[发明专利]一种交流固态功率控制器的软开关装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种交流固态功率控制器的软开关装置，属于电路通断自动控制装置。

背景技术

固态功率控制器(Solid-State Power Controller，SSPC)是由半导体器件构成的智能开关装置，用于接通或断开电路，实现电路保护和接受前级计算机的控制信号并报告其工作状态信号。它的作用与传统的机械式热自动开关、保险丝与继电器串联的联合体或者其他控制保护器相似，但在性能及功能上大大优于这些传统的装置：它能快速接通和断开电路而不产生电弧，因而高空性能好，特别适合于航空应用；它内部没有活动部件，因此不产生机械磨损，故障率低，可靠性高；过载时按反延时特性“跳闸”，保护电气负载设备和线路；设有电气隔离措施，抗干扰能力强等^[1]。早在上世纪70年代，国外就开始研究SSPC，但多年后仍未得到实际应用。其主要原因是当时晶体管的通态压降大，达0.4伏～0.5伏，通态损耗远大于触点开关。近年来，电力电子技术有了突破性进展，MOS管器件的通态电阻仅毫欧级，为SSPC的发展创造了条件。目前SSPC已在国外新型飞机上大量采用。

在交流SSPC中，功率开关管零电压导通和零电流关断的软开关技术是一项关键技术。

传统的硬开关电路，在导通和关断的时刻由于开关器件的延时，使得电压和电流有相当的重合部分，这样导致了很大的功率损耗。软开关技术，就是在开关管开通前，使电压下降到零，实现零电压开通；在开关管关断前，使其电流减小到零，实现零电流关断。

软开关技术不仅可以有效减小开关管的开通关断损耗，还可以减小在开通关断瞬间由于电压电流的突变而引起过高的dv/dt、di/dt产生的电压、电流尖峰，从而避免开关管运行轨迹超出安全工作区(SOA)，保证开关管的可靠运行，同时还会减小由过高的di/dt、dv/dt产生的严重的电磁干扰。

目前国外交流固态功率控制器产品的主功率管都采用双向晶闸管，例如LEACH公司的P111系列交流固态功率控制器^[2]和NHI公司的SSPC 90000系列产品^[3]。双向晶闸管作为电力半导体器件，具有体积小、重量轻、容量高、控制特性好等优点。双向晶闸管可以实现电流自然过零关断，配置上专用的触发芯片，例如摩托罗拉公司生产的MOC3061，双向晶闸管亦可容易地实现零电压开通。

虽然双向晶闸管应用于交流场合时，可以实现零电压开通和电流自然过零关断，但双向晶闸管用作交流固态功率控制器的功率开关时，也带来了一些问题：

(1)当交流固态功率控制器发生大电流短路故障，立即保护电路动作，发出保护关断信号，但双向晶闸管仍然要等到电流过零时才能关断，这将导致短路电流持续时间过长，短路电流最长可持续半个周期。

(2)晶闸管的内部结构决定其导通压降较大，其导通压降基本上是两个晶体管基射极的压降，相当于两个PN结的压降。

(3)晶闸管开通时间约为1～4.5微妙，但其关断时间较长，约几百微妙，这是因为关断后，抽取少数载流子以及载流子的复合都需要一段时间。所以，双向可控硅的工作频率较低，一般用于400Hz以下的场合，这不满足飞机交流变频电源系统的需求。

上述这些因素限制了双向晶闸管在固态功率控制器中的使用。特别是晶闸管导通压降大，导致了现有交流固态功率控制器仅能用于小功率场合，随着负载电流的增加，晶闸管的功耗显著增加，管子发热严重。因此随着我国航空航天事业的发展，迫切需要研制以新型电力电子器件为主功率开关的交流固态功率控制器。

随着电力电子技术的发展，功率MOSFET逐渐斩露头角，由于它是电压型控制器件，具有很高的输入阻抗，驱动功率小，开关速度快、导通电阻小，而且导通电阻是正温度系数，易并联，这些优点使得功率MOSFET可能取代双向晶闸管，成为新型交流固态功率控制器的主开关器件。

MOSFET常用作直流开关，直流电路中，给MOSFET的栅极和源极间加上适当控制电压，即可对负载进行通断控制。MOSFET也可对交流电路进行控制，由于其结构上的寄生二极管，因此单个MOSFET用作交流开关时，仅能对正半周期进行控制，负半周期电流会通过寄生二极管接通电路。因此功率MOSFET不适用于直接开关交流波形。