高压直流固态功率控制器中大容性负载启动方法与流程

1.本发明属于高压直流配电系统技术领域，具体涉及高压直流固态功率控制器中大容性负载启动方法。


背景技术：

2.随着科学技术水平的发展，全球倡导低碳经济、绿色环保的理念，飞机供电系统也不断提升供电效率，降低能源损耗；因为115v三相交流电经桥式整流后的直流电压就是270v，所以270v电源和115v/400hz的恒频交流电源兼容；另外，高压直流电源还具有可靠性高、重量轻、安全性好等优点，所以新型飞机供电系统也从低压直流供电升级到了270v高压直流供电系统。供电系统升级同时，配电系统也进行了相应的升级。现代飞机等装备都趋向于多电、全电控制，整机电子电气设备数量庞大，以配电板、熔断器、继电器及断路器为基础元件的传统配电已难以满足设备用电需求。当前阶段，以固态功率控制器为基础元件的二次配电装置逐步取代传统配电产品，大量使用在各种现代飞机上。
3.在大量用电设备中有一类计算机设备，它们控制着整个飞机系统的有序运行，重要性及安全等级都非常高。为保证这类设备的正常持续工作，通常在用电设备的电源输入端接有大容量的电容，防止在电源产生浪涌、瞬时掉电情况下，负载设备工作性能下降造成故障和风险，这类设备统称为容性负载。高压固态功率控制器启动大容性负载存在相当难度，因为在容性负载启动瞬间，回路的电流峰值仅取决于电源能力和线路阻抗，其冲击电流能达到稳态额定电流的10倍以上，按常规定义的i2t曲线，已经触发了固态功率控制器的短路保护功能。要使这些容性负载正常启动工作，固态功率控制器就得识别出容性负载，并将其与短路保护分开处理。但若短路保护门限设置过低，就会将大容性负载当作短路保护处理，使设备始终处于短路保护状态；反之，短路保护门限设置过高，对真正发生短路情况又起不到有效的保护作用，而且容易超出配电开关的瞬时承受能力，轻则损坏开关，重则损伤配电线路，造成巨大损失。显然，容性负载的存在对高压直流固态功率控制器的物理特性和智能特性均提出了很高的要求。
4.目前，行业内常规做法是在配电开关的两端并联限流旁路，通常由旁路功率sic mosfet及限流电阻组成。这种方法有两个弊端：一是限流电阻的瞬时功率较大，所以其体积也比较大，占用产品空间较大，无法像其他器件一样安装在印制板上，通常把限流电阻用螺钉安装到壳体上，再用导线从电阻两端引线到印制板上相应控制端点。二是要增加一路功率开关，在启动时，默认负载特性为容性，先打开限流回路给负载电容充电，达到一定时间或者判断出容性负载电压达到一定程度后再切换到正常通道，降低导通电阻，从而降低发热量。因为这一限流回路在正常配电过程中是处于关断状态且不流过电流的，对于整个产品来说，不仅增加了硬件开销，还提升了系统控制复杂度，对于容量不同的容性负载来说，用规定的限流回路接通时间还不一定精确，甚至导致一些大容性负载无法正常启动。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是不增设额外的限流回路，利用已有的固态功率开关，实现对不同容值容性负载的自适应性启动。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：高压直流固态功率控制器中大容性负载启动方法，包括如下步骤：
7.步骤1：以sic mosfet为主功率开关，通过驱动电源和驱动芯片连接sic mosfet来驱动sic mosfet，在额定电流的固态功率控制器中，以多只sic mosfet并联的方式增加通流量；sic mosfet的漏极接功率电源输入，sic mosfet的源极接电流采样电路，作为功率电压输出端外接负载设备；电流通过负载设备后就近回流至功率电源；功率电源的地也接至固态功率控制器，作为内部控制电路的参考地，在负载端与功率地之间并联负载电压采样电路，电流采样电路串联短路状态判别电路；
8.步骤2：对于阻性负载或一般阻容性负载，固态功率控制器的开通过程是为：上位机通过总线发送接通指令到固态功率控制，固态功率控制器解析指令后，将接通信号输出到逻辑阵列，与电压、电流信号综合后，将接通信号输出到sic mosfet；对sic mosfet的栅源极间施加电压，打开sic mosfet的导电沟道，从而将功率电从漏极接通至sic mosfet的源极，分配至相应的用电设备；
9.步骤3：容性负载的启动特性与阻性负载的特性不尽相同，在sic mosfet打开瞬间，栅极电压上升到米勒平台，负载的电压按指数曲线上升，但回路电流却瞬间爬升，电源的电流爬升率提高，电源达到(1～2)a/us，在100us内电流峰值就能达到(200～300)a，必然触发i2t曲线的短路保护门限，此时电源的电压被线路阻抗、sic mosfet、负载设备分压，其中sic mosfet的漏-源极分担的电压又占绝大部分，sic mosfet瞬时功率非常大，如果开通时间不加约束，那累积的热量很容易就使sic mosfet雪崩，所以在启动时段控制栅极电压，使sic mosfet工作在可变电阻区，从而限制导电沟道的通流量；其次是利用pwm间隙性通断sic mosfet，使负载电压逐步建立，最后则放开栅极限压，使sic mosfet完全导通，负载电压也直接升至电源电压；
10.在容性负载启动瞬间，回路的电流很容易就达到短路保护门限，与短路状态判别电路的机理是一样的，一旦触发短路保护信号，首先必须立即关断sic mosfet，以免烧坏sic mosfet；但是容性负载与负载短路最大的区别在于容性负载两端电压是缓慢上升的，而短路负载两端电压是始终建立不起来的，所以以将负载电压作为本征特征量来判断是否为容性负载；
11.步骤4：在实际的负载设备中，纯容性负载极少，绝大多数属于阻容性负载；两者相比，阻容性负载的启动特性更为严酷，因为在sic mosfet关断区间，电容内存储的能量会被阻性负载消耗一部分，刚建立的负载电压也会下降一部分，显然，要使阻容性负载最终能够顺利启动，开通区间存储的能量必须大于关断区间消耗的能量，从负载电压的角度来说就是，关断区间负载电压的下降谷值必须是递增的；
12.步骤5由于各种容性负载容值大小不一致，在启动的第一波开通时间段内，所能建立的负载的电压也会不一样，电容越大，则电压越小；因此，避免误判断，建立了重合闸机制，即发生短路跳闸后，再一次开通复位sic mosfet，看负载电压是否有进一步抬升，从而正式确定为容性负载后，进入下一组循环通断环节。
13.优选的，驱动芯片的控制信号来源于微控制器或逻辑电路，微控制器的作用是与外部上位机进行总线通信，接受上位机的配置信息和通断指令，并用以上报固态功率控制的状态及各种参数；逻辑电路的作用是区别于总线控制状态，接受硬线控制信号，并将其与容性负载特征信号、过流保护信号、短路保护状态信号、复位信号、跳闸信号及自检信号等进行逻辑综合后，再将通断信号输出到驱动芯片。
14.优选的，电流采样电路用来采集回路的实时电流，一是作为过流保护的依据，另外还作为状态监控数据上报；电压采样电路作用是采集负载端实时电压，作为状态判别依据及数据上报；短路状态判别电路用来判别回路的电流峰值是否超过预设的门限值，若超过则置位短路状态标志信号，立即触发硬件短路保护。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
16.本发明基于容性负载启动特征量及固态功率控制器自身的能力，设计了动态适应软件算法。首先通过重合闸功能，结合负载电压的抬升，判断出是否为大容性负载。然后用pwm调制通断信号循环通断sic mosfet，周期性判断负载电压上升值，逐周期调节通断周期及占空比；当负载电压周期增加值趋于平衡，且sic mosfet仍然在安全工作区域内时，最后一波控制栅极电压到最大值，完全打开进入完全导通状态，完成整个启动过程；若此时sic mosfet已接近安全工作区域上限，则判断为超出该固态功率控制器所能带动的容性负载能力范围，进入短路跳闸保护状态，并向上位机报告为“超大容性负载”。
17.本发明针对不同的负载容量及负载类型，设计了恒频固定pwm启动法和变频动态pwm启动法，保证安全启动容性负载。
附图说明
18.图1为本发明的高压固态功率控制器原理框图；
19.图2为本发明的纯容性负载启动示意图；
20.图3为本发明的小阻容性负载启动示意图；
21.图4为本发明的阻容性负载启动示意图；
22.图5为本发明的超大容性负载接通示意图。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.请参阅图1-5，本发明以宽禁带的n沟道sic mosfet作为固态功率开关，显著降低导通电阻与开关损耗，并运用专用的sic mosfet驱动电源和驱动器对其进行开通及负压关断。
25.本高压固态功率控制器通过sci、spi、can、i2c等多种端口复用的串行通信总线接收上位计算机的开关命令，可在1ms时间内接通或断开负载，这个时间远小于传统继电器和断路器的响应时间。若将用户所期望的负载通断方式(或称供电方程)按通信协议设计在上位机内，完全可以实现多通道的自动供电、远程供电和智能供电，如此可避免机组人员频繁
地操作供电开关，将精力放在更重要的任务方面。
26.本发明在mosfet的源极输出端串联电流传感器采集回路实时电流，采样的模拟量分为两路信号源，一路与设定的短路电流阀值比较，产生的信号作为短路状态标志，触发硬件立即跳闸保护；另一路进行ad转换后输入至cpu，进入过流保护软件算法，执行热积累跳闸保护。固态功率控制器在负载端配置了精密电压采样电路，电压采样模拟量经ad转换后输入至cpu，起两个作用：一是用负载电压的变化情况，在启动时作为容性负载的判别依据；二是作为正常开通状态的负载电压数据周期上报，便于上位机进行状态监控。为提升固态功率控制器对不同负载的适应性，固态功率控制器中还配置了非易失性存储器e2prom，用以预设一些判断门限值。这些门限值表征了固态功率控制器启动容性负载能力，是固态功率控制的设计安全边际参数，取决于相关硬件耐受能力及负载启动特性要求。
27.高压固态功率控制器启动容性负载分为两个阶段：容性负载与短路状态区分阶段、容性负载启动阶段。
28.在容性负载与短路状态区分阶段，微控制器接到接通指令后，发送开通信号到驱动器，先以固定接通时间t
1on
(如100us)驱动mosfet打开，并同时进行负载电压ad采样，保证在t
1on
结束前至少要采集到一个准确值u1，并且这个值越接近t
1on
结束时刻点越好。然后将u1与容性负载判定门限u
th1
比较，若u1小于u
th1
甚至趋近于0，则初判为短路状态；若u1大于于u
th1
，则初判为容性负载；为避免误判引起不必要的跳闸，再进行一次重合闸功能，即再次驱动mosfet打开固定时间t
2on
(如100us)，同时采集负载电压u2，并将其与容性负载判定门限u
th1
比较，若u2小于u
th1
甚至趋近于0，则终判为短路状态；若u2大于于u
th1
，则终判为容性负载。
29.判定为容性负载后，随即进入容性负载启动阶段，可以用恒频固定pwm启动法或变频动态pwm启动法启动容性负载。无论何种方法，都需要用到负载电压上冲均衡门限u
th2
和固态功率控制器安全工作区域上限u
th3
。
30.所谓恒频固定pwm启动方法，即以固定的周期t3、固定的占空比t
3on
/t3循环接通mosfet。
31.先驱动mosfet打开持续t
3on
，采集t
3on
结束时刻的负载电压值u3，并纪录在内存中；然后进入t
3off
区间，直到t3结束；通常这一波负载电压上升斜率较大，后续周期随着负载电压升高及充电电流减小，每波接通后的负载电压增值幅度会越来越小。
32.进入到t4后，重复t3周期内的动作，在t4周期结束前，计算u4与u3的差值δu4，将δu4与负载电压上冲均衡门限u
th2
比较，若δu4远大于u
th2
，则进入t5周期；
33.t5周期重复t4周期动作，通常δu5比δu4小，但仍大于u
th2
；
34.t6至t8周期，均重复前一周期动作。连续确认3个周期后，δu8已趋近于u
th2
，此时，将u8与固态功率控制器安全工作区域上限u
th3
比较，若u8高于u
th3
，则放开mosfet驱动电压至最大，并在t9周期直接接通mosfet，如图2所示纯容性负载启动过程示意图；若u8低于u
th3
，则固态功率控制器不进入t9周期，一直处于关断状态。
35.在实际应用中，纯容性负载极少，大多数负载属于阻容性负载，因此本方法将阻容性负载作为普遍情况说明。
36.在阻容性负载电容量较小的情况下，启动过程相对简单，一般启动过程如图3所示。前两波开通跟前述容性负载判别过程类似，虽然t
3on
区间负载电压上升很高，接近于电
源电压，但由于电容量小，存储的能量少，在t
3off
区间已被阻性部分消耗殆尽，所以负载电压又下降到零，t4周期亦是如此，但到了t5周期，一波就很自然把负载启动起来。
37.在负载电容量较大的情况下，启动过程就复杂多了，如图4所示。前两波容性负载判别过程与前述相同，但可以明显发现，每波负载电压峰值和谷值都比容性负载要低，因为在每波次关断区间，电容中存储的能量均被阻性部分消耗掉一部分，所以如图中曲线所示，阻容性负载启动过程中的通断次数要明显增多，且负载电压上升趋势斜率也明显变缓。每周期的通断操作及负载电压采样计算方法与前述容性负载开通类似，到t
14
周期时，δu
14
已趋近于u
th2
，连续确认3个周期后，δu
17
已趋零；此时比较u
17
高于u
th3
，则放开mosfet驱动电压至最大，并在t
18
周期直接接通mosfet。
38.若在超大容性负载中，如图5所示，上述这种δun趋近于零的情况会提前，且最后一波的负载电压un低于u
th3
，这就说明了固态功率控制器的能力带不起如此大的容性负载，启动过程只能到此结束，前面启动过程中存储的能量会被阻性部分消耗至零，负载电压以指数形式下降到零。
39.上述恒频固定pwm启动法非常适用于纯容性负载或阻容性负载。但容性负载千差万别，例如大部分计算机类产品属于恒功率负载，而且一个型号的高压固态功率控制器所应用的场合带的负载特性也各不相同，所以本发明推荐变频动态pwm方法，及从t3周期开始，以不固定的周期及不同的t
on
、t
off
来循环通断mosfet，通断周期t、t
on
、t
off
的变化率，均基于每周期的负载电压采样值进行动态调整，这样能达到与各种类型负载的智能动态适应，这也是最可靠的高压容性负载启动方法。
40.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。