專利名稱：基于閉環(huán)控制的功率開關(guān)管驅(qū)動方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力電子與電工領(lǐng)域，涉及一種基于閉環(huán)控制的功率開關(guān)管驅(qū)動技術(shù)，可在固態(tài)功率控制器開通關(guān)斷過程中控制輸出負載電壓(或功率開關(guān)管電壓)的線性變化。
背景技術(shù)：
固態(tài)功率控制器(Solid State Power Controller，簡稱SSPC)是固態(tài)配電系統(tǒng)中的重要組成部分，是由功率半導體器件構(gòu)成的智能開關(guān)裝置，用于接通或斷開電路，實現(xiàn)電路保護和接收前級計算機的控制信號并報告其狀態(tài)信息。其具有無觸點、無電弧、無噪聲、 響應快、電磁干擾小、壽命長、可靠性高、便于計算機遠程控制等優(yōu)點，正廣泛應用于飛機、 坦克、輪船、民用配電網(wǎng)等方面。為了保證配電系統(tǒng)的安全，開通SSPC過程中需控制負載電壓上升率(du/dt)以減小容性負載下的沖擊電流，關(guān)斷SSPC時需控制負載電流下降率(di/dt)以減小感性負載及線路上電感在功率開關(guān)管上產(chǎn)生的電壓應力，因此固態(tài)功率控制器都采用“緩開通、慢關(guān)斷”的控制方式。在專利ZL200510038027. 0中，提出了用RC網(wǎng)絡(luò)開環(huán)實現(xiàn)“慢開通、慢關(guān)斷”的方法，該種方法在一定程度上抑制了開通容性負載時的沖擊電流，減小了感性負載及線路上電感在功率開關(guān)管關(guān)斷時產(chǎn)生的電壓應力，但其有如下缺點1) SSPC的開關(guān)性能受所選功率開關(guān)管性能、電路參數(shù)、溫度等影響較大；2)開通時間與關(guān)斷時間參數(shù)互相耦合，調(diào)節(jié)時間時需反復調(diào)整驅(qū)動電路中的阻容參數(shù)；3)開通關(guān)斷過程中對du/dt和di/dt的抑制不夠。針對上述缺點，本發(fā)明提出一種適用于如MOSFET，IGBT, GTR, SiC JFET, MCT等全控型功率開關(guān)管的控制方式，采用閉環(huán)控制輸出負載電壓(或功率開關(guān)管電壓)線性變化， 本案由此產(chǎn)生。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，在于提供一種基于閉環(huán)控制的功率開關(guān)管驅(qū)動方法及系統(tǒng)，其采用閉環(huán)控制輸出負載電壓(或功率開關(guān)管電壓)線性變化的控制方式，可以在不同半導體器件、不同環(huán)境條件以及不同負載條件下很好地控制輸出負載電壓(或功率開關(guān)管電壓) 線性變化。為了達成上述目的，本發(fā)明的解決方案是一種基于閉環(huán)控制的功率開關(guān)管驅(qū)動方法，包括如下步驟根據(jù)開關(guān)控制信號的開通或關(guān)斷命令產(chǎn)生線性上升或下降的斜坡電壓基準信號；由功率輸出端引入一電壓信號作為反饋量；將前述斜坡電壓基準信號和引入的電壓信號進行比較產(chǎn)生誤差，并對其放大調(diào)節(jié)產(chǎn)生一驅(qū)動信號；該驅(qū)動信號經(jīng)放大后產(chǎn)生驅(qū)動電壓，對功率開關(guān)管進行驅(qū)動，實現(xiàn)負載電壓或功率開關(guān)管電壓跟隨給定斜坡信號線性上升或下降。一種應用上述基于閉環(huán)控制的功率開關(guān)管驅(qū)動方法的驅(qū)動系統(tǒng)，包括斜坡電壓基準信號產(chǎn)生電路、電壓反饋電路、誤差調(diào)節(jié)電路和驅(qū)動功率放大電路，斜坡電壓基準信號產(chǎn)生電路根據(jù)開關(guān)控制信號產(chǎn)生線性上升或下降的斜坡電壓基準信號，作為輸入?yún)⒖茧妷核腿胝`差調(diào)節(jié)電路；電壓反饋電路產(chǎn)生電壓反饋信號送入誤差調(diào)節(jié)電路；所述誤差調(diào)節(jié)電路將輸入?yún)⒖茧妷号c電壓反饋信號比較產(chǎn)生誤差信號，并進行放大調(diào)節(jié)后輸入驅(qū)動功率放大電路；驅(qū)動功率放大電路根據(jù)前述輸入信號產(chǎn)生驅(qū)動電壓驅(qū)動功率開關(guān)管。上述電壓反饋電路包括第一運算放大器和4個電阻，其中，第一運算放大器的正輸入端經(jīng)由第一電阻連接功率輸出端，該正輸入端還經(jīng)由第二電阻連接第一運算放大器的輸出端；所述第一運算放大器的負輸入端經(jīng)由第三電阻連接功率地，該負輸入端還經(jīng)由第四電阻連接至控制電路參考地；所述第一運算放大器的輸出端連接誤差調(diào)節(jié)電路的輸入端。上述誤差調(diào)節(jié)電路包括第二運算放大器、電容和4個電阻，其中，第二運算放大器的正輸入端經(jīng)由第五電阻連接斜坡電壓基準信號產(chǎn)生電路的輸出端，負輸入端經(jīng)由第六電阻連接電壓反饋電路的輸出端；所述電容的一端與第七電阻的一端連接，并共同連接至第二運算放大器的負輸出端，該電容的另一端連接第八電阻的一端，而第八電阻的另一端與第七電阻的另一端連接，再共同連接至第二運算放大器的輸出端；所述第二運算放大器的輸出端還連接驅(qū)動功率放大電路的輸入端。采用上述方案后，本發(fā)明的有益效果如下1)SSPC開通關(guān)斷過程中，輸出負載電壓(或功率開關(guān)管電壓)線性變化；2)SSPC的開通關(guān)斷時間根據(jù)需要用戶可以自由調(diào)整，可調(diào)整范圍寬(數(shù)百ys到數(shù)秒)，且開通時間與關(guān)斷時間互相不影響，可單獨調(diào)節(jié)；3)利用反饋控制原理，降低了功率開關(guān)管參數(shù)、溫度變化等對SSPC開關(guān)性能的影響；4)適用于各種負載；5)有效地降低了開通容性負載過程中的沖擊電流，可以在設(shè)計上增加開通時間而提高帶容性負載能力，不需要過多額外增加功率開關(guān)管； 6)降低了正常關(guān)斷和故障關(guān)斷感性負載過程中功率開關(guān)管的電壓應力，改善了功率開關(guān)管的工作條件，提高了 SSPC可靠性和配電系統(tǒng)的安全；7)該方案適用于如下全控型功率開關(guān)管M0SFET，IGBT，GTR，SiC JFET，MCT等，通用性好。


圖1是本發(fā)明的整體架構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明第一實施例的電路圖；圖3是本發(fā)明第一實施例的工作時序圖；圖4是本發(fā)明第二實施例的電路圖；圖5是本發(fā)明第二實施例的工作時序圖。
具體實施例方式以下將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明。如圖1所示，是本發(fā)明提供的基于閉環(huán)控制的功率開關(guān)管驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，包括斜坡電壓基準信號產(chǎn)生電路、電壓反饋電路、誤差調(diào)節(jié)電路和驅(qū)動功率放大電路；當開關(guān)命令發(fā)出開通或關(guān)斷命令時，斜坡電壓基準信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生線性上升或下降的斜坡電壓基準信號，作為輸入?yún)⒖茧妷篤&，電壓反饋電路產(chǎn)生電壓反饋信號Uf，與前述輸入?yún)⒖茧妷篤m比較產(chǎn)生誤差信號，誤差調(diào)節(jié)電路對前述電壓反饋信號Uf和輸入?yún)⒖茧妷篤ref的誤差進行放大調(diào)節(jié)，經(jīng)驅(qū)動功率放大電路后產(chǎn)生驅(qū)動電壓驅(qū)動功率開關(guān)管，從而迫使反饋的電壓信號跟蹤線性變化的輸入?yún)⒖茧妷?，從而使負載電壓線性變化。負載接通時，負載電壓在設(shè)定的開通時間內(nèi)從零線性上升至電源電壓，可以減小開通容性負載時的沖擊電流，減小對電網(wǎng)的影響，防止誤保護。負載關(guān)斷時，負載電壓在設(shè)定的關(guān)斷時間內(nèi)線性下降到零；可以減小線路雜散電感以及負載電感在開關(guān)管關(guān)斷過程中引起的電壓應力，提高了可靠性?；谇笆鲵?qū)動系統(tǒng)，本發(fā)明還提供一種基于閉環(huán)控制的功率開關(guān)管驅(qū)動方法，包括如下步驟(1)斜坡電壓基準信號產(chǎn)生電路根據(jù)開關(guān)控制信號的開通或關(guān)斷命令產(chǎn)生線性上升或下降的斜坡電壓基準信號；(2)電壓反饋電路由功率輸出端引入一電壓信號作為反饋量；(3)誤差調(diào)節(jié)電路將前述斜坡電壓基準信號和引入的電壓信號進行比較產(chǎn)生誤差，并對其放大調(diào)節(jié)產(chǎn)生一驅(qū)動信號；(4)驅(qū)動功率放大電路對前述驅(qū)動信號進行放大后產(chǎn)生驅(qū)動電壓，對功率開關(guān)管進行驅(qū)動，實現(xiàn)負載電壓或功率開關(guān)管電壓跟隨給定斜坡信號線性上升或下降。圖2給出了本發(fā)明第一實施例的具體電路圖，具體的工作方式是1)斜坡電壓基準信號產(chǎn)生電路根據(jù)開關(guān)控制信號CMD產(chǎn)生線性變化的參考電壓 Vref,當開關(guān)控制信號CMD給出高電平時，參考電壓Vref線性上升；當開關(guān)控制信號CMD給出低電平時，參考電壓線性下降。2)電壓反饋電路功率輸出端經(jīng)電阻R5接至運算放大器Ul的正輸入端，功率地經(jīng)電阻R6接至運算放大器Ul的負輸入端，Ul的負輸入端還經(jīng)電阻R8接控制電路參考地， Ul的正輸入端經(jīng)電阻R7接Ul的輸出端。負載電壓經(jīng)該差分電路縮小相應的倍數(shù)，產(chǎn)生一負載電壓反饋信號Uf03)誤差調(diào)節(jié)電路參考電壓V,ef經(jīng)電阻RlO接至運算放大器U3的正輸入端，電壓反饋信號Uf經(jīng)電阻R9接至運算放大器U3的負輸入端，電阻R3的一端與電容C2的一端相連接，并共同接至U3的負輸入端，該電容C2的另一端連接電阻R4的一端，而電阻R3的另一端與電阻R4的另一端共同相連接至U3的輸出端。負載電壓反饋信號Uf與輸入?yún)⒖茧妷篤ref比較產(chǎn)生誤差信號，誤差調(diào)節(jié)電路將該誤差信號放大調(diào)節(jié)，產(chǎn)生前級驅(qū)動信號Ugsi。4)驅(qū)動功率放大電路接受前級誤差調(diào)節(jié)電路產(chǎn)生的前級驅(qū)動信號I1,將其進行放大，產(chǎn)生最終驅(qū)動電壓Ugs驅(qū)動功率開關(guān)管。上述電路控制的主功率電路包括功率開關(guān)管、檢測電阻和負載，功率開關(guān)管的一端連接功率輸入端，另一端接檢測電阻的一端；檢測電阻的另一端連接功率輸出端，所述檢測電阻作檢測電流用；上述功率輸出端連接負載的一端，負載的另一端連接功率地。上述控制電路以功率開關(guān)管與電流檢測電阻相連的一點作為控制地。圖3給出了本發(fā)明第一實施例的工作時序圖。Tl T4時段為阻性負載下SSPC開通關(guān)斷，T5 T9時段為容性負載下SSPC開通關(guān)斷，TlO T14為感性負載下SSPC開通關(guān)斷。Tl T4時段T1時亥lj，開關(guān)控制信號CMD發(fā)出高電平，參考電壓Vref線性上升，驅(qū)動電壓Ugs立即上升到功率開關(guān)管開啟電壓值，負載電壓VlMd跟蹤參考電壓線性上升； T2時刻，負載電壓上升到功率輸入電壓值，SSPC完全開通；T3時刻，開關(guān)控制信號CMD發(fā)出低電平，參考電壓Vref線性下降，負載電壓Vltjad跟蹤參考電壓VMf線性下降；T4時刻，負載電壓Vload降為0，SSPC完全關(guān)斷。T5 T9時段T5時刻，開關(guān)控制信號CMD發(fā)出高電平，參考電壓Vref線性上升，負載電壓VlMd跟蹤參考電壓線性上升，負載電流IlMd立刻上升到某一值，然后再線性上升；T6時刻，負載電壓上升到功率輸入電壓值，負載電流IlMd降到額定值，SSPC完全開通； T7時刻，開關(guān)控制信號CMD發(fā)出低電平，參考電壓V,ef線性下降；T8時刻負載電流Iltjad很快降到0，SSPC關(guān)斷，由于是容性負載，電容繼續(xù)放電，負載電壓VlMd緩慢下降，T9時刻，負載電壓Vltjad降為0。TlO T14時段T10時刻，開關(guān)控制信號CMD發(fā)出高電平，參考電壓Vref線性上升，負載電壓VlMd跟蹤參考電壓VMf線性上升；Tll時刻，負載電壓上升到功率輸入電壓值， SSPC完全開通；T12時刻，開關(guān)控制信號CMD發(fā)出低電平，參考電壓線性下降，負載電壓 Vload跟蹤參考電壓線性下降；T13時刻，負載電壓Vltjad降為0，SSPC完全關(guān)斷，由于是感性負載，負載電流Iltjad此時未降到0，負載電流IlMd繼續(xù)下降；T14時刻，負載電流IlMd降為 O0圖4是本發(fā)明第二實施例的具體電路圖，該方式電壓反饋電路反饋SSPC兩端的電壓作為反饋信號，工作過程如下1)斜坡電壓基準信號產(chǎn)生電路根據(jù)開關(guān)控制信號CMD產(chǎn)生線性變化的參考電壓 Vref,當開關(guān)控制信號CMD給出高電平時，參考電壓Vref線性下降；當開關(guān)控制信號CMD給出低電平時，參考電壓線性上升。2)電壓反饋電路功率輸入端經(jīng)電阻R20接至運算放大器U4的正輸入端，功率地經(jīng)電阻R21接至運算放大器U4的負輸入端，U4的負輸入端經(jīng)電阻R22接控制電路參考地， U4的正輸入端經(jīng)R19接U4的輸出端。SSPC兩端電壓經(jīng)該差分電路縮小相應的倍數(shù)，產(chǎn)生一負載電壓反饋信號Uf。3)誤差調(diào)節(jié)電路參考電壓V,ef經(jīng)電阻R17接至運算放大器U5的負輸入端，電壓反饋信號Uf經(jīng)電阻R18接至運算放大器U5的正輸入端，電阻R15的一端與電容C3的一端相連接，并共同接至U5的負輸入端，該電容C3的另一端連接電阻R16的一端，而電阻R15 的另一端與電阻R16的另一端共同相連接至U3的輸出端。負載電壓反饋信號Uf與輸入?yún)⒖茧妷篤ref比較產(chǎn)生誤差信號，誤差調(diào)節(jié)電路將該誤差信號放大調(diào)節(jié)，產(chǎn)生前級驅(qū)動信號Ugsi。4)驅(qū)動功率放大電路接受前級誤差調(diào)節(jié)電路產(chǎn)生的前級驅(qū)動信號I1,將其進行放大，產(chǎn)生最終驅(qū)動電壓Ugs驅(qū)動功率開關(guān)管。上述電路控制的的主功率電路與第一實例的相同，故在此不再贅述。圖5給出了本發(fā)明第二實施例的工作時序圖。其工作時序與圖3所示第一實施例的工作時序基本相同，不同點為CMD給出高電平時，參考電壓Vref線性下降，CMD為低電平時，參考電壓線性上升。故在此不再贅述。綜上所述，盡管本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)、原理、方法通過上述實施例予以具體闡述，在不脫離本發(fā)明要旨的前提下，根據(jù)以上所述的啟發(fā)，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以不需要付出創(chuàng)造性勞動即可實施變換/替代形式或組合均落入本發(fā)明保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于閉環(huán)控制的功率開關(guān)管驅(qū)動方法，其特征在于包括如下步驟根據(jù)開關(guān)控制信號的開通或關(guān)斷命令產(chǎn)生線性上升或下降的斜坡電壓基準信號；由功率輸出端引入一電壓信號作為反饋量；將前述斜坡電壓基準信號和引入的電壓信號進行比較產(chǎn)生誤差，并對其放大調(diào)節(jié)產(chǎn)生一驅(qū)動信號；該驅(qū)動信號經(jīng)放大后產(chǎn)生驅(qū)動電壓，對功率開關(guān)管進行驅(qū)動，實現(xiàn)負載電壓或功率開關(guān)管電壓跟隨給定斜坡信號線性上升或下降。
2.一種應用如權(quán)利要求1所述的基于閉環(huán)控制的功率開關(guān)管驅(qū)動方法的驅(qū)動系統(tǒng)，其特征在于包括斜坡電壓基準信號產(chǎn)生電路、電壓反饋電路、誤差調(diào)節(jié)電路和驅(qū)動功率放大電路，斜坡電壓基準信號產(chǎn)生電路根據(jù)開關(guān)控制信號產(chǎn)生線性上升或下降的斜坡電壓基準信號，作為輸入?yún)⒖茧妷核腿胝`差調(diào)節(jié)電路；電壓反饋電路產(chǎn)生電壓反饋信號送入誤差調(diào)節(jié)電路；所述誤差調(diào)節(jié)電路將輸入?yún)⒖茧妷号c電壓反饋信號比較產(chǎn)生誤差信號，并進行放大調(diào)節(jié)后輸入驅(qū)動功率放大電路；驅(qū)動功率放大電路根據(jù)前述輸入信號產(chǎn)生驅(qū)動電壓驅(qū)動功率開關(guān)管。
3.如權(quán)利要求2所述的基于閉環(huán)控制的功率開關(guān)管驅(qū)動系統(tǒng)，其特征在于所述電壓反饋電路包括第一運算放大器和4個電阻，其中，第一運算放大器的正輸入端經(jīng)由第一電阻連接功率輸出端，該正輸入端還經(jīng)由第二電阻連接第一運算放大器的輸出端；所述第一運算放大器的負輸入端經(jīng)由第三電阻連接功率地，該負輸入端還經(jīng)由第四電阻連接控制電路參考地；所述第一運算放大器的輸出端連接誤差調(diào)節(jié)電路的輸入端。
4.如權(quán)利要求2所述的基于閉環(huán)控制的功率開關(guān)管驅(qū)動系統(tǒng)，其特征在于所述誤差調(diào)節(jié)電路包括第二運算放大器、電容和4個電阻，其中，第二運算放大器的正輸入端經(jīng)由第五電阻連接斜坡電壓基準信號產(chǎn)生電路的輸出端，負輸入端經(jīng)由第六電阻連接電壓反饋電路的輸出端；所述電容的一端與第七電阻的一端連接，并共同連接至第二運算放大器的負輸出端，該電容的另一端連接第八電阻的一端，而第八電阻的另一端與第七電阻的另一端連接，再共同連接至第二運算放大器的輸出端；所述第二運算放大器的輸出端還連接驅(qū)動功率放大電路的輸入端。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于閉環(huán)控制的功率開關(guān)管驅(qū)動方法，其包括如下步驟斜坡電壓基準信號產(chǎn)生電路根據(jù)開關(guān)控制信號的開通或關(guān)斷命令產(chǎn)生線性上升或下降的斜坡電壓基準信號；由功率輸出端引入一電壓信號作為反饋量；將前述斜坡電壓基準信號和引入的電壓信號進行比較產(chǎn)生誤差，并對其放大調(diào)節(jié)產(chǎn)生一驅(qū)動信號；該驅(qū)動信號經(jīng)放大后產(chǎn)生驅(qū)動電壓，對功率開關(guān)管進行驅(qū)動，實現(xiàn)負載電壓或功率開關(guān)管電壓跟隨給定斜坡信號線性上升或下降。此方法采用閉環(huán)控制負載電壓線性變化的控制方式，可以在不同半導體器件、不同環(huán)境條件以及不同負載條件下很好地控制負載電壓或功率開關(guān)管電壓的線性變化。本發(fā)明還公開一種基于閉環(huán)控制的功率開關(guān)管驅(qū)動系統(tǒng)。
文檔編號H03K17/296GK102545855SQ20121001402
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月17日
發(fā)明者王莉, 金鑫, 阮立剛 申請人:南京航空航天大學