劉慧英，岳 超，孫景峰，傅宇航

（西北工業(yè)大學(xué) 陜西 西安710129）

一種新型直流固態(tài)功率控制器的設(shè)計(jì)與建模

劉慧英，岳 超，孫景峰，傅宇航

（西北工業(yè)大學(xué) 陜西 西安710129）

為了避免固態(tài)功率控制器（Solid State Power Controller，SSPC）誤跳閘、誤保護(hù)，提出了一種基于TL431的恒流電路的限流保護(hù)模塊的設(shè)計(jì)方案，并完成系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)通過(guò)在Saber上的建模與仿真，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)直流固態(tài)控制器具有短路保護(hù)、過(guò)流保護(hù)和避免誤跳閘、誤保護(hù)的智能保護(hù)功能。文中SSPC的設(shè)計(jì)大大節(jié)省了人力物力、減少了實(shí)驗(yàn)成本、為SSPC的應(yīng)用提供參考和依據(jù)，從而縮短新型飛機(jī)的研制周期，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

固態(tài)功率控制器；短路保護(hù)；過(guò)流保護(hù)；限流

固態(tài)功率控制器（SSPC）［1-3］是采用電力電子器件MOSFET作為軟開(kāi)關(guān)，集繼電器的轉(zhuǎn)換功能、接觸器的開(kāi)通閉合功能和斷路器的電路保護(hù)功能于一體的智能開(kāi)關(guān)設(shè)備［4］。

目前，國(guó)內(nèi)航天器在負(fù)載輸入端采用的過(guò)流保護(hù)多為在設(shè)備的輸入端串入熔斷器，屬于一種被動(dòng)的過(guò)流保護(hù)手段。由于過(guò)流保護(hù)對(duì)設(shè)備是不可恢復(fù)的，同時(shí)熔斷器不可靠因素較多，尤其對(duì)于存在電感、電容的濾波電路，在過(guò)渡過(guò)程中可能產(chǎn)生幅值和頻率較高的沖擊電流，電流熱積累會(huì)造成熔斷器的異常熔斷。傳統(tǒng)的機(jī)電式配電系統(tǒng)在智能化、可靠性等方面已不能滿(mǎn)足大規(guī)模分布式配電系統(tǒng)的需要，采用模塊化固態(tài)配電技術(shù)是當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)。基于固態(tài)配電技術(shù)和計(jì)算機(jī)綜合控制技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)高度自主運(yùn)行，在電源系統(tǒng)局部出現(xiàn)故障時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的重構(gòu)，還可以為系統(tǒng)的健康管理提供大量的有用信息，大大提高系統(tǒng)的可靠性。固態(tài)功率控制器作為用來(lái)代替繼電器的轉(zhuǎn)換功能和斷路器的電路保護(hù)功能于一體的固態(tài)元器件，是與固態(tài)配電系統(tǒng)相配套的控制負(fù)載通斷的開(kāi)關(guān)裝置。它不僅可以根據(jù)任務(wù)的需求實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的通斷控制，而且在負(fù)載或配電線路出現(xiàn)過(guò)流或短路等故障時(shí)可以迅速斷開(kāi)發(fā)生故障的負(fù)載電路部分，以實(shí)現(xiàn)電源的不中斷供電，并為電源和配電系統(tǒng)提供全面保護(hù)［5］SSPC作為一種智能開(kāi)關(guān)設(shè)備，在正常工作工作的情況下，它接受ELMC的開(kāi)通、關(guān)斷、跳閘后的復(fù)位指令，完成對(duì)負(fù)載的開(kāi)通和關(guān)斷和對(duì)SSPC自身的復(fù)位；同時(shí)它能夠?qū)⒇?fù)載的狀態(tài)，如電流、電壓、正常開(kāi)通/關(guān)斷、輕載、還是跳閘等，反映給ELMC；除此之外，當(dāng)負(fù)載發(fā)生短路時(shí)，SSPC能進(jìn)行快速保護(hù)，對(duì)于未發(fā)生短路的過(guò)載情況下，SSPC能根據(jù)反時(shí)限特性曲線對(duì)負(fù)載進(jìn)行反時(shí)限保護(hù)，即過(guò)載電流越大保護(hù)時(shí)間越短，過(guò)載電流越小保護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)。本文設(shè)計(jì)的SSPC當(dāng)遇到短路、過(guò)流電流時(shí)，處理過(guò)程是首次跳閘延時(shí)-限流-跳閘-復(fù)位-跳閘-復(fù)位-跳閘，這樣便能避免SSPC的誤保護(hù)，提高系統(tǒng)的魯棒性。經(jīng)過(guò)在Saber平臺(tái)上驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的SSPC不僅可以正確執(zhí)行短路保護(hù)的功能，而且還可以承受脈沖電流的沖擊，防止對(duì)脈沖電流的誤判斷，充分說(shuō)明了本文設(shè)計(jì)的SSPC的短路保護(hù)是可靠性。

1　總體設(shè)計(jì)方案

文中設(shè)計(jì)的SSPC從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，它由內(nèi)部電源、驅(qū)動(dòng)電路、功率回路、電流電壓采樣電路、反時(shí)限及短路保護(hù)、狀態(tài)反饋、光耦隔離、限流模塊、邏輯判斷等9個(gè)主要模塊組成，這九部分相互作用實(shí)現(xiàn)了SSPC對(duì)負(fù)載的智能控制。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1　SSPC的結(jié)構(gòu)圖

內(nèi)部電源主要為SSPC供電；驅(qū)動(dòng)模塊是采用電力電子器件MOSFET作為軟開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)MOSFET的軟啟動(dòng)和緩關(guān)斷；電流電壓采樣電路主要負(fù)責(zé)采集負(fù)載上的電壓、電流信號(hào)，并將其傳輸給反時(shí)限和短路保護(hù)模塊，實(shí)現(xiàn)SSPC的實(shí)時(shí)監(jiān)控；反時(shí)限和短路保護(hù)模塊是SSPC的重要組成部分，它根據(jù)采樣電路傳來(lái)的負(fù)載電壓、電流信息判斷負(fù)載的狀態(tài)，并對(duì)負(fù)載發(fā)生短路時(shí)進(jìn)行關(guān)斷和負(fù)載過(guò)載時(shí)進(jìn)行反時(shí)限保護(hù)，從而保證了整個(gè)系統(tǒng)的安全性和可靠性；邏輯判斷模塊是SSPC的核心器件，起到大腦的作用，它根據(jù)反時(shí)限及短路保護(hù)發(fā)出的信號(hào)、外部控制信號(hào)來(lái)完成對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的控制，從而完成對(duì) MOSFET和負(fù)載的智能控制；當(dāng)邏輯判斷給MOSFET驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送指令時(shí)，為了避免電磁干擾和其他信號(hào)的干擾，需要在它們之間加上隔離電路，由于光耦隔離電路的電路簡(jiǎn)單、輸入阻抗小、安全性高、響應(yīng)速度快、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，隔離電路選擇光耦隔離；限流模塊的主要功能是當(dāng)電流過(guò)大時(shí)，將電流限制在安全的范圍內(nèi)。當(dāng)發(fā)生短路保護(hù)時(shí)，系統(tǒng)設(shè)定的首次跳閘前需要延時(shí)一段時(shí)間，為了保證這段時(shí)間電路的安全，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將限流模塊接入，以防止電路中電流過(guò)大，從而達(dá)到更好的保護(hù)用電設(shè)備的目的。狀態(tài)反饋模塊的功能是將SSPC和負(fù)載的工作狀態(tài)反饋給ELMC。其工作原理是分別采集負(fù)載的供電控制信號(hào)、電路中的電流信號(hào)以及控制保護(hù)電路的跳閘信號(hào)，將這3種信號(hào)的8種組合以數(shù)字 “1、2、3、4、5、6、7、8”的形式反饋給ELMC，ELMC通過(guò)狀態(tài)解析即可獲得SSPC和負(fù)載的工作狀態(tài)。

2　主要單元模塊的組成

2.1限流模塊

所謂限流電路是：“做了適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)和保護(hù)的電路，使得在正常條件和單一故障條件下，能從電路流出的電流是非危險(xiǎn)的電流［6］”。這是GB4943-2001在《信息技術(shù)設(shè)備的安全》給出的準(zhǔn)確定義。單一故障是包括任何絕緣元器件的失效，但不包括雙重絕緣或加強(qiáng)絕緣的元器件。如：半導(dǎo)體器件、電容的短路和開(kāi)路等故障都屬于單一故障的范疇。

文中設(shè)計(jì)的限流模塊是由恒流源和帶阻濾波器組成的，其電路圖如圖2所示。當(dāng)電壓開(kāi)始升高時(shí)，流經(jīng)三極管的偏流電流也增大，從而導(dǎo)致流經(jīng)的電流也大幅增大，同時(shí)的電壓降也增大。但隨著電壓的升高，TL431就會(huì)動(dòng)作而使它的陰陽(yáng)極的電流大幅增加（分流三極管的偏流電流），最終結(jié)果是使的電壓回到2.5 V為止，因?yàn)槿龢O管的基極偏流電流是很小的，它的微小變化就會(huì)帶來(lái)其發(fā)射極電流的大變化，所以基極電流的變化對(duì)恒流大小的變化可以忽略不計(jì)的，所以這樣的電路其輸出電流幾乎不受輸入電壓的變化影響的；同理，當(dāng)電壓下降時(shí)，隨著電壓的降低，TL431就會(huì)動(dòng)作而使它的陰陽(yáng)極電流減小，最終結(jié)果是使回到2.5 V，從而起到恒流的目的。恒流源輸出的電流、基準(zhǔn)電壓以及負(fù)載三者之間的關(guān)系為：

當(dāng)負(fù)載發(fā)生短路SSPC進(jìn)行保護(hù)時(shí)，SSPC第一次跳閘時(shí)需要將限流模塊接入一段時(shí)間后再進(jìn)行切除，這樣做的目的一是為了保證電路繼續(xù)運(yùn)行，來(lái)滿(mǎn)足SSPC第一次跳閘延時(shí)的要求，二是為了將電路中的電流維持在安全范圍內(nèi)，來(lái)保護(hù)電路的元器件，限流模塊的開(kāi)通與關(guān)斷通是由邏輯判斷模塊來(lái)控制的。

圖2　限流模塊電路圖

2.2反時(shí)限及短路保護(hù)模塊

當(dāng)配電系統(tǒng)發(fā)生短路或者過(guò)載時(shí)，電路中的電流會(huì)增大到幾十甚至幾百安，這樣極易燒壞MOSFET和一些電子器件，為此，必須進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)。本文所設(shè)計(jì)的SSPC具有智能保護(hù)模塊，當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)短路和過(guò)載時(shí)進(jìn)行負(fù)載的保護(hù)，SSPC的保護(hù)模塊可分為短路保護(hù)，反時(shí)限過(guò)流保護(hù)兩部分［7-10］。

文中設(shè)計(jì)的SSPC反時(shí)限保護(hù)電路如圖3所示，該電路共有4個(gè)積分電路和4個(gè)比較電路組成（一般情況來(lái)說(shuō)積分電路和比較電路越多反比例擬合的就越好，但隨著積分電路和比較電路的增多，電路變得就越繁雜，為此，我們從實(shí)際出發(fā)，選用了4個(gè)積分電路和4個(gè)比較電路來(lái)作為反時(shí)限過(guò)流保護(hù)電路），最后經(jīng)過(guò)一個(gè)邏輯“與”器件將結(jié)果輸出給邏輯判斷模塊，從而實(shí)現(xiàn)SSPC的反時(shí)限過(guò)流保護(hù)。

由于4個(gè)積分電路的基準(zhǔn)電壓不同，因此跳閘延遲時(shí)間也不同，但SSPC反時(shí)限過(guò)流保護(hù)電路的輸出是4個(gè)比較電路的輸出相“與”后得到的，所以SSPC反時(shí)限過(guò)流保護(hù)電路的跳閘延遲時(shí)間是4個(gè)比較電路的延遲時(shí)間中的最小值。

圖3　SSPC反時(shí)限保護(hù)電路

3　仿真結(jié)果及分析

3.1SSPC短路保護(hù)的仿真驗(yàn)證

對(duì)于負(fù)載短路時(shí)，SSPC的短路保護(hù)驗(yàn)證主要驗(yàn)證兩個(gè)問(wèn)題，一是當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)短路時(shí)，SSPC是否具有短路保護(hù)的能力，防止電路短路產(chǎn)生的大電流對(duì)電路元件或用電設(shè)備造成破壞；另一個(gè)是當(dāng)瞬間大電流出現(xiàn)時(shí)，SSPC應(yīng)能對(duì)脈沖電流進(jìn)行識(shí)別，不至于誤將其判定為電路短路，而進(jìn)行短路保護(hù)。因此，對(duì)短路保護(hù)的測(cè)試方法是給分別給電路注入短路電流和脈沖電流，觀察SSPC的判定結(jié)果和判定方式。為了區(qū)分是脈沖電流還是短路電流，SSPC會(huì)在出現(xiàn)過(guò)大電流是，首先接入限流模塊并切斷負(fù)載，防止大電流對(duì)電流的破壞，一段時(shí)間后，再將SSPC復(fù)位，接通負(fù)載，并繼續(xù)采集負(fù)載電流，如果電路中電流仍然很大，就切斷電路，如此進(jìn)行兩次SSPC復(fù)位，即可區(qū)分脈沖電流和短路電流。仿真的方式和結(jié)果如下：

1）電路短路仿真

文中設(shè)計(jì)的SSPC根據(jù)不同負(fù)載額定電流，也有不同的額定電流，例如額定電流為5 A的SSPC、額定電流為10 A的SSPC等，接下來(lái)的仿真實(shí)驗(yàn)都是選用額定電流為5 A的SSPC。當(dāng)負(fù)載電流超過(guò)額定電流10倍時(shí)，SSPC就會(huì)進(jìn)行短路保護(hù)。以額定電流為5 A的SSPC為例，將負(fù)載的的電流調(diào)至60 A（即12倍的額定電流值），在1.5 s時(shí)接通電路，并用Saber的Scope探針觀察電路的電流波形，其波形如圖4所示。

圖4　SSPC短路保護(hù)的仿真波形

由圖5觀察可知，當(dāng)遇到短路電流時(shí)，SSPC的處理過(guò)程是首次跳閘延時(shí)-限流-跳閘-復(fù)位-跳閘-復(fù)位-跳閘，這樣與真實(shí)SSPC的測(cè)試數(shù)據(jù)相類(lèi)似，說(shuō)明SSPC具有短路保護(hù)功能。

2）脈沖電流仿真

實(shí)驗(yàn)仍然以額定電流為5 A的SSPC為例，將電路中的電流設(shè)定為5 A，在1.5 s時(shí)接通電路，在2 s時(shí)注入一個(gè)持續(xù)時(shí)間為1ms，大小為60 A的脈沖電流，觀察電路的電流波形，如圖5所示。

圖5　SSPC脈沖電流的仿真波形

由圖6可知，當(dāng)負(fù)載遭遇較短時(shí)間的脈沖電流后，SSPC并沒(méi)有對(duì)負(fù)載進(jìn)行短路保護(hù)，而是繼續(xù)保持負(fù)載正常工作，說(shuō)明SSPC區(qū)別短路電流和脈沖電流的能力。

3.2SSPC過(guò)流保護(hù)的仿真驗(yàn)證

SSPC對(duì)于負(fù)載的保護(hù)采用的是反時(shí)限過(guò)流保護(hù)，對(duì)于一些關(guān)鍵負(fù)載，具有形狀的跳閘曲線是比較好的保護(hù)方式，其中，為一定恒定值，超過(guò)該值時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致配電線路和負(fù)載損壞。因此SSPC對(duì)于關(guān)鍵負(fù)載的保護(hù)采用保護(hù)曲線。與短路保護(hù)一樣，為了減少脈沖電流的影響，反時(shí)限過(guò)流保護(hù)也會(huì)采用兩次復(fù)位兩次切斷的操作，確保SSPC不會(huì)出現(xiàn)誤保護(hù)。

為了驗(yàn)證SSPC的反時(shí)限過(guò)流保護(hù)，仍以額定電流為5 A的SSPC為例，將電路中的電流設(shè)定為12.5 A，即為額定電流的2.5倍，在1.8 s接通電路，運(yùn)行仿真軟件，觀察電路的電流波形，如圖6所示。

圖6　SSPC反時(shí)限過(guò)流保護(hù)的仿真波形

由圖6可知，SSPC實(shí)現(xiàn)了對(duì)負(fù)載的反時(shí)限過(guò)流保護(hù)，且保護(hù)時(shí)間為1.82 s，并經(jīng)歷了兩次復(fù)位兩次跳閘的過(guò)程，與SSPC的設(shè)計(jì)理論相吻合，從而驗(yàn)證了SSPC對(duì)負(fù)載具有反時(shí)限過(guò)流保護(hù)功能。

我們將以上測(cè)試結(jié)果分別在美軍標(biāo)MIL-STD-1760D反時(shí)限保護(hù)時(shí)間圖譜上標(biāo)注，以便驗(yàn)證SSPC反時(shí)限過(guò)流保護(hù)特性的正確性，比對(duì)結(jié)果如圖7所示。

圖7　額定電流5A的過(guò)流保護(hù)時(shí)間在反時(shí)限保護(hù)曲線上的標(biāo)注

由圖7可知，本文設(shè)計(jì)的SSPC的反時(shí)限過(guò)流保護(hù)特性符合美軍標(biāo)MIL-STD-1760D的要求。

4　結(jié)　論

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本文的SSPC不僅可以正確執(zhí)行短路保護(hù)的功能，而且還可以承受脈沖電流的沖擊，防止對(duì)脈沖電流的誤判斷，充分說(shuō)明了本文設(shè)計(jì)的SSPC的短路保護(hù)是可靠性，反時(shí)限過(guò)流保護(hù)特性是符合美軍標(biāo)MIL-STD-1760D的要求。從而說(shuō)明該設(shè)計(jì)切實(shí)可行。

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Design and modeling of new DC solid state power controller

LIU Hui-ying，YUE Chao，SUN Jing-feng，F(xiàn)U Yu-hang
（Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710129，China）

In order to avoid the solid state power controller error protection，proposed a design based on limiting protection modules TL431 constant currentcircuitsand complete system ofhardware and software design.The design by themodeling and simulation in Saber，and validates our design DC solid state controller has a short-circuit protection，overcurrent protection and avoid nuisance tripping，error protection intelligent protection function.This article SSPC design savesmanpower and resources，reducing the cost of experiments to provide reference and basis for SSPC applications，thus shortening the developmentcycle ofnew aircraft，meet the design requirements.

solid state power controllers；short circuit protection；overcurrent protection；current-limiting

TN702

A

1674-6236（2016）19-0131-04

2015-10-20稿件編號(hào)：201510125

研究生創(chuàng)意創(chuàng)新種子基金（Z2015025）

劉慧英（1956—），女，山東日照人，博士，教授。研究方向：現(xiàn)代控制理論及應(yīng)用、計(jì)算機(jī)控制及網(wǎng)絡(luò)控制、系統(tǒng)建模與仿真。