專利名稱：一種實現(xiàn)交流電壓過零開通和電流過零關斷的軟開關方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種交流固態(tài)功率分配中的軟開關控制技術，具體涉及的是一種在交流配電系統(tǒng)中，運用功率MOSFET實現(xiàn)電壓過零開通和電流過零關斷的軟開關方法。
背景技術：
、
傳統(tǒng)交流配電系統(tǒng)中，采用觸點式開關、機械式斷路器串聯(lián)在供電回路中實現(xiàn)電能分配。機械式觸點部件經(jīng)常動作形成機械磨損，影響開關的壽命。而且，在接通和關斷負載回路的瞬間，由于電壓和電流突變產(chǎn)生的電弧容易燒蝕觸點，造成電磁干擾，增大通態(tài)電阻，使開關本身發(fā)熱量增加，影響用電設備的供電可靠性，進而影響用電設備的任務可靠性。有效的辦法是采用無觸點的固態(tài)功率開關替代機械觸點式配電開關，避免了觸點動作，顯著延長了工作壽命。目前較多使用晶閘管作為交流固態(tài)功率開關，雖然晶閘管開通快，可實現(xiàn)過零觸發(fā)，但工作頻率低、關斷時間較長，特別是在回路電流很大的情況下，如短路狀態(tài)下，仍需等到過零觸發(fā)，流過晶閘管的電流持續(xù)時間過長，容易造成熱損傷，另一方面，晶閘管的導通壓降較大，自身散熱要求高。當前最先進的辦法是采用以功率MOSFET為基礎而集成設計的固態(tài)功率控制器來克服晶閘管的缺點。功率MOSFET是一種以柵源極間電壓控制漏源極間電流的功率控制器件，其所需驅(qū)動功率小、開關速度快、導通電阻小且為正溫度系數(shù)，易并聯(lián)，可用作固態(tài)功率開關。隨著功率MOSFET制造工藝快速發(fā)展，器件在滿足通流量的情況下導通電阻可低至幾毫歐，可顯著降低導通壓降和功率損耗。盡管功率MOSFET在導通特性方面遠勝于晶閘管，但沒有能夠直接過零觸發(fā)功率MOSFET的控制芯片，其軟開關技術實現(xiàn)方法較晶閘管復雜。另外，在電流過零關斷時需結合回路電流狀態(tài)決定是否直接關斷，以免超出功率MOSFET的安全工作區(qū)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是在于提供一種交流固態(tài)功率分配中，顯著降低導通壓降和功率損耗，能夠?qū)崿F(xiàn)交流電壓過零開通和電流過零關斷的軟開關方法，克服現(xiàn)有技術上存在的不足。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過如下的技術方案來實現(xiàn)
一種實現(xiàn)交流電壓過零開通和電流過零關斷的軟開關方法，其特征在于，在交流固態(tài)功率分配中，將兩個導通電阻非常小的N溝道絕緣柵型場效應管作為固態(tài)功率開關，并以反串聯(lián)組態(tài)連在一起，以模擬電路和數(shù)字邏輯組合電路運算出電壓過零開通和電流過零關斷邏輯，輸出至N溝道絕緣柵型場效應管的驅(qū)動電路實現(xiàn)軟開關；
所述模擬電路包括匯流條電壓相位采集比較電路、負載回路電流相位采集比較電路和短路信號發(fā)生電路；匯流條電壓相位采集比較電路實時比較出火線與零線間電壓的極性，并且極性在電壓相位過零前交替變化，正負極性間保持一定的間隙，確保兩個N溝道絕緣柵型場效應管不會同時開通。進一步的，所述N溝道絕緣柵型場效應管采用的是功率M0SFET，充分利用功率MOSFET內(nèi)部的寄生二極管特性來判斷交流信號的相位過零時機。
進一步的，上述模擬電路的負載回路形成電流后，電流相位比較采集電路就實時比較回路電流極性，
在負載回路電流形成之前，相位采集比較電路輸出的信號是被屏蔽的，不影響正常開通。并且極性在電流相位過零前交替變化，正負極性間保持一定的間隙，確保兩個功率MOSFET不會同時關斷。進一步地，所述數(shù)字邏輯組合電路采集電壓相位比較電路、電流相位比較電路和短路信號發(fā)生電路的輸出結果，進行邏輯綜合運算后產(chǎn)生兩個有效的開通或關斷信號。進一步地，所述短路信號發(fā)生電路將回路瞬時電流與閥值比較，若超出閥值則立即產(chǎn)生短路信號指示立即關斷功率開關。進一步地，在兩N溝道絕緣柵型場效應管之間還連接有電流采樣電阻，并設其與一 N溝道絕緣柵型場效應管的連接點為內(nèi)部控制電路的參考地。本發(fā)明本發(fā)明將兩個導通電阻非常小的N溝道絕緣柵型場效應管作為固態(tài)功率開關，并反串聯(lián)組態(tài)連在一起，以模擬電路和數(shù)字邏輯組合電路運算出電壓過零開通和電流過零關斷邏輯，輸出至N溝道絕緣柵型場效應管的驅(qū)動電路實現(xiàn)軟開關，從而能夠?qū)崿F(xiàn)交流電壓過零開通和電流過零關斷的軟開關，顯著降低導通壓降和功率損耗。


圖I為本發(fā)明原理框 圖2為本發(fā)明開通和關斷過程的波形圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明實現(xiàn)的技術手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合具體實施方式
，進一步闡述本發(fā)明。參見圖I和圖2，一種實現(xiàn)電壓過零開通和電流過零關斷的軟開關方法，該交流固態(tài)功率分配中，將兩個導通電阻非常小的N溝道絕緣柵型場效應管作為固態(tài)功率開關，并反串聯(lián)組態(tài)連在一起，以模擬電路和數(shù)字邏輯組合電路運算出電壓過零開通和電流過零關斷邏輯，輸出至N溝道絕緣柵型場效應管的驅(qū)動電路實現(xiàn)軟開關。所述模擬電路包括匯流條電壓相位采集比較電路、負載回路電流相位采集比較電路和短路信號發(fā)生電路。匯流條電壓相位采集比較電路實時比較出火線與零線間電壓的極性，并且極性在電壓相位過零前交替變化，正負極性間保持一定的間隙，確保兩個功率MOSFET不會同時開通；
在負載回路電流形成之前，相位采集比較電路輸出的信號是被屏蔽的，不影響正常開通。一旦負載回路形成電流后，電流相位比較采集電路就實時比較回路電流極性，并且極性在電流相位過零前交替變化，正負極性間保持一定的間隙，確保兩個功率MOSFET不會同時關斷。短路信號發(fā)生電路將回路瞬時電流與閥值比較，若超出閥值則立即產(chǎn)生短路信號指示立即關斷功率開關。所述數(shù)字邏輯組合電路采集電壓相位比較電路、電流相位比較電路和短路信號發(fā)生電路的輸出結果，進行邏輯綜合運算后產(chǎn)生兩個有效的開通或關斷信號。其具體電路如下
本實施例中，N溝道絕緣柵型場效應管為功率M0SFET，軟開關電路包含兩個源極連在一起的功率MOSFET 2、5，設置在兩個功率MOSFET 2、5之間的電流采樣電阻3，電壓過零信號采樣電路，電流過零信號采樣電路17、18，短路狀態(tài)判別電路19，邏輯運算電路20 25，帶清零輸入端的D觸發(fā)器26、27，以及驅(qū)動電路9、10 ;其之間的關系如圖I所示。該電壓過零信號采樣電路由三個運算放大器14、15、16相互連接組成，電流過零信號采樣電路是由運算放大器17、18組成，兩個功率M0SFET2、5源極連在一起作為固態(tài)開關，功率M0SFET2、5內(nèi)部的寄生二極管正極連在一起，避免在關斷狀態(tài)下，交流回路單相半波導通。為了捕獲回路電流相位過零點，在功率M0SFET2、5間增加電流采樣電阻3，并設其與功率M0SFET5的連接點為內(nèi)部控制電路的參考地。為確保功率M0SFET2、5能完全導通，降低發(fā)熱量，采樣電阻3的取值應盡量小，但太小又會影響采樣精度，所以，本發(fā)明中取值為幾十毫歐。本發(fā)明采取反串聯(lián)組態(tài)將兩個功率MOSFET源極連在一起，柵極分別控制。將功率MOSFET源極連在一起能減少驅(qū)動隔離電路，充分利用功率MOSFET內(nèi)部的寄生二極管特性來判斷交流信號的相位過零時機。本發(fā)明采取反串聯(lián)組態(tài)將兩個功率MOSFET源極連在一起，柵極分別控制。將功率MOSFET源極連在一起能減少驅(qū)動隔離電路，充分利用功率MOSFET內(nèi)部的寄生二極管特性來判斷交流信號的相位過零時機。值得一提的是，運算放大器14采集功率輸入相線I和中線8之間的電壓相位，由于運算放大器14的輸入耐壓達不到相電壓值，本實例中采取電阻11、12、13分壓后供運放14差分放大。放大結果輸至運算放大器15、16進行比較，分別產(chǎn)生負向電壓過零信號Vnz和正向電壓過零信號VPZ。采樣電阻3上形成的電流信號輸入至運算放大器17、18進行比較，分別產(chǎn)生正向電流過零信號Ipz和正向電壓過零信號Inz。VPZ、IPZ、INZ四個信號經(jīng)邏輯運算電路20、21、22產(chǎn)生D觸發(fā)器26的時鐘信號CLKl，Inz取反后屏蔽在關斷時Vpz產(chǎn)生的上升沿觸發(fā)信號，確保根據(jù)電流過零信號關斷。VNZ、Ipz,Inz經(jīng)邏輯運算電路23、24、25產(chǎn)生D觸發(fā)器27的時鐘信號CLK2，Inz取反后屏蔽在關斷時Vnz產(chǎn)生的上升沿觸發(fā)信號。外部指令28在指令發(fā)出后CLKl的第一個上升沿鎖存到D觸發(fā)器26的Ql端，Ql端在其有效后CLK2的第一個上升沿鎖存到Q2端，Ql端、Q2端信號分別輸入到驅(qū)動電路9、10，控制功率開關即功率皿)5 ￡12、52、5，實現(xiàn)外部指令的執(zhí)行。采樣電阻3上形成的電壓信號輸入到運放19，判斷是否短路，如果存在，立即將D觸發(fā)器26、27的輸出清零，驅(qū)動功率開關即功率M0SFET2、5立即關斷。本發(fā)明在有效的開通或關斷信號分別輸出到兩個驅(qū)動電路驅(qū)動功率開關，驅(qū)動功率開關即M0SFET2、5并不同時動作，而是在半個周期內(nèi)依次動作。 為詳細說明，本發(fā)明現(xiàn)闡述闡述如下
漏極接火線的功率MOSFET記為FET2，其驅(qū)動信號為Q2端；漏極接負載端的記為FETl，其驅(qū)動信號為Ql端。當火線電壓比零線高時定義為正向電壓，記為Vp;反之，當火線電壓比零線電壓低時定義為負向電壓，記為VN。同理，當回路電流由火線流經(jīng)負載流向零線時定義為正向電流，記為IP;反之，當電流由零線經(jīng)負載流向火線時定義為負向電流，記為IN。上電開始，Vp和Vn，Ql端和Q2端均為無效狀態(tài)，F(xiàn)ETl和FET2處于關斷狀態(tài)，回路也不存在電流，Ip和In均為無效。Ql端是D觸發(fā)器的輸出，D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端是外部控制指令，時鐘信號CLKl是關于VP、InIp的函數(shù)。Q2端是另一 D觸發(fā)器27的輸出，該D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端是Ql端，時鐘信號CLK2是關于VN、Ipifn In的函數(shù)。電壓過零開通的過程是按如下過程實現(xiàn)的 當外部開通信號輸入到所述D觸發(fā)的數(shù)據(jù)端口時，Ql端仍保持原無效狀態(tài)，根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換方程，只有當CLKl信號上升沿時刻，外部開通信號才被鎖存到Ql端，從而驅(qū)動開通FETI,CLKl的上升沿由Vp的跳變決定。雖然FFTl已開通，但此時電壓為正向，由于FET2還沒有開通，加上其內(nèi)部寄生二極管的反向截止作用，回路無法形成正向電流。此時，匯流條電壓過零，電壓反向，由于FETl已開通，回路電流通過FET2的寄生二極管導通，供電開關此時已自然地過零開通。Ql端已輸入到所述另一觸發(fā)器的數(shù)據(jù)端，只有等到CLK2信號上升沿時刻，外部開通信號才被鎖存到Q2端，CLK2的上升沿由Vn的跳變決定，Vn的跳變時刻是當匯流條電壓由正向變?yōu)樨撓虻倪^零時刻。當Ql端、Q2端轉(zhuǎn)換為開通信號后，雖然CLK1、CLK2信號在不停地高低跳變，因為數(shù)據(jù)輸入端一直沒有改變，Ql端、Q2端也不會變化，這樣兩個功率開關導電溝道完全打開，實現(xiàn)電壓過零開通。由開通的過程可以看出，F(xiàn)ET1、FET2是依次開通的，因為Q2端取決于Ql端，那么關斷時FET1、FET2也需依次關斷。當外部控制指令為斷開時，電流過零關斷的按如下過程實現(xiàn)關斷前一時刻，Ql端、Q2端都為開通狀態(tài)，雖然斷開信號已輸入至D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)端，能不能鎖存到Ql端還取決于CLKl的上升沿，上述Vp可以決定CLKl的上升沿，但關斷信號的鎖存時刻不能由Vp決定，而必須由Ip決定，才能實現(xiàn)電流過零關斷，因而需要開通以后屏蔽Vp的作用。當CLKl信號的第一個上升沿到來時，斷開信號就被鎖存到Ql端，從而驅(qū)動FETl斷開。雖然FETl已斷開，F(xiàn)ET2仍處于開通狀態(tài)，此時回路正向電流轉(zhuǎn)換到FETl的寄生二極管，回路還沒有真正關斷。當回路電流過零變?yōu)榉聪螂娏鲿r，由于FETl的寄生二極管截止作用，IP、IN均為變無效狀態(tài)，此時Vn對CLK2的決定作用被解鎖，斷開信號由于CLK2的上升沿鎖存到Q2端，驅(qū)動FET2關斷，這樣，兩個功率開關的導電溝道完全關斷。整個關斷過程中，有且只有Ip的跳變才能觸發(fā)Ql端關斷，關斷后巧妙地利用寄生二極管的單向?qū)?，讓正向電流自然地過零，從而實現(xiàn)電流過零關斷。因為功率MOSFET存在安全工作區(qū)域，其雪崩能量是有限制的，所以在通過大電流，尤其是短路情況下，不能等到電流過零再關斷，最大極限在幾百微妙內(nèi)關斷，本發(fā)明提供的是立即關斷的方法。當短路檢測電路檢測到短路信號后，輸入到所述D觸發(fā)器26和另一 D觸發(fā)器27的復位輸入端，立即將Ql端、Q2端清零，實現(xiàn)立即關斷。本發(fā)明本發(fā)明將兩個導通電阻非常小的N溝道絕緣柵型場效應管作為固態(tài)功率開關，并反串聯(lián)組態(tài)連在一起，以模擬電路和數(shù)字邏輯組合電路運算出電壓過零開通和電流過零關斷邏輯，輸出至N溝道絕緣柵型場效應管的驅(qū)動電路實現(xiàn)軟開關，從而能夠?qū)崿F(xiàn)交流電壓過零開通和電流過零關斷的軟開關，顯著降低導通壓降和功率損耗。以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術人員應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。 本發(fā)明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
權利要求
1.一種實現(xiàn)交流電壓過零開通和電流過零關斷的軟開關方法，其特征在于，在交流固態(tài)功率分配中，將兩個導通電阻非常小的N溝道絕緣柵型場效應管作為固態(tài)功率開關，并反串聯(lián)組態(tài)連在一起，以模擬電路和數(shù)字邏輯組合電路運算出電壓過零開通和電流過零關斷邏輯，輸出至N溝道絕緣柵型場效應管的驅(qū)動電路實現(xiàn)軟開關； 所述模擬電路包括匯流條電壓相位采集比較電路、負載回路電流相位采集比較電路和短路信號發(fā)生電路；匯流條電壓相位采集比較電路實時比較出火線與零線間電壓的極性，并且極性在電壓相位過零前交替變化，正負極性間保持一定的間隙，確保兩個N溝道絕緣柵型場效應管不會同時開通。
2.根據(jù)權利要求I所述的軟開關方法，其特征在于，所述N溝道絕緣柵型場效應管采用的是功率MOSFET，充分利用功率MOSFET內(nèi)部的寄生二極管特性來判斷交流信號的相位過零時機。
3.根據(jù)權利要求I所述的軟開關方法，其特征在于，上述模擬電路的負載回路形成電流后，電流相位比較采集電路就實時比較回路電流極性，在負載回路電流形成之前，相位采集比較電路輸出的信號是被屏蔽的，不影響正常開通；并且極性在電流相位過零前交替變化，正負極性間保持一定的間隙，確保兩個功率MOSFET不會同時關斷。
4.根據(jù)權利要求I所述的軟開關方法，其特征在于，所述數(shù)字邏輯組合電路采集電壓相位比較電路、電流相位比較電路和短路信號發(fā)生電路的輸出結果，進行邏輯綜合運算后產(chǎn)生兩個有效的開通或關斷信號。
5.根據(jù)權利要求I所述的軟開關方法，其特征在于，所述短路信號發(fā)生電路將回路瞬時電流與閥值比較，若超出閥值則立即產(chǎn)生短路信號指示立即關斷功率開關。
6.根據(jù)權利要求I所述的軟開關方法，其特征在于，在兩N溝道絕緣柵型場效應管之間還連接有電流采樣電阻，并設其與一 N溝道絕緣柵型場效應管的連接點為內(nèi)部控制電路的參考地。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種實現(xiàn)交流電壓過零開通和電流過零關斷的軟開關方法，其方法是在交流固態(tài)功率控制中，將兩個導通電阻非常小的N溝道絕緣柵型場效應管作為固態(tài)功率開關，并以反串聯(lián)組態(tài)連在一起，以模擬電路和數(shù)字邏輯組合電路運算出電壓過零開通和電流過零關斷邏輯，輸出至N溝道絕緣柵型場效應管的驅(qū)動電路實現(xiàn)軟開關，顯著降低開關功率損耗，消除電磁干擾。
文檔編號H03K17/56GK102638255SQ20121012797
公開日2012年8月15日 申請日期2012年4月27日 優(yōu)先權日2012年4月27日
發(fā)明者朱軍 申請人:上海尊瑞電子有限公司