一种固态功率控制器反延时保护硬件电路的制作方法

1.本发明涉及固态功率控制器，特别地是，一种固态功率控制器反延时保护硬件电路。


背景技术：

2.固态功率控制器（solid state power control,简称sspc)是由半导体器件构成的智能开关装置。固态功率控制器是一种用来代替断路器电路保护功能的固态器件，具有响应快、寿命长、可靠性高等优点。其中固态功率控制器一项重要保护功能是反延时过流保护。它的保护动作是由被保护系统的过载电流大小决定的，过载电流不同，其对应的做出保护的时间也会有所不同，能够针对实际负载大小做出及时有效地保护。
3.目前，现有的固态功率控制器反延时保护功能主要通过软件实现，在负载过载情况下，微处理器根据电流采样电路采集的负载电流，按照延时跳闸曲线计算所需要的延时动作时间，并输出过流保护信号至逻辑单元，通过逻辑单元中的保护逻辑实现反延时保护功能。该方法虽然能够有效实现反延时保护，但是考虑到产品的可靠性，避免回路中出现单点故障，在软件失效的情况下，若能采用硬件电路加以保护，则对设备安全工作起到了双余度保护作用。


技术实现要素：

4.本发明要解决现有技术中固态功率控制器利用软件实现反延时保护的问题，提供一种新型的固态功率控制器反延时保护硬件电路。
5.为了实现这一目的，本发明的技术方案如下：一种固态功率控制器反延时保护硬件电路，其特征在于，包含有，功率输出单元，所述功率输出单元具有采样电阻，所述采样电阻的两端依次接平方单元、电压/电流转换单元、rc充放电单元及比较保护单元，所述采样电阻用于根据经过的负载电流输出对应的采样电压，所述平方单元用于平方处理所述采样电压，所述电压/电流转换单元用于将平方处理后的所述采样电压转换成对应的充电电流，所述rc充放电单元用于根据所述充电电流进行充电，所述比较保护单元用于监测所述rc充放电单元的两端电压，仅当所述rc充放电单元的两端电压超过所述比较保护单元的比较阈值，所述比较保护单元才会输出过流保护信号。
6.作为一种固态功率控制器反延时保护硬件电路的优选方案，所述平方单元具有运算放大器a1-a4、电阻r1-r4及晶体管t1-t4，所述运算放大器a1的反相输入端分别接所述电阻r1的第一端及所述晶体管t1的集电极，所述电阻r1的第二端与所述运算放大器a1同相输入端分别连接所述采样电阻的两端，所述运算放大器a1的输出端接所述晶体管t1的发射极，所述运算放大器a2的反相输入端分别接所述电阻r2的第一端及所述晶体管t2的集电极，所述电阻r2的第二端与所述运算放大器a2的同相输入端分别接所述采样电阻的两端，所述运算放大器a2的输出端分别接所述晶体管t2的发射极及所述晶体管t1的基极，所述晶体管t2的基极接地；所述运算放大器a3的反相输入端分别接所述电阻r3的第一端及所述晶
体管t3的集电极，所述电阻r3的第二端与所述运算放大器a3的同相输入端分别接基准电压v3的两端，所述运算放大器a3的输出端分别接所述晶体管t3的发射极及所述晶体管t4的基极，所述晶体管t3的基极接地；所述运算放大器a4的反相输入端分别接所述晶体管t4的集电极及所述电阻r4的第一端，所述运算放大器a4的同相输入端接地，所述电阻r4的第二端接所述运算放大器a4的输出端，所述晶体管t1的发射极接所述晶体管t4的发射极，所述运算放大器a4的输出端为所述平方单元的输出端。
7.作为一种固态功率控制器反延时保护硬件电路的优选方案，所述电压/电流转换单元具有运算放大器a5-a6及电阻r5-r9，所述运算放大器a5的同相输入端分别接所述电阻r5的第一端及所述电阻r6的第一端，所述电阻r5的第二端接所述平分单元的输出端，所述电阻r6的第二端分别所述运算放大器a6的输出端及反相输入端，所述运算放大器a5的输出端分别所述电阻r7的第一端及所述电阻r8的第一端，所述运算放大器a5的反相输入端分别接所述电阻r8的第二端及所述电阻r9的第一端，所述运算放大器a6的同相输入端接所述电阻r7的第二端，所述电阻r9的第二端接地，所述运算放大器a6的同相输入端为所述电压/电流转换单元的输出端。
8.作为一种固态功率控制器反延时保护硬件电路的优选方案，所述rc充放电单元具有电阻r及电容c，所述电压/电流转换单元的输出端分别接所述电阻r的第一端及所述电容c的第一端，所述电阻r的第二端及所述电容c的第二端均接地。
9.作为一种固态功率控制器反延时保护硬件电路的优选方案，所述比较保护单元具有运算放大器a，所述运算放大器a的反相输入端接所述比较阈值，所述比较阈值由反延时保护曲线确定，所述运算放大器a的同相输入端接所述rc充放电单元的正端。
10.与现有技术相比，本发明的有益效果至少在于：以硬件方式实现固态功率控制器的反延时保护功能；避免实际电路因软件失效导致的单点故障；提高产品可靠性，采用的硬件电路为常用器件，简单可靠；比较阈值根据不同的反延时曲线，可调整硬件电路参数，加以更改。
11.除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的有益效果之外，本发明所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的有益效果，将连接附图作出进一步详细的说明。
附图说明
12.图1为本发明的电路原理框图。
13.图2为本发明中平方单元的结构示意图。
14.图3为本发明中电压-电流转换单元的结构示意图。
15.图4为本发明中rc充放电单元及比较保护单元的结构示意图。
16.图5为本发明中反延时保护曲线图。
17.图6为本发明中反延时保护工作波形图。
具体实施方式
18.下面通过具体的实施方式连接附图对本发明作进一步详细说明。在此需要说明的
是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
19.请参见图1，图中示出的是一种固态功率控制器反延时保护硬件电路。其应用于主功率回路的采样电阻两端，采集采样电阻两端电压，经过平方电路，将采集的电压进行平方处理；接着，将采集的电压通过电压-电流转换电路，将电压转换为电流；然后对rc并联回路进行充电，当rc两端电压达到比较保护电路阈值时，比较器输出3.3v的电压，输出过流保护信号，并将该信号输出至逻辑单元，通过逻辑单元中的保护逻辑实现反延时保护。
20.请参见图2，运算放大器a1的反相输入端连接电阻r1及晶体管t1的集电极，r1的另一端与运算放大器a1同相输入端分别连接采样电阻两端（v1），运算放大器输出端连接晶体管t1的发射极；运算放大器a2的反相输入端连接电阻r2及晶体管t2的集电极，r2的另一端与运算放大器a2同相输入端分别连接采样电阻两端（v2，v1=v2），运算放大器输出端连接晶体管t2的发射极及晶体管t1的基极，晶体管t2的基极接地；运算放大器a3的反相输入端连接电阻r3及晶体管t3的集电极，r3的另一端与运算放大器a3同相输入端分别连接基准电压v3两端，运算放大器输出端连接晶体管t3的发射极及晶体管t4的基极，晶体管t3的基极接地；运算放大器a4的反相输入端连接晶体管t4的集电极，运算放大器a4同相输入端连接采样电阻参考地，电阻r4跨接在晶体管t4的集电极与运算放大器输出端两侧，晶体管t1的发射极及晶体管t4的发射极相连。v3为一固定电压，在实际电路中可采用基准电压芯片及分压电阻得固定电压，其值为1.0v左右，电路采用除法运算v3可有效消除电路中由于三极管、电阻等受温度影响造成的偏移误差。经计算化简得v1v2 r3is3/ r1is1r2is2v3= vo/r4is4，使电阻r1、r2、r3、r4阻值相同，四个晶体管管子相同，则最终运算放大器a4的输出即为平方电路输出vo=v1v2/v3（v1=v2）。
21.请参见图3，由两个背靠背运算放大器及部分限流电阻组成。前端平方电路输出作为电压/电流转换电路的输入，运放a5的同相输入端通过电阻r5连接至信号输入，通过电阻r6连接至运放a6的输出端，运放a5的反相输入端通过电阻r9连接至地，同时将a5的反相输入端通过电阻r8连接至a5的输出端；运放a5的输出端通过电阻r7连接至运放a6的同相输入端，a6的反相输入端连接至a6输出端，a6的同相输入端即为电压/电流转换电路的输出，同样地经计算化简得该转换电路输出电流：io=[(r6*r8 r6*r9)*vo]/[(r5*r9 r6*r9)*r7]。
[0022]
请参见图4，该电路相对简单，这里不做详细表述，对于rc值的选取，参考国外ddc公司的产品ssp-21120中的反时限保护特性，取rc=4.2或2.6或相近参数即可。
[0023]
请参见图5，根据该曲线可看出反延时保护主要分为不跳闸区域、可跳闸区域和必跳闸区域三个区，实际反延时保护工作在可跳闸区域。
[0024]
请参见图6，，以2倍过载为例，每一级电路输出波形如下，设计曲线如图5中绿色曲线所示，以常用反延时保护曲线t=20/[(i/ie)2-1.21]为例，式中i为实际功率回路负载电流，ie为通道额定电流，t为保护时间。实际设计的固态功率控制器采样电阻两端采集的电压额定情况下为50mv，以2倍过载为例，输入为100mv的采集电压。观察图6中平方电路的输出电压，其输出电压为10mv；进一步观察v-i转换电流，设定电压-电流转换电路中的电阻为100ω，则根据理论其输出电流应为100ua；根据反延时保护曲线，设置比较保护电路阈值为288mv，则其保护时间应接近于7.168s。
[0025]
以上仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但且不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。