楊秀濤，周 振

（貴州航天電器股份有限公司，貴陽 550009）

0 引言

配電器是型號裝備電氣系統(tǒng)的重要組成部分，一般組裝于電源系統(tǒng)后級，主要用于電源系統(tǒng)的二次供電分配。其能夠接收控制系統(tǒng)的指令，實現(xiàn)各型號設備的加電、轉電、斷電、保護等，并能夠將執(zhí)行狀態(tài)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，以便進行狀態(tài)監(jiān)測。

傳統(tǒng)的裝備配電控制系統(tǒng)主要基于電磁繼電器、接觸器等機械開關元件[1]，這種配電控制方式主要存在以下缺點：

（1）電磁繼電器等機械開關器件觸點壽命有限，抗過載和沖擊能力較弱；

（2）選用的機械開關動作有噪聲，線圈會產生電磁干擾；

（3）傳統(tǒng)的配電器使用硬線指令信號進行配電控制，所有接口均引出，導致配套電纜數(shù)量較多，不但型號裝備上電纜總質量增加，并且使得儀器倉內電纜連接狀態(tài)復雜，布局困難；

（4）在電氣系統(tǒng)設計過程中出于降額設計、冗余設計等可靠性考慮，選用的電磁繼電器質量、體積較大，不利于裝備系統(tǒng)的小型化、集成化設計；

（5）由于電磁繼電器不具備過流保護功能，因此傳統(tǒng)配電器往往需要增加熔斷器、斷路器等元器件，且過電流保護的門限值為固定值，保護動作時間是也是固定的，與負載電流的大小無關，不能根據用戶實際的使用情況來進行調整。

本文通過對固態(tài)配電技術進行研究，將固體功率控制器（SSPC）研制技術與計算機控制技術進行融合，設計一種具有多路SSPC輸出通道的智能配電器。該配電器能夠通過CAN總線通信方式實現(xiàn)多通道負載可控，能對負載輸出狀態(tài)、負載電流、電壓進行監(jiān)測，并可實現(xiàn)保護動作時間隨負載電流大小變化的保護特性。該配電器模塊可為后續(xù)型號裝配供配電系統(tǒng)一體化、數(shù)字化、智能化配套奠定基礎。

1 固態(tài)配電技術發(fā)展現(xiàn)狀

固態(tài)配電技術以固體電子元器件為核心，由三極管或MOS管等功率器件作為無觸點開關，具有壽命長、可靠性高、轉換速度快、低噪聲、電磁干擾小等特點[2-3]。固態(tài)繼電器作為一種典型的固體電子開關元件，目前已經在工業(yè)控制、航空航天等領域得到廣泛應用。

固態(tài)功率控制器（SSPC）是一種將固態(tài)繼電器和斷路器融合在一起的智能開關，可通過遠程控制方式實現(xiàn)對各負載通道接通與斷開的控制，并能夠反饋當前各負載通道狀態(tài)信息，為上級控制系統(tǒng)決策提供可靠依據[4-5]。SSPC主要由一些硬件功能電路、MOS管等器件構成，通過控制MOS管的導通或者關斷，從而實現(xiàn)對負載的接通、斷開、保護、狀態(tài)反饋等功能。

因此，以固態(tài)電子開關為核心構建固態(tài)配電系統(tǒng)，通過采用集成化設計，利用總線控制方式實現(xiàn)輸出通道控制、電流電壓監(jiān)測、開關狀態(tài)檢測，并實現(xiàn)短路保護、過流保護等智能化功能，可滿足未來型號系統(tǒng)對智能配電的需求。

目前，美國DDC公司推出的RP-26231000N1型、RP-26321000NX型等多通道SSPC模塊，可用于航空航天和國防領域。Leach公司的EMP系列具備大電流傳輸及過載保護功能。國內在航空航天領域，對其研究的機構主要有天津航空機電有限公司、桂林航天電子有限公司、北京航天微機電技術研究所、陜西群力電工有限責任公司、振華群英電器有限公司等。其中，天津航空機電有限公司與北京航天微機電技術研究所正逐步在智能電源管理方面應用固態(tài)功率控制器。

2 智能配電器需求分析與設計

2.1 需求分析

本文所研究的配電器是某裝備型號供配電系統(tǒng)的重要組成部分，主要實現(xiàn)裝備配電管理，其能夠接收裝備計算機控制系統(tǒng)發(fā)出的控制信號，實現(xiàn)對裝備設備供電控制、轉電控制、斷電控制，并實現(xiàn)輸出通道狀態(tài)監(jiān)測、輸出保護等智能管理功能。具體的功能需求可概括為以下幾點：

（1）配電器通過CAN總線與裝備計算機系統(tǒng)進行連接，指令協(xié)議滿足CAN2.0，通信速率為250 kb/s；

（2）配電器具有16路通道輸出，每一路輸出通道可受總線控制，單路負載能力1～30 A可配置輸出；

（3）配電器可實時監(jiān)控各路輸出電壓、電流并上傳數(shù)據；

（4）可根據上電后的單路輸出狀態(tài)進行過流、過壓保護等；

（5）實現(xiàn)小型化、輕量化、模塊化設計，具備通用拓展功能。

從上述功能需求可知，由于每一路輸出通道需要最大驅動能力30 A，按以往配電采用電磁繼電器的選型方式，為滿足元器件降額標準，至少應該選擇額定輸出電流為50 A的繼電器。以傳統(tǒng)的JQX-1050 M電磁繼電器為例，單個產品外形尺寸26 mm×26 mm×26.7 mm，質量50 g左右，僅16只繼電器及其驅動電路布局后，其整體尺寸和質量已不能滿足小體積使用要求。

鑒于以上情況，該型號配電器采用控制器+多路固體繼電器的實現(xiàn)方案。其中，所選用的固體繼電器不同于以往獨立器件，而是將大功率MOS開關管及其驅動電路移到主控電路板，即是將多個SSPC集成設計到同一塊電路模塊中，共享一個控制芯片，集中數(shù)據采集，分散功率器件管理，最終形成具有多路SSPC輸出的智能配電器模塊。

2.2 總體設計

該裝備智能配電器主要由主處理器模塊、電源轉換與濾波處理模塊、CAN接口電路模塊、隔離驅動模塊、MOS功率開關電路、電流與電壓檢測模塊。配電器系統(tǒng)功能原理如圖1所示。主處理器模塊主要負責與控制臺計算機的CAN通信，進行控制臺的指令解析，將相應MOS管進行開關控制，同時負責所有輸出通道電壓、電流數(shù)據的AD采集。隔離驅動模塊主要負責將主處理器的控制指令進行電氣隔離，并將該信號調理到MOS管的最佳開關控制信號；電壓、電流檢測模塊主要實現(xiàn)將每路輸出的信號進行隔離采集，經信號調整后送入主處理器的AD輸入口。CAN接口電路主要解決控制器輸出與CAN總線電平不匹配問題。電源處理模塊主要負責將外部供電電源轉換為內部主處理模塊、隔離驅動模塊等電路使用的電源。

2.3 主要模塊設計及器件選型

2.3.1 主處理模塊電路

主處理器功能為實現(xiàn)兩路CAN通信，接收指令并回傳信息，獲取開關量信號，并進行相關操作，控制AD采集和數(shù)據存儲，控制外部開關動作?？刂破鬟x用某公司的TMS320F28335，150 MHz，88個GPIO，256 kb×16閃存，3個SCI模塊，2個CAN模塊，1個SPI模塊，16通道12位ADC，18路增強型PWM輸出[6]。利用DSP自帶的CAN模塊控制2路CAN通信，最高波特率可達1 Mb/s。通過DSP的GPIO口，實現(xiàn)對開關量的檢測與開關量輸出控制。通過DSP的內置AD模塊，實現(xiàn)對外部模擬量的采集。

2.3.2 MOS管及驅動電路

圖1 配電器系統(tǒng)功能原理

大功率MOS管選用Infineon公司生產的IPB01510N5型MOSFET，該器件VDS耐壓可達100 V，器件RDS導通電阻最大0.15 mΩ，允許最大導通電流180 A。主控芯片DSP發(fā)出的指令通過驅動電路，經隔離光耦后，輸送到MOS管驅動電路。每一個輸出通道上的MOS功率開關器件均采用2只并聯(lián)的冗余控制方式，一方面可提高通道輸出可靠性，另外一方面減小通道上的導通電阻，降低單個MOS管的發(fā)熱量。其工作原理如圖2所示。

圖2 單路輸出通道控制原理

2.3.3 電流采集電路

使用霍爾電流傳感器檢測每一路輸出通道的電流值。為保證電流檢測結果的精度，采用線性穩(wěn)壓電源TPS73201為霍爾檢測電路供電。線性穩(wěn)壓電源TPS73201輸入控制系統(tǒng)5 V供電，經分壓電阻調節(jié)輸出4.5 V穩(wěn)定電壓供電霍爾檢測芯片。霍爾電流檢測芯片采用allegro公司的ACS758KCB-150U-PFF-T。芯片工作電壓3～5.5 V，導通電阻0.1 mΩ，總電流50 A通過時，壓降僅5 mV。

2.3.4 CAN接口通訊電路

配電器通過CAN接口與外部控制臺進行指令傳輸與信息交互。主處理器DSP28335中內置CAN總線協(xié)議控制器，只要外接總線驅動芯片和適當?shù)目垢蓴_電路就可以很方便地建立CAN總線智能測控節(jié)點。本設計中采用PHILIP公司的TJA1050 CAN總線驅動器，TJA1050有個電流限制電路，保護發(fā)送器的輸出級，使由正或負電源電壓意外造成的短路不會對TJA1050造成損壞。此外，為了實現(xiàn)CAN總線接口的電氣隔離，DSP輸出的CAN信號需要先經過HCPL-5631光耦隔離，然后再接入TJA1050接口，其工作原理如圖3所示。

圖3 CAN通信接口工作原理

2.4 軟件設計

控制器選用TI公司的DSPTMS320F28335，編程語言為C語言，該部分軟件主要實現(xiàn)以下功能：

（1）通過CAN總線接收中央計算機指令，實現(xiàn)產品自檢和參數(shù)設置；

（2）通過CAN總線接收中央計算機指令，對指定開關通道進行開啟和關斷控制；

（3）通過CAN總線接收中央計算機指令，對指定開關通道的電壓、電流值進行查詢；

（4）能夠啟動AD數(shù)據轉換，獲取當前通路的電壓值和電流值；

（5）當產品相應通路的電壓、電流值超過設定門限值時，能夠主動切斷負載，并向中央計算機發(fā)送報警信息。

控制系統(tǒng)主程序流程如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)主程序流程

3 系統(tǒng)關鍵技術與實現(xiàn)

3.1 功率器件緩開通和緩關斷技術

電氣系統(tǒng)中采用硬開通、關斷的驅動電路，在阻容性負載開通時，會產生較大的瞬時浪涌電流，在阻感性負載關斷時，會在功率管兩端產生很高的電壓尖峰。為了能適用于各種負載，固態(tài)功率控制器的設計考慮與各種負載的兼容性，采用帶有軟啟動、緩關斷功能的驅動電路。

軟啟動、緩關斷實際上就是當固態(tài)功率控制器開通或關斷時，為減小阻感性負載關斷時的瞬變電壓和阻容性負載開通時的瞬變電流，提高配電器輸出通道的帶載能力，使配電器適用于電網中的各類負載。

如圖5所示，電路的驅動中加入簡單的RC網絡，可解決固態(tài)開關EMC問題和后級開關的瞬通問題，同時也有效控制在開通瞬間的激增電流。

圖5 RC網絡實現(xiàn)的軟啟動緩關斷驅動電路

針對感性負載和容性負載，電路設計過程中需要注意以下幾個方面。

（1）負載接通時間不能太快，這樣會引起固態(tài)開關EMC問題和后級開關的瞬通問題，也會引起在開通容性負載開通瞬間的激增電流過大問題。

（2）負載接通時間不能太慢，這樣會使MOSFET開通大功率負載過程中的動態(tài)損耗加大，影響MOSFET的壽命。

（3）在感性負載輸出端對地并聯(lián)一個續(xù)流二極管，應對在控制感性負載關斷時對電路的影響。

3.2 反時限過流保護技術

反時限過流保護是固態(tài)功率控制器的關鍵技術，也是實現(xiàn)智能保護負載的關鍵技術。反時限過流保護就是指保護裝置的動作時間隨負載電流的增大而自動減小的保護。一般來說，I2t形狀的反時限保護曲線可以有效模擬線路的溫度變化[7-8]。

通過研究配電系統(tǒng)的過負載特性，擬合出對應的反時限保護曲線。當系統(tǒng)中的負載出現(xiàn)過載情況時，配電器便能得出因過載而導致的線路上升溫度，從而在線路發(fā)生過熱損壞前切斷負載，達到保護目的。

本智能配電器中通過對于熱量的處理來判斷負載是否過流，故采用的是極端反時限的過流保護特性。IEC255-3標準中極限反時限標準方程為：

式中：t為保護延時時間；TP為延時整定系數(shù)；I為當前負載電流，Ip為目標整定電流。

本文設IP=BIe，TP=A/80B2，則上述極端反時限方程可以簡化為：

式中：Ie為額定輸出電流；A、B為整定系數(shù)。

由于智能配電器的輸出通道是長時間接通過程，當負載出現(xiàn)過載時，通電線路、功率器件會出現(xiàn)過載熱效應。因此，配電器過流保護的時間不僅取決于當前的電流，與之前的電流值也有關。當配電器負載發(fā)生過流故障時，其負載電流是連續(xù)變化的，與額定電流的比例也在不斷變化，為了使配電系統(tǒng)對動態(tài)電流能夠具有記憶特性，需將反時限算法的數(shù)學模型轉換為積分的形式：

為便于配電器中DSP處理器進行公式計算，將上述反時限數(shù)學模型式進一步離散化為：

式中：ΔT為采樣時間；AIe2/ΔT為系統(tǒng)發(fā)熱的上限值，即超過該值時控制系統(tǒng)應發(fā)出控制指令將功率開關關斷；整定系數(shù)B=1.18；A值可根據需模擬的熔斷器或繼電器的延時保護特性選取參數(shù)；左側電流倍率的平方和為電流的發(fā)熱量的累積值（當負載電流大于額定電流B倍時，進行熱量累積；當負載電流小于額定電流B倍時，直接散熱，不進行熱量累積，即認為其發(fā)熱量為0）。

運用控制模塊中的DSP處理器進行公式計算，當程序中方程式左邊的累加值大于右邊的閾值時，程序關斷固態(tài)功率控制器功率開關器件，實現(xiàn)反時限過流保護。

極端反時限的保護時間t是I/Ie的二次函數(shù)，由A與B值可以獲得I2t反時限過流保護曲線，如圖6所示。

圖6 跳閘保護曲線

搭建原理樣機電路，對上述I2t反時限保護電路進行驗證。本次以輸出通道10 A為額定負載電流進行驗證，測試得到故障保護啟動時間與負載電流關系如表1所示。

表1 反時限過流保護時間測試表

從測試結果可以得到以下結論。

（1）當負載電流小于或等于115%時，配電器能按規(guī)定要求不跳閘；當負載電流大于或等于120%，并且小于1 000%時，進入I2t保護，按跳閘保護曲線在相應時間范圍內跳閘；當負載電流大于或等于1 000%時，進入系統(tǒng)短路保護，立刻啟動跳閘。

（2）由于電路中元器件的參數(shù)差異、數(shù)據采集電路的AD精度差異、數(shù)據采集系統(tǒng)響應的差異會造成實測數(shù)據與理論數(shù)據有一定偏差，但是仍在跳閘保護曲線的允許范圍內，達到了反時限保護的目的。

4 結束語

本文介紹了某型號裝備供電系統(tǒng)用智能配電器的設計原理及關鍵技術，采用了固態(tài)配電技術方案，制作原理樣機初步實現(xiàn)了系統(tǒng)要求的總線開關控制、負載狀態(tài)監(jiān)測、負載過流過壓保護等功能。雖然目前固態(tài)配電技術在大功率化、集成化與小型化、故障診斷與檢測等方面仍有大量研究工作需要開展，但隨著半導體技術與計算機控制技術的不斷發(fā)展，固態(tài)配電技術將是未來航天器、型號系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)字化、網絡化、智能化的必然選擇。