专利名称：固体功率控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于工业自动化控制领域，涉及一种固体功率控制器。
背景技术：
固体功率控制器(Solid State Power Controller简称SSPC)是一种具有智能 化功能的组合元件，它包含了固体继电器和过流断路器的功能。现有固体继电器具有体积 小、无触点、开关速度快、抗冲击和振动强、耐恶劣环境能力好等优点，但在过载或负载短路 的情况下，极易造成固体继电器损坏；而过流断路器其内部机械连杆式结构，金属触点式接 触，抗冲击和振动能力相对薄弱，环境适应性差。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种智能化程度高的固体功率控制器，该固体功率控制 器工作可靠，还具有过载、负载短路的保护功能。本实用新型所提供的固体功率控制器采取如下技术方案由微控制器电路、偏置 电路、隔离电路、跳间反馈电路、输出反馈电路、恒流电路、取样电路及输出部分组成，偏置 电路、隔离电路、跳闸反馈电路、输出反馈电路、恒流电路、取样电路及输出部分与微控制器 电路相接，其特征是所述输出部分由功率场效应管、自锁电路及由三极管驱动电路和快速 放电电路构成的驱动电路组成，自锁电路的输出接驱动电路，驱动电路的输出接功率场效 应管。所述输出部分中三极管驱动电路由三极管输出型光电耦合器VI、NPN三极管V4、 PNP型三极管V2、稳压管V6、V8、电阻R1-R4、电阻R6、R7、电容Cl构成，所述快速放电电路 和由NPN三极管V3、PNP型三极管V5、电阻R5构成，微控制器电路的控制电压信号Ul由光 电耦合器Vl发光管的正极输入，发光管的负极通过稳压管V8接地，电阻Rl接在光电耦合 器Vl收光管的基极、接地射极间，其集电极通过并联的电阻R3、电容Cl接三极管V2的基 极，电阻R2接在三极管V2的基极、射极间，三极管V2的集电极接三极管V4、V5的基极、三 极管V3的集电极并通过电阻R4接地；三极管V4、V5共射极，三极管V5的集电极通过电阻 R5接地，电阻R6、R7串联接在三极管V4、V5的射极与功率场效应管V7的栅极间，稳压管V6 接在电阻R6、R7的接点与地之间。所述的自锁电路由双向可控硅输出型光电耦合器V10、三极管输出型光电耦合器 VI、电阻R1、R8、稳压管V8组成，双向可控硅输出型光电耦合器VlO发光管的正极接跳闸保 护脉冲信号，负极接地，其收光管双向可控硅的一个电极接地，另一个电极与三极管输出型 光电耦合器Vl发光管的正极通过电阻R8接控制信号，三极管输出型光电耦合器Vl发光管 的负极通过稳压管V8接地，电阻Rl接在三极管输出型光电耦合器Vl收光管的基极、射极 间，其收光管的集电极输出驱动信号至驱动电路。所述的取样电路由输出回路中串联的取样电阻RS和放大电路组成，取样电阻RS 的取样电压信号经放大电路放大后，送入微控制器电路。取样电阻RS紧贴于在陶瓷DBC板上。本实用新型所提供的固体功率控制器工作原理为微控制器电路是该固体功率控 制器的控制核心，由偏置电路、DC/DC隔离电路向各单元电路提供电源，当施加输入电压信 号时，信号通过恒流电路加到微控制器电路来，微控制器电路输出驱动信号驱动功率场效 应管，使固体功率控制器接通；切除输入电压信号时，关断固体功率控制器。微控制器PIC 通过串联在输出回路中的取样电阻RS始终检测输出负载状态，并反馈到输出状态端，显示 负载工作状态。过载、短路保护通过取样电阻RS始终检测负载电流，当电流过载时，将过载 信息反馈到微控制器PIC电路，微控制器电路根据过载电流进行延时，在延时期内如过载 未消除，微控制器电路将启动系统的跳闸保护功能来关断输出，同时将信号反馈到跳闸状 态端，并接通跳闸输出(与断路器辅助触点功能相同)。该固体功率控制器在输出部分的输 出功率管选用低导通电阻的功率场效应管；采用了三极管驱动电路和快速放电电路构成的 驱动电路，特点是驱动电路功率大，保证了对功率MOSFET管的快速导通和快速关断，减小 功率MOSFET管开关功耗，实现了大功率MOSFET可靠工作。在输出部分设置了与驱动电路相 接的自锁电路，该固体功率控制器过载、短路保护采用了掉电复位的自锁方式，即过载或短 路保护动作后，必须关断输入电压信号后，再重新施加输入电压信号，固体功率控制器才能 再次实现重新接通输出。使固体功率控制器工作更加可靠。取样电路由输出回路中串联的 取样电阻RS和放大电路组成，取样电阻RS采取紧贴于在陶瓷DBC板上的安装方式，使其产 生的热量能迅速通过陶瓷DBC板、铜底板以及散热器路径散去，取样信号电压一致性很好， 有效避免了取样电阻热量增大对电阻精度的影响。本实用新型所提供的固体功率控制器由于采用微控制器PIC为核心的控制电路 来完成控制，智能化程度高，输出功率管选用低导通电阻的功率场效应管；负载电流采用电 阻取样方式；固体功率控制器过载、短路保护采用了掉电复位的自锁方式，固体功率控制器 工作可靠，同时，还具有功耗低、控制精度高的优点。
图1是本实用新型所提供固体功率控制器的电原理框图；图2是固体功率控制器输出部分驱动电路实施例的电原理图；图3是固体功率控制器输出部分自锁电路实施例的电原理图；图4是固体功率控制器取样电路的原理框图；图5是固体功率控制器取样电路中放大电路实施例的电原理图；图6是固体功率控制器取样电阻安装工艺结构图；图7是固体功率控制器微控制器的控制原理框图。
具体实施方式
以下结合附图说明本实用新型的实施和进一步详细说明固体功率控制器的各组成部分的各种原理。图1为固体功率控制器的电原理框图。由图1可知本实用新型所提供固体功率 控制器是以微控制器电路为核心的控制电路，由微控制器电路、偏置电路、隔离电路、跳闸 反馈电路、输出反馈电路、恒流电路、取样电路及输出部分组成，偏置电路、隔离电路、跳间反馈电路、输出反馈电路、恒流电路、取样电路及输出部分与微控制器电路相接。微控制器电路是固体功率控制器设计的核心部分，其主要作用是通过对控制输入信号、复位输入信号、取样信号的处理，来实现输出电路的关断；同时对过载、短路输出状态 进行在线检测，并随时反馈到跳闸状态端和负载状态端，显示负载工作状态；并且控制一路 跳闸输出(与断路器辅助触点功能相同)的关断。固体功率控制器在保护状态下，通过将 输入电压降为低电平实现复位可重新接通输出。采用微控制器PIC组成的控制原理框图见图7。当固体功率控制器过载或短路时， 过载或短路电流通过取样电路取得的信号，通过放大电路，输出一个与负载电流成正比的 电压信号，微控制器PIC中的A/D转换器将取样到的模拟电压信号转换成数字信号，通过预 先编制的软件程序实现在不同过载或短路电流下，不同跳闸时间的判断，控制功率输出管 的驱动电路，达到关断输出目的；同时可输出一个跳闸状态信号或负载开关状态信号。通过 对微控制器PIC的软件编程，我们可很方便的对跳间电流值和跳间时间、短路电流值和短 路时间进行修改，真正地完全实现固体功率控制器的智能化，其优点是固体功率控制器的 智能化水平高，实现了在线修改程序，针对不同用户需要的跳闸电流值和时间进行程序修 改就可满足要求，便于生产调试。图2是固体功率控制器输出部分驱动电路实施例的电原理图。固体功率控制器输 出部分中三极管驱动电路由三极管输出型光电耦合器V1、NPN三极管V4、PNP型三极管V2、 稳压管V6、V8、电阻R1-R4、电阻R6、R7、电容Cl构成，所述快速放电电路和由NPN三极管V3、 PNP型三极管V5、电阻R5构成，微控制器电路的控制电压信号Ul由光电耦合器Vl发光管 的正极输入，发光管的负极通过稳压管V8接地，电阻Rl接在光电耦合器Vl收光管的基极、 接地射极间，其集电极通过并联的电阻R3、电容Cl接三极管V2的基极，电阻R2接在三极管 V2的基极、射极间，三极管V2的集电极接三极管V4、V5的基极、三极管V3的集电极并通过 电阻R4接地；三极管V4、V5共射极，三极管V5的集电极通过电阻R5接地，电阻R6、R7串 联接在三极管V4、V5的射极与功率场效应管V7的栅极间，稳压管V6接在电阻R6、R7的接 点与地之间。驱动电路的输出级采用三极管驱动电路对功率MOSFET管V7直接驱动。输入 信号Ul为高电平时，光电耦合器三极管Vl导通，5脚为低电平，三极管V2导通，三极管V3 截止，三极管V5截止，三极管V4导通，驱动电压通过电阻R6、R7输出加在功率MOSFET栅极 上，使功率MOSFET管V7导通；输入信号Ul为低电平时，光电耦合器三极管Vl截止，5脚为 高电平，三极管V2截止，三极管V3导通，三极管V5导通，三极管V4截止，功率MOSFET管栅 极上的电荷通过由NPN三极管V3、PNP型三极管V5、电阻R5构成的快速放电电路进行放电， 使功率MOSFET管V7快速截止关断。这种驱动电路的优点是驱动电路功率大，保证了对功 率MOSFET管的快速导通和快速关断，减小功率MOSFET管开关功耗，实现了大功率MOSFET 可靠工作。图3是固体功率控制器输出部分自锁电路实施例的电原理图。参见图3，自锁电 路由双向可控硅输出型光电耦合器V10、三极管输出型光电耦合器VI、电阻Rl、R8、稳压管 V8组成，双向可控硅输出型光电耦合器VlO发光管的正极接跳间保护脉冲信号U2，负极接 地，其收光管双向可控硅的一个电极接地，另一个电极与三极管输出型光电耦合器Vl发光 管的正极通过电阻R8接控制信号U1，三极管输出型光电耦合器Vl发光管的负极通过稳压 管V8接地，电阻Rl接在三极管输出型光电耦合器Vl收光管的基极、射极间，其收光管的集电极输出驱动信号至驱动电路。自锁电路与驱动电路共用了三极管输出型光电耦合器Vl。在自锁方式保护电路中，采用的是可控硅输出型光电耦合器，利用可控硅导通后，维持电流 维持其导通的特性，旁路输入控制信号，来关断其控制电路，实现跳闸自锁保护；只有控制 信号在低电平，维持电流撤消时，跳闸自锁保护才能取消。其特点是跳闸保护动作速度快， 可达到微秒级关断；信号实现光隔离，抗干扰能力强，可靠性高。该电路中双向可控硅输出 型光耦合器型号M0C3083，三极管输出型光耦合器型号4N38。图4是固体功率控制器取样电路的原理框图。所述的取样电路由输出回路中串联 的取样电阻RS和放大电路组成，图中RL为负载，取样电阻RS的取样电压信号经放大电路 放大后，送入微控制器电路。图5是固体功率控制器取样电路中放大电路实施例的电原理 图。取样电路中放大电路由运算放大器VII、及电阻R10、R11构成的放大电路组成，取样电 阻的取样信号URS加在运算放大器Vll的输入端口 3上，运算放大器Vll的输入端口 2通 过电阻RlO接地，电阻Rll接在运算放大器Vll的输入端口 2与输出端口 6间，放大后的取 样信号从运算放大器Vll的输出端口 6送到微控制器V12的输入端口 3。当固体功率控制 器正常工作时，负载取样信号URS毫伏电压值，加在运算放大器Vl 1输入端口 3，通过运算放 大器Vll放大，放大倍数由R11/R10值决定，放大倍数R11/R10= 10倍；放大后的负载取样 信号由运算放大器Vll输出端口 6，加到微控制器V12端口 3，通过微控制器V12中的A/D 转换器将采样到的模拟电压信号转换成数字信号，通过预先编制的软件程序实现负载工作 状态输出。电路中运算放大器Vl型号0P193，微控制器V2型号PIC12F675。当固体功率控制器过载或短路时，过载或短路电流通过取样电路取得毫伏电压值 信号URS，通过运算放大器Vll放大，放大倍数由R11/R10值决定，放大倍数R11/R10 = 10 倍；放大后的过载或短路取样信号由运算放大器Vll输出端口 6，输出一个过载或短路电流 成正比的电压信号，加到微控制器V12端口 3，微控制器V12中的A/D转换器将采样到的模 拟电压信号转换成数字信号，通过预先编制的软件程序实现在不同过载或短路电流下，不 同跳闸时间的判断，输出一个跳闸保护脉冲U2，控制固体功率控制器输出，达到关断输出目 的，同时输出一个跳间状态信号U2out和负载开关状态信号U3out。图6固体功率控制器取样电阻安装工艺结构图。本实用新型采用输出回路中串 联电阻进行电流取样方法，过载或短路电流通过取样电路取得的信号是毫伏值，需通过信 号放大电路放大，输出一个与负载电流成正比的电压信号，送到微控制器PIC。其特点是检 流精度高，在一定温度范围内，阻值变化很小，产品一致性好；在电流较小时，负载电流的取 样，用电阻取样法较好；但在电流较大时，功耗大，串联取样电阻产生了一定的输出电压降， 使固体功率控制器的电压降增大，固体功率控制器的功耗增大，对散热要求高。在本实用新 型中，将取样电阻RS紧密贴在陶瓷DBC板上，(陶瓷片2与其上的覆铜3构成陶瓷DBC板) 使其产生的热量能迅速通过陶瓷DBC板、铜底板1以及散热器路径散去，通过试验验证，取 样信号电压一致性很好，有效避免了取样电阻热量增大的影响。
权利要求一种固体功率控制器，由微控制器电路、偏置电路、隔离电路、跳闸反馈电路、输出反馈电路、恒流电路、取样电路及输出部分组成，偏置电路、隔离电路、跳闸反馈电路、输出反馈电路、恒流电路、取样电路及输出部分与微控制器电路相接，其特征是所述输出部分由功率场效应管、自锁电路及由三极管驱动电路和快速放电电路构成的驱动电路组成，自锁电路的输出接驱动电路，驱动电路的输出接功率场效应管。
2.根据权利要求1所述的固体功率控制器，其特征是所述输出部分中三极管驱动电路 由三极管输出型光电耦合器(Vl)、NPN三极管(V4)、PNP型三极管(V2)、稳压管(V6、V8)、 电阻(Rl - R4)、电阻(R6、R7)、电容(Cl)构成，所述快速放电电路由NPN三极管(V3)、PNP 型三极管(V5)、电阻(R5)构成，微控制器电路的控制电压信号(Ul)由光电耦合器(Vl)发 光管的正极输入，发光管的负极通过稳压管(V8)接地，电阻(Rl)接在光电耦合器(Vl)收 光管的基极、接地射极间，其集电极通过并联的电阻(R3)、电容(Cl)接三极管(V2)的基极， 电阻(R2)接在三极管(V2)的基极、射极间，三极管(V2)的集电极接三极管(V4、V5)的基 极、三极管(V3)的集电极并通过电阻(R4)接地；三极管(V4、V5)共射极，三极管(V5)的集 电极通过电阻(R5)接地，电阻(R6、R7)串联接在三极管(V4、V5)的射极与功率场效应管 (V7)的栅极间，稳压管(V6)接在电阻(R6、R7)的接点与地之间。
3.根据权利要求1或2所述的固体功率控制器，其特征是所述的自锁电路由双向可控 硅输出型光电耦合器(VlO)、三极管输出型光电耦合器(VI)、电阻(R1、R8)、稳压管(V8)组 成，双向可控硅输出型光电耦合器(VlO)发光管的正极接跳闸保护脉冲信号(U2)，负极接 地，其收光管双向可控硅的一个电极接地，另一个电极与三极管输出型光电耦合器(Vl)发 光管的正极通过电阻(R8)接控制信号(Ul)，三极管输出型光电耦合器(Vl)发光管的负极 通过稳压管(V8)接地，电阻(Rl)接在三极管输出型光电耦合器(Vl)收光管的基极、射极 间，其收光管的集电极输出驱动信号至驱动电路.
4.根据权利要求1或2所述的固体功率控制器，其特征是所述的取样电路由输出回路 中串联的取样电阻(RS)和放大电路组成，取样电阻(RS)的取样电压信号经放大电路放大 后，送入微控制器电路。
5.根据权利要求4所述的固体功率控制器，其特征是所述取样电阻(RS)紧贴在陶瓷 DBC板上。
专利摘要本实用新型涉及一种固体功率控制器。该固体功率控制器是以微控制器电路为核心的控制电路，由微控制器电路、偏置电路、隔离电路、跳闸反馈电路、输出反馈电路、恒流电路、取样电路及输出部分组成，特点是输出部分由功率场效应管、自锁电路及由三极管驱动电路和快速放电电路构成的驱动电路组成，自锁电路的输出接驱动电路，驱动电路的输出接功率场效应管。该驱动电路功率大，保证了对功率MOSFET管的快速导通和快速关断，减小功率MOSFET管开关功耗。该固体功率控制器对过载、短路保护采用了掉电复位的自锁方式，具有智能化程度高、工作可靠的优点。
文档编号H03K17/082GK201571033SQ2009202854
公开日2010年9月1日 申请日期2009年12月25日 优先权日2009年12月25日
发明者凌闯, 刘超, 徐奎, 马玉梅 申请人:中国电子科技集团公司第四十研究所