專利名稱:一種交流固態(tài)功率開關(guān)的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種用于交流電氣負(fù)載控制的固態(tài)功率開關(guān)的控制方法。
背景技術(shù):
在當(dāng)前的機(jī)電控制方法和交流配電系統(tǒng)中,對交流電氣負(fù)載的開關(guān)控制一般 有兩種方式 一種是通過傳統(tǒng)的機(jī)電式電磁繼電器、斷路器、接觸器或機(jī)械電氣 開關(guān);另一種是使用固態(tài)功率電子開關(guān)如固態(tài)繼電器。在交流供電系統(tǒng)中,為了 減少固態(tài)功率開關(guān)的接通和斷開對供電系統(tǒng)和環(huán)境的電磁干擾,要求控制方法具 有使固態(tài)功率開關(guān)在線路電壓過零時接通和線路電流過零時斷開的功能。目前普 遍使用的固態(tài)功率開關(guān)為雙向可控硅,配以專用的過零檢測專用器件。由于該方 法存在著可控硅接通電壓降大、自身功耗多、每次過零后都需要一次觸發(fā)以及因 觸發(fā)電路的延時原因并不具備真正意義的過零接通等方面的弊病,所以它在中小 功率負(fù)載控制的領(lǐng)域有著較大的局限性。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種交流固態(tài)功率開關(guān)的控制方法,解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的可 控硅接通電壓降大、自身功耗多、觸發(fā)次數(shù)多等問題。本發(fā)明提供一種交流固態(tài) 功率開關(guān)的控制方法,包括控制信號輸入端、二個固態(tài)開關(guān)MOSFET、負(fù)載電流 極性采樣電路、負(fù)載電壓極性采樣電路、二個D型觸發(fā)器、電流采樣電阻和隔離 電源,其特征在于,包括如下步驟
1) 將二個固態(tài)開關(guān)MOSFET串聯(lián)在交流電源進(jìn)端,使得二只固態(tài)開關(guān) MOSFET的源極S通過電流采樣電阻連在一起;
2) 將一個固態(tài)開關(guān)MOSFET的漏極D與交流電源進(jìn)端Vin連接,此固態(tài)開關(guān) MOSFET為負(fù)控開關(guān),由負(fù)控D型觸發(fā)器輸出的驅(qū)動信號Drv-控制其接通或斷開; 將另一個固態(tài)開關(guān)MOSFET的漏極D與功率輸出端Vout相連接,此固態(tài)開關(guān) MOSFET為正控開關(guān),由正控D型觸發(fā)器輸出的驅(qū)動信號Drv+控制其接通或斷開;當(dāng)正控D型觸發(fā)器和負(fù)控D型觸發(fā)器輸出的驅(qū)動信號Drv-和Drv+為零電平時, 正控開關(guān)和負(fù)控開關(guān)均處于關(guān)斷狀態(tài),他們內(nèi)部的寄生二極管反向阻擋特性,使 負(fù)載回路處于斷開狀態(tài);將雙向電壓瞬態(tài)抑制器的兩端分別與負(fù)控開關(guān)和正控開 關(guān)的漏極相連接;
3) 將隔離電源輸出的輔助激勵電源地接在負(fù)控開關(guān)的源極S上,將控制信號 輸入端分別連接到正控D型觸發(fā)器和負(fù)控D型觸發(fā)器數(shù)據(jù)端口 ,控制信號輸入端 輸出的開關(guān)控制信號,控制負(fù)載回路接通和斷開;
4) 電壓極性采樣電路檢測交流電源回路或固態(tài)功率開關(guān)回路上的交流電壓 極性,當(dāng)該交流電壓差為正時,輸出信號V+;當(dāng)該交流電壓差為負(fù)時,輸出信 號V-;
5) 電流極性采樣電路檢測負(fù)載回路電流的極性,通過采集采樣電阻上的電 壓差獲得負(fù)載回路電流的極性,當(dāng)該電壓差為正時負(fù)載回路電流方向?yàn)檎?,輸?信號I+;當(dāng)該電壓差為負(fù)時負(fù)載回路電流方向?yàn)樨?fù),輸出信號I-;
6) 當(dāng)負(fù)載回路的電流或電源回路的電壓的極性發(fā)生變化時,輸出的V+、 1+ 信號經(jīng)過邏輯門電路輸出CLK+, CLK+把正控D型觸發(fā)器數(shù)據(jù)端口D上的開關(guān)控 制信號輸出成驅(qū)動信號Drv+至正控開關(guān);輸出的V-、 I-信號經(jīng)過邏輯門電路輸出 CLK-,CLK-把負(fù)控D型觸發(fā)器數(shù)據(jù)端口D上的開關(guān)控制信號輸出成驅(qū)動信號Drv-至負(fù)控開關(guān);
7) Drv+信號變?yōu)楦唠娖?,使正控開關(guān)開通,Drv+信號變?yōu)榈碗娖?,使正?開關(guān)關(guān)閉,Drv-信號變?yōu)楦唠娖?,使?fù)控開關(guān)開通,Drv-信號變?yōu)榈碗娖?,使?fù) 控開關(guān)關(guān)閉。
所述的正控開關(guān)為增強(qiáng)型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管,所述的正控開關(guān) 和負(fù)控開關(guān)內(nèi)分別設(shè)有寄生二極管。所述的負(fù)控開關(guān)為增強(qiáng)型金屬氧化物半導(dǎo)體 場效應(yīng)晶體管。所述的邏輯門電路可以為一個乘法器和一個加法器。所述的邏輯 門電路可以為一個加法器。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明通過對交流電氣的接通和斷開控制,實(shí)現(xiàn)一次 觸發(fā)、自然過零開通和關(guān)斷的效果,受其他因素干擾小、功耗低。
5附圖l為本發(fā)明實(shí)施例l的控制原理框附圖2是本發(fā)明實(shí)施例1控制阻性負(fù)載的控制波形附圖3是本發(fā)明實(shí)施例1控制容性負(fù)載的控制波形附圖4是本發(fā)明實(shí)施例1控制感性負(fù)載的控制波形附圖5是本發(fā)明的實(shí)施例2的控制原理框附圖6是本發(fā)明的實(shí)施例2控制感性負(fù)載的控制波形圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作詳細(xì)說明。
一種交流固態(tài)功率開關(guān)的控制方法,包括控制信號輸入端l、 二個固態(tài)開關(guān)
MOSFET、負(fù)載電流極性采樣電路2、負(fù)載電壓極性采樣電路3、 二個D型觸發(fā)器、 電流采樣電阻4和隔離電源5,其特征在于,包括如下步驟
1) 將二個固態(tài)開關(guān)MOSFET串聯(lián)在交流電源6的進(jìn)端,使得二只固態(tài)開關(guān) MOSFET的源極S通過電流采樣電阻4連在一起;
2) 將一個固態(tài)開關(guān)MOSFET的漏極D與交流電源6的進(jìn)端Vin連接,此固態(tài) 開關(guān)MOSFET為負(fù)控開關(guān)7,由負(fù)控D型觸發(fā)器8輸出的驅(qū)動信號Drv-控制其接通 或斷開;將另一個固態(tài)開關(guān)MOSFET的漏極D與交流負(fù)載9 (即功率輸出端Vout) 相連接,此固態(tài)開關(guān)MOSFET為正控開關(guān)IO,由正控D型觸發(fā)器11輸出的驅(qū)動信 號Drv+控制其接通或斷開;當(dāng)正控D型觸發(fā)器和負(fù)控D型觸發(fā)器8輸出的驅(qū)動信號 Drv-和Drv+為零電平時,正控開關(guān)和負(fù)控開關(guān)均處于關(guān)斷狀態(tài),他們內(nèi)部的寄生 二極管12反向阻擋特性,使負(fù)載回路處于斷開狀態(tài);將雙向電壓瞬態(tài)抑制器13
的兩端分別與負(fù)控開關(guān)和正控開關(guān)的漏極相連接;
3) 將隔離電源5輸出的輔助激勵電源地接在負(fù)控開關(guān)的源極S上,將控制信 號輸入端分別連接到正控D型觸發(fā)器和負(fù)控D型觸發(fā)器數(shù)據(jù)端口 ,控制信號輸入 端輸出的開關(guān)控制信號,控制負(fù)載回路接通和斷開;
4) 電壓極性采樣電路3檢測交流電源回路或固態(tài)功率開關(guān)回路上的交流電 壓極性,當(dāng)該交流電壓差為正時,輸出信號V+;當(dāng)該交流電壓差為負(fù)時,輸出 信號V-;
5) 電流極性采樣電路檢測負(fù)載回路電流的極性,通過采集采樣電阻上的電壓差獲得負(fù)載回路電流的極性,當(dāng)該電壓差為正時負(fù)載回路電流方向?yàn)檎敵?信號I+;當(dāng)該電壓差為負(fù)時負(fù)載回路電流方向?yàn)樨?fù),輸出信號I-;
6) 當(dāng)負(fù)載回路的電流或電源回路的電壓的極性發(fā)生變化時,輸出的V+、 1+ 信號經(jīng)過邏輯門電路輸出CLK+, CLK+把正控D型觸發(fā)器數(shù)據(jù)端口D上的開關(guān)控 制信號輸出成驅(qū)動信號Drv+至正控開關(guān);輸出的V-、 I-信號經(jīng)過邏輯門電路輸出 CLK-,CLK-把負(fù)控D型觸發(fā)器數(shù)據(jù)端口D上的開關(guān)控制信號輸出成驅(qū)動信號Drv-至負(fù)控開關(guān);
7) Drv+信號變?yōu)楦唠娖剑拐亻_關(guān)開通,Drv+信號變?yōu)榈碗娖?,使正?開關(guān)關(guān)閉,Drv-信號變?yōu)楦唠娖?,使?fù)控開關(guān)開通,Drv-信號變?yōu)榈碗娖剑关?fù) 控開關(guān)關(guān)閉。
在負(fù)載回路開通或關(guān)閉的操作過程中,分二次分別對二只固態(tài)開關(guān)MOSFET 進(jìn)行開通或關(guān)閉操作。第一次對某一只固態(tài)開關(guān)MOSFET執(zhí)行接通或關(guān)閉操作后 的半個交流電源周期內(nèi),負(fù)載回路的接通或斷開狀態(tài)不會改變,且一直維持到負(fù) 載回路的電壓或電流過零時間點(diǎn)。第二次對另一只固態(tài)開關(guān)MOSFET執(zhí)行接通或 關(guān)閉操作時,負(fù)載回路的接通或斷開狀態(tài)已經(jīng)發(fā)生了改變,即從接通變?yōu)閿嚅_或 從斷開變?yōu)榻油ā?br>
所述的正控開關(guān)為增強(qiáng)型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。所述的負(fù)控開關(guān) 為增強(qiáng)型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。增強(qiáng)型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體 管(Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor),簡稱為MOSFET。雙向 電壓瞬態(tài)抑制器的兩端分別與負(fù)控開關(guān)和正控開關(guān)的漏極相連接,對MOSFET 起護(hù)作用;
負(fù)控開關(guān)的漏極D連接交流電源進(jìn)端Vin,負(fù)控D型觸發(fā)器輸出的驅(qū)動信號 Drv-控制負(fù)控開關(guān)的接通或斷開。正控開關(guān)的漏極D連接功率輸出端Vout,正控 D型觸發(fā)器輸出的驅(qū)動信號Drv+控制正控開關(guān)接通或斷開。當(dāng)正控D型觸發(fā)器和 負(fù)控D型觸發(fā)器輸出的驅(qū)動信號Drv-和Drv+為零電平時,正控開關(guān)和負(fù)控開關(guān)均 處于關(guān)斷狀態(tài),他們內(nèi)部的寄生二極管相向阻擋特性,使負(fù)載回路處于斷開狀態(tài)。
正控D型觸發(fā)器的輸出端口與正控開關(guān)的柵極相連接,負(fù)控D型觸發(fā)器的輸 出端口與負(fù)控開關(guān)的柵極相連接,正控開關(guān)的漏極和負(fù)控開關(guān)的漏極分別與雙向 電壓瞬態(tài)控制器的兩端相連接,雙向電壓瞬態(tài)抑制器起保護(hù)MOSFET作用。正控開關(guān)的源極和負(fù)控開關(guān)的源極分別與電流采樣電阻的兩端相連接,隔離電源地接在負(fù)控開關(guān)的源極上,隔離電源銜出的輔助激勵電源地接在MOSFET的源極S上。所述的邏輯門電路可以為一個加法器,也可以為一個乘法器和一個加法器的組合。所述的正控開關(guān)和負(fù)控開關(guān)內(nèi)分別設(shè)有寄生二極管。所述的線路電壓極性采樣電路模塊有一端接地。
具體實(shí)施例設(shè)計(jì)電路如下
設(shè)置控制信號輸入端,用于輸入開/關(guān)控制信號;設(shè)置隔離電源;設(shè)置正控開關(guān)和負(fù)控開關(guān),隔離電源地接在負(fù)控開關(guān)的源極上,交流電源與負(fù)控開關(guān)的漏極相連接,正控開關(guān)的漏極通過交流負(fù)載接地;
在正控開關(guān)和負(fù)控開關(guān)之間設(shè)置雙向電壓瞬態(tài)控制器、電流采樣電阻和負(fù)載電流極性采樣電路模塊,雙向電壓瞬態(tài)控制器的兩端分別與正控開關(guān)的漏極和負(fù)控開關(guān)的漏極相連接,電流采樣電阻的兩端分別與正控開關(guān)的源極和負(fù)控開關(guān)的源極相連接,負(fù)載電流極性采樣電路模塊分別與正控開關(guān)的源極和負(fù)控開關(guān)的源極相連接;
設(shè)置正控D型觸發(fā)器和負(fù)控D型觸發(fā)器,所述的正控D型觸發(fā)器的數(shù)據(jù)端口和負(fù)控D型觸發(fā)器的數(shù)據(jù)端口分別與控制信號輸入端相連接,正控D型觸發(fā)器的輸出端口與正控開關(guān)的柵極相連接,負(fù)控D型觸發(fā)器的輸出端口與負(fù)控開關(guān)的柵極相連接;
設(shè)置線路電壓極性采樣電路模塊和負(fù)載電流極性采樣電路模塊,線路電壓極性采樣電路模塊與交流電源相連接,線路電壓極性采樣電路檢測交流電源進(jìn)端Vin與交流電源地之間的交流電壓極性(如附圖l實(shí)施例l),或者檢測交流電源進(jìn)端Vin與交流功率輸出Vout之間的交流電壓極性(如附圖5實(shí)施例2);
設(shè)置第一邏輯門電路14,第一邏輯門電路的輸入端與負(fù)載電流極性采樣電路模塊相連接,第一邏輯門電路的輸入端與線路電壓極性采樣電路模塊相連接,第一邏輯門電路的輸出端與正控D型觸發(fā)器的時鐘信號接口相連接;
設(shè)置第二邏輯門電路15,第二邏輯門電路的輸入端與負(fù)載電流極性采樣電路模塊相連接,第二邏輯門電路的輸入端與線路電壓極性采樣電路模塊相連接,第二邏輯門電路的輸出端與負(fù)控D型觸發(fā)器的時鐘信號接口相連接。
實(shí)施例l為兩個邏輯門電路各有一個乘法器和一個加法器的交流固態(tài)功率開
8關(guān)的控制方法。實(shí)施例2為兩個邏輯門電路各有一個加法器的交流固態(tài)功率開關(guān) 的控制方法。
圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的控制原理框圖。
正控開關(guān)的源極和負(fù)控開關(guān)的源極分別與負(fù)載電流極性采樣電路模塊相連 接,負(fù)載電流極性采樣電路模塊分別與兩個邏輯門電路的輸入端相連接,兩個邏 輯門電路的輸出端與正控D型觸發(fā)器的時鐘信號接口相連接和負(fù)控D型觸發(fā)器的
時鐘信號接口相連接,交流電源與線路電壓極性采樣電路模塊相連接,線路電壓 極性采樣電路模塊分別與兩個邏輯門電路的輸入端相連接。
電壓極性采樣電路模塊檢測交流電源回路電壓的極性,當(dāng)交流電壓Vin為正 極性,輸出信號V+;電壓Vin為負(fù)極性,輸出信號V-。電流極性采樣電路檢測負(fù) 載回路電流的極性,通過采集采樣電阻上的電壓差(Va-Vb)獲得負(fù)載回路電流 的極性。當(dāng)負(fù)載回路電流方向?yàn)檎龝r(即V^Vb),輸出信號I+;當(dāng)負(fù)載回路電 流方向?yàn)樨?fù)時(即Va〈Vb),輸出信號I-。
所述的正控D型觸發(fā)器的數(shù)據(jù)端口和負(fù)控D型觸發(fā)器的數(shù)據(jù)端口分別與開/ 關(guān)控制信號相連接,D型觸發(fā)器的觸發(fā)時針信號CLK為高電平上升沿觸發(fā)。當(dāng)負(fù) 載回路的電流或線路電壓的極性發(fā)生變化時,輸出的V+、 1+或V-、 I-信號經(jīng)過 邏輯門電路輸出CLK+或CLK-, CLK+或CLK-把其相應(yīng)的D型觸發(fā)器數(shù)據(jù)端口D 上的開/關(guān)控制信號輸出成驅(qū)動信號Drv+和Drv-至正控開關(guān)MOSFET或負(fù)控開關(guān) MOSFET,以達(dá)到接通或斷開負(fù)載回路的目的。
在實(shí)施例1中,
CL+ = It + V+ K CL-=I- + V- *TT
在表達(dá)式中,V+和V-在有I-和I+時被抑制,能夠確保在容性或感性負(fù)載時, 電流和電壓有相位差的情況下,CLK+和CLK-只在零電流時刻觸發(fā)。
假定負(fù)載回路處于斷開狀態(tài),在某一時刻,開/關(guān)控制信號變化為邏輯高電 平,目的是要求接通負(fù)載回路。按照零電壓接通的要求,通過檢測負(fù)載回路的電 壓極性來獲取交流固態(tài)功率開關(guān)的轉(zhuǎn)換時機(jī)。交流電源電壓的極性是隨時間發(fā)生 改變的,假定極性由正極性變?yōu)樨?fù)極性,此時電壓極性采樣電路輸出V-信號,而負(fù)載回路還沒有電流,即1+=1-=0。 CLK-就會隨著V-信號變化產(chǎn)生一個高電平觸 發(fā)脈沖,該觸發(fā)脈沖的上升沿使負(fù)控D型觸發(fā)器的數(shù)據(jù)端口D上的高電平鎖存并 輸出至其輸出端口Q上形成Drv-信號,Drv-信號變?yōu)楦唠娖?,使?fù)控開關(guān)MOSFET 開通。由于此時電源電壓為負(fù)極性,而正控開關(guān)MOSFET還未開通,所以盡管負(fù) 控開關(guān)MOSFET已開通,此時的負(fù)載回路并沒有電流通過。經(jīng)過半個交流電源的 頻率周期,電壓極性發(fā)生改變,從負(fù)極性變?yōu)檎龢O性,即Vh^Vout,負(fù)載回路就 開始有正向電流。電流從交流電源進(jìn)端經(jīng)過負(fù)控開關(guān)MOSFET的D-S溝道(上半 個周期時刻被開通)、采樣電阻、正控開關(guān)MOSFET的內(nèi)置寄生二極管到Vout, 流入交流負(fù)載至交流電源地。緊接著,該負(fù)載回路內(nèi)的正向電流在采樣電阻上形 成電壓差(Va-Vb)被電流極性采樣電路檢測到,并輸出正向電流信號I+, I+信 號經(jīng)邏輯門電路產(chǎn)生CLK+信號,CLK+使正控D型觸發(fā)器的數(shù)據(jù)端口D上的高電 平鎖存并輸出至其輸出端口Q上形成Drv+信號,Drv+信號變?yōu)楦唠娖剑拐亻_ 關(guān)MOSFET開通。由于正控開關(guān)MOSFET的D-S溝道被開通,原來流經(jīng)正控開關(guān) MOSFET內(nèi)置寄生二極管內(nèi)的電流就轉(zhuǎn)移至從正控開關(guān)的D-S溝道流過。因?yàn)?D-S溝道間的電阻值很小,所以電流在D-S溝道上的功耗也很小。至此,正控開 關(guān)和負(fù)控開關(guān)都已完成開通操作,只要開/關(guān)控制信號保持為邏輯高電平,正控D 型觸發(fā)器和負(fù)控D型觸發(fā)器輸出的Drv+和Drv-不會發(fā)生改變,正控開關(guān)和負(fù)控開 關(guān)持續(xù)開通,負(fù)載回路保持正常接通狀態(tài)。
在經(jīng)過若干時間以后,需要斷開負(fù)載回路,就把開/關(guān)控制信號改變?yōu)檫壿?低電平。該邏輯低電平輸入到正控和負(fù)控D型觸發(fā)器的數(shù)據(jù)端口D上。按照零電 流關(guān)斷的要求,通過檢測負(fù)載回路的電流極性來獲取交流固態(tài)功率開關(guān)的轉(zhuǎn)換時 機(jī)。即只有在I+或I-過零時,才進(jìn)行信號傳替,邏輯門電路要能抑制V+和V-的影 響(如果有的話),此時,CLK+和CLK-將隨I+和I-的變化。假定在開/關(guān)控制信 號改變?yōu)檫壿嫷碗娖揭院?,電流極性從負(fù)極性變?yōu)檎龢O性,此時電流極性采樣電 路輸出I+信號,I+信號使CLK+信號有效。CLK+的上升沿使正控D型觸發(fā)器的數(shù) 據(jù)端口D上的低電平鎖存并輸出至其輸出端口Q上形成Drv+信號,Drv+信號變?yōu)?低電平,使正控開關(guān)MOSFET斷開,正控開關(guān)的D-S溝道被關(guān)閉。由于此刻的電 流為正向電流,在負(fù)載回路電壓的作用下,該正向電流便由已關(guān)閉的正控開關(guān)的 D-S溝道轉(zhuǎn)移至正控開關(guān)內(nèi)的寄生二極管,使負(fù)載回路內(nèi)的電流繼續(xù)保持導(dǎo)通。
10隨著時間的推移該電流會逐漸減少,最后為零。當(dāng)電流順著原來變化趨勢要求產(chǎn) 生負(fù)極性電流時,由于正控開關(guān)的D-S溝道被關(guān)閉,其內(nèi)部的寄生二極管阻擋了 負(fù)極性電流,因此不能形成負(fù)向電流,負(fù)載回路在電流為零后保持零電流,即被 關(guān)閉。此時交流回路的負(fù)向電壓降在已關(guān)閉的正控開關(guān)上,電壓極性采樣電路輸 出負(fù)向電壓V-信號,V-信號使CLK-信號有效(此時I+和I-都為零)。負(fù)控D型觸 發(fā)器在CLK-信號的作用下,其數(shù)據(jù)端口D上的低電平被鎖存并輸出至其輸出端口 Q上形成Drv-信號,Drv-信號變?yōu)榈碗娖?,使?fù)控開關(guān)MOSFET斷開,負(fù)控開關(guān) 的D-S溝道被關(guān)閉。至此,正控開關(guān)和負(fù)控開關(guān)都關(guān)閉完畢,完成了負(fù)載回路的 斷開操作。
本發(fā)明中,交流固態(tài)功率開關(guān)由2只背靠背連接的增強(qiáng)型MOSFET固態(tài)開關(guān)、 電壓極性采樣電路和電流極性采樣電路組成。根據(jù)負(fù)載回路電壓或電流極性的變 化,通過D型觸發(fā)器鎖存開/關(guān)控制信號,以半個交流電源周期的時間差依次開通 或關(guān)閉2只固態(tài)開關(guān)MOSFET。
在負(fù)載回路開通或關(guān)閉的操作過程中,分2次分別對2只固態(tài)開關(guān)MOSFET 進(jìn)行開通或關(guān)閉操作。第l次對某一只固態(tài)開關(guān)MOSFET執(zhí)行接通或關(guān)閉操作后 的半個交流電源周期內(nèi),負(fù)載回路的接通或斷開狀態(tài)不會改變,且一直維持到負(fù) 載回路的電壓或電流過零時間點(diǎn)。第2次對另一只固態(tài)開關(guān)MOSFET執(zhí)行接通或 關(guān)閉操作時,負(fù)載回路的接通或斷開狀態(tài)已經(jīng)發(fā)生了改變,即從接通變?yōu)閿嚅_或 從斷開變?yōu)榻油ā?br>
固態(tài)開關(guān)MOSFET的開通或關(guān)閉,與其控制的負(fù)載回路的接通或斷開不是同 是發(fā)生的。負(fù)載回路的接通或斷開是在負(fù)載回路的電壓或電流極性發(fā)生改變(即 過零)時完成的。通過對2只固態(tài)開關(guān)MOSFET的D-S溝道控制和利用它們內(nèi)部寄 生二極管的單向?qū)щ娞匦?,使?fù)載回路在電壓過零時自然接通,在電流過零時自 然截止,負(fù)載回路不會產(chǎn)生尖峰電流和電磁干擾。
本發(fā)明的交流固態(tài)功率開關(guān)的接通和斷開控制方法,對每個功率開關(guān)僅進(jìn)行 一次觸發(fā),正控開關(guān)和負(fù)控開關(guān)先后開通或關(guān)閉。利用交流電路的電壓或電流的 交變特性和固態(tài)開關(guān)MOSFET內(nèi)部寄生二極管的單向?qū)щ娞匦?,使交流固態(tài)功率 開關(guān)滿足零電壓接通、零電流斷開的要求。
圖2為實(shí)施例1控制阻性負(fù)載的控制波形圖。Vth+、 Vth-是電壓極性采樣電路的檢測閥值;Ith+、 Ith-是電流極性采樣電路 的檢測閥值。負(fù)載回路的電流與電壓同相,負(fù)載電流從零開始,按正弦波曲線變
化,電流過零時結(jié)束。V+和V-周期性變化;CLK+和CLK-周期性變化;Drv+和 Drv-在開/關(guān)信號變化后的一個頻率周期內(nèi)改變,在負(fù)載接通和斷開的時間段內(nèi) 保持不變。
圖3為實(shí)施例1控制容性負(fù)載的控制波形圖。
負(fù)載回路的電流超前于電源電壓。因?yàn)樨?fù)載回路是在電壓為零時接通,并按 正弦波曲線變化,所以,容性負(fù)載電流從零開始,以最小回路電流充電后,按正 弦波曲線變化,電流過零時結(jié)束。CLK+和CLK-在開/關(guān)信號變化時后的一個頻 率周期內(nèi)不能保持周期性變化狀態(tài);Drv+和Drv-在開/關(guān)信號變化后的一個頻率 周期內(nèi)改變,在負(fù)載接通和斷開的時間段內(nèi)保持不變。
圖4為實(shí)施例1控制感性負(fù)載的控制波形圖。
負(fù)載回路的電流滯后于電源電壓。因?yàn)樨?fù)載回路是在電壓為零時接通,并按 正弦波曲線變化,所以,感性負(fù)載電流從零開始,以最小回路電流上升后,按正 弦波曲線變化,電流過零時結(jié)束。CLK+和CLK-在開/關(guān)信號變化時后的一個頻 率周期內(nèi)不能保持周期性變化狀態(tài);Drv+和Drv-在開/關(guān)信號變化后的一個頻率 周期內(nèi)改變,在負(fù)載接通和斷開的時間段內(nèi)保持不變。
圖5為本發(fā)明的實(shí)施例2的控制原理框圖。
實(shí)施例2與實(shí)施例l的區(qū)別在于線路電壓極性采樣電路檢測的是Vin和Vout之
間的電壓差(Vin -Vout)。當(dāng)Vin〉Vout時電壓極性采樣電路輸出信號V+;當(dāng)
ViiKVout時電壓極性采樣電路輸出信號V-。 CLK+和CLK-的邏輯表達(dá)式為
01+= 1+ + V+ CL" = I畫+ V-
在實(shí)施例2中, 一個共識為Vin與Vout兩點(diǎn)之間的阻抗要么非常大(負(fù)載回路斷 開時),要么非常小(負(fù)載回路接通時),所以,有I+時就沒有V+;有V+時就 沒有I+。同理I-和V-也是互斥的。在負(fù)載回路接通過程中,CLK+或CLK-的第一 次響應(yīng)是由電壓極性變化引起的,第二次響應(yīng)是電流變化引起的;在負(fù)載回路斷 開過程中,CLK+或CLK-的第一次響應(yīng)是由電流極性變化引起的,第二次響應(yīng)是 電壓變化引起的。假定負(fù)載回路處于斷開狀態(tài),在某一時刻,開/關(guān)控制信號變化為邏輯高電 平,目的是要求接通交流負(fù)載回路。按照零電壓接通的要求,通過檢測負(fù)載回路 的電壓極性來獲取交流固態(tài)功率開關(guān)的轉(zhuǎn)換時刻。由于負(fù)載回路處于斷開狀態(tài), 交流電源電壓全部降在負(fù)控開關(guān)MOSFET和正控開關(guān)MOSFET上,其電壓差(Vin -Vout)為零時就是交流負(fù)載回路接通的時刻。假定電壓差極性由正極性變?yōu)樨?fù) 極性,即ViiKVout,此時電壓極性采樣電路輸出V-信號,而負(fù)載回路還沒有電 流,即1+ = 1-=0。 V-信號經(jīng)邏輯或門產(chǎn)生一個高電平觸發(fā)脈沖CLK-,該觸發(fā)脈 沖的上升沿使負(fù)控D型觸發(fā)器的數(shù)據(jù)端口D上的高電平鎖存并輸出至其輸出端口 Q上形成Drv-信號,Drv-信號變?yōu)楦唠娖?,使?fù)控開關(guān)MOSFET(l)開通。由于此 時ViiKVout,而正控開關(guān)MOSFET的D-S溝道還未開通且其內(nèi)置寄生二極管反向 截止,所以盡管負(fù)控開關(guān)MOSFET已開通,此時的交流負(fù)載回路并沒有電流通過。 經(jīng)過半個交流電源的頻率周期,電壓極性發(fā)生改變,即Vin〉Vout,負(fù)載回路就開 始有正向電流。電流從交流電源進(jìn)端Vin經(jīng)過負(fù)控開關(guān)MOSFET的D-S溝道(已開 通)、采樣電阻、正控開關(guān)MOSFET的內(nèi)置寄生二極管到Vout,流入交流負(fù)載至 交流電源地。緊接著,該負(fù)載回路內(nèi)的正向電流在采樣電阻的兩端a點(diǎn)和b點(diǎn)上形 成電壓差(Va-Vb)被電流極性采樣電路檢測到,并輸出正向電流信號I+;由于 此時負(fù)控開關(guān)MOSFET的D-S溝道電阻和采樣電阻的阻值很小,正控開關(guān) MOSFET的內(nèi)置寄生二極管的正向壓降相對于電源電壓來說也很小,故電壓極性 采樣電路不會輸出V+信號,即丫+ = 0。 I+和V+信號經(jīng)邏輯或門產(chǎn)生CLK+信號, CLK+使正控D型觸發(fā)器的數(shù)據(jù)端口D上的高電平鎖存并輸出至其輸出端口Q上 形成Drv+信號,Drv+信號變?yōu)楦唠娖?,使正控開關(guān)MOSFET開通。由于正控開 關(guān)MOSFET的D-S溝道被開通,其D-S溝道間的電阻值變得很小,原來流經(jīng)正控 開關(guān)MOSFET內(nèi)置寄生二極管內(nèi)的電流就轉(zhuǎn)移至從正控開關(guān)的D-S溝道流過。至 此,正控開關(guān)和負(fù)控開關(guān)都已完成開通操作,只要開/關(guān)控制信號保持為邏輯高 電平,正控D型觸發(fā)器和負(fù)控D型觸發(fā)器輸出的Drv+和Drv-就不會發(fā)生改變,正
控開關(guān)和負(fù)控開關(guān)就保持持續(xù)開通,交流負(fù)載回路就保持正常接通狀態(tài)。在交流 負(fù)載回路接通期間,Vin和Vout間的電壓降很小,此時沒有V+和V-信號。
在經(jīng)過若干時間以后,需要斷開負(fù)載回路,就把開/關(guān)控制信號改變?yōu)檫壿?低電平。該邏輯低電平輸入到正控D型觸發(fā)器和負(fù)控D型觸發(fā)器的數(shù)據(jù)端口D上。按照零電流關(guān)斷的要求,通過檢測負(fù)載回路的電流極性來獲取交流固態(tài)功率開關(guān) 的轉(zhuǎn)換時機(jī)。即只有在I+或I-過零時,才進(jìn)行信號傳替。實(shí)施例2中,在負(fù)載回路 接通期間,沒有V+和V-的信號,此時,CLK+和CLK-就只隨I+或I-變化而變化。 假定在開/關(guān)控制信號改變?yōu)檫壿嫷碗娖揭院?,交變電流過零,電流極性從負(fù)極 性變?yōu)檎龢O性,即從a點(diǎn)流向b點(diǎn)。此時電流極性采樣電路輸出I+信號,I+信號經(jīng) 邏輯或門后產(chǎn)生CLK+信號。CLK+的上升沿使正控D型觸發(fā)器的數(shù)據(jù)端口D上的 低電平鎖存并輸出至其輸出端口Q上形成Drv+信號,Drv+信號變?yōu)榈碗娖?,使?控開關(guān)MOSFET斷開,正控開關(guān)的D-S溝道被關(guān)閉。由于此刻的電流為正向電流, 在負(fù)載回路電壓的作用下,該正向電流便由已關(guān)閉的正控開關(guān)的D-S溝道轉(zhuǎn)移至 正控開關(guān)內(nèi)的寄生二極管,使負(fù)載回路內(nèi)的電流繼續(xù)保持導(dǎo)通。隨著時間的推移 該電流會逐漸減少,最后為零。當(dāng)電流順著原來變化趨勢要求產(chǎn)生負(fù)極性電流時, 由于正控開關(guān)的D-S溝道被關(guān)閉,其內(nèi)部的寄生二極管阻擋了負(fù)極性電流,因此 不能形成負(fù)向電流,負(fù)載回路在電流為零后保持零電流,即被關(guān)閉。而此時交流 負(fù)載回路的負(fù)向電壓會降在已關(guān)閉的正控開關(guān)上,使Vou》Vin,電壓極性采樣電 路輸出的負(fù)向電壓V-信號就使CLK-信號有效(此時I+和I-都為零)。負(fù)控D型觸 發(fā)器在CLK-信號的作用下,其數(shù)據(jù)端口D上的低電平被鎖存并輸出至其輸出端口 Q上形成Drv-信號,Drv-信號變?yōu)榈碗娖?,使?fù)控開關(guān)MOSFET斷開,負(fù)控開關(guān) 的D-S溝道被關(guān)閉。至此,正控開關(guān)和負(fù)控開關(guān)都關(guān)閉完畢,完成了負(fù)載回路的 斷開操作。
圖6為實(shí)施例2控制感性負(fù)載的控制波形圖。電壓差Vin-Vout是電壓極性采樣 電路的輸入,Vth+、 Vth-是電壓極性采樣電路的檢測閥值;Ith+、 Ith-是電流極性 采樣電路的檢測閥值。負(fù)載回路接通后,負(fù)載回路的電流滯后于電源電壓。因?yàn)?負(fù)載回路是在電壓為零時接通,并按正弦波曲線變化,所以,感性負(fù)載電流從零 開始,以最小回路電流上升后,按正弦波曲線變化,電流過零時結(jié)束。負(fù)載回路 接通期間,電壓差Vin-Vou-O, V+ = V-=0;負(fù)載回路在零電流斷開時,電流變 化率為零,感性負(fù)載內(nèi)的感應(yīng)電動勢也為零,電壓差Vin-Vout會快速建立至交流 電源電壓。CLK+和CLK-在開/關(guān)信號變化時后的一個頻率周期內(nèi)不能保持周期 性變化狀態(tài);Drv+和Drv-在開/關(guān)信號變化后的一個頻率周期內(nèi)改變,在負(fù)載接 通和斷開的時間段內(nèi)保持不變。
權(quán)利要求
1、一種交流固態(tài)功率開關(guān)的控制方法,包括控制信號輸入端、二個固態(tài)開關(guān)MOSFET、負(fù)載電流極性采樣電路、負(fù)載電壓極性采樣電路、二個D型觸發(fā)器、電流采樣電阻和隔離電源,其特征在于,包括如下步驟1)將二個固態(tài)開關(guān)MOSFET串聯(lián)在交流電源進(jìn)端,使得二只固態(tài)開關(guān)MOSFET的源極S通過電流采樣電阻連在一起;2)將一個固態(tài)開關(guān)MOSFET的漏極D與交流電源進(jìn)端Vin連接,此固態(tài)開關(guān)MOSFET為負(fù)控開關(guān),由負(fù)控D型觸發(fā)器輸出的驅(qū)動信號Drv-控制其接通或斷開;將另一個固態(tài)開關(guān)MOSFET的漏極D與交流負(fù)載相連接,此固態(tài)開關(guān)MOSFET為正控開關(guān),由正控D型觸發(fā)器輸出的驅(qū)動信號Drv+控制其接通或斷開;當(dāng)正控D型觸發(fā)器和負(fù)控D型觸發(fā)器輸出的驅(qū)動信號Drv-和Drv+為零電平時,正控開關(guān)和負(fù)控開關(guān)均處于關(guān)斷狀態(tài),他們內(nèi)部的寄生二極管反向阻擋特性,使負(fù)載回路處于斷開狀態(tài);3)將隔離電源輸出的輔助激勵電源地接在負(fù)控開關(guān)的源極S上,將控制信號輸入端分別連接到正控D型觸發(fā)器和負(fù)控D型觸發(fā)器數(shù)據(jù)端口,控制信號輸入端輸出的開關(guān)控制信號,控制負(fù)載回路接通和斷開;4)電壓極性采樣電路檢測交流電源回路或固態(tài)功率開關(guān)回路上的交流電壓極性,當(dāng)該交流電壓差為正時,輸出信號V+;當(dāng)該交流電壓差為負(fù)時,輸出信號V-;5)電流極性采樣電路檢測負(fù)載回路電流的極性,通過采集采樣電阻上的電壓差獲得負(fù)載回路電流的極性,當(dāng)該電壓差為正時負(fù)載回路電流方向?yàn)檎?,輸出信號I+;當(dāng)該電壓差為負(fù)時負(fù)載回路電流方向?yàn)樨?fù),輸出信號I-;6)當(dāng)負(fù)載回路的電流或電源回路的電壓的極性發(fā)生變化時,輸出的V+、I+信號經(jīng)過邏輯門電路輸出CLK+,CLK+把正控D型觸發(fā)器數(shù)據(jù)端口D上的開關(guān)控制信號輸出成驅(qū)動信號Drv+至正控開關(guān);輸出的V-、I-信號經(jīng)過邏輯門電路輸出CLK-,CLK-把負(fù)控D型觸發(fā)器數(shù)據(jù)端口D上的開關(guān)控制信號輸出成驅(qū)動信號Drv-至負(fù)控開關(guān);7)Drv+信號變?yōu)楦唠娖?,使正控開關(guān)開通,Drv+信號變?yōu)榈碗娖?,使正控開關(guān)關(guān)閉,Drv-信號變?yōu)楦唠娖剑关?fù)控開關(guān)開通,Drv-信號變?yōu)榈碗娖?,使?fù)控開關(guān)關(guān)閉。
2、 如權(quán)利要求l所述的一種交流固態(tài)功率開關(guān)的控制方法,其特征在于所 述的正控開關(guān)為增強(qiáng)型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管,所述的正控開 關(guān)和負(fù)控開關(guān)內(nèi)分別設(shè)有寄生二極管。
3、 如權(quán)利要求l所述的一種交流固態(tài)功率開關(guān)的控制方法,其特征在于所 述的負(fù)控開關(guān)為增強(qiáng)型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。
4、 如權(quán)利要求l所述的一種交流固態(tài)功率開關(guān)的控制方法,其特征在于所 述的邏輯門電路可以為 一個乘法器和 一個加法器。
5、 如權(quán)利要求l所述的一種交流固態(tài)功率開關(guān)的控制方法,其特征在于所 述的邏輯門電路可以為一個加法器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種交流固態(tài)功率開關(guān)的控制方法,包括二只背靠背連接的固態(tài)開關(guān)MOSFET、負(fù)載電流極性采樣電路、線路電壓極性采樣電路、D型觸發(fā)器、邏輯門電路和隔離電源,其特征在于檢測負(fù)載回路電壓極性或電流極性的變化,D型觸發(fā)器鎖存開/關(guān)控制信號,依次開通或關(guān)閉二只固態(tài)開關(guān),以接通或斷開交流負(fù)載的供電回路。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于通過采用本發(fā)明的交流固態(tài)功率開關(guān)的控制方法,實(shí)現(xiàn)對交流電氣負(fù)載的接通和斷開控制,具有一次觸發(fā)、自然過零開通和關(guān)斷、不產(chǎn)生電磁干擾、開關(guān)功耗低的特點(diǎn)。
文檔編號H03K17/687GK101662275SQ200810042119
公開日2010年3月3日 申請日期2008年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月27日
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