一种具有冗余保护能力的固态功率控制器及其控制方法 |
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| 申请号 | CN202210675751.8 | 申请日 | 2022-06-15 | 公开(公告)号 | CN114914879B | 公开(公告)日 | 2024-05-10 |
| 申请人 | 西北工业大学; | 发明人 | 周中正; 李照地; 费玉清; 李伟林; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种具有冗余保护能 力 的固态功率 控制器 及其控制方法，该固态功率控制器由双向对称导通回路、耦合电感线圈、电感线圈续流 电路 、储能电容、辅助关断电路构成，正常导通工作状态下，系统回路会依次经过主 开关 晶闸管、耦合电感一次侧线圈以及 二极管 ，回路内器件较少，能够有效降低工作损耗；故障状态下有两种保护措施，本发明解决了常规固态功率控制器故障保护机制单一的问题，可实现 短路 故障的快速自动保护及持续性过流故障的反延时保护，实用性强。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种具有冗余保护能力的固态功率控制器，其特征在于：所述固态功率控制器由双向对称导通回路、耦合电感线圈(Ⅰ)、电感线圈续流回路(Ⅱ)、储能电容(C)以及辅助关断电路(Ⅲ)构成；所述双向对称导通回路包括第一晶闸管(T1)、第二晶闸管(T2)、第一二级管(D1)、第二二级管(D2)构成； |
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| 说明书全文 | 一种具有冗余保护能力的固态功率控制器及其控制方法技术领域[0001] 本发明属于固态功率控制器技术领域，具体涉及一种具有冗余保护能力的固态功率控制器及其控制方法。 背景技术[0003] 固态功率控制器(SSPC)是一种由半导体器件组成的集开合控制、电路保护、状态监测等多功能于一体的无触点开关部件，它是集接触器的分合闸功能和断路器的电路保护功能于一体的智能化开关设备。作为一种固态开关设备，具有开关速度快、无电弧、电磁干扰小以及便于控制的特点，是整机装备自动配电系统的关键组成部分。固态功率控制器(SSPC)使配电系统实现了高度的自动化、智能化，且维护方便，在航空、航天、航海等可移动平台的配电系统领域应用前景广阔。 [0004] 常规固态功率控制器采用全控型半导体开关，对电路故障的控制方式相对单一。其可靠性不仅依赖于故障检测及控制电路的准确性和实时性，还依赖于驱动电路的驱动能力。在短路故障下，故障电流上升，故障检测及控制电路的响应延迟往往导致分断电流较大，影响保护的可靠性，亟需通过其他保护机制加强其可靠性。 发明内容[0005] 为了解决现有技术的不足之处，本发明提出本发明提供了一种具有冗余保护能力的固态功率控制器及其控制方法。 [0006] 根据本发明的一个方面，提供了一种具有冗余保护能力的固态功率控制器，其特征在于所述固态功率控制器由双向对称导通回路、耦合电感线圈、电感线圈续流回路、储能电容以及辅助关断电路构成。 [0007] 所述双向对称导通回路包括第一晶闸管、第二晶闸管、第一二级管、第二二级管构成，第一晶闸管与第一二极管构成正向通路，第二晶闸管与第二二极管构成反向通路，第一晶闸管阳极和第二二极管阴极连接构成第一端口，第二晶闸管阳极和第二二极管阴极连接构成第二端口，两个端口均允许电流双向流动，可分别与电源和负载相连。 [0008] 所述耦合电感线圈包括通过磁芯耦合的一次侧及二次侧线圈，一次侧线圈的异名端与第一二极管和第二二极管的阳极相连，一次侧线圈和二次侧线圈的同名端与第一晶闸管和第二晶闸管的阴极相连，二次侧线圈的异名端与储能电容相连。 [0010] 所述电感线圈续流回路包括耗能电阻和第三二极管，耗能电阻用于在保护动作后期消耗电感线圈中储存的残余能量，第三二极管用于限制续流回路电流方向，避免影响正常换流。 [0011] 本发明提供一种具有冗余保护能力的固态功率控制器控制方法，其特征在于采用了如权利要求1所述的固态功率控制器，并具备冗余保护机制。冗余保护机制包括基于Z源网络的自动换流保护及基于检测的常规控制保护。在具体工作条件下有以下几种工况： [0012] 工况一，存在两种场景，场景一：当电路需要工作于正向(反向)供电状态时，向第一(第二)晶闸管发送触发脉冲，晶闸管导通，电流依次经第一(第二)晶闸管、耦合电感一次侧线圈、第一(第二)二极管流向负载，储能电容由直流源进行充电。正常工作状态下，耦合电感线圈无感应电流，系统回路内器件较少，断路器损耗较低； [0013] 场景二：当电路需要工作于反向供电状态时，向第二晶闸管发送触发脉冲，晶闸管导通，电流依次经第二晶闸管、耦合电感一次侧线圈、第二二极管流向负载，储能电容由直流源进行充电。正常工作状态下，耦合电感线圈无感应电流，系统回路内器件较少，断路器损耗较低； [0015] 工况三，当短路类突发故障发生时，电流在极短时间内发生较大的变化，耦合电感线圈二次侧会产生一定感应电动势，并与由直流源直接供电的储能电容电压共同作用，在晶闸管两端产生一定时间负压，使晶闸管自动换流关断，从而将负载与直流源断开； [0016] 工况四，当发生连续过流等持续性故障时，固态功率控制器在检测到特定持续性故障时，如连续过流等，根据反延时等保护需求及时对辅助关断电路中第三晶闸管发送触发信号，实现对通路中主开关晶闸管的强迫换流关断，完成保护动作。 [0017] 与现有技术相比，本发明的有益效果为： [0018] 1.在对持续性故障实现基于检测的常规控制保护基础上，可对短路类突发故障实现自动换流保护，具备冗余保护机制。 [0020] 一个或多个实施例通过与之对应的附图进行示例性说明，这些示例性说明和附图并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件示为类似的元件，附图不构成比例限制，并且其中： [0021] 图1为本发明的拓扑结构示意图； [0022] 图2为负载通电、断电工况下波形； [0023] 图3为负载侧发生两倍连续性过载故障时的故障保护波形； [0024] 图4为负载侧发生短路故障时的故障保护波形。 具体实施方式[0025] 为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。 [0026] 显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。 [0027] 在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。 [0028] 除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块(单元)的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。 [0029] 图1‑4中，Ⅰ—耦合电感，Ⅱ—耦合电感线圈续流回路，Ⅲ—辅助关断电路，T1—第一晶闸管，T2—第二晶闸管，T3—第三晶闸管，D1—第一二极管，D2—第二二极管，D3—第三二极管，C—储能电容，R1—耗能电阻，R2—限流电阻，N1—耦合电感一次侧线圈，N2—耦合电感二次侧线圈，VS—直流电源，ZL—负载。 [0030] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。 [0031] 如图1所示，本发明的一种具有冗余保护能力的固态功率控制器由双向对称导通回路、耦合电感线圈(Ⅰ)、电感线圈续流回路(Ⅱ)、储能电容(C)以及辅助关断电路(Ⅲ)构成。所述双向对称导通回路包括第一晶闸管(T1)、第二晶闸管(T2)、第一二级管(D1)、第二二级管(D2)构成，第一晶闸管与第一二极管构成正向通路，第二晶闸管与第二二极管构成反向通路，第一晶闸管阳极和第二二极管阴极连接构成第一端口，第二晶闸管阳极和第二二极管阴极连接构成第二端口，两个端口均允许电流双向流动，可分别与电源(VS)和负载(ZL)相连；所述耦合电感线圈包括通过磁芯耦合的一次侧(N1)及二次侧线圈(N2)，一次侧线圈的异名端与第一二极管和第二二极管的阳极相连，一次侧线圈和二次侧线圈的同名端与第一晶闸管和第二晶闸管的阴极相连，二次侧线圈的异名端与储能电容相连；所述辅助关断电路包括第三晶闸管(T3)和限流电阻(R2)，两个器件串联后与耦合电感线圈支路相并联，在系统监测到连续性故障超越设定阈值时，将通过触发晶闸管导通来强迫晶闸管换流，引发保护动作；所述电感线圈续流回路包括耗能电阻(R1)和第三二极管(D3)，耗能电阻用于在保护动作后期消耗电感线圈中储存的残余能量，第三二极管用于限制续流回路电流方向，避免影响正常换流。 [0032] 进一步地，本实施例提供的一种具有冗余保护能力的固态功率控制器，还包括固态功率控制器在典型工况下的控制方法，主要采用合闸通电、分闸断电、短路保护、过载保护等典型工况，具体内容如下： [0033] 工况一：合闸通电。控制方法为：向前向通路中主开关晶闸管T1发送触发脉冲后，晶闸管T1导通，功率控制器内储能电容C将由直流电源充电，储能完成后，储能电容电压降为直流电源电压VS，同时，电流将依次通过第一晶闸管、耦合电感一次线圈以及第一二极管，向负载通电。 [0034] 工况二：分闸断电。控制方法为：向辅助关断电路Ⅲ中的晶闸管T3发送触发脉冲后，晶闸管T3导通，此时，耦合电感一次侧、二次侧线圈、储能电容与辅助关断电阻形成回路，并在耦合电感二次侧线圈上形成一定感应电压。由于此时储能电容的电压为直流电源电压VS，因此在主开关晶闸管T1将承受一定时间反压，使得晶闸管T1电流迅速过零并关断，完成对负载断电操作。 [0035] 工况三：负载侧过流保护。控制方法为：根据负载过流情况采取不同的保护措施。当系统承受过载能力较强，短时间内负载电流发生两倍以上突变，则可利用突变电流在耦合电感二次侧线圈N2产生的感应电压，是主开关晶闸管T1关断；当系统承受过载能力较弱，需要结合负载电流监测电流，在负载电流发生过载时，向辅助关断晶闸管T3发送触发脉冲，将负载断电。 [0036] 工况四：负载侧短路保护。控制方法为：当短路类突发故障发生时，电流会在极短时间内发生较大的变化，耦合电感线圈二次侧会产生一定感应电动势，并与由直流源直接供电的储能电容C电压共同作用，在主开关晶闸管两端产生一定时间负压，使晶闸管自动换流关断，从而自动将负载与直流电源断开，不需要额外的电流监测以及控制操作，此技术手段相应速度较快，能有效隔离短路故障。 [0037] 更进一步地，基于PSpice平台对本发明在上述典型工况下进行测试。本实施例以270V航空高压直流系统为例。各工况测试结果如下： [0038] 负载通电、断电工况下的测试结果如图2所示，由图可见本发明通电、断电过程均较短，对主开关晶闸管产生的冲击电压较小，能够有效提升功率控制器安全有效运行次数以及使用寿命。 [0039] 负载侧发生两倍连续性过载故障时的故障保护波形如图3所示，由图可见，本发明在过流保护动作开始后，能够在0.25ms及时关断负载电流，且关断过程中对负载端电流电压冲击较小，为系统长期安全稳定运行提供了保障。 [0040] 负载侧发生短路故障时的故障保护波形如图4所示，从波形中可以看出，本发明从短路类突发故障发生到负载完全断电大约需要0.15ms，系统中储能电压将在1ms内稳定，保护动作迅速，且对主开关晶闸管电压电流冲击较小。 [0041] 实例波形的结果证实了本发明所提出的一种具有冗余保护能力的固态功率控制器及其控制方法，能够实现短路故障的快速自动保护及持续性过流故障的反延时保护，实用性强。综上所述，尽管本发明的基本拓扑、原理方法通过以上实例予以具体阐述，但不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思前提下，还可以进行一定推演或替换。 |
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