本發(fā)明屬于電源控制器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種大功率電源控制器。

背景技術(shù)：

隨著新一代電源控制器系統(tǒng)功率密度的進一步提高以及三結(jié)砷化鎵(gaas)多節(jié)太陽能電池的引入，使得s3r調(diào)節(jié)技術(shù)的設(shè)計變得更加復(fù)雜，而采用“砷化鎵(gaas)三接調(diào)節(jié)技術(shù)”的太陽能陣列(28％)較傳統(tǒng)硅陣列(18％)具有更高的效率、重量和體積都相應(yīng)地減少等優(yōu)點，但是它的寄生參數(shù)明顯增加。寄生參數(shù)的增加會帶來以下問題：

1.當mosfet開通的瞬間，寄生電容csa放電，由可知，在開通瞬間必然會產(chǎn)生很高的尖峰電流，此時需要設(shè)計一個電流吸收裝置來減小電流尖峰，更重要一方面是它會使得開關(guān)損耗很大，效率降低。

2.增加由于寄生電容帶來的延遲時間會降低母線直流特性，降低整個控制系統(tǒng)帶寬，使得輸出阻抗提高，削弱系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)。

3.單陣太陽能電池電流達到16a，任何一路不應(yīng)該允許有短路失效故障，造成單陣1600w功率的喪失，因此采用mosfet串聯(lián)的方式避免此問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，針對于s3r電源系統(tǒng)在高太陽能電池寄生電容、高單陣電流以及高母線電壓應(yīng)用中所存在的高開關(guān)頻率、高損耗問題，本發(fā)明提出了一種大功率電源控制器，提升了電源控制器的功率等級及轉(zhuǎn)換效率。

本發(fā)明具體通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種大功率電源控制器，包括分流調(diào)節(jié)器sr主功率部分、驅(qū)動和滯環(huán)控制單元以及保護電路；其中，sr主功率部分采用mosfet管分流和二極管串聯(lián)機制，兩個mosfet管串聯(lián)，兩個二極管分別并聯(lián)于兩個mosfet管的兩端，驅(qū)動和滯環(huán)控制單元采用兩套，分別控制串聯(lián)的上下兩個mosfet管；太陽陣正線與限流電感加阻容吸收電路的輸入端相連，限流電感加阻容吸收電路的輸出端與sr主功率部分相連，限流電感加阻容吸收電路的輸出端通過整流二極管與母線正線相連。

進一地，太陽陣正線與電阻r1的一端相連，r1的另一端與電容c1的一端相連，電感l(wèi)1的一端與太陽陣正線相連，l1的另一端與c1的另一端相連；兩個二極管d1的正極均與l1的另一端相連，兩個二極管的負極均與母線正線相連；負載的一端與母線正線相連，負載的另一端與母線回線相連，電容陣c并聯(lián)于負載的兩端。

進一步地，mosfet管為n溝道m(xù)osfet管，mosfet管p1的漏極與電感l(wèi)1的另一端相連，p1的源極與mosfet管p2的漏極相連，p2的源極與電阻rs的一端相連，rs的另一端與母線回線相連；p1的柵極與高邊驅(qū)動電路的輸出端相連，p2的柵極與低邊驅(qū)動電路的輸出端相連。

進一步地，太陽陣mea接口r的輸出與高邊驅(qū)動電路的輸入端相連，太陽陣mea接口n的輸出與低邊驅(qū)動電路的輸入端相連；其中，太陽陣mea接口r為第一比較器，第一比較器的一輸入端輸入mea電壓，另一輸入端輸入第一參考電壓；太陽陣mea接口n為第二比較器，第二比較器的一輸入端輸入mea電壓，另一輸入端輸入第二參考電壓。

進一步地，所述保護電路包括單二極管失效保護電路，反向電流采樣電路為電流互感器，電流互感器串接在電感l(wèi)1與二極管d1之間，所述反向電流采樣電路的采樣到的電流輸入到反向電流檢測電路的輸入端，反向電流檢測電路的輸出端與保護閉鎖及復(fù)位電路的輸入端相連，保護閉鎖及復(fù)位電路的輸出端分別與高邊驅(qū)動電路的輸入端、低邊驅(qū)動電路的輸入端相連。

進一步地，反向電流檢測電路是第三比較器，反向電流采樣電路的輸出端與第三比較器的一輸入端相連，第三比較器的另一輸入端接第三參考電壓。

進一步地，所述保護電路包括過流保護電路，過流保護電路是第四比較器，第四比較器的一輸入端接采樣電阻rs的非接地端，第四比較器的另一輸入端接參考電壓，過流保護電路的輸出端與保護閉鎖及復(fù)位電路的輸入端相連。

進一步地，所述保護電路還包括欠壓保護電路、過損保護電路和峰值電流保護電路。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的電源控制器的結(jié)構(gòu)圖；

圖2是分流路sr驅(qū)動電壓示意圖；

圖3是供電路sr驅(qū)動電壓示意圖；

圖4是開關(guān)路sr驅(qū)動電壓示意圖；

圖5是母線電壓仿真波形圖；

圖6是分流路電流仿真波形圖；

圖7是帶有嵌套的sr陣列控制示意圖；

圖8是位于sr區(qū)域母線電壓輸出紋波示意圖；

圖9是本發(fā)明的電源控制器母線電壓調(diào)節(jié)控制框圖；

圖10是本發(fā)明的電源控制器進行單二極管失效保護的工作示意圖；

圖11是本發(fā)明的電源控制器進行過流保護的工作示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖說明及具體實施方式對本發(fā)明進一步說明。

本發(fā)明是一種高功率密度，適應(yīng)三結(jié)砷化鎵多節(jié)太陽能的電池大功率電源控制器。如附圖1所示，本發(fā)明的大功率電源控制器包括sr主功率部分、驅(qū)動和滯環(huán)控制單元以及保護電路；其中，sr主功率部分采用mosfet管分流和二極管串聯(lián)機制，mosfet管采用兩組串聯(lián)的模式，二極管并聯(lián)于mosfet管的兩端，驅(qū)動和滯環(huán)控制單元采用兩套，分別控制串聯(lián)的上下兩個mosfet管；太陽陣正線與限流電感加阻容吸收電路的輸入端相連，限流電感加阻容吸收電路的輸出端與sr主功率部分相連。限流電感加阻容吸收電路的輸出端通過整流二極管與母線正線相連。所述整流二極管是封在同一個殼體里的共陰型二極管。

具體地，太陽陣正線與電阻r1的一端相連，r1的另一端與電容c1的一端相連，電感l(wèi)1的一端與太陽陣正線相連，l1的另一端與c1的另一端相連；兩個二極管d1的正極均與l1的另一端相連，兩個二極管的負極均與母線正線相連；負載的一端與母線正線相連，負載的另一端與母線回線相連，電容陣c并聯(lián)于負載的兩端。

mosfet管以n溝道m(xù)osfet管為例，mosfet管p1的漏極與電感l(wèi)1的另一端相連，p1的源極與mosfet管p2的漏極相連，p2的源極與電阻rs的一端相連，rs的另一端與母線回線(即地)相連；p1的柵極與高邊驅(qū)動電路的輸出端相連，p2的柵極與低邊驅(qū)動電路的輸出端相連。電容c2的一端與p1的漏極相連，c2的另一端與電阻r2的一端相連，r2的另一端與p2的源極相連，r2和c2的這條支路主要是為了吸收mosfet上的電壓尖峰。mosfet管為p溝道m(xù)osfet管時，同樣可以實現(xiàn)sr主功率部分的功能。

如附圖2所示，當該路sr處于分流時，兩組驅(qū)動分別輸出為高，控制兩組mosfet導(dǎo)通，sa對地分流。

如附圖3所示，當該路sr處于供電時，兩組驅(qū)動分別輸出為低，控制兩組mosfet關(guān)斷，sa通往母線。

如附圖4所示，當該路sr處于調(diào)節(jié)時，主備份驅(qū)動輸出為脈沖驅(qū)動信號，制備份mosfet導(dǎo)通，sa開關(guān)調(diào)節(jié)控制母線電壓。

附圖5是母線電壓仿真波形圖，附圖6是分流路電流仿真波形圖，從上述仿真波形中可以看出，無論任何一路mosfet發(fā)生故障，母線電壓波形和分流路電流波形均不會受到影響，本發(fā)明的方案可以實現(xiàn)sr分流較高的可靠性，并且通過mosfet并聯(lián)降低調(diào)節(jié)路mosfet的溫度。

[控制方式設(shè)計]

在陽光區(qū)，母線誤差放大器(mea)調(diào)度整個能量的分配工作，其功能是穩(wěn)定母線電壓，控制不同的太陽能電池方陣分別處在分流、供電或調(diào)整狀態(tài)。太陽陣mea接口r的輸出與高邊驅(qū)動電路的輸入端相連，太陽陣mea接口n的輸出與低邊驅(qū)動電路的輸入端相連。其中，太陽陣mea接口為一比較器，比較器的一輸入端輸入mea電壓，另一輸入端輸入?yún)⒖茧妷骸?/p>

每一路sr有一個專用的基準電壓，每一路sr的參考電壓由電阻分壓網(wǎng)絡(luò)提供。因此分壓電路需要保證每一路sr陣列都能有一個基準電壓，以保障系統(tǒng)工作的可靠性。分壓網(wǎng)絡(luò)采用輸出電壓100v，母線作為基準電阻網(wǎng)絡(luò)的供電，之后利用精確的電阻進行分壓，每一路通過運放跟隨以保障分壓處獲取電流接近于0。這樣只要母線存在，sr就有相應(yīng)的基準電壓，電阻采用并聯(lián)的方式增加可靠性，任意一個電阻開路都可以使得系統(tǒng)正常工作，保證了系統(tǒng)工作可靠性。本發(fā)明的電源控制器啟動時刻，母線保持電池電壓，同樣可以提供基準電壓，使得sr進行工作穩(wěn)定母線。

滯環(huán)控制方式，母線電壓紋波(峰峰值)用δu表示。開關(guān)頻率用fsr表示。每個分陣列sr電流為isr。帶有嵌套的sr陣列控制如附圖7所示，母線電壓紋波如附圖8所示。

當母線電壓低于下限值時，這樣會使得mea輸出低于sr陣列中某一個sr的下限值，使得最近的sr陣列打開對負載充電，充電時間為tr，當母線電壓高于上限值時，會使得mea輸出電壓打到滯環(huán)區(qū)域的上限值，這時關(guān)閉最近sr，負載放電，電壓下降。這樣此位置的sr陣列處于最大開關(guān)頻率fsrmax工作(和其他sr陣列相比)。結(jié)合附圖8：

其中tr為對母線電容充電時間，充電電流為ic。td為對母線電容放電時間，放電電流為id。

根據(jù)電容伏安特性：

結(jié)合上述公式有：

當ic*id為最大時，開關(guān)頻率取得最大值。

當取得最大值，最大值為：

因此紋波滿足：

母線分壓系數(shù)：由于選擇mea中選擇溫度特性較好的6.4v穩(wěn)壓管，母線分壓系數(shù)為：

比例參數(shù)的選擇：在滿足s3r動態(tài)響應(yīng)和防止雙段調(diào)節(jié)的情況下選擇比例參數(shù)a為：

滯環(huán)區(qū)間的分布：單路滯環(huán)寬度是指單路sr的正門限電壓與負門限電壓之差，可以計算得出寬度為：

vhyst＝kaδvripple

在計算得出滯環(huán)寬度基礎(chǔ)上，計算相鄰sr間下限電壓間距為：

因此根據(jù)以上二式即可確定s3r總體的分布情況。

如附圖9所示的是電源控制器母線電壓調(diào)節(jié)控制框圖，圖中r為mea的比例增益，g模塊等效的壓控電流源，k為母線電壓反饋系數(shù)，vref為mea基準電壓，r(s)為pi控制器傳遞函數(shù)，g(s)為跨導(dǎo)增益，帶寬為20khz(開關(guān)頻率100khz的五分之一)，cbus為母線輸出濾波電容陣列。

由于對pi控制中的積分不影響開環(huán)帶寬和閉環(huán)帶寬，因此系統(tǒng)閉環(huán)帶寬計算省去積分部分，直接比例控制。

開環(huán)傳函：

求得開環(huán)帶寬：

當ωr·c＞＞1時，得到：

所以得到開環(huán)帶寬(閉環(huán)帶寬)為：

從上述分析可以看出，電源控制器輸出帶寬、輸出阻抗以及母線濾波電容存在上式所表示的關(guān)系，因此可以作為電源控制器總體設(shè)計的根本依據(jù)。

[保護電路設(shè)計]

1、單二極管失效保護：單路sr采用單個二極管以降低損耗提高效率，然而必須考慮到二極管如果短路失效對母線造成的影響。因此對電路進行實時監(jiān)測，二極管一旦短路失效，立即打開該路mosfet，避免對母線進行對地分流。

如附圖10所示，本發(fā)明主要通過電流互感器檢測當二極管發(fā)生短路時，電流互感器產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號與設(shè)置的電流參考進行比較后的信號送給保護閉鎖及復(fù)位單元，再經(jīng)過反向電流檢測單元電路把信號送到保護閉鎖及復(fù)位單元后，執(zhí)行關(guān)閉p1和p2的指令，使sr的能量直通母線，不會造成能量損失。反向電流采樣電路為電流互感器l3，電流互感器l3串接在電感l(wèi)1與二極管d1之間，所述反向電流采樣電路的采集到的電流輸入到反向電流檢測電路的輸入端，反向電流檢測電路的輸出端與保護閉鎖及復(fù)位電路的輸入端相連，保護閉鎖及復(fù)位電路的輸出端分別與高邊驅(qū)動電路的輸入端、低邊驅(qū)動電路的輸入端相連。

2、過流保護：如附圖11所示，當檢測到采樣電阻rs的電流超過額定電流時，過流保護單元電路將產(chǎn)生一個過流保護信號發(fā)送到保護閉鎖及復(fù)位單元后，執(zhí)行關(guān)閉功率管p1和功率管p2的指令，使sr的能量直通母線，從而不會造成能量損失。過流保護電路可以是一比較器，比較器的一輸入端接采樣電阻rs的非接地端，比較器的另一輸入端接參考電壓，過流保護電路的輸出端與保護閉鎖及復(fù)位電路的輸入端相連。

3、欠壓保護：欠壓保護電路可以是一比較器，比較器的一輸入端接母線正線，另一輸入端接參考電壓，比較器的輸出端與低邊驅(qū)動電路的輸入端相連。

4、過損保護：過損保護電路的輸入端接p1的漏極，過損保護電路的輸出端與保護閉鎖及復(fù)位電路的輸入端相連。

5、峰值電流保護：峰值電流采樣電路為電流互感器l2，電流互感器l2串接在電感l(wèi)1與二極管d1之間，所述峰值電流采樣電路的采樣到的電流輸入到峰值電流控制電路的輸入端，峰值電流控制電路的輸出端與低邊驅(qū)動電路的輸入端相連。峰值電流控制電路可以是一比較器，電流互感器l2的輸出端與比較器的一輸入端相連，比較器的另一輸入端接參考電壓。峰值電流控制電路的輸入端還與電阻r2的一端相連，r2的另一端與電容c2的一端相連，c2的另一端與p1的漏極相連。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當視為屬于本發(fā)明的保護范圍。