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可编程直流固态功率控制器的设计与实现.pdf

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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《可编程直流固态功率控制器的设计与实现pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含第卷 第期 年月() 科 学 技 术 与 工 程ScienceTechnologyandEngineering Vol No Apr  SciTec符等。

第卷 第期 年月() 科 学 技 术 与 工 程ScienceTechnologyandEngineering Vol No Apr  SciTechEngng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)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 TM    文献标志码 A年月日收到第一作者简介:汪 洋(),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(SolidStatePowerController,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。 电路功能描述本文设计实现的V直流固态功率控制器要实现的具体功能包括:()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()具有两个输出端,状态及状态输出,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。状态表如表所示表 SSPC状态表状态控制信号状态输出状态输出状态描述LLLSSPC发生故障或输出状态与地短路LLH负载“通”,SSPC发生故障LHL负载“断”,SSPC正常工作LHHSSPC发生故障或输出状态与偏置电源短路HLLSSPC发生故障或输出状态与地短路HLH负载“通”,SSPC正常工作HHL负载“断”,SSPC跳闸HHH负载电流小于负载检测阈值()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It特性。 电路原理框图根据功能需求,完成方案设计框图,如图所示。图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 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DCDC变换器由控制端V偏置电源供电,使变换器实现与功率端电路的隔离。 单元电路的实现 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。 电流检测及调理电路检测回路的电流调理电路如图所示。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,IIe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IIe,电流图 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为:Ui=KmIRs=IIe()式()中,Ui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=IeoIe() 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,如图所示,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IIe<a时,SSPC正常导通当aIIe<b时,SSPC根据设置的反时限保护曲线延迟时间t后关断当IIeb时,SSPC瞬间触发,切断负载。在IEC标准中,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,It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科 学 技 术 与 工 程卷图 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,It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。IEC标准规定的极端反时限的标准方程为:t=Tp(IIP)()式()中,Ip为基准电流,Tp为延时整定系数,若令:IP=BIe,Tp=AB()则极端反时限标准方程可以表示为:t=A(IIe)B()式()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It反时限过流跳闸曲线。在本设计中采用“反比例反函数”函数曲线拟合式()所描述的极端反时限跳闸延时曲线。执行电路的结构如图所示。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。如图所示,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,OP、OP输出Vcc,Uo输出高电图 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CMP立即输出低电平,SSPC瞬时跳闸保护。设t为由OP产生的跳闸延迟时间,t为由OP产生的跳闸延迟时间,则有:t=RCVcIIeIIeVref()t=RCVcIIeIIeVref()SSPC跳闸时间为:t=mint,t()  结合调理电路输出公式(),反时限曲线的拟合电路(见图)与三段式过流保护特性曲线(见图),最小跳闸点a和瞬时跳闸点b在拟合曲线电路中分别有Vref=a,Vref=b。调节参考电压和RC参数可以方便的实现曲线的改变。 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。 额定电流可编程本设计固态功率控制器标称最大额定电流为A额定电流可编程范围:(~)A。下面说明参数的选取。如图中所示,放大器OP构成放大电路,放大倍数为Km。为使放大器能正常工作,则RR(RaR)=R(RbR)。期汪 洋,等:可编程直流固态功率控制器的设计与实现 Ui=RRaIRsR=KmIRs()  设计K=,Rs=mΩ。R(RaR)R=m=IeoIe()  根据设计要求确定电路中各参数:R=kΩ,R=kΩ,R=RR,R=R=kΩ。Ra=Rb=(m)m,m=IeoIe,()  即当Ra,Rb短接时,m=,SSPC在标称最大额定电流A下工作。当m=时,Ra、Rb开路,SSPC在额定电流A下工作。设定其他额定电流值时只需外接相应阻值的电阻。 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~内可编程设置。图 电流状态检测电路 瞬时跳闸点编程设置瞬时跳闸点由Vref确定,本设计中瞬时跳闸点过载倍数的编程范围是:~Ie。类似图所示结构,Vref通过电阻分压进行设置。 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 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。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 “软开通软关断”功能示意图 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。科 学 技 术 与 工 程卷 SSPC的正常开通和关断图(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μs。图(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μs。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 开通及关断仿真波形 SSPC反时限保护功能仿真参考DDC公司产品RP系列中的反时限保护特性,式()中令A=,B=,则反时限标准方程为:t=(IIe)()  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A,瞬时跳闸点为Ie。图所示为发生倍过载时控制器的延时保护结果,在ms时电路发生过流,经过ms,控制器跳闸,反时限保护的理论值为ms。图 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,如图所示。图 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段比较,若适当增加比较电路,可以取得更高的拟合精度。图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,期汪 洋,等:可编程直流固态功率控制器的设计与实现 图 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。 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。图所示为过载电流达到A瞬时跳闸保护的仿真波形。图 严重过载下的瞬时跳闸保护仿真波形 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 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,(): LiuWei,HuangAQAnovalhighcurrentsolidpowercontrollerIndustrialElectronicsSociety,stAmnualConferenceofIEEF, Internationalelectrotechnicalcommission,electricalrelaysPart:singleinputenergizingquantitymeasuringrelayswithdependentorindependenttime,IEC, 翁丽靖,王 莉,王志强固态继电器反时限特性曲线的分析与实现电力科学与工程,: 赵建伟,王 莉直流固态功率控制器的建模与仿真分析电力电子技术,(): 张 敏直流固态功率控制器的研究南京:南京航空航天大学, WangZhiqiang,WangLi,YanJieAsaftstartingandsoftturningoffCircuitofDCsolidstateswitchICEM: DataDeviceCorporationVDCSolidStatePowerControllersRPSeries,DevelopmentofProgrammableDCSSPCWANGYang,WANGJunfeng,WANGYingwu(XipianMicroelectronicsTechnologyInstitute,Xipian,PRChina)Abstract SolidStatePowerControllers(SSPC)areimportantpartsofthelargescalesolidstatePowerDistributionSystem(PDS)TheSSPCpisfunctionsandcharacteristicsbrieflyarepresentedandanalysedAVDCSSPCisdevelopedThedesigncannotonlyswitchonandofftheloadcurrentaccordingtothehostcomputerpiscommands,butalsoprotecttheelectricinstallationsfromshortcircuitsandoverloadstoensurethesystempisuninterruptedpowersupplyThedesignalsocanbeprogrammedforcurrentrating,instanttriplevelandloaddetectionlevelThedesignissimulated,andprovedtobeaccurateandpracticableKeywords SSPC  overcurrentprotection  inversetimecharacteristics科 学 技 术 与 工 程卷

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