可编程直流固态功率控制器的设计与实现

第 10卷 　第 12期 　2010年 4月 167121815 (2010) 1222883206　 科 　学 　技 　术 　与 　工 　程Science Technology and Engineering 　Vol110　No112　Ap r12010　2010　Sci1Tech1Engng1 机电技术 可编程直流固态功率控制器的设计与实现 汪 　洋 　王俊峰 　王英武 (西安微电子技术研究所 , 西安 710054) 摘 　要 　固态功率控制器 ( SSPC)是大规模分布式固态配电系统的重要组成部分。简单叙述了其功能及特点 ,并根据实际需 要设计出一种实用的 28 V直流固态功率控制器。该设计不仅能够根据上位机的指令控制负载电流的通断 ,而且能够在电路 发生过流或短路故障时 ,切断故障负载 ,保证电源的不间断供电 ,并且具备编程设置功能。经过仿真测试 ,该设计切实可行。 关键词 　固态功率控制器 　　过电流保护 　　反时限特性 中图法分类号 　TM571. 65; 　　　　文献标志码 　A 2010年 2月 1日收到 第一作者简介 :汪　洋 (1985—) ,陕西周至人 ,硕士研究生 ,研究方 向 :功率变换技术、变换器建模、仿真技术。 　　传统的机电式配电系统在智能化、可靠性等方 面已不能满足大规模分布式配电系统的需要 ,采用 模块化固态配电技术是当前的发展趋势。基于固 态配电技术和计算机综合控制技术不仅可以实现 电源系统高度自主运行 ,在电源系统局部出现故障 时实现对系统的重构 ,还可以为系统的健康管理提 供大量的有用信息 ,大大提高系统的可靠性。固态 功率控制器 ( Solid State Power Controller, 简称为 SSPC)作为用来代替继电器的转换功能和断路器的 电路保护功能于一体的固态元器件 ,是与固态配电 系统相配套的控制负载通断的开关装置。它不仅可 以根据任务的需求实现对负载的通断控制 ,而且在负 载或配电线路出现过流或短路等故障时可以迅速断 开发生故障的负载电路部分 ,以实现电源的不中断供 电 ,并为电源和配电系统提供全面保护 [ 1 ]。 1　电路功能描述 本文设计实现的 28 V直流固态功率控制器要 实现的具体功能包括 : (1) 在正常工作时通过接收系统发出的开通 / 关断命令将负载接入系统或从系统断开 ;当发生一 定程度的过载时 , SSPC按照设置的触发曲线进行保 护 ;当发生严重过载或短路时 , SSPC立即跳闸 ,将发 生故障的负载或设备从配电系统断开 ,防止对上级 及整个系统造成影响 ; (2) 具有两个输出端 ,状态 1及状态 2输出 ,分 别提供负载电流与开关状态的信息。结合上位机 的控制信号 ,能组合八种状态 ,利用这八种状态 ,上 位机能及时准确地了解负载当前的状态和 SSPC自 身的状态。状态 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 如表 1所示 ; 表 1　SSPC状态表 状态 控制 信号 状态 1 输出 状态 2 输出 状态描述 1 L L L SSPC发生故障或输出状态 1与地短路 2 L L H 负载“通”, SSPC发生故障 3 L H L 负载“断”, SSPC正常工作 4 L H H SSPC发生故障或输出状态 2与偏置电 源短路 5 H L L SSPC发生故障或输出状态 2与地短路 6 H L H 负载“通”, SSPC正常工作 7 H H L 负载“断”, SSPC跳闸 8 H H H 负载电流小于负载 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 阈值 (3) 该固态功率控制器还具备可编程特性。通 过外接调节电路即改变外接电阻的阻值 ,能够对额 定电流、瞬时跳闸点过载倍数和负载电流检测阈值 进行设置 ,调整其“跳闸 ”时间 ,以适合各种应用的 导线 I2 t特性。 2　电路原理框图 根据功能需求 ,完成 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 设计框图 , 如图 1 所示。 图 1表示出该电路的各个功能模块 ,主要由内 部电源、控制及光耦隔离电路、功率开关管及其驱 动电路、过流保护电路、状态控制和锁存电路构成。 图 1　固态功率控制器原理框图 控制端采用缓冲器来处理逻辑信号 ,此逻辑信号 通过光耦实现隔离和电平转移。功率端是模拟电路 , 提供了驱动开关器件 ,检测电流 ,过流保护和可编程 功能。内部的 DC /DC变换器由控制端 + 5 V偏置电 源供电 ,使变换器实现与功率端电路的隔离。 3　单元电路的实现 3. 1　过流保护电路 本设计中 ,过流保护电路包括电流调理电路和 反时限延时保护电路两部分。 3. 1. 1　电流检测及调理电路 检测回路的电流调理电路如图 2所示。 根据反时限保护的相关要求 ,过流保护的时间 是由过流倍数即负载电流 I与额定电流 Ie 的比值决 定的 , I / Ie 相同 ,保护时间相同。因而 ,改变固态功 率控制器的额定电流 ,只需要保证相同的 I / Ie ,电流 图 2　电流检测及调理电路 调理输出相同 ,设计检测回路中电流调理电路输出 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 为 : U i = Km IRs = I /4 Ie (1) 式 (1)中 , U i 为电流调理输出 , K为放大系数 , I为负 载电流 , Rs 为检测电阻 , Ie 为设置后的额定电流。 若 Ieo为 SSPC标称最大额定电流 ,则 m 满足关系 : m = Ieo / Ie (2) 3. 1. 2　反时限延时保护电路 固态功率控制器采用三段式过流保护 [ 2 ] ,如图 3所示 , a、b是两常数 ,分别设定为最小跳闸保护点 和瞬时跳闸保护点的电流 Ia、Ib 与额定电流的比值 , 三段式保护可表示为 : 当 I / Ie < a时 , SSPC正常导通 ; 当 a≤I / Ie < b时 , SSPC根据设置的反时限保护 曲线延迟时间 t后关断 ; 当 I / Ie≥b时 , SSPC瞬间触发 ,切断负载。 在 IEC 255—3标准中 [ 3 ] ,规定了三种典型的反 时限标准方程 :一般反时限、非常反时限和极端反 时限。 一般来说 , I2 t形状的跳闸曲线是保护系统的最 佳选择。这是因为线路的功率损耗等于线阻与负 载电流平方的乘积 ,而线路的温度是由线耗时间长 短决定的 ,这样 ,在相同时间内线路的温度与电流 的平方成正比。假如跳闸曲线具有与供电线相同 4882 科 　学 　技 　术 　与 　工 　程 10卷 图 3　三段式过流保护特性曲线 的特性 ,那么固态功率控制器就能够精确地推算出 由于过载引起的线路的温度上升 ,并在线路超温破 坏之前移去负载电流。因此 ,对于固态功率控制 器 , I2 t形状的跳闸曲线是一种最佳选择。这种反映 过热状态的过流保护 ,采用的是极端反时限的过流 保护特性 [ 4 ]。 IEC 255—3标准规定的极端反时限的标准方 程为 : t = 80Tp ( I / IP ) 2 - 1 (3) 式 (3)中 , Ip 为基准电流 , Tp 为延时整定系数 ,若令 : IP = B Ie , Tp = A /80B 2 (4) 则极端反时限标准方程可以表示为 : t = A ( I / Ie ) 2 - B 2 (5) 式 (5)中 I为负载电流 , Ie 为额定电流 , A、B 为整定 系数。可见 ,极端反时限的跳闸时间是过载倍数的 二次函数 ,由不同的 A、B 可以确定不同的 I2 t反时 限过流跳闸曲线。 在本设计中采用“反比例 2反函数 ”函数曲线拟 合式 (5)所描述的极端反时限跳闸延时曲线 [ 5 ]。执 行电路的结构如图 4所示。 为了拟合负载对不同过载电流下的跳闸延时 要求 ,取两段比较 ,使得输出跳闸延迟曲线具有较 高的精度 [ 4 ]。如图 4所示 ,由两个积分电路和三个 比较器构成了跳闸定时电路。 当负载正常时 , OP2、OP3输出 Vcc , Uo 输出高电 图 4　反比例 —反函数拟合法实现的过流保护电路 平 ,固态功率控制器不跳闸。当负载过流时 ,积分 放大器反相端的电容开始积分 ,放大器输出线性下 降 , Uo 经过延时后输出跳闸信号 ,低电平有效。当 负载严重过流时 ,比较器 CMP1立即输出低电平 , SSPC瞬时跳闸保护。设 t1 为由 OP2产生的跳闸延 迟时间 , t2 为由 OP3产生的跳闸延迟时间 ,则有 : t1 = R1 C1 4Vc - I / Ie I / Ie - 4V ref1 (6) t2 = R2 C2 4Vc - I / Ie I / Ie - 4V ref2 (7) SSPC跳闸时间为 : t = m in t1 , t2 (8) 　　结合调理电路输出公式 ( 1 ) ,反时限曲线的拟 合电路 (见图 4)与三段式过流保护特性曲线 (见图 3) ,最小跳闸点 a和瞬时跳闸点 b在拟合曲线电路 中分别有 V ref1 = a /4, V ref3 = b /4。调节参考电压和 RC参数可以方便的实现曲线的改变。 3. 2　可编程功能的实现 本设计中 ,主要实现了固态功率控制器额定电 流可编程和瞬时跳闸点可编程以及负载电流检测 阈值编程设置。 3. 2. 1　额定电流可编程 [ 5 ] 本设计固态功率控制器标称最大额定电流为 25 A;额定电流可编程范围 : ( 5～25) A。下面说明 参数的选取 [ 6 ]。 如图 2中所示 ,放大器 OP4构成放大电路 ,放 大倍数为 Km。为使放大器能正常工作 , 则 R5 / / R6 / / (Ra + R8 ) = R7 / / (Rb + R9 )。 588212期 汪 　洋 ,等 :可编程直流固态功率控制器的设计与实现 　 U i = [ R5 / /Ra ] IRs /R6 = Km IRs (9) 　　设计 K = 2, Rs = 5 mΩ。 [R5 / / (Ra + R8 ) ] /R6 = 2m = 2 Ieo / Ie (10) 　　根据设计要求确定电路中各参数 : R6 = 2 kΩ, R5 = 20 kΩ, R7 = R5 / /R6 , R8 = R9 = 5 kΩ。 Ra = Rb = 25 (m - 1) 5 - m , m = Ieo Ie ∈ 1, 5 (11) 　　即当 Ra , Rb 短接时 , m = 1, SSPC在标称最大额 定电流 25 A下工作。当 m = 5时 , Ra、Rb 开路 , SSPC 在额定电流 5A下工作。设定其他额定电流值时只 需外接相应阻值的电阻。 3. 2. 2　负载电流检测阈值编程设置 电流状态检测电路能够实时监控负载电流的 状态 ,并通过光耦隔离将这些信号传输给控制电 路 ,并最终输出到上位机 ,如图 5所示。调理电路的 输出被送至比较器 ,通过调整分压电阻 Rd 设置检测 阈值电压 ,使得负载电流检测阈值在额定电流 Ie 的 15% ～95%内可编程设置。 图 5　电流状态检测电路 3. 2. 3　瞬时跳闸点编程设置 瞬时跳闸点由 V ref3确定 ,本设计中瞬时跳闸点 过载倍数的编程范围是 : 200%～800% Ie。类似图 5 所示结构 , V ref3通过电阻分压进行设置。 3. 3　开关器件的选择及驱动电路的设计 开关器件采用 VDMOS,因为 VDMOS具有高输 入阻抗和低驱动功率、开关速度快、更宽的安全工 作区域等特点 , VDMOS栅极可直接与 CMOS、TTL 集成电路和其他高阻器件连接 ,具有良好的工艺兼 容性 ,使驱动电路的设计大大简化。 VDMOS开关管驱动电路的结构如图 6所示。 由于工作状态不同 , SSPC的功率开关管驱动电 路与一般功率电路的开关管驱动电路是有区别的。 一般功率电子电路为了减少开关损耗 ,要求功率开 图 6　驱动及开关状态电路 关管驱动电路的驱动信号具有高的电压变化率 ,使 功率开关管快速开通和关断。若采用上述的驱动 电路 ,在阻容性负载开通时 ,会产生较大的瞬时浪 涌电流 ,阻感性负载关断时 ,会在功率管两端产生 很高的尖峰电压。为了能适用于各种负载 ,固态功 率控制器的设计必须考虑与各种负载的兼容性 ,这 就要求在开通及关断时栅极电压 Ves应具有适当的 变化率 ,以调整功率开关管的开关速度 [ 7 ]。在本设 计中 ,我们采用“软开通 /软开断 ”功能的驱动电路 , 该功能是通过阻容延时电路实现的。 图 7　“软开通 /软关断 ”功能示意图 4　仿真结果及分析 对根据以上原理设计出的电路进行仿真验证 其功能。 6882 科 　学 　技 　术 　与 　工 　程 10卷 4. 1　SSPC的正常开通和关断 图 8 ( a)所示为开通的仿真波形。正常开通时 , 驱动信号 CMD 为高电平 , Vgs很快达到阈值电压 VTH ,随后在“软开通 ”电路的作用下 Vgs逐渐上升 ,直 到 MOS管完全导通 ,由仿真波形可见 ,开通延迟约 为 300μs。 图 8 ( b)所示为关断的仿真波形。关断瞬间 Vgs 迅速降至阈值电压 VTH附近 ,随后在“软关断 ”电路 的作用下 Vgs逐渐下降至零 , MOS管完全关断 ,由仿 真波形可见 ,关断延迟约为 150μs。 由仿真波形可见 ,该电路可以有效的控制栅源 电压的瞬态变化 ,针对不同的开关管及负载应用通 过调整参数 ,可以调节驱动电压 Vgs的变化率 ,从而 调节负载电流的上升和下降时间 ,使开关器件的运 行轨迹处于安全区内。 图 8　开通及关断仿真波形 4. 2　SSPC反时限保护功能仿真 参考 DDC公司产品 RP—21000系列中的反时 限保护特性 [ 8 ] ,式 (5)中令 A = 0. 879 06, B = 111,则 反时限标准方程为 : t = 0. 879 06 ( I / Ie ) 2 - 1. 12 (12) 　　根据本文方法对该曲线进行拟合 ,对设计出的 电路进行仿真 ,仿真条件为额定电流 25 A,瞬时跳 闸点为 800% Ie。 图 9所示为发生 3. 2倍过载时控制器的延时保 护结果 ,在 200 m s时电路发生过流 ,经过 95 m s,控 制器跳闸 ,反时限保护的理论值为 97 m s。 图 9　过流延时保护电路仿真结果 对本文所设计的电路在不同倍数的过载状况 下进行仿真 ,根据过载倍数与跳闸时间的关系绘制 曲线图 ,并与 IEC理论曲线进行比较 ,如图 10所示。 图 10　过载倍数与跳闸时间关系 可见 ,当负载出现过流时 , SSPC可以对电路进行 有效的保护。该拟合曲线具有较理想的效果 ,但在过 载倍数大于 5倍后 ,拟合曲线与理论曲线有较大的偏 差。这是因为该曲线的拟合电路只取了 2段比较 ,若 适当增加比较电路 ,可以取得更高的拟合精度。 图 11所示为增加一段比较后的拟合曲线 ,可见 其拟合精度已得到明显改善。但多段比较拟合曲线 也会相应的增加电路的复杂度 ,因此在实际应用中 , 788212期 汪 　洋 ,等 :可编程直流固态功率控制器的设计与实现 　 图 11　三段比较拟合曲线 可以针对保护精度的要求对电路做相应的调整。 4. 3　SSPC的瞬时跳闸保护仿真 当负载电流出现严重过载时 ,即过载倍数超过设 置的瞬时跳闸点时 , SSPC将立即关断。图 12所示为 过载电流达到 215 A瞬时跳闸保护的仿真波形。 图 12　严重过载下的瞬时跳闸保护仿真波形 5　结论 设计了一款单通道直流固态功率控制器 ,具有 电路通断控制功能及较理想的电流保护特性 ,同时 实现了固态功率控制器额定电流可编程和瞬时跳 闸点可编程以及负载电流检测阈值编程设置功能。 通过仿真验证 ,该电路原理及设计切实可行。 参 　考 　文 　献 1　郑先成 ,张晓斌 ,高朝晖 ,等. 航天器新型固态配电技术研究. 宇 航学报 , 2008; 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The SSPCpis functions and characteristics briefly are p resented and analysed. A 28 V DC SSPC is developed. The design can not only switch on and off the load current according to the host computerpis commands, but also p rotect the electric installations from short circuits and overloads to ensure the systempis uninter2 rup ted power supp ly. The design also can be p rogrammed for current rating, instant trip level and load detection level. The design is simulated, and p roved to be accurate and p racticable. [ Key words] 　SSPC　　overcurrent p rotection　　inverse time characteristics 8882 科 　学 　技 　术 　与 　工 　程 10卷