一种固态功率控制器及其控制方法[发明专利]

(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201711207309.8
(22)申请日 2017.11.27
(71)申请人 天津航空机电有限公司
地址 300308 天津市东丽区空港经济区西
十道5号
(72)发明人 吴大勇　
(74)专利代理机构 北京品源专利代理有限公司
11332
代理人 孟金喆
(51)Int.Cl.
H02M 1/088(2006.01)
H02M 1/32(2007.01)
(54)发明名称
一种固态功率控制器及其控制方法
(57)摘要
本发明实施例公开了一种固态功率控制器
及其控制方法。

固态功率控制器，包括功率电路
和控制模块，所述功率电路设置为与负载串联，
包括相互并联的第一功率回路和第二功率回路；
其中，所述第一功率回路包括第一受控开关元
件，所述第二功率回路包括相互串联的第二受控
开关元件和限流电阻；所述控制模块包括主控制
电路、短路保护电路、受控开关元件驱动电路、电
流电压采集电路和上位机通讯电路。

本发明实施
例的技术方案，在满足短路保护作用基础上减轻
带容性负载启动的冲击电流对配电回路的影响。

权利要求书2页 说明书5页 附图3页CN 107911011 A 2018.04.13
C N 107911011
A
1.一种固态功率控制器，包括功率电路和控制模块，其特征在于：
所述功率电路设置为与负载串联，包括相互并联的第一功率回路和第二功率回路；其中，所述第一功率回路包括第一受控开关元件，所述第二功率回路包括相互串联的第二受控开关元件和限流电阻；
所述控制模块包括主控制电路、短路保护电路、受控开关元件驱动电路、电流电压采集电路和上位机通讯电路；
所述主控制电路分别与所述短路保护电路、所述电流电压采集电路和所述上位机通讯电路连接，所述短路保护电路、所述受控开关元件驱动电路和所述电流电压采集电路分别与所述功率电路连接；其中，所述受控开关元件驱动电路包括两个驱动支路，且两个所述驱动支路其一与所述第一受控开关元件连接，另一与所述第二受控开关元件连接；
所述主控制电路用于通过所述上位机通讯电路与上位机进行数据交换，通过所述电流电压采集电路获取所述负载两端的电压和所述负载中的电流，通过所述短路保护电路控制所述第一受控开关元件和所述第二受控开关元件的通断；
所述短路保护电路，用于当经所述功率回路输出至所述负载的电流超过预设电流值时，通过所述受控开关元件驱动电路关断所述第一受控开关元件和所述第二受控开关元件。

2.根据权利要求1所述的固态功率控制器，其特征在于，所述第一受控开关元件和所述第二受控开关元件均为金属氧化物半导体MOS管。

3.根据权利要求2所述的固态功率控制器，其特征在于，所述受控开关元件驱动电路包括的两个所述驱动支路均为MOS管驱动电路。

4.根据权利要求1所述的固态功率控制器，其特征在于，所述上位机通讯电路为控制器局域网络CAN通讯电路，用于所述主控制电路通过CAN通讯的方式与所述上位机交互数据。

5.根据权利要求1所述的固态功率控制器，其特征在于，所述主控制电路采用单片机作为数据处理芯片。

6.根据权利要求1所述的固态功率控制器，其特征在于，所述短路保护电路包括复杂可编程逻辑器件CPLD控制电路和短路硬件保护电路；其中，所述短路硬件保护电路与所述功率电路连接，用于获取经所述功率回路输出至所述负载的电流并转换为短路保护信号传输至所述CPLD控制电路；所述CPLD控制电路与所述主控电路连接，用于根据所述短路保护信号或所述主控制电路发送的电路通断控制信号，通过所述受控开关元件驱动电路控制所述第一受控开关元件和所述第二受控开关元件的通断。

7.根据权利要求1所述的固态功率控制器，其特征在于，所述控制模块还包括：
电源电路，分别与所述主控制电路、所述短路保护电路和受控开关元件驱动电路连接，用于为所述主控制电路、所述短路保护电路和受控开关元件驱动电路供电。

8.一种固态功率控制器控制方法，其特征在于，基于权利要求1-7任一项所述的固态功率控制器，包括：
当获取到的经功率回路输出至负载的电流超过预设电流时，关断第一功率回路和第二功率回路；
当获取到的输出电压大于预设电压，开通所述第二功率回路；
经过预设延时时间后，开通所述第一功率回路。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：
当获取到的输出电压小于等于所述预设电压，保持关断所述第一功率回路和第二功率回路，并发送警报信息。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，还包括：
接收上位机发送的通讯指令；
根据所述通讯指令，执行相应操作。

一种固态功率控制器及其控制方法
技术领域
[0001]本发明实施例涉及电子电路技术，尤其涉及一种固态功率控制器及其控制方法。

背景技术
[0002]传统的机电式配电系统在智能化、可靠性等方面已不能满足大规模分布式配电系统的需要，采用模块化固态配电技术是当前的发展趋势。

基于固态配电技术和计算机综合控制技术的配电方式不仅可以实现电源系统高度自主运行，在电源系统局部出现故障时实现对系统的重构，还可以为系统的健康管理提供大量的有用信息，大大提高系统的可靠性。

固态功率控制器(Solid State Power Controller，SSPC)作为用来代替继电器的转换功能和断路器的电路保护功能于一体的固态元器件，是与固态配电系统相配套的控制负载通断的开关装置。

它不仅可以根据任务的需求实现对负载的通断控制，而且在负载或配电线路出现过流或短路等故障时可以迅速断开发生故障的负载电路部分，以实现电源的不中断供电，并为电源和配电系统提供全面保护。

[0003]传统的直流SSPC在配电功率回路发生短路故障而产生保护作用时或者在外接容性负载启动时，只是单纯的追求短路保护作用的速度和能够外接的容性负载的大小，而并未考虑短路保护过程中和带容性负载启动过程中的电流突变和电流冲击情况。

配电回路在发生短路时或带有容性负载接通时，若电流冲击情况比较严重，容易对电源和配电回路上其他设备造成不良影响，同时较大的冲击电流也会对SSPC的功率开关器件的使用寿命产生影响。

发明内容
[0004]本发明实施例提供一种固态功率控制器及其控制方法，以实现在满足短路保护作用基础上减轻带容性负载启动的冲击电流对配电回路的影响。

[0005]第一方面，本发明实施例提供了一种固态功率控制器，包括功率电路和控制模块，所述功率电路设置为与负载串联，包括相互并联的第一功率回路和第二功率回路；其中，所述第一功率回路包括第一受控开关元件，所述第二功率回路包括相互串联的第二受控开关元件和限流电阻；
[0006]所述控制模块包括主控制电路、短路保护电路、受控开关元件驱动电路、电流电压采集电路和上位机通讯电路；
[0007]所述主控制电路分别与所述短路保护电路、所述电流电压采集电路和所述上位机通讯电路连接，所述短路保护电路、所述受控开关元件驱动电路和所述电流电压采集电路分别与所述功率电路连接；其中，所述受控开关元件驱动电路包括两个驱动支路，且两个所述驱动支路其一与所述第一受控开关元件连接，另一与所述第二受控开关元件连接；[0008]所述主控制电路用于通过所述上位机通讯电路与上位机进行数据交换，通过所述电流电压采集电路获取所述负载两端的电压和所述负载中的电流，通过所述短路保护电路控制所述第一受控开关元件和所述第二受控开关元件的通断；
[0009]所述短路保护电路，用于当经所述功率回路输出至所述负载的电流超过预设电流值时，通过所述受控开关元件驱动电路关断所述第一受控开关元件和所述第二受控开关元件。

[0010]可选的，所述第一受控开关元件和所述第二受控开关元件均为金属氧化物半导体(metal oxide semiconductor，MOS)管。

[0011]可选的，所述受控开关元件驱动电路包括的两个所述驱动支路均为MOS管驱动电路。

[0012]可选的，所述上位机通讯电路为控制器局域网络(Controller Area Network，CAN)通讯电路，用于所述主控制电路通过CAN通讯的方式与所述上位机交互数据。

[0013]可选的，所述主控制电路采用单片机作为数据处理芯片。

[0014]可选的，所述短路保护电路包括复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device，CPLD)控制电路和短路硬件保护电路；其中，所述短路硬件保护电路与所述功率电路连接，用于获取经所述功率回路输出至所述负载的电流并转换为短路保护信号传输至所述CPLD控制电路；所述CPLD控制电路与所述主控电路连接，用于根据所述短路保护信号或所述主控制电路发送的电路通断控制信号，通过所述受控开关元件驱动电路控制所述第一受控开关元件和所述第二受控开关元件的通断。

[0015]可选的，控制模块还包括：
[0016]电源电路，分别与所述主控制电路、所述短路保护电路和受控开关元件驱动电路连接，用于为所述主控制电路、所述短路保护电路和受控开关元件驱动电路供电。

[0017]第二方面，本发明实施例还提供了固态功率控制器控制方法，基于第一方面提供的固态功率控制器，包括：
[0018]当获取到的经功率回路输出至负载的电流超过预设电流时，关断第一功率回路和第二功率回路；
[0019]当获取到的输出电压大于预设电压，开通所述第二功率回路；
[0020]经过预设延时时间后，开通所述第一功率回路。

[0021]可选的，控制固态功率控制器的方法还包括：
[0022]当获取到的输出电压小于等于所述预设电压，保持关断所述第一功率回路和第二功率回路，并发送警报信息。

[0023]可选的，控制固态功率控制器的方法，还包括：
[0024]接收上位机发送的通讯指令；
[0025]根据所述通讯指令，执行相应操作。

[0026]本发明通过在功率电路中设置相互并联的第一功率回路和第二功率回路，解决带有容性负载接通时，电流冲击情况比较严重的问题，实现在满足短路保护作用基础上减轻带容性负载启动的冲击电流对配电回路的影响的效果。

附图说明
[0027]图1是本发明实施例一中的固态功率控制器的结构示意图；
[0028]图2是本发明实施例一中的功率电路的结构示意图；
[0029]图3是本发明实施例一中的另一种固态功率控制器的结构示意图；
[0030]图4是本发明实施例二中的一种固态功率控制器控制方法的流程图；
[0031]图5是本发明实施例二中的一种固态功率控制器软件运行的流程图。

具体实施方式
[0032]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。

另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

[0033]实施例一
[0034]本实施例提供的固态功率控制器可适用于固态配电系统，作为相配套的控制负载通断的开关装置。

如图1所示，固态功率控制器，包括功率电路1和控制模块2，功率电路1设置为与负载串联，控制模块2包括主控制电路21、短路保护电路22、受控开关元件驱动电路23、电流电压采集电路24和上位机通讯电路25。

其中，如图2所示，功率电路1包括相互并联的第一功率回路11和第二功率回路12；其中，第一功率回路11包括第一受控开关元件111，第二功率回路12包括相互串联的第二受控开关元件121和限流电阻122。

[0035]主控制电路21分别与短路保护电路22、电流电压采集电路24和上位机通讯电路25连接，短路保护电路22、受控开关元件驱动电路23和电流电压采集电路24分别与功率电路1连接。

[0036]主控制电路21用于通过上位机通讯电路25与上位机进行数据交换，通过电流电压采集电路24获取负载两端的电压和负载中的电流，通过短路保护电路22控制第一受控开关元件和第二受控开关元件的通断。

[0037]短路保护电路22，用于当经功率回路1输出至负载的电流超过预设电流值时，通过受控开关元件驱动电路23关断第一受控开关元件111和第二受控开关元件121。

[0038]其中，受控开关元件驱动电路23包括两个驱动支路，且两个驱动支路其一与第一受控开关元件连接，另一与第二受控开关元件连接。

[0039]可选的，第一受控开关元件111和第二受控开关元件121均为MOS管。

相应的，受控开关元件驱动电路23包括的两个驱动支路均为MOS管驱动电路。

[0040]可选的，上位机通讯电路25为CAN通讯电路，用于主控制电路21通过CAN通讯的方式与上位机交互数据。

主控制电路21采用单片机作为数据处理芯片，示例性的，该单片机型号为C8051F502。

其中，上位机可以通过CAN通讯的方式可与单片机进行数据交换，获取SSPC 采集的电流、电压和工作状态等信息，并且可以发送控制命令给SSPC，实现开通、关断、复位、设置地址和设置额定电流等功能。

[0041]可选的，短路保护电路22包括CPLD控制电路和短路硬件保护电路；其中，短路硬件保护电路与功率电路1连接，用于获取经功率回路输出至负载的电流并转换为短路保护信号传输至CPLD控制电路；CPLD控制电路与主控电路连接，用于根据短路保护信号或主控制电路21发送的电路通断控制信号，通过受控开关元件驱动电路23控制第一受控开关元件和第二受控开关元件的通断。

其中，CPLD芯片结合短路硬件保护电路能够在功率回路发生短路时，根据CPLD内部的控制逻辑迅速关断MOS管，实现快速保护的作用。

硬件电路中还设计了看门狗电路，在SSPC死机时可以复位SSPC，保证SSPC的可靠性和稳定性。

[0042]如图3所示，本实施例提供的SSPC的另一种实现方式中，控制模块2还包括：电源电
路26，分别与主控制电路21、短路保护电路22和受控开关元件驱动电路23连接，用于为主控制电路21、短路保护电路22和受控开关元件驱动电路23供电。

[0043]本实施例提供的SSPC相对于传统的SSPC，硬件方面的改进：传统的SSPC的功率回路只有一个，当功率回路上的MOS管开通时，功率回路开通；MOS管关断时，功率回路断开。

此种情况下，仅靠一个回路，在带容性负载启动时，依靠不停地开通关断MOS管来给电容充电达到带容性负载启动的目的，充电电流尖峰难以控制。

本实施例提供的SSPC采用相互并联的第一功率回路和第二功率回路，第二功率回路中串联有一个阻值较小的限流电阻，依靠该功率电阻可以起到限流的作用。

同时在控制模块中增加与第二功率回路连接的MOS管的驱动电路。

[0044]当SSPC带容性负载启动时，由于启动瞬间电容上没有电荷，电容相当于短路状态，因此启动时冲击电流很大，一般会超过短路保护点电流值，此时在短路保护电路的保护机制下，第一功率回路被关闭，第二功率回路仍然开通，由于第二功率回路中串联了阻值较小的限流电阻，功率回路的电流会被限制到某一电流值左右，依靠该电流给容性负载充电。

随着充电过程的进行，容性负载上电压逐渐增大，功率回路上电流逐渐减小，整体过程逐渐稳
定，此时容性负载两端电压为：(示例性的，SSPC额定工作电压为
28V),其中U0为容性负载两端电压，R1为容性负载的阻抗，R2为限流电阻值。

可以看出通过第二功率回路给容性负载充电达到稳定状态时，由于第二功率回路上存在限流电阻，容性负载两端电压并不能达到额定电压，此时再次开通第一功率回路的MOS管，容性负载仍会继续充电，此时仍会有一定的电流冲击，但此时电流冲击要小的多。

结合实际需求调整第二功率回路中的限流电阻的阻值和容性负载的充电时间，可以将冲击电流限制在合理的范围内。

[0045]本实施例的技术方案，通过在功率电路中设置相互并联的第一功率回路和第二功率回路，解决带有容性负载接通时，电流冲击情况比较严重的问题，实现在满足短路保护作用基础上减轻带容性负载启动的冲击电流对配电回路的影响的效果。

[0046]实施例二
[0047]本实施例提供一种固态功率控制器控制方法，该方法基于上述实施例提供的固态功率控制器，如图4所示，该控制固态功率控制器的方法具体包括：
[0048]步骤410、当获取到的经功率回路输出至负载的电流超过预设电流时，关断第一功率回路和第二功率回路。

其中，预设电流可以是负载端短路时，系统预设的短路保护电流，当达到此短路保护电流时，判断为可能出现短路，需要进行短路保护。

[0049]步骤420、判断获取到的输出电压与预设电压之间的大小关系；当输出电压小于等于预设电压，执行步骤430，当输出电压大于预设电压，执行步骤440。

[0050]步骤430、保持关断第一功率回路和第二功率回路，并发送警报信息。

[0051]步骤440、开通第二功率回路。

[0052]步骤450、经过预设延时时间后，开通第一功率回路。

[0053]其中，当功率电路上突然增加并达到短路保护电流值而使短路保护电路动作产生保护作用时，SSPC的硬件并不知道电流突然增加的原因是突然增加了容性负载还是功率回路上突然发生了真正的短路，因此需要调整软件使SSPC能够识别容性负载和短路故障。

调整的具体措施可以是：当由于电流冲击而产生短路保护作用之后，SSPC延时一段时间采集
一次输出电压并进行判断，若采集的电压接近0V，说明是真正发生了短路；若电压为不为0的某一个数值，则说明负载是容性负载，冲击电流是给容性负载充电造成的。

根据容性负载的大小和辅助回路中限流电阻的大小调整延时时间和设置判断的电压值，能够快速而准确的判断出是真正发生了短路还是外接了容性负载。

[0054]可选的，控制固态功率控制器的方法还包括：
[0055]接收上位机发送的通讯指令；
[0056]根据通讯指令，执行相应操作。

[0057]其中，上位机可以通过CAN通讯的方式可与单片机进行数据交换，获取SSPC采集的电流、电压和工作状态等信息，并且可以发送控制命令给SSPC，实现开通、关断、复位、设置地址和设置额定电流等功能。

[0058]本实施例还提供一个优选实施方式，如图5所示，SSPC的主程序中，软件主要实现三个功能，下面分别叙述。

[0059]1、查询定时间隔标志是否置位，当该标志置位后，说明设置的定时时间到达，然后调用I2T保护程序计算，若功率电路的电流大于额定电流，则随着热量的积累，最终会产生I2T保护而关断MOS管。

[0060]2、查询硬件保护标志位是否置位，若该标志置位，说明存在电流冲击使短路保护电路产生保护作用，因此在软件中还要继续判断功率电路是发生了真正的短路故障还是由于容性负载冲击产生的保护，并根据判断的结果进行下一步的处理：若是发生了真正的短路，则直接关断第二功率回路MOS管；若是存在容性载，则先靠第二功率回路给容性负载充电，然后再重新开通第一功率回路。

[0061]3、查询CAN通讯是否收到通讯指令，若收到指令，则需判断指令内容，并执行相应操作。

CAN通信的主要指令包括：开通关断指令、设置地址指令、设置额定电流指令、查询工作参数指令、电流校正指令等。

[0062]凡是针对本发明装置的简单变形、修改，在不脱离本发明构思的前提下，应认为落入本发明的保护范围。

[0063]本实施例的技术方案，通过功率电路的电压确定容性负载，并控制第一功率回路和第二功率回路的通断为容性负载充电，解决带有容性负载接通时，电流冲击情况比较严重的问题，实现在满足短路保护作用基础上减轻带容性负载启动的冲击电流对配电回路的影响的效果。

[0064]注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。

本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。

因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

图1
图2
图3
图4
图5
说　明　书　附　图3/3页CN 107911011 A 11。