辛建平，張國(guó)明，魏 慶，劉 金

(陜西群力電工有限責(zé)任公司，陜西寶雞，721300)

1 引言

固態(tài)功率控制器(SSPC)是集斷路器的保護(hù)功能和固體繼電器的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換功能于一體的智能型開(kāi)關(guān)裝置，它具有無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)電弧、響應(yīng)快、壽命長(zhǎng)、可靠性高以及便于計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制等優(yōu)點(diǎn)。固態(tài)功率控制器主要用于接通或關(guān)斷用電設(shè)備的電源，具有過(guò)載保護(hù)功能和開(kāi)關(guān)自檢功能，可以通過(guò)狀態(tài)信息實(shí)時(shí)向終端反饋負(fù)載是否已經(jīng)發(fā)生跳閘或出現(xiàn)故障，在高可靠控制領(lǐng)域，正在逐步取代常規(guī)系統(tǒng)中的機(jī)械開(kāi)關(guān)、繼電器和熱斷路器，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制。本文介紹的是一款270V高壓直流固態(tài)功率控制器，輸出額定負(fù)載電流30A,同時(shí)具備過(guò)壓、欠壓和過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)、狀態(tài)查詢等功能。

CAN總線因具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、可靠的錯(cuò)誤處理機(jī)檢錯(cuò)機(jī)制等諸多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)智能控制、精密儀器、車載通訊等高噪聲環(huán)境。本文設(shè)計(jì)的控制器是立足于固態(tài)繼電器的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換功能，將微機(jī)智能控制、數(shù)字處理、CAN總線通訊及斷路器的過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)功能集成于一體的智能型功率繼電器，是目前固態(tài)繼電器的一種發(fā)展方向。本設(shè)計(jì)的固態(tài)功率控制器通過(guò)上位機(jī)軟件與CAN總線接口，可精確采集負(fù)載電壓、負(fù)載電流參數(shù)，并實(shí)時(shí)反饋輸出開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

2 總體設(shè)計(jì)概述

該控制器選取了具有ECAN模塊和A/D模塊的8位單片機(jī)、大功率MOSFET器件、總線收發(fā)器及高精度運(yùn)算放大器作為核心元器件，以模塊化的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其邏輯框圖如圖1所示，單片機(jī)器為核心器件，一方面根據(jù)總線上CAN節(jié)點(diǎn)發(fā)送的控制或查詢指令實(shí)時(shí)控制大功率開(kāi)關(guān)器件的通斷以及負(fù)載切換，同時(shí)將負(fù)載的實(shí)時(shí)工作電壓、電流及故障保護(hù)狀態(tài)等信息上傳至上位機(jī)主節(jié)點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)控工作狀態(tài)；另一方面實(shí)時(shí)處理負(fù)載端的采樣數(shù)據(jù)，計(jì)算并判斷是否發(fā)生欠壓、過(guò)壓或過(guò)流故障，若發(fā)生故障則通過(guò)相應(yīng)端口及時(shí)發(fā)出控制指令切斷大功率開(kāi)關(guān)器件以保護(hù)負(fù)載。

圖1 固態(tài)功率控制器原理框圖

2.1 開(kāi)關(guān)及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

該控制器選用N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管作為功率輸出器件，該器件具有封裝體積小、耐壓高、輸出電流大、導(dǎo)通電阻小的特點(diǎn)。在該產(chǎn)品中，采用雙管并聯(lián)輸出，可滿足該控制器切換270Vd.c.、30A負(fù)載的要求。

由于場(chǎng)效應(yīng)管為電壓驅(qū)動(dòng)型器件，加之為滿足響應(yīng)時(shí)間的要求，因此驅(qū)動(dòng)采用驅(qū)動(dòng)器。是一款雙通道高速場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器，4.5V～18V的寬工作電壓范圍，驅(qū)動(dòng)電流1.5A,輸出功率727mW，響應(yīng)速率快，可滿足該產(chǎn)品輸出場(chǎng)效應(yīng)管的驅(qū)動(dòng)控制，簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電路。見(jiàn)圖2。

圖2 開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路

2.2 電壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

如圖3所示，采用精密電阻對(duì)負(fù)載兩端的電壓進(jìn)行采樣，當(dāng)負(fù)載端電壓出現(xiàn)過(guò)壓或欠壓時(shí)，控制器應(yīng)作出對(duì)應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作。當(dāng)負(fù)載電壓為270V時(shí)，通過(guò)電阻采樣到的電壓信號(hào)送入反向運(yùn)算放大器的反向端，此時(shí)運(yùn)算放大器輸出電壓為1.83V,該電壓信號(hào)被送至單片機(jī)的I/O口進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，執(zhí)行相應(yīng)的程序進(jìn)行運(yùn)算和比較，此時(shí)控制器輸入端如果有接通指令，控制器輸出端正常接通。

圖3 電壓檢測(cè)調(diào)理電路

當(dāng)負(fù)載端電壓低于243V時(shí)，運(yùn)算放大器輸出電壓小于1.65V，此時(shí)單片機(jī)執(zhí)行欠壓保護(hù)程序，置功率驅(qū)動(dòng)器輸入為低電平，驅(qū)動(dòng)器無(wú)輸出，場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)斷，同時(shí)單片機(jī)通過(guò)CAN總線向上位機(jī)發(fā)送欠壓保護(hù)信號(hào)，控制器處于欠壓保護(hù)狀態(tài)。當(dāng)輸出端電壓高于297V進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)，此時(shí)運(yùn)算放大器輸出電壓大于2V時(shí)，單片機(jī)執(zhí)行過(guò)壓保護(hù)程序，置功率驅(qū)動(dòng)器輸入為低電平，驅(qū)動(dòng)器無(wú)輸出，場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)斷，同時(shí)單片機(jī)通過(guò)CAN總線向上位機(jī)發(fā)送過(guò)壓保護(hù)信號(hào)，控制器處于過(guò)壓保護(hù)狀態(tài)。

2.3 電流檢測(cè)和短路保護(hù)電路設(shè)計(jì)

目前電流檢測(cè)主要有電阻、電流互感器CT、隔離放大器、霍爾電流傳感器幾種方法，各自有其優(yōu)缺點(diǎn)。由霍爾元件構(gòu)成的電流傳感器是目前常用的一種方法，因其測(cè)量結(jié)果的精度和線性度都較高，可測(cè)直流、交流和各種波形的電流。但該產(chǎn)品由于體積的限制，無(wú)法采用霍爾電流傳感器方式進(jìn)行電流采樣，故采用合金電阻和運(yùn)算放大器組成低端電流檢測(cè)電路。

為了滿足產(chǎn)品電流采樣精度要求，選用鎳銅合金精密檢測(cè)電阻進(jìn)行電流檢測(cè)，該電阻額定功率3W，溫度系數(shù)<50ppm/℃,電阻值誤差±1%。運(yùn)算放大器U5選用精密放大器，其失調(diào)電壓隨溫度漂移小于3μV/℃。

圖4為電流檢測(cè)和短路保護(hù)電路，圖中R18和R19為選取1mΩ的合金電阻并聯(lián)后串接在輸出回路中，通過(guò)采集檢測(cè)電阻兩端的電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出回路電流的檢測(cè)。由于在電阻兩端采樣到的電壓值較小，無(wú)法用于電路的運(yùn)算和比較，因此采樣到的電壓信號(hào)需進(jìn)行放大，采樣電阻兩端的電壓經(jīng)過(guò)放大后，分兩路分別送至單片機(jī)I/O口和短路保護(hù)電路。本設(shè)計(jì)中，采樣電阻將0～100A的負(fù)載電流轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，然后將該電壓信號(hào)放大59倍后分別送至單片機(jī)的A/D采樣端口進(jìn)行邏輯分析運(yùn)算，同時(shí)該電壓信號(hào)被送至短路保護(hù)電路部分，與設(shè)定的短路保護(hù)值進(jìn)行比較。

圖4 電流檢測(cè)和短路保護(hù)電路

若發(fā)生過(guò)流故障，單片機(jī)I/O向功率驅(qū)動(dòng)器輸入發(fā)出關(guān)斷信號(hào)，功率驅(qū)動(dòng)器無(wú)輸出，場(chǎng)效應(yīng)管被關(guān)斷以保護(hù)系統(tǒng)安全。若發(fā)生短路保護(hù)故障，此時(shí)負(fù)載電流大于短路保護(hù)電流設(shè)定值時(shí)，比較器電路的輸入電壓大于基準(zhǔn)電壓(短路保護(hù)設(shè)定值)時(shí)，比較器輸出高電平，觸發(fā)可控硅導(dǎo)通，可控硅的陽(yáng)極連接功率驅(qū)動(dòng)器的輸出端，功率驅(qū)動(dòng)器輸出端迅速被拉低為低電平，從而快速切斷功率場(chǎng)效應(yīng)管。當(dāng)處理器接收到短路電信號(hào)，同時(shí)向單片機(jī)傳輸短路保護(hù)信號(hào)，處理器通過(guò)CAN總線向上位機(jī)發(fā)送短路保護(hù)狀態(tài)信號(hào)。

在短路或嚴(yán)重過(guò)載情況下，負(fù)載回路流過(guò)幾十甚至幾百安的電流，會(huì)對(duì)用戶的設(shè)備造成損壞，同時(shí)控制器內(nèi)部的場(chǎng)效應(yīng)管功率器件溫度快速上升，極易損壞。短路保護(hù)是在當(dāng)電路中流過(guò)的電流即將到達(dá)功率部分的器件所能允許的極限值時(shí)，為保護(hù)設(shè)備安全而采取的一種保護(hù)方式。發(fā)生短路故障時(shí)，快速關(guān)斷功率場(chǎng)效應(yīng)管，并維持功率場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)斷狀態(tài)，直至上位機(jī)檢測(cè)到故障，發(fā)出關(guān)斷命令。該控制器在100A短路電流下的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間在300微秒左右，實(shí)現(xiàn)快速短路保護(hù)，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4 反時(shí)限過(guò)流保護(hù)設(shè)計(jì)

反時(shí)限過(guò)流保護(hù)主要采用模擬電路和計(jì)算機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，模擬電路因?yàn)闊o(wú)法實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的關(guān)系曲線，主要用于早期的繼電保護(hù)系統(tǒng)。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用軟件可以靈活的實(shí)現(xiàn)各種算法及復(fù)雜特性曲線的擬合。

本設(shè)計(jì)采用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)反時(shí)限保護(hù)，用極度反時(shí)限曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(1)

t為跳閘延時(shí)時(shí)間；Tp為延時(shí)整定系數(shù)；I為負(fù)載電流；Ip為整定電流值。

當(dāng)IIp時(shí)，t大于零，進(jìn)入反時(shí)限保護(hù)。

(1)式經(jīng)變化可轉(zhuǎn)化為下式：

(2)

由于計(jì)算機(jī)只能離散數(shù)據(jù)，將(2)式離散化得：

(3)

△t為兩次反時(shí)限求和的間隔時(shí)間，一般取計(jì)算的間隔時(shí)間。M為累計(jì)求和次數(shù)。當(dāng)選定好反時(shí)限曲線后，Ip、Tp、△t為常量，令：

則(3)式簡(jiǎn)化為：

(4)

當(dāng)積分和達(dá)到臨界值B時(shí)，反時(shí)限跳閘保護(hù)，反時(shí)限延時(shí)時(shí)間為t=M△t。通過(guò)抽取數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)軟件，實(shí)現(xiàn)反時(shí)限功能。

2.5 CAN2.0通訊協(xié)議

該控制器采用CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)幀格式，CAN標(biāo)準(zhǔn)幀的11位標(biāo)識(shí)符(ID)定義如下表1：

表1 11位報(bào)文標(biāo)識(shí)符定義

數(shù)據(jù)類型定義如表2：

表2 數(shù)據(jù)類型定義

當(dāng)數(shù)據(jù)類型為C2H時(shí)，控制器上傳給上位機(jī)的控制器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)的長(zhǎng)度為1個(gè)字節(jié)，其各個(gè)位的定義如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)類型為C2H時(shí)數(shù)據(jù)域的定義

固態(tài)功率控制器(SSPC)每隔1s自動(dòng)上傳節(jié)點(diǎn)地址、開(kāi)關(guān)狀態(tài)(即表3所述狀態(tài))、電流值、電壓值，電流值、電壓值各占兩個(gè)字節(jié)，電流值、電壓值均放大10倍。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

該控制器在軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，程序采用C語(yǔ)言編寫。主程序主要分為以下幾個(gè)部分。

(1)開(kāi)機(jī)初始化部分：該段程序主要包含單片機(jī)I/O口功能定義，A/D轉(zhuǎn)換功能定義,CAN通信模塊等硬件信息定義以及程序變量定義及賦值、子函數(shù)定義等軟件信息的初始化。

(2)開(kāi)機(jī)狀態(tài)檢測(cè)部分：該段程序主要包含對(duì)產(chǎn)品輸出回路的電壓、電流狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理判斷，同時(shí)將輸出回路負(fù)載狀態(tài)的信號(hào)發(fā)送給上位機(jī)。

(3)正常狀態(tài)部分：該段程序主要包含對(duì)CAN總線發(fā)送的控制信號(hào)的檢測(cè)，調(diào)用CAN通信接收中斷子程，并根據(jù)控制信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)功率輸出部分的控制，對(duì)輸出負(fù)載的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和保護(hù)，檢測(cè)輸出負(fù)載回路的電流和電壓實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，并通過(guò)CAN總線通信模塊傳輸至上位機(jī)。

4 試驗(yàn)測(cè)試

4.1 主要參數(shù)的測(cè)量和開(kāi)關(guān)狀態(tài)監(jiān)控

根據(jù)系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)了上位機(jī)軟件，可實(shí)現(xiàn)控制器的自動(dòng)控制測(cè)試，實(shí)時(shí)監(jiān)控負(fù)載的狀態(tài)。

在控制器輸出回路接入270V電源和額定負(fù)載后，在計(jì)算機(jī)上通過(guò)上位機(jī)軟件向控制器發(fā)送接通指令，控制器接通后可以檢測(cè)到控制器在線、開(kāi)關(guān)狀態(tài)情況及負(fù)載電流、負(fù)載電壓參數(shù)，在上位機(jī)軟件上可實(shí)時(shí)顯示電流、電壓及開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

4.2 反時(shí)限過(guò)流保護(hù)和短路保護(hù)

控制器的額定輸出電流為30A，軟件設(shè)定當(dāng)負(fù)載電流≥50A，系統(tǒng)執(zhí)行反時(shí)限過(guò)流保護(hù)算法，系統(tǒng)要求在 20s內(nèi)切斷負(fù)載，實(shí)際測(cè)試保護(hù)動(dòng)作時(shí)間在16s～18s之間；當(dāng)負(fù)載電流大于80A時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行反時(shí)限過(guò)流保護(hù)算法，系統(tǒng)要求在5s 內(nèi)切斷負(fù)載，實(shí)際測(cè)試保護(hù)動(dòng)作時(shí)間在3s～4s之間。

當(dāng)負(fù)載電流大于100A時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入短路保護(hù)，測(cè)試電路保護(hù)時(shí)間在300μs左右。從試驗(yàn)測(cè)試情況來(lái)看，測(cè)試參數(shù)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了一種基于CAN2.0總線的直流固態(tài)功率控制器的設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)以PIC 單片機(jī)和CAN總線收發(fā)器、功率場(chǎng)效應(yīng)管、運(yùn)算放大器等器件為硬件基礎(chǔ)，CAN總線通訊協(xié)議和C語(yǔ)言程序?yàn)檐浖刂葡到y(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、狀態(tài)查詢、故障復(fù)位、遠(yuǎn)程控制等，產(chǎn)品可靠性高，性能穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)整機(jī)配電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程智能化控制。