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航空交流固态功率控制器的研究.pdf

航空交流固态功率控制器的研究.pdf

上传者: mavis_lw 2012-05-08 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《航空交流固态功率控制器的研究pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含定稿日期:作者简介:胡华波()男湖南人硕士研究方向为配电自动化及智能电器。引言固态功率控制器(SSPC)是由半导体器件构成的智能开关装置其功能与传统符等。

定稿日期:作者简介:胡华波()男湖南人硕士研究方向为配电自动化及智能电器。引言固态功率控制器(SSPC)是由半导体器件构成的智能开关装置其功能与传统的机械式热自动开关、保险丝与继电器串联的组合器件及其他控制保护电器如电力断路器等相似而性能则大大优于传统的继电保护装置。交流SSPC可实现零电压开通与零电流关断对器件的电压电流冲击小开关损耗小。目前国外公司交流SSPC产品额定电流达A国内对交流SSPC还处于工程样机阶段。交流SSPC通态压降是制约其电流等级提高的重要原因之一这里所设计的VA低功耗交流SSPC在该方面做了一些研究。交流SSPC硬件总体设计该SSPC的硬件电路主要分为主功率电路和控制电路如图所示。主功率电路由霍尔元件、采样电阻、外接用电设备及MOSFET两两同向并联后再反向串联构成。当上位机给开通信号时MOSFET开通接通负载当上位机给关断信号时MOSFET截止断开负载。电路通过采样电阻及霍尔元件采集电流过流时延时断开时间可以从几毫秒到几秒。当发生大电流短路时SSPC通过快速保护装置可以在几十微秒之内“跳闸”。降低开关压降的设计功率器件MOSFET是电流驱动型器件控制简单导通压降低开关速度快良好的正温度特性利于并联分流降低压降。在栅极加驱动电压可双向导通等效为一个电阻与二极管并联。可充分利用这一特点选用导通电阻小的MOSFET在额定电流下电压反向时电流不流经体二极管而全部从其导电沟道内流过则导通压降可大幅降低。航空交流固态功率控制器的研究胡华波武建文(北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京)摘要:以VA航空交流固态功率控制器(SolidStatePowerController简称SSPC)为研究对象提出了一种新的零电压开通拓扑结构能快速检测过零点简单可靠地实现软开关功能。设计了电流双重采样电路实现全电流范围内的高精度采样降低了大电流下SSPC的压降。完成了零电压开通、零电流关断、小电流可靠关断和短路迅速断开等功能通过实验结果进行了验证。关键词:控制器过零检测零电压开通零电流关断中图分类号:TM文献标识码:A文章编号:X()TheStudyofAviationACSolidstatePowerControllerHUHuaboWUJianwen(BeijingUniversityofAeronauticsAstronauticsBeijingChina)Abstract:ThispaperisconcernedwithVAaviationACsolidstatepowercontroller(SSPC)anewzerovoltageopeningtopologicalcircuitispresentedItcanquicklyfindthezerovoltagereliablyandsimplyachievesoftswitchingAcurrentdoublesamplingcircuitisdesignedItmakestherangeofthecurrentwithhighprecisionsamplingreducesSSPC’svoltagedropinthebigcurrentItachieveszerovoltagezerocurrentswitchingturnssmallcurrentoffreliablyandturnsshortcurrentoffquicklyTheexperimentalresultsverifythestudyKeywords:controllerzerodetectionzerovoltageswitchingzerocurrentswitching图VHz交流SSPC原理框图第卷第期年月电力电子技术PowerElectronicsVolNoNovember第卷第期年月电力电子技术PowerElectronicsVolNoNovember电流采样传感器通常用采样电阻测量电流但大电流下采样电阻的压降和功耗不可忽略。这里研究如图所示的电阻和霍尔元件串联对电流进行双重采样。电流为~A时以霍尔元件作为采样传感器大于A时以电阻作为采样传感器。霍尔元件选用额定测量电流A最大测量电流A其初级的粗铜导线串联在主回路中电阻可忽略不计。采样电阻选用两个mΩ电阻串联额定电流时压降V功率损耗W。从而使得电流传感器压降小电流测量精度高。零电压开通及零电流关断设计反向串联的MOSFET构成SSPC可等效为如图a所示结构由于MOSFET输出电容的影响在输入电源电压uin=时功率管漏源极电压u=u且均不为零如图b所示仿真波形的t时刻。采用“上下管按一定次序通断”策略过零开通中首先开通的MOSFET不是在电压过零时开通而是有一定电压如图b所示仿真图的t时刻约V不是真正意义上的零电压开通。因此对于反向串联的MOSFET构成SSPC依靠检测输入电压过零的手段不能实现零电压开通。零电压开通过程分析图示出基于以上分析所设计的控制器电路。开通前电路无电流mΩ电阻RfRf的电压可忽略。Son是开关控制信号一旦Son变为高电平两个D触发器使能有效整个电路开始启动。如果u为正则u为负的二极管压降u接近输入电源电压此时A产生低电平输入到FF的CLK端A产生高电平输入到FF的CLK端。当u由正变负时CLK跳变为高电平Q输出高电平开通VQ和VQ。半周波后u由负变正电路自然过零导通此时CLK跳变为高电平Q输出高电平开通VQ和VQ。零电流关断过程分析开通时体二极管箝位控制器只要在半个周波内发出开通信号即可零电压开通误差也非常小不会超过体二极管的压降。当上位机给关断信号后霍尔元件和采样电阻采集电流信号控制器检测过零点使得Son变为低电平D触发器复位输出低电平关断开关管实现零电流关断。零电流关断误差来源:从电流过零到控制器发出关断信号使电流关断存在时间延时Δt引起过零关断误差电流为:Δi=Umsin(ωΔt)姨RL()对于航空交流VHz电源Ω负载可将式()变为:Δi=sin(πΔt)姨()小电流可靠关断设计当负载电流很小时可能存在电流传感器检测误判或者无法检测到实际电流控制器设计了小电流强制关断程序控制器检测电流小于某一值时无需零电流关断直接关断关断功耗和对器件冲击都很小。反时限过流保护控制器采用反时限过流保护方法该反时限保护是基于耐热量降低原理、采用“减数法”和“时间片”思想设计的具有快速性好、准确性高和简单实用等特点。图电流双重采样原理框图图MOSFET输出电容影响分析图图零电压开通零电流关断电路实验验证图示出零电压开通波形开通电压仅约为V半个周波内开通压降均V只要在半个周波内发出开通信号都能实现开通电压小于V美军标MILPB要求零电压开通误差不大于V前文提出的新的零电压开通拓扑非常好地实现了零电压开通。图示出电流关断波形。图a为零电流关断波形。关断电流A根据MILPB要求VA相应关断电流应小于A控制器很好地实现了零电流关断。关断误差来源为信号传输延迟实验测得Δtμs代入式()得Δi=A实验结果与理论分析符合。控制器在电流为A时还能实现零电流关断如图b所示。为可靠关断增加了小电流强制关断程序。实验设定为A具体可根据实际需要进行修改。如图c所示电流为A上位机给分闸信号时控制器切断负载可靠关断。由图a可见控制器在通过A以上的电流时通过硬件快速动作切断故障时间仅为μs在响应速度上有很大优越性。快速保护自锁信号能防止电流下降后控制器再次开通而产生振荡。如图b所示电流为A时MOSFET压降波形完全对称电流全部从导电沟道流过MOSFET等效为一个电阻即有双向导通性此时SSPC压降为V(峰值V)可见设计的SSPC开关压降低功耗小。如图c所示电流为A时MOSFET两端电压出现非对称在MOSFET漏源极为负压时寄生二极管导通箝位等效为一个电阻与二极管并联。验证了MOSFET的特性。结论研究并验证了大电流低功耗航空交流SSPC得到以下结论:提出一种新的零电压开通拓扑结构能快速检测过零点简单可靠地实现零电压开通实验证明开通电压在V以内设计的双重采样电路提高了采样精度能实现零电流关断关断电流为A还实现了低开关压降实验测得大电流A时SSPC压降为V实现了小电流可靠关断及短路故障时μs内切断故障电流时间响应快。参考文献陈昌林交流固态功率控制器的研究D南京:南京航空航天大学MichaelMKugelmanAkronOhioSolidStateRelayforSwitchingACPowertoaReactiveLoadandMethodofOperatingtheSame:USAUSP武建文基于耐热量降低原理的配电系统微机反时限过流保护J航空学报():MILPB固态功率控制器通用技术规范S图零电流关断波形图短路硬件快速保护及开关压降测试波形图零电压开通波形航空交流固态功率控制器的研究

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