一种直流固态功率控制器制造技术

本发明专利技术涉及一种直流固态功率控制器，可适用于不同功率等级的配电系统。该器件由基于全定制专用集成电路芯片为核心的信号处理单元、电源隔离单元、信号隔离单元、功率MOSFET和串联于母线上的电阻组成。器件接收驱动开关信号，实现串联于母线的MOSFET开通或关断，并具有母线负载检测、限流保护、过流保护、短路保护和器件自保护功能，且可以通过改变硬件电路实现多个保护参数。本发明专利技术固态功率控制器所有功能均由内部硬件电路实现，驱动MOSFET信号和保护信号由全定制集成电路生成。故该器件抗干扰性强，反应时间少，结构设计简单，具有高可靠、低功耗和轻小型等特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种固态功率控制器，特别是一种保护算法由硬件电路实现的可通过外部编程的直流固态功率控制器。
技术介绍
固态功率控制器是利用固态开关-MOSFET通断实现传统配电单元中继电器和过载保护器功能的开关控制器。固态功率控制器依据对母线电缆“热记忆”理论，检测母线线缆温度，在母线过流情况下，针对不同的母线电流在规定的时间范围内，实现母线跳闸。固态功率控制器，相对于传统继电器和过载保护器，优势在于1、可针对不同的母线电流灵活的控制跳闸保护时间2、可反馈母线电流异常信息和负载状态目前的固态功率控制器，尤其是多路固态功率控制器，多采用软件编程的方式计算过载跳间时间。但是，由于软件编程的失误或存储器的耐辐照特性差，使得软件算法的固态功率控制器在对环境适应性要求高的场所应用受到质疑。基于硬件电路实现算法的固态功率控制器，由于不依靠存储器提取数据，在恶劣的环境条件下依然可以正常工作。现有的分离元件搭建的固态功率控制器电路，使用分离的芯片，实现多芯片板级集成。由于使用的芯片单元均为通用芯片，固态功率控制器将受限于芯片的体积和功耗，难以实现小型化和低功耗要求。例如固态功率控制器中必备模块乘法器，通用芯片是8角DIP 封装，且静态功耗为lOOmW。专利技术专利US6125024A公开了一种外部可编程固态功率控制器；该固态功率控制器包括逻辑隔离模块、电流源模块、逻辑控制模块、振荡器和带隙基准模块、光耦隔离模块、 MOSFET保护模块、上电复位模块、负载状态模块、MOSFET驱动与限流模块、MOSFET保护模块、I2RC模块。当芯片产生跳闸信号后，通过拉低ENABLE信号，使得驱动限流模块的OPl输出高电平，从而打开电流源111，使得111与112产生向芯片内部灌入的静而关闭MOSFET。 电流1. 6mA。此1. 6mA的电流将泻放功率MOSFET栅源电荷，从但是如果这么处理异常关断环节，将无法在短时间内，如IOOus的时间内关断M0SFET。从而无法满足快速关断的需求。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种关断快速、环境适应性高的直流固态功率控制器。本专利技术的上述目的是通过如下技术方案予以实现的一种直流固态功率控制器，包括控制芯片，功率M0SFET、电源模块、开关状态检测模块、光耦隔离模块、电阻&及其它芯片外器件；控制芯片包括逻辑控制模块、输出驱动模块、带隙基准模块、负载状态模块、上电复位模块、I2T过流保护模块、MOSFET保护模块、 MOSFET驱动和限流模块；功率MOSFET和电阻&串联于母线上；其特征在于，控制芯片还包括短路判断模块；控制芯片实时监测流过电阻&的母线电流，当母线电流过流倍数超过I2T 过流保护下限阈值后，I2T过流保护模块按照反时限算法产生过流跳闸信号I2T_TRIP ；当过流倍数超过短路保护阈值后，短路判断模块产生短路跳间信号SC_TRIP ；当过流倍数超过 MOSFET保护阈值时，MOSFET驱动和限流模块产生MOSFET保护使能信号MP_ENA ；当过流倍数超过限流阈值后，MOSFET驱动和限流模块限制电流增长；MOSFET保护模块在控制信号MP 的控制下产生跳闸信号MP_TRIP ；逻辑控制模块根据上位机传输的控制信号COM，和通过外部可编程端口输入的驱动逻辑电平使能信号C0MEN，结合I2T过流保护模块产生的跳闸信号I2T_TRIP、M0SFET保护模块产生的跳闸信号MP_TRIP、短路判断模块产生的跳闸信号SC_TRIP、M0SFET驱动和限流模块产生的MP_ENA信号，输出控制MOSFET驱动和限流模块的使能信号ENA、M0SFET保护模块的控制信号MP、和跳闸信号TRP ；上述使能信号ENA送入MOSFET驱动和限流模块，用于控制MOSFET的正常开关过程；上述跳闸信号TRP送入MOSFET驱动和限流模块，在母线电流过流倍数超过一定阈值后， 用于关闭MOSFET ；输出驱动模块根据负载状态模块产生的负载状态信号ISTATUS、逻辑控制模块产生的跳闸信号TRP、上电复位模块输出的复位信号RESET，输出负载状态信号STATUS和跳闸信号TRIP。I2T过流保护模块将母线电流平方后输入RC充电网路，实现反时限算法；通过更改控制芯片外配置的电阻&2、Rti或Riv的阻值可实现I2T过流保护下限阈值倍数的硬件编程；通过更变电阻氏、电容Ci的值可实现I2T保护曲线形状的硬件编程。通过更改控制芯片外配置的电阻I^istat可实现负载状态模块判断阈值的硬件可编程。通过更改控制芯片外配置的可实现短路保护阈值的硬件可编程。通过更改控制芯片外配置的电阻Rmp、电容Cmp实现对MOSFET保护模块的跳闸信通过更改控制芯片外配置的电阻Rell和Rel2实现MOSFET限流阈值的硬件可更改。MOSFET驱动和限流模块包括放大器0P2，所述使能信号ENA作为放大器0P2的使能信号，用于控制MOSFET的正常开关过程；跳闸信号TRP与MOSFET驱动和限流模块中的三极管Q20相连；当跳闸信号TRP为高电平时，三极管Q20导通，实现MOSFET的关断。所述电源模块产生高电压和低电压；高电压供给上电复位模块、MOSFET驱动和限流模块；低电压供给逻辑控制模块、MOSFET保护模块、输出驱动模块、带隙基准模块、负载状态模块、上电复位模块、MOSFET驱动和限流模块、I2T过流保护模块和短路判断模块。上电复位模块包括高压控制模块和低压控制模块；电源模块上电时，在低电压大于第一电压后，低压控制模块使得与低电压相连的各模块正常工作；在低电压大于第一电压后，并且高电压大于第二电压高压后，上电复位模块使得MOSFET驱动和限流模块输出正常的功率MOSFET栅极驱动电压；电源模块掉电时，当低电压小于第三电压时，上电复位模块产生低电平的复位信号RESET，用于锁存跳闸信号TRP和负载状态信号ISTATUS信号。本专利技术与现有技术相比具有如下优点(1)本专利技术的固态功率控制器通过内部全定制模拟集成电路芯片，实现了器件的小型化，低功耗，高可靠，并提高了控制器的环境适应性。控制芯片的静态功耗仅不到2mW， 芯片的总面积也仅为1. IcmXl. Icm0由此可见，基于ASIC技术的固态功率控制器在体积和功耗方面较分离元件搭建的电路有明显优势。且从可靠性方面考虑，单一芯片从信号内部传递和工艺制作一致性方面，都是分离元件搭建的系统所不能比拟的。(2)与以往的控制芯片相比，本专利技术在控制芯片内部产生TRP信号后，直接短路 MOSFET栅源两端，从而达到迅速关闭(在IOOus内关断)M0SFET的效果。(3)相对于US6125024A，本专利技术增加了短路判断模块，通过内置短路电压比较器， 为母线电流在10倍过流内提供短路保护，使本专利技术的固态功率控制器更可靠。(4)较专利技术专利US6125024A，本专利技术通过增加可编程端口输入驱动逻辑电平使能信号C0MEN，使得控制芯片可在不同条件下接收高电平或低电平的驱动信号。避免了接收单一驱动电平的控制芯片还需在外部增加电平转换芯片，减小了由外部电平转换芯片带来的系统功耗，提高了实用性。附图说明图1基于全定制集成电路芯片(ASIC)技术实现的直流固态功率控制器原理框图；图2本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨帆，赵英凯，唐侃，朱灵允，
申请(专利权)人：航天时代电子技术股份有限公司，中国航天时代电子公司，
类型：发明
国别省市：