅(qū)動保護電路，由驅(qū)動電壓自舉電路產(chǎn)生自舉電壓提供給驅(qū)動保護電路，驅(qū)動保護電路包括慢通慢斷控制電路，判別控制電路，短路保護電路和推挽輸出電路。具體電路的組成如圖7(b)所示。下面分別敘述磁隔離驅(qū)動電路由高頻方波信號門相與通過電阻R21連于三極管Q1的基極，三極管Q1與脈沖變壓器原邊串聯(lián)后再串聯(lián)與電源(15V)相連的電阻R22，穩(wěn)壓管Z8與穩(wěn)壓管Z9反向串聯(lián)與并聯(lián)在脈沖變壓器原邊的兩端，脈沖變壓器副邊經(jīng)由四個肖特基整流二極管D4、D5、D6、D7組成的全波整流電路整流出的自舉電壓再通過電阻R23和穩(wěn)壓管Z10及濾波電容C7組成的驅(qū)動電壓，自舉電路供給驅(qū)動保護電路的自舉電壓；另外，脈沖變壓器副邊輸出端經(jīng)由二極管D8和電容C8組成的半波解調(diào)電路的輸出端經(jīng)由電阻R24和電阻R25與電容C8構成回路連與三極管T9而構成的控制信號解調(diào)器連與包括慢通慢斷控制電路、判別電路、短路保護電路和推挽輸出電路在內(nèi)的驅(qū)動保護電路。
慢通慢斷控制電路與驅(qū)動電壓自舉電路和控制信號解調(diào)器相連的三極管T1集電極的輸出端依次串聯(lián)電阻R2、電容C1、兩端并聯(lián)二極管D1的電阻R3和電阻R4連于三極管T1發(fā)射極而構成回路接“地”，與三極管T1的基極相連的電阻R5和與集電極相連的電阻R1共電位接電源。本電路就是圖6所示的電路。
判別控制電路與慢通慢斷控制電路相連的三極管T4的集電極與發(fā)射極之間并聯(lián)電容C2，三極管T4集電極輸出端經(jīng)穩(wěn)壓管Z1連于三極管T5基極，三極管T5的集電極連于在集電極與發(fā)射極之間并聯(lián)電容C3的三極管T6，其中電容C2負端、電容C3負端與三個三極管T4，T5，T6的發(fā)射極供電位接“地”。
短路保護電路，與判別控制電路相連的電阻R12的輸出分兩路一路與穩(wěn)壓管Z2的反向串聯(lián)后連于三極管T7基極，電阻R15并聯(lián)在三極管T7的基極與發(fā)射極之間；另一路連于電阻R13，經(jīng)二極管D3連于主功率管MOS1正極，三極管T7發(fā)射極連于電阻R16，三極管T7集電極輸出端經(jīng)穩(wěn)壓管Z3連于三極管T9基極，電阻R17并聯(lián)在三極管T9的基極與發(fā)射極之間，電容C4并聯(lián)在三極管T9的集電極與發(fā)射極之間，三極管T9的基極輸出端經(jīng)穩(wěn)壓管Z4連于三極管T10基極，電阻R18并聯(lián)在三極管T10基極與發(fā)射極之間，三極管T10的集電極經(jīng)電阻R14連于電容C5與三極管T10的發(fā)射極構成回路，穩(wěn)壓管Z5連于三極管T8與電容C5構成回路，三極管T8基極直接與三極管T7的發(fā)射極相連，三個電阻R16，電阻R17，電阻R18的負端與電容C4的負端共電位接“地”，三個三極管T7，T9，T10的集電極電阻R9，R10，R11三者的正極共電位接電源。
推挽輸出電路，三極管T2發(fā)射極與三極管T3發(fā)射極串聯(lián)，其串聯(lián)點經(jīng)電阻R19分兩路一路依次串聯(lián)正向穩(wěn)壓管Z6和反向穩(wěn)壓管Z7后與三極管T3的集電極構成回路，接“地”；另一路直接與主功率管MOS1相連電阻R20并聯(lián)在正向穩(wěn)壓管Z6和反向穩(wěn)壓管T7的串聯(lián)電路上，三極管T2的基極與三極管T3的基極相連后分兩路一路直接連于慢通慢斷控制電路；另一路通過二極管D2連于短路保護電路。
下面敘述磁隔離驅(qū)動電路的工作原理和工作過程(1)采用磁隔離驅(qū)動，能夠減少輔助電源的數(shù)量，降低損耗，電路簡單可靠，耐輻射能力強，特別是在多路功率驅(qū)動中有極大的優(yōu)勢。在直流固態(tài)功率開關電路中的驅(qū)動電路具有電壓自舉，動態(tài)供電的功能，并且是電平控制型，滿足了固態(tài)開關對驅(qū)動電路的要求。在驅(qū)動電路設計中采用了調(diào)制解調(diào)策略具體的功能原理框圖如圖9所示。
如圖9所示調(diào)制解調(diào)策略基本思想是將開通信號高頻化，通過脈沖變壓器傳遞原邊的驅(qū)動能量與控制信號到副邊，在副邊通過全波整流得到自舉電壓，同時通過解調(diào)策略將高頻信號還原成調(diào)制前正常的低頻的電平控制信號。
①調(diào)制策略在圖7(b)中，控制信號(MAIN)與高頻調(diào)制波(PULSE)通過與門相與，產(chǎn)生高頻的開關信號，控制原邊三極管Q1的開通關斷，這樣加在變壓器原邊A1，A2兩點波形就是幅值接近的正負方波，這樣通過脈沖變壓器傳遞能量與信號到副邊。
②解調(diào)策略副邊有兩路解調(diào)電路，由四個肖特基整流二極管D4，D5，D6，D7組成的全波整流電路，將副邊高頻信號整流成電源信號即自舉電壓，并加在P，Q兩端。電阻R23是假負載，起去磁的作用，電容C7是濾波電容，可以使副邊整流出來的電源信號更加平滑。另一路是由三極管D8，電容C8組成的半波解調(diào)電路，通過其半波整流解調(diào)控制信號，而0點就是解調(diào)后的控制信號輸出點，用來控制三極管T9的開通關斷從而控制后級的圖騰柱輸出。
具體的在調(diào)制解調(diào)過程中，驅(qū)動電路各部分的波形如圖10所示。從圖中看出副邊的自舉電源也完全由原邊控制信號控制，控制信號為高時，產(chǎn)生自舉驅(qū)動電源，為低時不產(chǎn)生電源，采用這樣動態(tài)供電方式可以大幅度降低驅(qū)動損耗，提高整個系統(tǒng)的性能。
下面將具體分析在控制信號(MAIN)為高低電平時，磁隔離驅(qū)動電路具體的工作過程。
①開通過程如圖7(b)所示，當控制信號，即MAIN信號是高點平的時，通過與高頻方波信號相與，加在原邊三極管Q1基極的是高頻的開通關斷信號，內(nèi)似正反激電路的拓撲，由于原邊三極管高頻的開通關斷，這樣加在變壓器原邊的就是正負的方波，這樣就可以通過脈沖變壓器傳遞能量與信號到副邊。副邊通過半波解調(diào)出的控制信號使三極管T9飽和導通，這樣S點大約0.3V(以Q點電位為基準)，這樣三極管T1截止，通過全波整流出來的電源信號通過電阻R1，R2，三極管T2輸出，此時驅(qū)動信號Vgs大約12V。這里面存在一個脈沖變壓器的去磁問題，設計中通過控制高頻脈沖信號的占空比小于50％，設計中取45％較佳。這樣雖然脈沖變壓器是單向磁化，但由于有足夠的去磁時間，這樣可以保證脈沖變壓器不飽和，當然這也跟變壓器上加的負脈沖的幅值有關，這我們可以通過調(diào)整脈沖變壓器原邊的電感量加以控制。
②關斷過程當控制信號MAIN是低電平的時候，原邊三極管不工作，脈沖變壓器不傳遞能量，自然副邊沒電源信號與控制信號，無法驅(qū)動。如果開通關斷信號交替，關斷信號出現(xiàn)時，由于在上個開通過程中，電容C7儲存了能量，電源信號并不是立刻消失，這樣慢慢釋放的電源能量能夠保證三極管T3關斷，快速將柵源電壓放掉，達到關斷的作用。
電源自舉電路、信號解調(diào)電路與后級“慢”開通“慢”關斷，短路保護電路主要融合點是①電源信號的融合通過全波整流電路得到的電源信號，加在P，Q兩端，為后級電路提供能量源。
②控制信號的融合通過半波整流解調(diào)方式控制三極管T9的開通關斷，從而控制三極管T1的關斷與開通，順利的達到與后級驅(qū)動控制電路的融合。
同樣的驅(qū)動隔離電路還可以通過光耦隔離驅(qū)動電路實現(xiàn)，只不過需要提供獨立的驅(qū)動電源，圖8所示的是采用光耦隔離驅(qū)動電路的兼有短路保護功能和慢通慢斷功能的融合電路，本電路除光耦隔離驅(qū)動電路之外其他的具體組成部分與圖7所采用的磁隔離驅(qū)動電路完全相同，這里不再贅述。
(2)功率管“慢”通“慢”斷技術與降柵壓短路保護電路的融合的工作原理以及工作過程。
根據(jù)圖7與圖8所示的電路敘述其工作原理和工作過程固態(tài)開關除了正常的開關功能外，短路保護功能是其不可缺少的必要功能，在直流固態(tài)功率開關電路的設計中，采用降柵壓短路保護電路來實現(xiàn)短路保護功能。
降柵壓短路保護包括兩個方面①短路或嚴重過載時降柵壓功能。柵源間的驅(qū)動電壓由原來的15V降至5V，以達到限流目的；②柵源間電壓從限流狀態(tài)5V緩慢降為0。
降柵壓短路保護的思想是主功率管MOS1的漏極通過快恢復二極管D3和電阻R13接到主功率管的驅(qū)動電路中，發(fā)生短路故障時，電路電流迅速上升，主功率管MOS1兩端電壓上升，使三極管T7、T8導通而進入短路保護狀態(tài)。
在驅(qū)動電路中增加了“慢”開通“慢”關斷功能后，與短路保護電路快速關斷功能存在著沖突，集中表現(xiàn)在開通過程中由于“慢”開通電路作用導致主功率管漏源之間的電壓Uds從Uin緩慢下降，這樣會使短路保護電路誤作用，致使主功率管無法正常導通。所以在“慢”開通“慢”關斷電路與短路保護電路銜接中我們需要增加判別控制電路，從而將兩者結(jié)合起來，通過合理的時序的分配，使兩者均能正常工作。
具體功能原理是在正常慢開通過程中，我們使判別控制電路工作，通過抑制短路保護電路，使其不起作用。而在功率管正常導通過程中，如果出現(xiàn)短路故障，通過判別控制電路能夠立刻檢測到短路故障，并在非常短的時間內(nèi)(＜25us)快速啟動短路保護電路，關斷功率管，從而避免了慢關斷帶來的切除故障不夠及時的隱患。這樣在正常開通關斷過程中短路保護被抑制，功率管通過控制信號的高低電平來控制通斷，并有“慢”開通“慢”關斷的功能。而在故障出現(xiàn)后短路保護快速作用，切除故障。
本發(fā)明把功率管的“慢”通“慢”斷技術與降柵壓短路保護功能融合在功率管的驅(qū)動電路中，圖7(b)，圖8(b)采用了不同的驅(qū)動隔離方式，給出了這種融合“慢”通“慢”斷技術和降柵壓短路保護功能的功率管驅(qū)動電路圖，其工作原理如下①開通過程當控制信號M為高電平時，磁耦副邊S點為低電平，三極管T1截止，三極管T2導通，三極管T3截止，主功率管MOS1“慢”開通，“慢”開通時間為ton，與此同時，三極管T4截止，電源通過電阻R6向電容C2充電，時間常數(shù)τ1＝R6C2C2充電使得U點電位上升，U點電位由三極管T4的導通壓降0.3V上升到穩(wěn)壓管Z1的穩(wěn)壓值與三極管PN節(jié)電壓和0.7+VZ1時，三極管T5導通，三極管T6截止，三極管T7導通，U點電位由三極管T4的導通壓降0.3V上升到穩(wěn)壓管Z1的穩(wěn)壓值與三極管PN節(jié)電壓和0.7+VZ1所需要的時間t1=-τ1ln(15-0.7-VZ115-0.3)]]>若使開通過程不進入短路保護狀態(tài)，必須使主功率管MOS1先導通，因為主功率管MOS1導通時兩端電壓Vds變小，使二極管D3導通，V點電位被箝位，三極管T7、三極管T8截止，短路保護電路不起作用，這樣必須要求t1＞ton，主功率管MOS1才能正常開通不進入短路保護狀態(tài)。
②關斷過程當控制信號M為低電平時，磁耦副邊S點為高電平，三極管T1導通，三極管T2截止，三極管T3導通，主功率管MOS1“慢”關斷，同時，三極管T4導通，電容C2通過三極管T4放電，V點的電位迅速變?yōu)榈碗娖剑龢O管T7、T8截止，短路保護電路不起作用，MOSFET正常關斷。
③短路保護過程設主功率管MOS1已經(jīng)導通，根據(jù)上面的分析，此時三極管T1截止，三極管T2導通，三極管T3截止，三極管D3導通，三極管T7、T8截止。假如此時發(fā)生短路故障，則主功率管MOS1瞬間承受大電流，DS兩端的電壓上升很多，二極管D3截止，電阻R13懸空，電流通過電阻R13、R12向電容C3充電，τ2＝(R12+R13)C3，V點的電位開始由UV0上升，當UV0上升至穩(wěn)壓管Z2的穩(wěn)壓值與三極管PN節(jié)電壓和0.7+VZ2時，三極管T7、T8導通，后續(xù)電路開始起作用，短路保護開始。由短路故障出現(xiàn)到短路保護開始之間的時間延遲為保護延遲時間t2t2=-τ2ln(15-VZ115-UV0)]]>三極管T7、T8導通，X點的電位被穩(wěn)壓管Z5箝位在5V左右(T8的導通壓降與穩(wěn)壓管Z5的穩(wěn)壓值之和)，T點電位由原來的15V下降為5-6V(包括D2壓降0.7V)。T點電位下降使主功率管MOS1柵源電壓降低，起到降柵壓限流的作用。
同時，由于三極管T7導通，三極管T9截止，15V電壓通過電阻R10向電容C4充電，時間常數(shù)τ3＝R10C4C4充電使W點的電位上升，上升至穩(wěn)壓管Z4的穩(wěn)壓值與三極管PN節(jié)電壓和0.7+VZ4時，三極管T10導通，由三極管T7導通到三極管T10導通之間的時間延遲為限流延遲時間t3t3=-τ3ln(15-0.7-VZ415)]]>三極管T10導通后，電容C5通過電阻R14、三極管T10放電，時間常數(shù)τ4＝R14C5電容C5放電使X點電位下降，X點電位由5V下降到0.3V(三極管導通壓降)的時間為關斷延遲時間t4t4=-τ4ln(0.35.4)]]>自此主功率管MOS1降柵壓關斷結(jié)束。具體波形如圖11所示。
本發(fā)明的電路中各段延時時間t1、t2、t3、t4可以根據(jù)不同的需要在功率管允許的范圍內(nèi)通過改變時間常數(shù)加以整定。
權利要求
1.一種直流固態(tài)功率開關電路，其構成是直流輸入電壓經(jīng)主功率電路和檢測電路接負載，其特征在于，與主功率電路相連的由驅(qū)動電源和驅(qū)動隔離電路分別與驅(qū)動保護電路相連的隔離驅(qū)動保護電路，其中驅(qū)動保護電路又包括慢通慢斷控制電路連于判別控制電路的輸入，判別控制電路的輸出連于短路保護電路，慢通慢斷控制電路和短路保護電路又分別連于與主功率電路相連的推挽輸出電路；負載兩端并聯(lián)輔助功率電路；電流檢測電路分別連于反時限過流保護電路、過溫保護電路、熱記憶電路以及狀態(tài)輸出電路的輸入端，反時限過流保護電路的輸出連于與隔離驅(qū)動保護電路中的驅(qū)動隔離電路相連的包括延時信號電路、死區(qū)控制信號電路、狀態(tài)鎖存信號電路在內(nèi)的主功率電路的主功率管驅(qū)動電路；狀態(tài)輸出電路的輸出分別連于與延時信號電路相連的光耦隔離電路和輔助功率電路的輔助功率管開通邏輯判斷電路；此輔助功率電路的輔助功率管開啟邏輯判斷電路經(jīng)驅(qū)動隔離電路連于輔助功率電路相連的慢通慢斷控制電路和與驅(qū)動電源相連的功率驅(qū)動輸出電路。
2.根據(jù)權利要求1所述的直流固態(tài)功率開關電路，其特征在于，帶熱記憶功能的反時限過流保護電路，包括模擬乘法器(M)的輸出分兩路一路直接連于比較器(IC2)；另一路經(jīng)過加法器(A1)再與比較器(IC1)相連后與比較器(IC2)的輸出端并聯(lián)組成反時限過流保護電路；熱記憶電路由積分器(A3)連于比較器(IC3)后并聯(lián)在反時限過流保護電路的積分器(A2)與比較器(IC1)的串聯(lián)電路上。
3 根據(jù)權利要求1或2所述的直流固態(tài)功率開關電路，其特征在于，隔離驅(qū)動保護電路包括采用磁隔離驅(qū)動電路的或采用光耦隔離驅(qū)動的驅(qū)動隔離電路和由慢通慢斷控制電路、判別控制電路、短路保護電路、及推挽輸出電路所組成的驅(qū)動保護電路，所述磁隔離驅(qū)動電路由高頻方波信號門相與通過電阻(R21)連于三極管(Q1)的基極，三極管(Q1)與脈沖變壓器原邊串聯(lián)后再串聯(lián)與電源(15V)相連的電阻(R22)，穩(wěn)壓管(Z8)與穩(wěn)壓管(Z9)反向串聯(lián)與并聯(lián)在脈沖變壓器原邊的兩端，脈沖變壓器副邊經(jīng)由四個肖特基整流二極管(D4)、(D5)、(D6)、(D7)組成的全波整流電路整流出的自舉電壓再通過電阻(R23和穩(wěn)壓管(Z10)及濾波電容(C7)組成的驅(qū)動電壓，自舉電路供給驅(qū)動保護電路的自舉電壓；另外，脈沖變壓器副邊輸出端經(jīng)由二極管(D8)和電容(C8)組成的半波解調(diào)電路的輸出端經(jīng)由電阻(R24)和電阻(R25)與電容(C8)構成回路連與三極管(T9)而構成的控制信號解調(diào)器連與包括慢通慢斷控制電路、判別電路、短路保護電路和推挽輸出電路在內(nèi)的驅(qū)動保護電路；所述慢通慢斷控制電路與驅(qū)動電壓自舉電路和控制信號解調(diào)器相連的三極管(T1集電極的輸出端依次串聯(lián)電阻(R2)、電容(C1)、兩端并聯(lián)二極管(D1)的電阻(R3)和電阻(R4)連于三極管(T1)發(fā)射極而構成回路接“地”，與三極管(T1)的基極相連的電阻(R5)和與集電極相連的電阻(R1)共電位接電源。本電路就是圖6所示的電路；所述判別控制電路與慢通慢斷控制電路相連的三極管(T4)的集電極與發(fā)射極之間并聯(lián)電容(C2)，三極管(T4)集電極輸出端經(jīng)穩(wěn)壓管(Z1)連于三極管(T5)基極，三極管(T5)的集電極連于在集電極與發(fā)射極之間并聯(lián)電容(C3)的三極管(T6)，其中電容(C2)負端、電容(C3)負端與三個三極管(T4)，(T5)，(T6)的發(fā)射極供電位接“地”；所述短路保護電路，與判別控制電路相連的電阻(R12)的輸出分兩路一路與穩(wěn)壓管(Z2)的反向串聯(lián)后連于三極管(T7)基極，電阻(R15)并聯(lián)在三極管(T7)的基極與發(fā)射極之間；另一路連于電阻(R13)，經(jīng)二極管(D3)連于主功率管(MOS1正極，三極管(T7)發(fā)射極連于電阻(R16)、三極管(T7)集電極輸出端經(jīng)穩(wěn)壓管(Z3)連于三極管(T9)基極，電阻(R17)并聯(lián)在三極管(T9)的基極與發(fā)射極之間，電容(C4)并聯(lián)在三極管(T9)的集電極與發(fā)射極之間，三極管(T9)的基極輸出端經(jīng)穩(wěn)壓管(Z4)連于三極管(T10)基極，電阻(R18)并聯(lián)在三極管(T10)基極與發(fā)射極之間，三極管(T10)的集電極經(jīng)電阻(R14)連于電容(C5)與三極管(T10的發(fā)射極構成回路，穩(wěn)壓管(Z5)連于三極管(T8)與電容(C5)構成回路，三極管(T8)基極直接與三極管(T7)的發(fā)射極相連，三個電阻(R16)、電阻(R17)、電阻(R18)的負端與電容(C4)的負端共電位接“地”，三個三極管(T7)、(T9)、(T10)的集電極電阻(R9)、(R10)、(R11)三者的正極共電位接電源；所述推挽輸出電路，三極管(T2)發(fā)射極與三極管(T3)發(fā)射極串聯(lián)，其串聯(lián)點經(jīng)電阻(R19)分兩路一路依次串聯(lián)正向穩(wěn)壓管(Z6)和反向穩(wěn)壓管(Z7)后與三極管(T3)的集電極構成回路，接“地”；另一路直接與主功率管(MOS1)相連電阻(R20)并聯(lián)在正向穩(wěn)壓管(Z6)和反向穩(wěn)壓管(T7)的串聯(lián)電路上，三極管(T2)的基極與三極管(T3)的基極相連后分兩路一路直接連于慢通慢斷控制電路；另一路通過二極管(D2)連于短路保護電路。
全文摘要
一種涉及直流固態(tài)功率開關電路屬電力電子領域，包括主功率電路，與負載并聯(lián)的輔助功率電路，由驅(qū)動電源，驅(qū)動隔離電路，慢通慢斷控制電路，判別控制電路，短路保護電路及推挽輸出電路所組成的隔離驅(qū)動保護電路，電流檢測電路，電壓檢測電路，主功率管驅(qū)動電路，光耦隔離電路，輔助功率管開通邏輯電路和功率驅(qū)動輸出電路等。本電路能限制容性負載開通過程的電流沖擊，能抑制感性負載關斷過程存在的尖峰電壓；反時限過流保護及短路保護安全可靠，精度高，還具有熱記憶功能等優(yōu)點。
文檔編號H03K17/00GK1667951SQ20051003802
公開日2005年9月14日 申請日期2005年3月8日 優(yōu)先權日2005年3月8日
發(fā)明者王莉, 王志強, 嚴杰, 楊善水, 嚴仰光 申請人:南京航空航天大學