具有软开通功能的多通道固态功率控制器及其运行方法与流程

1.本发明涉及功率控制器技术领域，尤其涉及一种具有软开通功能的多通道固态功率控制器及其运行方法。


背景技术：

2.常见的固态功率开关带大容性负载时，容值通常会达到1000μf及以上，因此，常规的硬开通方案对于大容性负载不适用，否则过高的浪涌电流可能会在通电过程中造成电气元件的应力，从而降低其工作寿命和潜在的电力危害等问题。
3.目前，针对上述问题所提出的解决方案有两种：一种是固态功率控制器的配电通道使用脉宽调制驱动从而达到限流的作用，为了区分后端是接了大容性负载或是真正短路，反复接通/关断固态功率控制器配电通道，通过检测输出电压值，如果是容性负载则固态功率控制器反复通断几个周期电容得到充电后会检测到输出电压升高，否则判断为短路故障。然而这种技术方案的弊端是在固态功率控制器配电通道反复开通关断的过程中mosfet的开关损耗很大，特别是在满载电流存在的工况下，容易造成过度开关损耗而损坏mosfet。
4.另一种是固态功率控制器的每一个配电通道采用复合开关的形式实现，主功率通道采用机械式接触器实现，优势是导通电阻小，过电流能力强；副通道采用固态功率器件mosfet串接限流电阻实现。主功率通道和副通道并接，在配电通道启动接通时先接通副通道mosfet，此时串接的限流电阻将电流限制在远低于电流保护阈值，并以此电流为容性负载充电，通过检测输出电压值以判断后端是否短路过故障，若是短路故障则关断副通道mosfet，否则接通主通道，完成配电通道启动接通动作。这种技术方案需要每一路配电通道增加副通道mosfet和限流电阻，体积、重量以及成本均会大幅增加。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种能够在不造成过大涌流的情况下启动大容性负载，以提高系统的可靠性、安全性和减少电磁干扰的具有软开通功能的多通道固态功率控制器及其运行方法。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种具有软开通功能的多通道固态功率控制器，包括mcu、电源变换电路、总线接口电路和至少一个配电通道单元；
7.所述电源变换电路的输出端分别与所述mcu、所述总线接口电路和所述配电通道单元连接，所述总线接口电路与所述mcu的通信端连接，所述mcu与所述配电通道单元连接。
8.其中，所述配电通道单元包括栅极驱动电路和信号调理电路，所述栅极驱动电路与所述mcu连接；所述信号调理电路与所述mcu连接。
9.其中，所述配电通道单元还包括主功率通道mosfet和预充通道mosfet，所述主功率通道mosfet的栅极与所述栅极驱动电路的一个输出端连接；所述预充通道mosfet的源极与所述主功率通道mosfet的源极连接，所述预充通道mosfet的栅极与所述栅极驱动电路的
另一个输出连接。
10.其中，所述配电通道单元还包括电流传感器和防反二极管，所述电流传感器的电流输入端与所述主功率通道mosfet的源极连接，所述电流传感器的电流输出端与容性负载端连接，所述电流传感器的信号输出端与所述信号调理电路的输入端连接；所述防反二极管的阳极与所述预充通道mosfet的漏极连接。
11.其中，所述具有软开通功能的多通道固态功率控制器还包括限流电阻rw，所述限流电阻rw的一端与功率电源母线连接，所述限流电阻rw的另一端与所述防反二极管构的阴极连接。
12.一种具有软开通功能的多通道固态功率控制器运行方法，包括以下步骤：
13.辅助电源经电源变化电路的变换后为mcu、总线接口电路、以及所有配电通道单元的栅极驱动电路和信号调理电路供电；
14.上位机通过外部总线发送某一配电通道开通指令，mcu接收到开通指令后，控制对应配电通道单元的栅极驱动电路产生栅极驱动信号使预充通道mosfet接通，此时预充通道作为配电输出通道，电流从功率电源母线经过限流电阻rw、防反二极管、预充通道mosfet和电流后到达对应配电通道的容性负载，开始为对应配电通道的容性负载的电容充电；
15.容性负载充电达到一点程度后，mcu控制主功率通道mosfet接通，关断预充通道mosfet，此时转由主功率通道作为配电输出通道，为对应配电通道的容性负载的电容充电；
16.当对应配电通道的容性负载的电容充电完成后，完成对该配电通道的软启动。
17.本发明的一种具有软开通功能的多通道固态功率控制器及其运行方法，所述电源变换电路提供工作电源，所述总线接口电路负责与上位机通信，接收上位机下发的指令以及发送所述mcu上报的数据信息，所述mcu按照上位机指令控制配电开关开通/关断，产生预设的开关或关断时指令时序，对采集的电流、电压信息综合处理等，所述栅极驱动电路依据所述mcu的控制指令及时序，分别产生驱动所述预充通道mosfet和所述主功率通道mosfet的驱动信号，所述信号调理电路将电流/电压传感器采集的数据经过滤波等处理后传给所述mcu的ad口，采用所述预充通道mosfet对容性负载进行充电，将充电电流限制在远低于电流保护阈值，通过检测输出电压值以判断后端是否短路过故障，若是短路故障则关断所述预充通道mosfet，否则接通所述主功率通道mosfet，从而完成配电通道启动接通动作，这样既减小了充电浪涌电流对功率开关器件的电应力，又避免了触发短路保护功能造成的误保护现象，所述预充通道mosfet共用所述限流电阻rw，如果充电电流限制在低于配电通道额定电流值，且接通时间较短的情况下，所述预充通道mosfet过电流能力要求相对所述主功率通道mosfet要小很多，因此可以选择体积较小的mosfet型号；相对于每一路配电通道配置复合开关的方案，本发明大幅降低了固态功率控制器的体积、重量以及成本，特别是在如机载高压直流配电(如270v、450v电压等级等)等大功率直流应用场景下，是一种实用、可靠和经济有效的方法。
附图说明
18.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
19.图1是固态功率控制器带容性负载的典型应用电路模型。
20.图2是本发明的具有软开通功能的多通道固态功率控制器的原理框图。
21.图3是本发明的具有软开通功能的多通道固态功率控制器运行方法的步骤图。
22.图中：101-mcu、102-电源变换电路、103-总线接口电路、104-栅极驱动电路、105-信号调理电路、106-主功率通道mosfet、107-预充通道mosfet、108-电流传感器、109-防反二极管、110-限流电阻rw。
具体实施方式
23.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
24.本技术第一实施例为：
25.请参阅图1和图2，其中，图1是固态功率控制器带容性负载的典型应用电路模型。图2是本发明的具有软开通功能的多通道固态功率控制器的原理框图。
26.本发明提供一种具有软开通功能的多通道固态功率控制器：包括mcu101、电源变换电路102、总线接口电路103、限流电阻rw110和至少一个配电通道单元，所述配电通道单元包括栅极驱动电路104、信号调理电路105、主功率通道mosfet106、预充通道mosfet107、电流传感器108和防反二极管109。
27.针对本具体实施方式，所述电源变换电路102的输出端分别与所述mcu101、所述总线接口电路103和所述配电通道单元连接，所述总线接口电路103与所述mcu101的通信端连接，所述mcu101与所述配电通道单元连接。所述栅极驱动电路104与所述mcu101连接；所述信号调理电路105与所述mcu101连接。所述主功率通道mosfet106的栅极与所述栅极驱动电路104的一个输出端连接；所述预充通道mosfet107的源极与所述主功率通道mosfet106的源极连接，所述预充通道mosfet107的栅极与所述栅极驱动电路104的另一个输出连接。所述电流传感器108的电流输入端与所述主功率通道mosfet106的源极连接，所述电流传感器108的电流输出端与容性负载端连接，所述电流传感器108的信号输出端与所述信号调理电路105的输入端连接；所述防反二极管109的阳极与所述预充通道mosfet107的漏极连接。所述限流电阻rw110的一端与功率电源母线连接，所述限流电阻rw110的另一端与所述防反二极管109构的阴极连接。
28.所述电源变换电路102的输入端与辅助电源的输出端连接，所述电源变换电路102的输出端连接所述mcu101、所述总线接口电路103、以及所有所述配电通道单元的所述栅极驱动电路104和所述信号调理电路105的电源端，所述总线接口电路103与外部总线连接，所述总线接口电路103与外部总线之间的通信总线为can总线、rs422/rs485总线、rs232总线或以太网口等多种通信接口形式中的一种或多种并用，所述总线接口电路103与所述mcu101的通信端连接，所述mcu101的不同i/o口与不同所述配电通道单元的所述栅极驱动电路104连接，所述mcu101的不同ad口与不同所述配电通道单元的所述信号调理电路105连接，所述主功率通道mosfet106的漏极与功率电源母线连接，所述主功率通道mosfet106的源极与所述电流传感器108的电流输入端连接，所述主功率通道mosfet106的栅极与所述栅极驱动电路104一个输出端连接，所述限流电阻rw110的一端与功率电源母线连接，所述限流电阻rw110的另一端与所述防反二极管109的阴极连接，所述防反二极管109的阳极与所述预充通道mosfet107的漏极连接，所述预充通道mosfet107的源极与所述主功率通道
mosfet106的源极连接，所述预充通道mosfet107的栅极与所述栅极驱动电路104的另一个输出连接，所述电流传感器108的电流输出端与容性负载端连接，所述电流传感器108的信号输出端与所述信号调理电路105输入端连接。
29.使用本实施例的一种具有软开通功能的多通道固态功率控制器，所述电源变换电路102为各功能模块提供工作电源，所述总线接口电路103负责与上位机通信，接收上位机下发的指令以及发送所述mcu101上报的数据信息，所述mcu101按照上位机指令控制配电开关开通/关断，产生预设的开关或关断时指令时序，对采集的电流、电压信息综合处理等，所述栅极驱动电路104依据所述mcu101的控制指令及时序，分别产生所述驱动预充通道mosfet107和所述主功率通道mosfet106的驱动信号，所述信号调理电路105将电流/电压传感器采集的数据经过滤波等处理后传给所述mcu101的ad口；采用预充通道对容性负载进行充电，将充电电流限制在远低于电流保护阈值，通过检测输出电压值以判断后端是否短路过故障，若是短路故障则关断预充通道mosfet107，否则接通主功率通道mosfet106，从而完成配电通道启动接通动作，这样既减小了充电浪涌电流对功率开关器件的电应力，又避免了触发短路保护功能造成的误保护现象，预充通道共用限流电阻rw110，如果充电电流限制在低于配电通道额定电流值，且接通时间较短的情况下，预充通道的mosfet过电流能力要求相对主功率通道mosfet106要小很多，因此可以选择体积较小的mosfet型号，相对于每一路配电通道配置复合开关的方案，本发明大幅降低了固态功率控制器的体积、重量以及成本，特别是在如机载高压直流配电(如270v、450v电压等级等)等大功率直流应用场景下，是一种实用、可靠和经济有效的方法。
30.本技术第二实施例为：
31.在第一实施例的基础上，请参阅图3，其中，图3是本发明的具有软开通功能的多通道固态功率控制器运行方法的步骤图。
32.本发明的一种具有软开通功能的多通道固态功率控制器运行方法，包括以下步骤：
33.s201：辅助电源经电源变化电路的变换后为mcu101、总线接口电路103、以及所有配电通道单元的栅极驱动电路104和信号调理电路105供电；
34.s202：上位机通过外部总线发送某一配电通道开通指令，mcu101接收到开通指令后，控制对应配电通道单元的栅极驱动电路104产生栅极驱动信号使预充通道mosfet107接通，此时预充通道作为配电输出通道，电流从功率电源母线经过限流电阻rw110、防反二极管109、预充通道mosfet107和电流后到达对应配电通道的容性负载，开始为对应配电通道的容性负载的电容充电；
35.s203：容性负载充电达到一点程度后，mcu101控制主功率通道mosfet106接通，关断预充通道mosfet107，此时转由主功率通道作为配电输出通道，为对应配电通道的容性负载的电容充电；
36.s204：当对应配电通道的容性负载的电容充电完成后，完成对该配电通道的软启动。
37.具体的，步骤1：辅助电源经电源变化电路的dc/dc变换后为各功能模块，即mcu101、总线接口电路103、以及所有配电通道单元的栅极驱动电路104和信号调理电路105供电，各功能模块处于正常工作模式；步骤2：上位机通过外部总线发送某一配电通道开通
指令，mcu101接收到开通指令后，控制对应配电通道的配电通道单元的栅极驱动电路104产生栅极驱动信号使预充通道mosfet107接通，此时预充通道作为配电输出通道，电流从功率电源母线经过限流电阻rw110、防反二极管109、预充通道mosfet107和电流后到达对应配电通道的容性负载，开始为对应配电通道的容性负载的电容充电；步骤3：容性负载充电达到一点程度即mcu101内部计数器累积计数一定值(可以依据容性负载容值大小来确定充电时间，进而确定计数值)后，mcu101控制主功率通道mosfet106接通，关断预充通道mosfet107，此时转由主功率通道作为配电输出通道，即电流从功率电源母线经过主功率通道mosfet106和电流后到达对应配电通道的容性负载，为对应配电通道的容性负载的电容充电；步骤4：当对应配电通道的容性负载的电容充电完成后，完成对该配电通道的软启动。其中，步骤2中的预充栅极驱动信号和步骤3中的主功率栅极驱动信号为不同信号，它们之间产生的时间差为容性负载的电容充电时间，其时间的更改可以由mcu101综合处理实现。采用预充通道对容性负载进行充电，将充电电流限制在远低于电流保护阈值，通过检测输出电压值以判断后端是否短路过故障，若是短路故障则关断预充通道mosfet107，否则接通主功率通道mosfet106，从而完成配电通道启动接通动作，这样既减小了充电浪涌电流对功率开关器件的电应力，又避免了触发短路保护功能造成的误保护现象；
38.预充通道共用限流电阻rw110，如果充电电流限制在低于配电通道额定电流值，且接通时间较短的情况下，预充通道的mosfet过电流能力要求相对主通道mosfet要小很多，因此可以选择体积较小的mosfet型号；
39.相对于每一路配电通道配置复合开关的方案，本发明大幅降低了sspc的体积、重量以及成本，特别是在如机载高压直流配电(如270v、450v电压等级等)等大功率直流应用场景下，是一种实用、可靠和经济有效的方法。
40.以上所揭露的仅为本技术一种或多种较佳实施例而已，不能以此来限定本技术之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本技术权利要求所作的等同变化，仍属于本技术所涵盖的范围。

技术特征：
1.一种具有软开通功能的多通道固态功率控制器，其特征在于，包括mcu、电源变换电路、总线接口电路和至少一个配电通道单元；所述电源变换电路的输出端分别与所述mcu、所述总线接口电路和所述配电通道单元连接，所述总线接口电路与所述mcu的通信端连接，所述mcu与所述配电通道单元连接。2.如权利要求1所述的具有软开通功能的多通道固态功率控制器，其特征在于，所述配电通道单元包括栅极驱动电路和信号调理电路，所述栅极驱动电路与所述mcu连接；所述信号调理电路与所述mcu连接。3.如权利要求2所述的具有软开通功能的多通道固态功率控制器，其特征在于，所述配电通道单元还包括主功率通道mosfet和预充通道mosfet，所述主功率通道mosfet的栅极与所述栅极驱动电路的一个输出端连接；所述预充通道mosfet的源极与所述主功率通道mosfet的源极连接，所述预充通道mosfet的栅极与所述栅极驱动电路的另一个输出连接。4.如权利要求3所述的具有软开通功能的多通道固态功率控制器，其特征在于，所述配电通道单元还包括电流传感器和防反二极管，所述电流传感器的电流输入端与所述主功率通道mosfet的源极连接，所述电流传感器的电流输出端与容性负载端连接，所述电流传感器的信号输出端与所述信号调理电路的输入端连接；所述防反二极管的阳极与所述预充通道mosfet的漏极连接。5.如权利要求4所述的具有软开通功能的多通道固态功率控制器，其特征在于，所述具有软开通功能的多通道固态功率控制器还包括限流电阻rw，所述限流电阻rw的一端与功率电源母线连接，所述限流电阻rw的另一端与所述防反二极管构的阴极连接。6.一种具有软开通功能的多通道固态功率控制器运行方法，适用于如权利要求1所述的具有软开通功能的多通道固态功率控制器，其特征在于，包括以下步骤：辅助电源经电源变化电路的变换后为mcu、总线接口电路、以及所有配电通道单元的栅极驱动电路和信号调理电路供电；上位机通过外部总线发送某一配电通道开通指令，mcu接收到开通指令后，控制对应配电通道单元的栅极驱动电路产生栅极驱动信号使预充通道mosfet接通，此时预充通道作为配电输出通道，电流从功率电源母线经过限流电阻rw、防反二极管、预充通道mosfet和电流后到达对应配电通道的容性负载，开始为对应配电通道的容性负载的电容充电；容性负载充电达到一点程度后，mcu控制主功率通道mosfet接通，关断预充通道mosfet，此时转由主功率通道作为配电输出通道，为对应配电通道的容性负载的电容充电；当对应配电通道的容性负载的电容充电完成后，完成对该配电通道的软启动。

技术总结
本发明涉及功率控制器技术领域，具体涉及一种具有软开通功能的多通道固态功率控制器及其运行方法，包括MCU、电源变换电路、总线接口电路和至少一个配电通道单元，采用预充通道MOSFET对容性负载进行充电，将充电电流限制在远低于电流保护阈值，通过检测输出电压值以判断后端是否短路过故障，若是短路故障则关断预充通道MOSFET，否则接通主功率通道MOSFET，从而完成配电通道启动接通动作，这样既减小了充电浪涌电流对功率开关器件的电应力，又避免了触发短路保护功能造成的误保护现象，相对于每一路配电通道配置复合开关的方案，大幅降低了固态功率控制器的体积、重量以及成本。重量以及成本。重量以及成本。


技术研发人员：陈春海 黄志爱 陈庆潮 郭高成 陆玉芳 张建军 韩成福 陈春婷
受保护的技术使用者：桂林星云电子科技有限公司
技术研发日：2023.06.09
技术公布日：2023/9/22