厚膜磁隔离直流固态功率控制器制造技术

本发明专利技术公开一种厚膜磁隔离直流固态功率控制器，包括功率MOSFET、检测电阻、功率二极管、TVS二极管、电流调理电路、电压检测电路、电压状态判断电路、电流状态判断电路、立即跳闸电路、反时限电路、短路检测电路、驱动电路、状态综合电路、跳闸状态锁存电路、延时复位电路、时序匹配电路、DC/DC隔离电源、第一隔离电路、第二隔离电路、第三隔离电路、状态反馈接口电路、控制信号接口电路和上电复位电路。此种电路结构可优化控制器的电气性能，减小体积重量，提高可靠性，在民用低压直流配电系统、航空、航天、坦克、汽车、舰船等领域均可广泛应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电力电子与电工
，特别涉及一种直流固态功率控制装置。
技术介绍
固态功率控制器是随着飞机配电系统的发展而产生的由半导体器件构成的智能配电装置，它是固态配电系统的核心部件和最终执行部件，兼有开关功能和保护功能，并可以接受前级计算机的控制信号并报告其状态信息；在负载发生过载时，按照反延时特性跳闸，保护线路和负载设备；当负载发生短路时，在几十微秒的时间内快速动作将故障负载切断；固态功率控制器具有无电弧、无触点、无噪声、响应快、电磁干扰小以及便于计算机远程控制等优点，在民用低压直流配电系统、航空、坦克、航天器、汽车、舰船等场合均可广泛应用。目前直流固态功率控制器的电路在具体实现和制造工艺方面，存在着如下的一些关键技术问题(1)直流固态功率控制器的软接通和软关断问题软接通和软关断功能对于直流固态功率控制器而言是必不可少的容性负载在开通过程中存在较大的冲击电流，依据负载电容的大小不同，冲击电流可达2-6倍，甚至10倍以上，这样可能会导致跳间；软接通功能可以很好地抑制直流固态功率控制器带容性负载开通时的冲击电流，从而提高直流固态功率控制器带容性负载能力；另外由于配电线路中不可避免地存在着分布电感，直流固态功率控制器关断负载时会在功率半导体开关管两端产生因di/dt引起的感应尖峰电压，软关断功能可以很好地解决这个问题；目前直流固态功率控制器在软接通和软关断问题的解决上多采用一些集成电路驱动芯片，一是效果不够理想，二是方案复杂且不方便整体的电路集成。(2)直流固态功率控制器的短路保护问题负载短路作为最严峻的故障模式，可能会产生极具危害的热应力，导致固态功率控制器损坏或者上级保护装置跳间；因此固态功率控制器应能够快速检测到短路故障并迅速关断，保证功率MOSFET安全和连接在同一汇流条上的负载不中断供电；目前短路保护的检测方法多是检测功率MOSFET两端电压，这样存在的问题是短路保护电路和软接通、软关断电路结合时较为复杂，且抗干扰能力差，容易误保护。(3)直流固态功率控制器中功率半导体开关管的保护问题功率半导体开关管是直流固态功率控制器中的核心器件之一，功率半导体开关管的安全与否决定了直流固态功率控制器的功能能否正常实现；直流固态功率控制器中功率半导体开关管的保护技术一直是固态功率控制器的关键技术之一；目前对于功率半导体开关管的保护多采用缓冲电路的方法，这样做只解决了关断过程中的一些电应力，并没有考虑系统中可能出现的浪涌电压和负载对功率半导体开关管的影响，也没有考虑功率MOSFET在长期工作和发生过载、短路时的热应力。(4)直流固态功率控制器中电压和电流状态输出的时序问题直流固态功率控制器可以向上位机反馈负载电压和负载电流状态，上位机根据开关控制命令以及反馈的负载电压状态和负载电流状态判断负载和固态功率控制器的工作状态； 因此需要将反馈的负载电压和负载电流状态做同步输出处理，否则可能导致上位机作出错误的判断。(5)直流固态功率控制器的上电复位问题直流固态功率控制器的工作过程通常是先给控制部分偏置电源供电，然后通过给控制部分发送命令来控制开通关断；上电复位是指当SSPC控制部分没有供电时，若已经发出开通命令，则此时再给SSPC控制部分偏置电源供电，那么SSPC不应该开通；若要使SSPC开通，必须先发出关断命令，再发开通命令，现有的固态功率控制器并没有这种考虑。(6)直流固态功率控制器与上位机接口部分的隔离问题为了避免强电回路对弱电控制回路干扰，在上位机向固态功率控制器发送开通关断控制命令以及直流固态功率控制器向上位机反馈状态时，通常需要提供电气隔离；目前使用较多的方法是采用光耦隔离，具有体积小、响应速度快、容易和逻辑电路配合、使用方便等优点；但是光耦隔离存在的问题是功耗较大、不耐辐射等缺点，限制了其在航天领域空间环境的使用。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题，是针对前述
技术介绍
中指出的缺陷和不足，提供一种厚膜磁隔离直流固态功率控制器，其可优化控制器的电气性能，减小体积重量，提高可靠性，在民用低压直流配电系统、航空、坦克、汽车、舰船等场合均可广泛应用，并拓展应用领域，非常适合航天应用环境。本专利技术为解决以上技术问题，所采用的技术方案是一种厚膜磁隔离直流固态功率控制器，包括功率M0SFET、检测电阻、功率二极管、TVS 二极管、电流调理电路、电压检测电路、电压状态判断电路、电流状态判断电路、立即跳闸电路、反时限电路、短路检测电路、驱动电路、状态综合电路、跳间状态锁存电路、延时复位电路、时序匹配电路、DC/DC隔离电源、第一隔离电路、第二隔离电路、第三隔离电路、状态反馈接口电路、控制信号接口电路和上电复位电路；功率MOSFET的漏极连接功率输入端，源极经由检测电阻接至负载然后到功率地，功率二极管的阳极连接功率地，阴极连接功率输出端；TVS 二极管的阳极接至功率地，阴极接至功率输入端；电流调理电路的输入端连接在检测电阻的两端，输出端分别接至反时限跳闸电路、立即跳闸电路、短路检测电路以及电流状态判断电路；电压检测电路的输出端连接电压状态判断电路；前述电压状态判断电路和电流状态判断电路的输出信号均经过时序匹配电路的处理后同步输出；时序匹配电路的输出信号则分别经过第二隔离电路和第三隔离电路后连接至状态反馈接口电路，所述状态反馈接口电路的输出信号即是反馈给上位机的负载电流状态信号和负载电压状态信号；反时限电路和立即跳闸电路的输出信号输入到跳闸状态锁存电路，而短路检测电路的输出信号也连接至跳闸状态锁存电路，该跳闸状态锁存电路的输出信号和第一隔离电路的输出信号共同输入到状态综合电路，而状态综合电路的输出信号和短路检测电路的输出信号共同输入到带有降栅压保护功能的软开通软关断驱动电路中，该电路输出连接到功率 MOSFET的栅源极，状态综合电路的输入信号同时还作为输入信号连接到延时复位电路，状态综合电路的输出信号则传送至时序匹配电路；外部的控制命令经过上电复位电路连于控制信号接口电路，控制信号接口电路的输出端连于第一隔离电路，第一隔离电路的输出信号连至状态综合电路和延时复位电路，延时复位电路的输出端则连接到跳间状态锁存电路；上电复位电路、控制信号接口电路、状态反馈接口电路由外部5V偏置电源供电，DC/DC 隔离电源将外部的5V偏置电压升压至15V，以功率MOSFET源极作为内部参考地，给以下功能电路模块供电状态综合电路、延时复位电路、时序匹配电路、短路检测电路、反时限电路、立即跳闸电路、跳闸状态锁存电路、驱动电路、电压检测电路、电压状态判断电路、电流状态判断电路和电流调理电路。 上述驱动电路包含软接通和软关断电路以及降栅压短路保护电路，其中，软接通和软关断电路的结构为控制信号经过第三五电阻连接NPN第五三极管的基极，电源通过第二八电阻连接第五三极管的集电极，而该第五三极管的发射极和参考地相连；第五三极管的集电极还分别通过第三一、四零电阻连于NPN第二、六三极管的基极，第二、六三极管的发射极均与参考地相连，第二、六三极管的集电极则分别通过第二七、三二电阻连于电源；第二九电阻从第二三极管的集电极出发，经过第四电容、第三四电阻、第三九电阻到达参考地，且其中的第三四电阻还正向并联有第二二极管；第二九电阻和第四电容相连的节点连本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种厚膜磁隔离直流固态功率控制器，其特征在于：包括功率ＭＯＳＦＥＴ、检测电阻、功率二极管、ＴＶＳ二极管、电流调理电路、电压检测电路、电压状态判断电路、电流状态判断电路、立即跳闸电路、反时限电路、短路检测电路、驱动电路、状态综合电路、跳闸状态锁存电路、延时复位电路、时序匹配电路、ＤＣ／ＤＣ隔离电源、第一隔离电路、第二隔离电路、第三隔离电路、状态反馈接口电路、控制信号接口电路和上电复位电路；功率ＭＯＳＦＥＴ的漏极连接功率输入端，源极经检测电阻接至负载然后到功率地，功率二极管的阳极连接功率地，阴极连接功率输出端；ＴＶＳ二极管的阳极接至功率地，阴极接至功率输入端；电流调理电路的输入端连接在检测电阻的两端，输出端分别接至反时限跳闸电路、立即跳闸电路、短路检测电路以及电流状态判断电路；电压检测电路的输出端连接电压状态判断电路；前述电压状态判断电路和电流状态判断电路的输出信号均经过时序匹配电路的处理后同步输出；时序匹配电路的输出信号则分别经过第二隔离电路和第三隔离电路连接至状态反馈接口电路，所述状态反馈接口电路的输出信号即是反馈给上位机的负载电流状态信号和负载电压状态信号；反时限电路和立即跳闸电路的输出信号输入到跳闸状态锁存电路，而短路检测电路的输出信号也连接至跳闸状态锁存电路，该跳闸状态锁存电路的输出信号和第一隔离电路的输出信号共同输入到状态综合电路，而状态综合电路的输出信号和短路检测电路的输出信号共同输入到带有降栅压保护功能的软开通软关断驱动电路中，该电路输出连接到功率ＭＯＳＦＥＴ的栅源极，状态综合电路的输入信号同时还作为输入信号连接到延时复位电路，状态综合电路的输出信号则传送至时序匹配电路；外部的控制命令经过上电复位电路连于控制信号接口电路，控制信号接口电路的输出端连于第一隔离电路，第一隔离电路的输出信号连至状态综合电路和延时复位电路，延时复位电路的输出端则连接跳闸状态锁存电路；上电复位电路、控制信号接口电路、状态反馈接口电路由外部５Ｖ偏置电源供电，ＤＣ／ＤＣ隔离电源将外部的５Ｖ偏置电压升压至１５Ｖ，以功率ＭＯＳＦＥＴ源极作为内部参考地，给以下功能电路模块供电：状态综合电路、延时复位电路、时序匹配电路、短路检测电路、反时限电路、立即跳闸电路、跳闸状态锁存电路、驱动电路、电压状态判断电路、电流状态判断电路、电压检测电路和电流调理电路。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王莉，阮立刚，徐成宝，何勇，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，中国电子科技集团公司第四十三研究所，
类型：发明
国别省市：84