专利名称：一种交流固态功率控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于飞机、舰船、车辆、工业自动化等领域交流电源系统的配电控制装置，尤其是一种交流固态功率控制器。
技术背景现代飞机、船舶、车辆已趋于多电控制或全电控制，用电设备日趋增多，对供配电系统的要求也越来越高。传统配电方式采用配电板、熔断器、机械式继电器、断路器及馈电导线形成供电回路，属于集中配电方式。在负载数量较多的情况下存在以下缺点操作繁琐复杂，占用机组人员较多的任务时间；供电线圈功耗大；开通和关断时刻点不过零，触点拉弧，极易产生电磁干扰，且有寿命限制；不智能，无法实现自动控制、冗余供电和容错供电；断路器过流保护特性只适用于特定电流值的负载；整个配电系统维修性差，维护费用高；供电电缆数量多，贯穿长，致使供电系统重量大，影响装载设备的机动特性和载重，尤其是飞机等对重量要求比较严格的装载设备。
实用新型内容本实用新型目的在于提供一种交流固态功率控制器，其针对上述缺陷将固态功率开关和计算机技术实现配电控制，形成具有独立功能的固态功率控制器。本实用新型的目的是通过如下电路实现的，其包括功率开关回路和控制模块，所述控制模块包括微控制器、极性电路和驱动电路，极性电路连接微控制器，微控制器连接驱动电路，驱动电路连接功率开关回路。所述微控制器连接外部通信隔离接口。所述微控制器连接逻辑阵列，极性电路包括电压极性电路和电流极性电路，电压极性电路和电流极性电路分别连接逻辑阵列的2个输入端，驱动电路包括第一驱动电路和第二驱动电路，逻辑阵列的2个输出端分别连接第一驱动电路和第二驱动电路，电压极性电路分别连接汇流条输入端和汇流条中线。所述功率开关回路包括功率汇流条输入引脚、功率开关、功率输出引脚和功率电源中线引脚，功率开关是2个MOSFET分别是第一场效应管和第二场效应管，第一场效应管和第二场效应管的源极连接在一起，第一场效应管连接第一驱动电路，第二场效应管连接第二驱动电路。所述第一场效应管和第二场效应管间串联有采样电阻，采样电阻并联电流采样电路，电流采样电路连接短路比较电路和微控制器的输入端，电压基准电路连接短路电流比较电路输入端，短路电流比较电路的输出端连接逻辑阵列。所述逻辑阵列的另一个输入端连接电源状态电路。所述微控制器的另一个输入端连接电压采集电路。 所述逻辑阵列连接超控开关隔离接口。所述微控制器连接报警输出隔离接口。[0013]本实用新型在用电设备较为集中的区域，通过串行通信总线接收上位计算机控制指令，就近将供电汇流条的电能分配给用电设备，大大降低馈电线缆的长度和重量，且多个固态功率控制器可共用一条通信总线，省却了传统继电器供电线圈的导线，大大降低了控制功耗。同时本实用新型以场效应管作为功率开关，避免了传统继电器在开通或断开负载时机械触点动作产生的电弧，彻底消除了电磁干扰。本实用新型内部的微控制器，可以进行过载保护特性可编程，满足20% 100%额定电流范围负载的过流保护要求，还可监控总线运行状态、正常开通或断开状态、过流或短路保护状态、汇流条开路或断路状态和输出电压，通过总线反馈BIT结果，便于机组人员实时监控和记录设备状态以采取有效措施，也方便维修人员快速定位故障，显著降低维修成本和提升效率。本实用新型还具有鲁棒性，在外部通信总线或内部微控制器失效的情况下，可通过超控输入引脚对功率开关进行超越控制，即强行开通或关断功率开关。
图I为本实用新型原理框图。图2为本实用新型反时限保护曲线。图3为本实用新型正常运行流程。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的实施方法做详细说明。如图I本实用新型包括功率开关回路I和控制模块9，所述控制模块包括微控制器13、极性电路和驱动电路，极性电路连接微控制器，微控制器连接驱动电路，驱动电路连接功率开关回路，所述微控制器连接外部通信隔离接口 16。所述微控制器13连接逻辑阵列14，极性电路包括电压极性电路18和电流极性电路23，电压极性电路和电流极性电路分别连接逻辑阵列的2个输入端，驱动电路包括第一驱动电路19和第二驱动电路20，逻辑阵列的2个输出端分别连接第一驱动电路19和第二驱动电路20，电压极性电路分别连接汇流条输入端4和汇流条中线6。功率开关回路包括功率汇流条输入引脚4、功率开关、功率输出引脚5和功率电源中线引脚6。所述功率开关是2个MOSFET分别是第一场效应管2和第二场效应管3。第一场效应管2和第二场效应管3的源极连接在一起，第一场效应管2连接第一驱动电路19，第二场效应管3连接第二驱动电路20。所述第一场效应管2和第二场效应管3的间串联有采样电阻8，采样电阻并联电流采样电路21，电流采样电路21连接短路比较电路22和微控制器的输入端，电压基准电路12连接短路电流比较电路输入端，短路电流比较电路的输出端连接逻辑阵列。所述逻辑阵列的一个输入端连接电源状态电路24。所述微控制器的一个输入端连接电压采集电路25。所述逻辑阵列的另一个输入端连接电源状态电路24。所述微控制器的另一个输入端连接电压采集电路。所述逻辑阵列连接超控开关隔离接口 15。所述微控制器连接报警输出隔离接口 17。功率开关的作用是响应第一驱动电路19和第二驱动电路20的输出信号，将供电汇流条输入功率分配给用电负载7，功率分配分为接通或断开两种形式。第一场效应管2和第二场效应管3内部的寄生二极管的单向导电特性，结合功率汇流条输入4的电压相位依次开通第一场效应管2和第二场效应管3，实现自然过零开通。电压极性采样电路18采集功率汇流条输入引脚4与功率电源中线引脚6间电压的相位过零信号，输出至逻辑阵列14，经逻辑判断后输出开通信号至第一驱动电路19和第二驱动电路20。这样固态功率控制器开通时的汇流条瞬时电压仅为一个PN结的压降，远小于标准规定的6V。而功率开关关断时，电流极性采样电路23采集功率回路电流的相位过零信号，输出至逻辑阵列14，经与关断信号逻辑判断后输出关断信号至第一驱动电路19和第二驱动电路20，实现电流自然过零关断。第一驱动电路19和第二驱动电路20通过外部通信隔离接口收到接通信号将第一场效应管2和第二场效应管3打开后，功率回路便产生电流，而该电流在采样电阻8上形成电压，此电压直接进入短路电流比较电路22用于判断功率开关回路是否存在短路。若功率开关回路中存在短路，则短路比较电路22与电压基准电路12的电压比较后产生短路信号并送至逻辑阵列14，逻辑阵列14将短路信号锁存并触发短路保护机制，输出关断信号至第 一驱动电路19和第二驱动电路20以切断第一场效应管2和第二场效应管3 ;若采样电压小于基准电压，则电流采样电路21将该电压信号采集后输入到微控制器13的一个采集端口，微控制器内部的AD转换模块进行模拟一数字转换后得到功率开关回路中电流的准确数字值，计算相对于额定电流的倍数，判断是否启用过流保护程序。过流保护程序的数学模型是反时限保护曲线(I2t曲线)，如图2所示。当实际电流为额定电流的I. 25倍以上时，本实用新型进入延时程序，若在延时过程中电流采样值持续不变，则在按I2t曲线的时间延时到达的时刻，发出关断信号至驱动电路19、20以切断功率开关2、3;若在延时过程中，实际电流增大，则延时时间缩短；若在延时过程中，实际电流降到额定电流的I. 25倍以下，则跳出反时限保护。在正常使用状态下，微控制器13通过外部通信隔离接口连接外部的串行通信总线，接收外部上位机的控制指令。串行通信总线配置为三选一形式，可供选择的通信方式有SCI、SPI和I2C。本实用新型默认的总线通信方式为SCI，通信的波特率为19200bps，采用奇校验。用户若需配置其他工作方式，则需按照通信协议输入相应的配置命令，配置成功后才可使用。内外部通信之间用外部通信隔离接口 16隔离。相对正常使用状态，本实用新型还设置了超控状态，即在通信线路失效或微控制器13失效的情况下，用户可通过超控开关隔离接口 15直接对第一场效应管2和第二场效应管3进行控制，超控信号通过超控开关隔离接口 15与外部隔离。超控操作的优先级高于总线通信造作，微控制器13收到上位机控制指令后进行解析，然后输出到逻辑阵列14进行逻辑处理，逻辑处理结果输出至第一驱动电路19和第二驱动电路20。当第一场效应管2和第二场效应管3因短路或过流而关断后，微控制器13采集短路信号、过流信号、驱动信号和控制指令，逻辑阵列根据预设程序输出跳闸操作信号至报警输出隔离接口 17，报警输出隔离接口 17可连接告警指示灯指示或用离散量采集接口。此后若要再次接通负载，只需先向本实用新型的微控制器发送断开命令，再发送一次接通命令即可对本实用新型完成复位动作。本实用新型提供三种产品自检测(BIT)方式上电BIT、连续BIT和维护BIT，提供原位检测和离位检测。除了上述的短路、过流故障检测外，本实用新型还能提供总线通信状态检测、驱动电路检测、功率汇流条状态检测和功率输出检测。微控制器13实时采集第一驱动电路19和第二驱动电路20输出的控制信号电平，结合上位机命令，反馈有效/无效接通及有效/无效断开状态。电源状态电路24实时监测供电汇流条输入电压，电压等于或大于设定阀值，电源状态电路24产生有效信号输出到微控制器13，反之，汇流条输入电压小于阀值，电源状态电路24产生有无效信号输出到微控制器13。电压采样电路25实时采集负载7连接的功率输出引脚上5的电压，结果送至微控制器13的AD端口进行转换，转换后的结果通过通信总线上报。当两个或多个本实用新型可以并联使用给负载供电，其中一路失效可以启用另外的固态功率控制器持续给负载供电。用电设备数量巨大的情况下，可以极大程度的提高设备的任务可靠性。如图3所示本实用新型在使用时，微控制器首先接收上位机发送的操作命令；当检测到开关命令时，则依次打开第一场效应管和第二场效应管，当检测到的命令不是开关命令时，则进行其他操作命令；接着判断开关回路是短路，如果短路则进行短路处理，即进 行重合闸操作；最后判断开关回路是否过载，如果过载则进行过载处理，即进行过载计算关闭功率开关回路。
权利要求1.ー种交流固态功率控制器，包括功率开关回路(I)和控制模块(9)，其特征在于所述控制模块包括微控制器(13)、极性电路和驱动电路，极性电路连接微控制器，微控制器连接驱动电路，驱动电路连接功率开关回路。
2.根据权利要求I所述的ー种交流固态功率控制器，其特征在于所述微控制器连接外部通信隔离接ロ(16)。
3.根据权利要求I或2所述的ー种交流固态功率控制器，其特征在于所述微控制器连接逻辑阵列(14)，极性电路包括电压极性电路(18)和电流极性电路(23)，电压极性电路和电流极性电路分别连接逻辑阵列的2个输入端，驱动电路包括第一驱动电路(19)和第ニ驱动电路(20)，逻辑阵列的2个输出端分别连接第一驱动电路和第二驱动电路，电压极性电路分别连接汇流条输入端(4 )和汇流条中线(6 )。
4.根据权利要求3所述的ー种交流固态功率控制器，其特征在于所述功率开关回路包括功率汇流条输入引脚(4)、功率开关、功率输出引脚(5)和功率电源中线引脚(6)，功率开关是2个MOSFET分别是第一场效应管(2)和第二场效应管(3)，第一场效应管(2)和第二场效应管(3)的源极连接在一起，第一场效应管连接第一驱动电路，第二场效应管连接第二驱动电路。
5.根据权利要求4所述的ー种交流固态功率控制器，其特征在于所述第一场效应管(2)和第二场效应管(3)间串联有采样电阻(8)，采样电阻并联电流采样电路(21)，电流采样电路连接短路比较电路(22)和微控制器的输入端，电压基准电路(12)连接短路电流比较电路输入端，短路电流比较电路的输出端连接逻辑阵列。
6.根据权利要求5所述的ー种交流固态功率控制器，其特征在于所述逻辑阵列的另一个输入端连接电源状态电路(24 )。
7.根据权利要求5所述的ー种交流固态功率控制器，其特征在于所述微控制器的另一个输入端连接电压采集电路(25 )。
8.根据权利要求5所述的ー种交流固态功率控制器，其特征在于所述逻辑阵列连接超控开关隔离接ロ(15)。
9.根据权利要求5所述的ー种交流固态功率控制器，其特征在于所述微控制器连接报警输出隔离接ロ(17)。
专利摘要本实用新型公开了一种用于飞机、舰船、车辆、工业自动化等领域交流电源系统的配电控制装置，尤其是一种交流固态功率控制器，其包括功率开关回路和控制模块，所述控制模块包括微控制器、极性电路和驱动电路，极性电路连接微控制器，微控制器连接驱动电路，驱动电路连接功率开关回路。它在用电设备较为集中的区域，通过串行通信总线接收上位计算机控制指令，就近将供电汇流条的电能分配给用电设备，大大降低馈电线缆的长度和重量，且多个固态功率控制器可共用一条通信总线，省却了传统继电器供电线圈的导线，大大降低了控制功耗。
文档编号G05F1/66GK202522954SQ20122015901
公开日2012年11月7日 申请日期2012年4月16日 优先权日2012年4月16日
发明者朱军 申请人:上海尊瑞电子有限公司