劉紅奎

(中國西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036)

0 引言

傳統(tǒng)的機電式配電系統(tǒng)在智能化、可靠性等方面已不能滿足大規(guī)模分布式配電系統(tǒng)[1]的需要，采用模塊化固態(tài)配電技術(shù)是當(dāng)前機載、艦載、星載配電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[2-4]。固態(tài)功率控制器(Solid State Power Controller，SSPC)是兼具繼電器的轉(zhuǎn)換功能和斷路器的電路保護功能于一體的固態(tài)功率開關(guān)，所以SSPC 在負(fù)載過流或短路時的及時保護功能就顯的十分重要[5-7]。

在電力電子技術(shù)領(lǐng)域中，常用的MOSFET 功率管過流或短路時的保護措施有兩種[8-9]：一種是軟關(guān)斷，另一種是降柵壓。軟關(guān)斷是指在檢測到器件過流或短路信號時就迅速撤除受保護功率管的柵極信號，使MOSFET 功率管關(guān)斷，軟關(guān)斷抗干擾的效果差，只要檢測到故障就關(guān)斷器件，這樣很容易引起錯誤的動作。降柵壓是指在檢測到器件過流或短路信號時立即將MOSFET 功率管的柵極電壓降到某一電平，但器件仍維持導(dǎo)通，若故障信號消失了，驅(qū)動電路就能恢復(fù)正常的工作狀態(tài)，因而大大增強了電路的抗干擾能力。

目前，降柵壓電路是利用過流信號擊穿穩(wěn)壓二極管產(chǎn)生過流或短路的保護信號[10-12]，保護電路只做到了兩級降柵壓，若這個特定的電平設(shè)置得過高則受保護功率管對過流現(xiàn)象抑制不明顯，若這個特定的電平設(shè)置得過低則受保護功率管在一個時延內(nèi)會存在反復(fù)開通、關(guān)斷的問題；降柵壓電路使用穩(wěn)壓二極管作為過流信號的判斷器件，溫度對穩(wěn)壓二極管的工作有一定的影響，溫度過高時，穩(wěn)壓二極管的實際擊穿電壓和其標(biāo)稱擊穿電壓會有一定的差別，在極端情況下還會出現(xiàn)負(fù)載過流而降柵壓保護電路不保護的情況。

由于現(xiàn)有降柵壓電路存在的一些不足，本文對基于電壓比較器的SSPC 驅(qū)動保護電路作了進一步的研究，取得了一定的成果，并在該成果的基礎(chǔ)上設(shè)計了可用于SSPC 驅(qū)動保護電路，經(jīng)過實驗仿真驗證，基于電壓比較器的保護電路克服了現(xiàn)有技術(shù)中使用穩(wěn)壓二極管判斷過流門限電壓導(dǎo)致精度不高的問題，實現(xiàn)了對過流門限電壓的精準(zhǔn)判斷和迅速響應(yīng)，只要設(shè)定不同的門限電壓就可以對相應(yīng)的過流級別進行響應(yīng)，使得電路應(yīng)用更加靈活，調(diào)試更加容易。

1 設(shè)計思想及技術(shù)原理

1.1 設(shè)計思想

本文對現(xiàn)有降柵壓電路存在的一些不足，采用三級降柵壓電路對受保護功率管進行保護，克服了現(xiàn)有技術(shù)中降柵壓僅采用兩級保護存在的受保護功率管對過流現(xiàn)象抑制不明顯和受保護功率管在一個時延內(nèi)反復(fù)開通、關(guān)斷的問題。MOSFET 功率管發(fā)生故障時，降柵壓保護電路啟動第一級降柵壓單元對受保護功率管進行預(yù)保護，然后再根據(jù)故障的狀態(tài)進行相應(yīng)的保護處理，可以有效地防止誤動作發(fā)生，相鄰兩級降柵壓單元啟動時間可根據(jù)實際需要任意調(diào)節(jié)，還可根據(jù)需要增加降柵壓單元，實現(xiàn)更多級的降柵壓。

增加了降柵壓速度調(diào)節(jié)電路，克服了現(xiàn)有技術(shù)中降柵壓電路沒有緩開通和緩關(guān)斷的問題，實現(xiàn)了對降柵壓速度的調(diào)節(jié)，可根據(jù)需要靈活地設(shè)定柵極電壓下降或上升的速度，降低了受保護功率管在關(guān)斷時產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，從而延長了受保護功率管的使用壽命。

1.2 技術(shù)原理

SSPC 是由半導(dǎo)體器件構(gòu)成的開關(guān)裝置，為負(fù)載提供開關(guān)控制和饋電保護，根據(jù)SSPC 的電路結(jié)構(gòu)以及降柵壓保護電路的功能要求，降柵壓保護電路即需要在正常情況下為負(fù)載提供開啟和關(guān)斷的功能，又需要在過流或短路的情況下按照設(shè)計要求為負(fù)載提供及時關(guān)斷保護功能。降柵壓保護電路在SSPC 系統(tǒng)中的位置如圖1 所示。

圖1 降柵壓保護電路與SSPC 系統(tǒng)關(guān)系框圖

降柵壓保護電路包括第一級降柵壓單元、第二級降柵壓單元、第三級降柵壓單元、降柵壓速度調(diào)節(jié)電路，降柵壓保護電路原理框圖如圖2 所示。

圖2 降柵壓保護電路原理框圖

2 電路設(shè)計實現(xiàn)

如前分析，當(dāng)過流信號出現(xiàn)時，降柵壓保護電路中第一級降柵壓單元啟動，將受保護功率管的柵極電壓降到一個設(shè)定的值，對受保護功率管進行預(yù)保護，此時受保護功率管處于即將完全導(dǎo)通的邊緣狀態(tài)，同時第一級降柵壓單元產(chǎn)生第二級降柵壓單元所需的延時啟動電壓，若在一個固定時延內(nèi)，過流信號消失則受保護功率管恢復(fù)完全導(dǎo)通的狀態(tài)；若在一個固定時延之后過流信號依然存在，則啟動第二級降柵壓單元，將受保護功率管的柵極電壓降到負(fù)載額定電流對應(yīng)的柵極開啟電壓值，對功率管進行保護。同時第二級降柵壓單元產(chǎn)生第三級降柵壓單元所需的延時啟動電壓，若在一個固定時延內(nèi)，過流信號消失則受保護功率管恢復(fù)完全導(dǎo)通的狀態(tài)；若在一個固定時延之后過流信號依然存在，則啟動第三級降柵壓單元將受保護功率管的柵極電壓緩慢降到0 V，此時受保護功率管處于關(guān)閉的狀態(tài)。

降柵壓速度調(diào)節(jié)電路由RC 延時電路組成，其功能是把降柵壓單元輸出的結(jié)果緩慢輸出，目的是調(diào)節(jié)MOSFET功率管柵極電壓上升或下降的速度。電壓上升或下降時間的計算公式為：

其中，R 是延時電阻，C 是延時電容，U 是給電容充電的電壓，UC是電容充電時其兩端達到的電壓。

根據(jù)上述分析設(shè)計出的降柵壓保護電路原理圖如圖3 所示。

圖3 降柵壓保護電路原理圖

SSPC 中采用電源是典型航空直流電源，為負(fù)載提供28 V 的電壓 和5 A 的電流，VCC 為15 V，GND 為模擬地，電壓比較器基準(zhǔn)電壓為7.5 V，采樣電阻的阻值為10 mΩ。

降柵壓保護電路的具體工作流程如下：SSPC 和負(fù)載正常工作，電流檢測放大電路實時提供過流信號。當(dāng)過流信號大于電壓比較器U1A 基準(zhǔn)電壓且一直存在時，電壓比較器U1A 輸出高電平，此高電平驅(qū)動三極管Q3，使Q3 處于開通狀態(tài)，驅(qū)動信號經(jīng)過R1 與R4 后接到地，根據(jù)分壓原理，R5 的輸入電壓會降低，降低后的電壓值為受保護功率管處于即將完全導(dǎo)通所需的柵源極電壓VGS；同時電壓比較器U1A 輸出高電平通過R7 與C2 組成的RC 延時電路，在電壓上升固定時間t1后，電容C2兩端的電壓大于電壓比較器U1B 基準(zhǔn)電壓，電壓比較器U1B 輸出高電平，此高電平驅(qū)動三極管Q2，使Q2 處于開通狀態(tài)，驅(qū)動信號經(jīng)過R1、R3、R4 后接到地，根據(jù)分壓原理，R5 的輸入電壓會再次降低，降低后的電壓值為受保護功率管通過負(fù)載額定電流所需的柵源極電壓VGS；同時電壓比較器U1B 輸出高電平通過R9 與C3 組成的RC 延時電路，在電壓上升固定時間t2后，電容C3兩端的電壓大于電壓比較器U1C 基準(zhǔn)電壓，電壓比較器U1C 輸出高電平，此高電平驅(qū)動三極管Q1，使Q1 處于開通狀態(tài)，驅(qū)動信號經(jīng)過R1、R2、R3、R4 后接到地，根據(jù)分壓原理，R5 的輸入電壓為0 V。

3 實驗仿真

實驗仿真電路中采用電阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10 的取值分別為2 kΩ、0 Ω、460 Ω、1 kΩ、2 kΩ、1 kΩ、3 kΩ、1 kΩ、2.7 kΩ、1 kΩ，電容C1、C2、C3 的取值為10 nF，電壓比較器U1A、U1B、U1C 為LM339AD，三極管Q1、Q2、Q3 為C9013。

MOSFET 功率管選用IR 公司的IRLR3110Z 產(chǎn)品，IRLR3110Z 是N 溝道增強型場效應(yīng)管，能承受的最大漏源極電壓為100 V，導(dǎo)通阻抗14 mΩ，允許最大的電流為63 A，柵極驅(qū)動屬于電壓型驅(qū)動，驅(qū)動時電流僅為納安級，柵源極最大電壓為16 V，柵源極最大門限開啟電壓VGS為5 V，漏源極間的漏電流為20 μA～250 μA，IRLR3110Z的柵源極典型電壓VGS關(guān)系如圖4 所示。

圖4 IRLR3110Z 柵源極典型電壓VGS 關(guān)系

降柵壓保護電路中第一級降柵壓單元預(yù)保護電壓的范圍為5±0.1 V，第二級降柵壓單元延時啟動電壓的范圍為7.5 V～15 V，第二級降柵壓單元保護電壓的范圍為2.8±0.1 V，第三級降柵壓單元延時啟動電壓的范圍為7.5 V～15 V，第三級降柵壓單元保護關(guān)斷電壓的范圍為0 V，降柵壓速度調(diào)節(jié)電路電壓上升或下降時時間為60 μs。

通過軟件仿真的方法對降柵壓保護電路進行了驗證，降柵壓保護電路中的降柵壓保護信號仿真如圖5、圖6 所示：通道1 為降柵壓保護信號，通道2 為第一級降柵壓單元輸出信號，通道3 為第二級降柵壓單元輸出信號，通道4 為第三級級降柵壓單元輸出信號。由圖5、圖6 可以看出降柵壓保護電路檢測到負(fù)載過流信號后先將受保護功率管的柵極電壓降到一個設(shè)定的電平，對受保護功率管進行預(yù)保護，然后再根據(jù)故障的狀態(tài)進行相應(yīng)的保護處理。

圖5 降柵壓保護信號仿真圖

圖6 降柵壓保護信號恢復(fù)仿真圖

軟件仿真了MOSFET 功率管開通、關(guān)斷和負(fù)載短路、過流后恢復(fù)的狀態(tài)。MOSFET 功率管開通、關(guān)斷和負(fù)載短路、過流后恢復(fù)的狀態(tài)圖如圖7～圖10 所示，其中通道1 為MOSFET 功率管柵極電壓，通道2 為負(fù)載兩端電壓。

圖7 MOSFET 功率管開通狀態(tài)仿真圖

圖8 MOSFET 功率管關(guān)斷狀態(tài)仿真圖

圖9 負(fù)載短路狀態(tài)仿真圖

圖10 負(fù)載過流后恢復(fù)正常狀態(tài)仿真圖

通過對SSPC 電路的仿真，降柵壓保護電路在負(fù)載過流或短路時，按照設(shè)計實現(xiàn)了對MOSFET 功率管柵極電壓的控制，有效地防止誤動作發(fā)生，降低了受保護功率管關(guān)斷時產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，使受保護功率管得到高可靠性的保護。

4 結(jié)論

本文闡述了基于電壓比較器的SSPC 驅(qū)動保護電路原理，設(shè)計了降柵壓保護電路，整個電路結(jié)構(gòu)簡單、體積小、精度高、抗干擾能力強、柵源極電壓VGS設(shè)置靈活、降柵壓速度可調(diào)、電路調(diào)試簡單，實現(xiàn)了對MOSFET 柵極電壓的控制。經(jīng)過電路分析和仿真實驗，結(jié)果表明降柵壓保護電路可以在45 μs 內(nèi)對短路負(fù)載進行關(guān)斷保護。降柵壓保護電路適合在某些環(huán)境惡劣且精度要求高的場合下使用。