直流固态功率控制器的研究（可编辑）

直流固态功率控制器的研究（可编辑） 直流固态功率控制器的研究 南京航空航天大学 硕士学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 直流固态功率控制器的研究 姓名:张敏 申请学位级别:硕士 专业:电力系统及其自动化 指导教师:王莉 20080101南京航空航天大学硕士学位论文 摘 要 固态功率控制器(SSPC)是集断路器线路保护功能和固态继电器可靠性于一体 的智能开关装置。它采用功率 MOSFET作为开关器件,具有开关速度快、无触点、 无电弧、电磁干扰小、可靠性高以及便于计算机控制等特点。 本文首先以 28V固态功率控制器为例,对直流可编程固态功率控制器的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 和 相关技术进行了介绍,主要包括控制时序、可编程技术、短路保护技术等。接着在 此基础上,介绍了 270V固态功率控制器的设计。通过对研制样机进行实验 测试, 初步验证设计的可行性。 其次,应用元器件计数预计法对28V和 270V样机分别进行了可靠性工程预估, 得到了样机的失效率和平均寿命;根据四状态变量代码表,运用故障树 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 法对故 障进行定性分析;从短路干扰产生的原因及主要影响因素出发,对固态功率控制器 的抗干扰性进行了分析和讨论,提出了几种电路改进方式,提高了系统的可靠性。 最后,在 Saber中搭建直流固态功率控制器的仿真分析模型,对使用固态功率 控制器的基本配电网络加以仿真。分析发现固态功率控制器在实际配电网络中使用 时可能出现的问题,提出改进措施和配置方法,并进行了仿真验证。为固态功率控 制器的进一步改进和实际使用奠定了基础。 关键词:固态功率控制器,可编程,反时限过流保护,故障树,可靠性,配电网络i 直流固态功率控制器的研究 Abstract Solid-State Power Controller is a kind of intelligent switches, which incorporates the wire protection function of circuit breaker and the reliability of solid-state relay. Using Power MOSFET as switch, the power controller has the features of high-speed of on-off, no contact, no arc, less electromagnetic interference, high reliability and easy to be controlled by microcomputerFirstly, taking 28V DC SSPC as an example, this paper presents the design of DC programmable SSPC and correlative technologies, such as control time sequence, programmable protecting technology, short-circuit protection and so on. The design of 270V DC SSPC is also introduced in this paper. The correctness and feasibility of these design and technologies are proved by the test of the prototypeSecondly, the component-counted reliability estimated method is used to estimate the reliability of the designed 28V and 270V SSPC prototypes. Through the estimate, the prototype’ s failure rate and the mean time between failures MTBF are obtained. And the qualitative analysis is carried on with the FTA method. Then, the main factors causing short interference are discussed and analyzed in the paper. From the results, some methods of the anti-jamming are brought forward to improve the circuit. The reliability of the system is enhancedFinally, a model of SSPC is set up in Saber. The working states of the power distribution nets using SSPCs as switches are emulated. Through the emulational results, some deficiencies which have not been concerned in the design of the prototype are emerged. Moreover, some meliorative suggestions of the design and some requirements of using SSPC in the power distribution net are put forward. All of these are useful to the improvement and practicability of SSPC Key Words: Solid-State Power Controller, programmable, inverse time over-current protection, reliability, power distribution nets ii 南京航空航天大学硕士学位论文 图表目录 图 2.1 SSPC功能等效图..6 图 2.2 28V固态功率控制器模块图7 图 2.3 28VSSPC控制与保护模块电炉结构图8 图 2.4 软启动缓关断驱动工作波形与电路.9 图 2.5 CMD和 TRIP信号发生电路10 图 2.6 容性负载仿真波形. 11 图 2.7 SSPC控制时序. 12 图 2.8状态信号延时电路12 图 2.9 控制时序仿真波形. 13 图 2.10 三段式过流保护特性曲线. 14 图 2.11 反比例-反函数拟合法保护电路 15 图 2.12 反时限保护电路 17 图 2.13 电流调理电路图 18 图 2.14 电流定额编程电阻阻值19 图 2.15 参考电压电路 19 图 2.16 Rc与 n关系 19 图 2.17 检测电流短路保护电路框图. 21 图 2.18 检测 U 短路保护电路框图21 ds 图 2.19 270VSSPC模块图 22 图 2.20 270VSSPC控制与保护模块电路结构图 22 图 2.21 270VSSPC功率电路 23 图 2.22 辅管驱动信号工作波形和电路图 24 图 2.23 常用驱动隔离方式25 图 2.24 SSPC实验接线示意图. 26 图 2.25 阻性负载下开通、关断实验波形 27 图 2.26 慢开通、缓关断实验波形. 27 图 2.27 阻容性负载开通波形28 v直流固态功率控制器的研究 图 2.28 功率电路示意图 28 图 2.29 阻感性负载关断波形29 图 2.30 反时限过流保护曲线30 图 2.31 电流定额 50%I 测试. 31 eo 图 2.32 立即跳闸保护点可编程实验波形 32 图 2.33 短路保护实验波形33 图 2.34 270V/15A相关测试波形. 35 图 2.35 270V/15A反时限曲线. 36 图 3.1 SSPC故障树. 44 图 3.2 短路与受干扰电路波形 45 图 3.3 两路负载接线示意图. 46 图 3.4 考虑分布参数等效电路模型 48 图 3.5 两路 SSPC检测电阻电压仿真波形49 图 3.6 改进电路后受干扰SSPC负载、检测电阻电压 50 图 4.1 SSPC元件模型. 52 图 4.2 飞机直流配电系统. 52 图 4.3 固态功率控制器基本配合方式53 图 4.4 简单配电网保护. 54 图 4.5 级联配电仿真图. 55 图 4.6 级联配电仿真波形. 56 图 4.7 SSPC余度供电配合使用主电路示意图 57 图 4.8 余度配电仿真图. 57 图 4.9 SSPC余度配电仿真波形58 图 4.10 270VSSPC余度供电示意图59 图 4.11 泄漏箝位使能信号 EQ逻辑与电路 59 图 4.12 改进 270VSSPC余度配电仿真波形60 表 1.1 多/全电飞机在配电方面所采用技术..4 表 2.1 短路信号逻辑真值表. 20 表 2.2 固态功率控制器技术指标 25 表 2.3 某些定点的保护时间的理论值和实验值. 30 vi南京航空航天大学硕士学位论文 表 2.4 SSPC输入输出状态代码33 表 2.5 功率损耗测试数据. 34 表 2.6 28V/25ASSPC样机主要性能测试结果. 34 表 2.7 270V/15ASSPC样机主要性能测试结果36 表 3.1 样机所用器件类型和数量 39 表 3.2 元器件的通用失效率l. 40 Gi 表 3.3 SSPC状态信号说明 41 表 3.4 状态代码表42vii 直流固态功率控制器的研究 注释表 一、缩略词 基本缩略词 名称 基本缩略词 名称 MEA 多电飞机 EMI 电磁干扰 AEA 全电飞机 FR4 耐燃材料等级代号 SSPC 固态功率控制器 EMC 电磁兼容性 ELMC 电气负载管理中心 MTBF 平均故障间隔时间 FTA 故障树分析 二、基本符号与名称 基本符号 名称 基本符号 名称 I 直流电流 R 电阻 V 电压 R(t) 可靠度函数 u 瞬时电压 F(t) 失效度函数 U 直流电压失效率 n 跳闸保护倍数平均寿命 m 磁导率 p 质量等级系数 Q e 介电常数 p 成熟系数 L L 电感 t 时间 C 电容 l 长度viii 南京航空航天大学硕士学位论文 三、主要下标符号及意义 下标符号 意义 下标符号意义 ds 漏源极 off 关断 gs 栅源极 TH 阀值 in 输入 ref 参考 out 输出 最大值 on 开通 min 最小值 ix 承诺书 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师指导下,独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知,除文中已经注明引用的内容外, 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体,均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件,允许 论文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 (保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名: 日 期: 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章 绪论 1.1 研究背景 1.1.1 飞机直流电源系统的发展 低压直流电源是飞机最早采用的电源,并在二次世界大战中趋于成熟。现代飞 机低压直流电源系统由航空发动机、直接传动的发电机和控制保护器构成,其调节 点电压为 28.5V。 低压直流电源的主要优点是简单可靠,用蓄电池作备用及应急电源很方便。低 [1][2][3] 压直流电源的主要缺点是 : (1)直流发电机的电刷与换向器限制了电机转速,从而限制了电机的最大容 量; (2)电源容量加大后,飞机直流电网的重量显著增加; (3)二次电源的效率低,重量大。 近年来,由于飞机上(特别是战斗机)用电设备的增加和自动化程度的提高, 多电飞机(MEA)、全电飞机(AEA)概念的提出,对航空电源的要求越来越高, [2][4][5] 要求航空电源大幅度提高容量 。 高压直流电源系统重量轻效率高,容易实现不中断供电和余度供电,提高了系 统的可靠性、可维修性,降低了系统重量,提高了供电质量,更能适应电力传 动系 统等高技术用电设备的用电要求,便于向多电、全电飞机过渡,而且通过变换器可 获得低压直流电和 400Hz恒频交流电,满足各种用电设备需要,因此,270V高压 直流电源是各国飞机电源今后发展的一个重要方向。 在高压直流电源系统的发展中,存在两个关键问题:有刷电机的高空换向问题 及触点电器的高空断弧问题。这些问题严重制约了系统的发展。随着电力电子技术 及其相关技术的发展,用无刷直流电机代替有刷直流电机,用无触点固态电器代替 有触点电器,为高压直流电源系统的实际应用打下了基础。 1直流固态功率控制器的研究 1.1.2 飞机配电系统的发展 [3] 飞机配电系统按照控制方式来分有常规式、遥控式和自动配电三种 。 1.常规式配电系统 这是目前用得最广泛的配电系统,绝大多数飞机都采用它。在该系统中采用了 诸如继电器、接触器、断路器、限流器等机电式设备。为了使空勤人员能操纵和控 制这些配电设备,配电中心就安装在驾驶舱内。这就导致发电机馈电线必须先从发 电机端敷设到驾驶舱,然后再从驾驶舱返回到全机,因而配电线又长又重,线路压 降大。我国目前生产和装备的飞机大都为这种配电方式。 2.遥控配电 在一般宽机身的干线飞机上采取遥控配电系统。遥控配电系统是对不用于座舱 的那部分电力进行遥控的系统,配电中心可位于机身中部,采用遥控断路器来通断 负载和保护电线。很明显,由于主馈电线不进入座舱,从而减轻了电缆的重量。在 遥控配电系统中,关键的配电设备是遥控断路器。每个遥控断路器通过导线与驾驶 舱中控制板上相连接,有较多的控制和信号线;跟常规配电一样,遥控配电也没有 电气负载自动管理功能;国产的一些中型飞机采用这种配电方式。 3.自动配电 几十年来,常规式配电系统得到了充分的发展,但也存在着大量的问题。主要 [3] 有 : (1) 大量的断路器、熔断器和很长的电缆,使电网的重量很大; (2) 各种控制线、信号线、开关和指示灯等电气设备都汇集到座舱,造成 座舱空间十分拥挤; (3) 飞行人员操纵复杂,系统的维修十分困难。 为解决上述问题,国外从 60 年代开始进行固态配电系统的研究。固态配电系 统是指以飞机电气系统处理机为控制中心,采用多路传输技术,通过汇流条控制器、 负载管理中心、电气远程终端、固态功率控制器、大电流机电混合式功率控制器对 飞机电气负载进行自动管理的配电系统。这种飞机电气系统,实现了配电系统的高 度自动化、智能化,操纵控制简单,电网重量大大减轻,维护也十分方便。 2南京航空航天大学硕士学位论文 1.2 国内外研究现状 1.2.1 固态功率控制器的发展 固态功率控制器(Solid-State Power Controller,简称 SSPC)是集继电器的转换 功能和断路器的电路保护功能于一体的智能开关设备。它具有无触点、无电弧、无 噪声、响应快、电磁干扰小、寿命长、可靠性高以及便于计算机远程控制等优点。 [7] 按照飞机供电系统电源的不同,固态功率控制器分为 : (1)直流固态功率控制器,具体分为: 28V低压直流固态功率控制器,270V高压直流固态功率控制器; (2)交流固态功率控制器(飞机交流电源为 115V/400Hz),具体分为:单相 交流固态功率控制器,三相交流固态功率控制器。 固态功率控制器的发展与飞机配电系统的发展是密不可分的,在国外(尤其是 在美国),SSPC已经经历了一定的发展阶段。20世纪 60年代初,美国就试图将 SSPC应用于飞机的配电系统,但是受到了当时的半导体器件和散热技术的限制。 随着半导体工业及其他科学技术的发展,到 60年代末,美国对 SSPC的研究已经取 得了很大的进展,并通过将 SSPC应用到飞机上控制个别负载证明了 SSPC的可行 性。70年代初,美国着手研究将 SSPC应用于整个飞机的配电系统,提出了固态配 电系统的概念,它是由遥控信号通过 SSPC来操纵负载,座舱内只引入传送遥控信 号的控制线,SSPC只具有遥控开关及过载保护(跳闸)功能。70年代中期,美国 开始研究将计算机技术应用于飞机配电系统,同时对 SSPC也提出了新的要 求,即 能够向系统提供其状态信息。随着科学技术的飞速发展,特别是电力电子技术与计 算机技术的发展,在 80年代初,美国又提出了综合电源与航空电子信息系统,其 中,电气系统与电子系统共享数据总线,通过余度数据总线传送全部的配电控制信 号。 从 1991年起,美国国防部和国家航空与航天局开始立项发展全电飞机。全电 飞机历经第一代(1998年)、第二代(2005年)的多电飞机及第三代(预计 2012 [1] 年)的全电飞机的研究、发展和验证 。多/全电飞机关键系统之一的供电系统所研 究的技术主要集中在具有高功率密度的机载电源、高可靠及容错能力的配电技术等 [8] 方面 。 美国多/全电飞机发展 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 在配电方面所采用的技术如表 1.1所示。 3直流固态功率控制器的研究 1999年,美国 F-22“猛禽”战斗机上装备了 270V高压直流电源,并首飞成 功。 近年来,采用固态功率控制器的民用多电飞机如空客 A380和波音 787等也已研制 成功、即将投入使用。在波音 787配电系统中,大部分断路器已经采用了固态器件。 多数小负载(10A以下,115V交流或 28V直流负载)使用固态功率控制器替代了 [10] 热断路器,固态功率控制器的控制信号通过控制总线(CDN)传递 。 固态功率控制器在直流电源系统和固态配电系统中有十分重要的实际应用价 值。 [9] 表 1.1 多/全电飞机在配电方面所采用技术 多/全电飞机类型 配电技术 第一代多电飞机 1. 固态和机电式的配电设备混用 1998 2. 采用硅基功率电子器件 1. 除主汇流条接触器外全部采用固态功率控 第二代多电飞机 制器 2005 2. 先进的硅基和碳化硅基功率电子器件混用 3. 采用先进的电气部件、包装和热管理技术 1. 全部采用固态配电设备 第三代全电飞机 2. 可靠的高温电子器件(碳化基的)和 Y素 2012 的功率电子器件混用 1.2.2 固态功率控制器国内外研究现状 目前国外对固态功率控制器的研究已经比较成熟,已经研制出了交流 115V固 态功率控制器、直流 28V低压固态功率控制器,以及直流 270V高压固态功率控制 器,其中,美国 DDC公司(Data Device Corporation)和 LEACH公司(Leach International Corporation)生产的直流固态功率控制器系列产品及美国 LEACH公司 和混合公司生产的交流固态功率控制器系列产品已经具有良好的性能并应用到某 [11]-[14] 些机型中 。 国内固态功率控制器的研究起步较晚,技术比较落后。目前,国内所研制的固 态功率控制器实现了固态功率控制器的一般功能,但是还需进一步提高。 4南京航空航天大学硕士学位论文 1.3 论文研究意义及主要内容 固态功率控制器作为先进飞机配电系统的一个重要组成部分,能够取代有触点 的机械开关,有效提高飞机的整体性能与可靠性,对于推进我国多/全电飞机的发 展有重大意义和实际应用价值。本课题正是基于这种需要提出。 本文主要对固态功率控制器进行了研究,包括开发研制适用于直流固态配电系 统的直流固态功率控制,对其可靠性和故障诊断进行分析并研究固态功率控制器在 配电网络中的使用。 论文分为以下五个部分: 第一章(绪论部分)介绍固态功率控制器的研制背景、国内外研究现状、课题 研究意义、课题主要内容和本文的内容提要; 第二章介绍了直流固态功率控制器的设计、相关技术研究以及样机的实验结 果; 第三章样机的可靠性设计,主要是可靠性预计、故障诊断分析以及抗干扰方面 对电路的设计; 第四章建立使用固态功率控制器的配电网络的模型,通过对模型仿真和分析, 讨论固态功率控制器在实际使用中的问题,提出改进措施; 第五章(总结部分)全文总结和展望。 5直流固态功率控制器的研究 第二章 直流固态功率控制器设计 2.1 引言 直流固态功率控制器应用于直流配电系统,用来接通和断开负载。根据直流电 源系统电压定额的不同,直流固态功率控制器可分为 28V和 270V两个系列,28V 直流固态功率控制器用于 28V低压直流电源系统中,270V直流固态功率控制器用 270V高压直流电源系统中。 本章首先介绍了 28V固态控制器的电路原理、关键技术、设计等,然后在此基 础上介绍 270V固态功率控制器的设计。 2.2 直流固态功率控制器功能与总体结构 2.2.1 直流固态功率控制器设计要求 固态功率控制器是飞机固态配电系统中用来代替继电器的转换功能和断路器 [11]-[14] 的保护功能于一体的一种智能型的固态开关装置 。 控制继电器 断路器功能 电源输出 功能 电源输入 至负载 控制信号图 2.1 SSPC功能等效图 [15]-[13] 直流固态功率控制器实现的主要功能有 : (1)保护功能。除了正常导通、关断功能外,为了保护电网和负载,也为了 自身保护,固态功率控制器必须具有必要的保护功能。包括:过载的反时限过流保 护功能,短路故障时的快速短路保护功能等。 (2)通信功能。固态功率控制器是一种智能型的固态开关元件,能够与上位 机进行状态信息交换,以接收电气负载管理中心(ELMC)的控制指令和向其反馈6南京航空航天大学硕士学位论文 自身的工作状态。 此外,在固态功率控制器设计时也需要考虑以下几点: (1)低导通压降、低功耗。固态功率控制器导通时,在相同电流定额下,导 通压降越小,功率管的导通损耗就越小,相应的整机效率也就越高;另一方面导通 损耗小,功率管的发热量也就越小,对热设计也就越有利。在大电流定额时,往往 会用多个功率管进行并联以减小导通压降。 (2)能适用于电阻、电感、白炽灯、直流变换器和直流电动机等各种性质的 负载。通常飞机电网中的负载不可能只为阻性负载,事实上大多数负载都为阻感性 或阻容性负载,为了能适用于各种负载,固态功率控制器的设计中必须考虑 与各种 负载的兼容性。 (3)体积小、重量轻。为了减轻飞机电网的重量和体积,固态功率控制器要 求做到体积小、重量轻。 2.2.2 直流固态功率控制器工作原理 固态功率控制器主要由控制保护模块、电源模块和隔离电路模块三部分组 成, 如图 2.2所示。 POWER IN 偏置电源 输入 Vcc 电源模块 控制 与 控制信号 保护电路 状态信号 POWER OUT 隔离电路 负 载 NETURAL图 2.2 28V固态功率控制器模块图 控制与保护电路模块是固态功率控制器的核心模块,它实现了功率驱动控制、 2 I t反时限过流保护、短路保护以及状态检测锁存等功能。 隔离控制电路是直流固态功率控制器与电气负载管理中心的输入输出接口部 分,实现与电气负载管理中心(ELMC)状态信息的交换;状态信号的接口电路是 固态功率控制器与电气负载管理中心的接口,它起着传递信号的作用。由于电气负 载管理中心是采用弱信号(TTL电平或 CMOS电平)对 SSPC进行控制和状态检测, 为了避免 EMI及其他信号的干扰,固态功率控制器与上位机通信的信号需要电气隔7直流固态功率控制器的研究 离。为了使隔离电路尽可能简单,采用光耦进行隔离。 电源模块为固态功率控制器提供内部供电电源。从减小功耗和产品体积的角 度考虑,采用模块电源,将外部 5V偏置电源经 DC/DC变换得到 15V供电电源。 SSPC控制与保护模块如图 2.3所示。上位机发出控制命令,经隔离后送至控 制保护模块,正常工作时,控制命令 Control控制功率管的开关。SSPC通过直接检 测负载中流过的电流来实现故障保护,主要包括过流保护和短路保护两种保 护方 式:发生过流故障,保护电路产生过流保护信号 TRIP1 送至状态锁存与时序控制 部分,关断功率管;发生短路故障时,短路信号 SC直接送至驱动部分,快速关断 功率管,切除故障负载。状态信号由检测功率部分负载电流和电压得到。状态信号 经过隔离电路送入上位机后,上位机根据控制信号和状态信号判断SSPC工作状态, 实现自动控制。 POWER IN 控制与保护模块 带缓开通慢关断 驱动信号 控制 状 的功率驱动电路 信号 态 过流保护 锁 信号 短路保护 存 与 负载电流 时 状态 过流保护 负载 电流采样 序 负载电流检测 状态 POWER OUT 控 负载电压 制 状态 负 负载电压检测 电压采样 载 NETURAL图 2.3 28VSSPC控制与保护模块电路结构图 2.3 28V直流固态功率控制器设计与相关技术研究 2.3.1 功率电路及驱动 2.3.1.1 功率管选择 [15][17] 设计中选择 MOSFET作为功率开关管,主要原因有 : 1) 导通电阻小,导通压降低; 2) 功率损耗低; 3) 可并联使用实现均流,提高带载能力,同时并联后导通电阻减小降低了功8南京航空航天大学硕士学位论文 耗; 4) 无晶体管的二次击穿现象; 5) 无 IGBT的电流拖尾现象; 6) 电压型驱动器件,功耗小,电路设计简单。 2.3.1.2 驱动电路 固态功率控制器要求能适用飞机电网中各种类型的负载,事实上大多数负载都 为阻感性或阻容性负载。采用硬开通、关断的驱动电路,在阻容性负载开通时,会 产生较大的瞬时浪涌电流,在阻感性负载关断时,会在功率管两端产生很高的电压 尖峰。 为了能适用于各种负载,固态功率控制器的设计考虑与各种负载的兼容性,采 [15] 用带有软启动、缓关断功能的驱动电路 。 固态功率控制器采用 MOS管作为开关器件,MOS管开通关断过程中,漏源电 流 I 受栅源电压 U 的控制,且随 U 的增大而增加,所以在设计软启动、缓关断 gs gs D [18] 电路时,可以用栅源电压 U 的缓慢变化来控制负载电流的上升时间和下降时间 。 gs 如图 2.4(a)软启动、缓关断实际上就是当固态功率控制器开通或关断时,负 载电流 I和负载电压 U以较小的变化率缓慢上升或者下降并最终到达稳态,以减小 d 阻感性负载关断时的瞬变电压和阻容性负载开通时的瞬变电流,提高 SSPC的带载 能力,使 SSPC适用于电网中的各类负载。如图 2.4(b)所示,在图腾柱式的驱动 中加入简单的 RC网络,RC网络中的电阻 R用来调节初始驱动电压,在电阻 R确 定的情况下,调节电容 C来调节驱动电压 U 的变化率,从而调节负载电流的上升 gs [18] 和下降时间 。 驱动控制 信号CMD CMD 驱动电压 U gs RC 网 负载电 络 流I Ton Toff (a)软启动缓关断工作波形 (b) RC网络实现的软启动缓关断驱动电路 图 2.4 软启动缓关断驱动工作波形与电路 9 直流固态功率控制器的研究 2.3.2 状态锁存与控制时序 如图 2.3所示,在控制保护模块中,送入状态锁存与时序控制电路的信号 有: 控制信号 Control、状态信号(负载电流信号 LOAD1、负载电压信号 UT1) 和过流 保护信号 TRIP1,输出的信号有:功率管驱动信号 CMD和状态信号(负载电 流信 号 LOAD、负载电压信号 UT)。该电路的主要作用是: (1)根据控制信号 Control和过流信号 TRIP1,经逻辑判断产生功率管驱动信 号 CMD; (2)根据正确的时序从上位机接收控制信号 Control、向上位机发送状态信号。 2.3.2.1 功率管驱动信号 如图 2.5,功率管驱动信号 CMD和跳闸状态信号 TRIP的作用如下: (1)当接到过流保护电路发出的过流信号 TRIP1时,产生跳闸状态信号 TRIP, 提供给驱动电路关断主功率管; (2)跳闸状态信号 TRIP产生后,对这个跳闸状态信号进行锁定保持,以保证 功率管关断,跳闸控制信号消失后,跳闸状态信号保持不变; (3)上位机发出的导通控制指令取消后,进行复位,给跳闸状态信号 TRIP置 “H”。 功率管驱动信号 CMD由上位机发送的控制信号 Control和跳闸状态信号 TRIP 经逻辑判断产生。 Control CMD Control U2A U1A TRIP1 TRIP TRIP TRIP1 U1B CMD (a)电路图 (b)时序图 图 2.5 CMD和 TRIP信号发生电路 2.3.2.2 控制时序 固态功率控制器采样负载电压和流过检测电阻的电流,经电压检测电路和电流 检测电路产生负载电压信号 UT1 和负载电流信号 LOAD1。根据参考文献 [11][13][21][22],参考国外样机以及供电系统有关电源电压的相关 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 确定了负载10南京航空航天大学硕士学位论文 信号状态的判断阀值:考虑检测电路精度和检测电阻上可能出现的电压波动,电流 开通阀值设定为 15%I,开通阀值设定为 5%I;电压开通阀值由军标中电源电压范 e e 围设定为 60%Us(Us为电源电压),关断阀值考虑电压检测精度设定为 30%Us。 开通时:负载电流 I大于 15%I,LOAD1置“H”有电流,否则置“L”无电流; e 负载电压 U 大于 60%Us,UT1置“H”有电压,否则置“L”无电压; d 关断时:负载电流 I小于 5%I,LOAD1置“L”无电流,否则置“H”有电流; e 负载电压 U 小于 30%U,UT1置“L”无电压,否则置“H”有电压。 d S 根据设计要求,开通或关断时,负载电流和电压缓慢上升或下降。以阻性负载 为例,开通时电流信号先跳变,关断时电压信号先跳变,状态信号 LOAD1和 UT1 会出现不同步。此时虽然负载是正常开通或关断状态,但是如果将负载信号直接送 入上位机,在 LOAD1和 UT1先后跳变的时间内,上位机认为负载状态错误,作出 故障判断。 28V/25ASSPC开通、关断时,状态信号最大不同步时间均发生在阻容性负载情 况下。28VSSPC最大容性负载能力设计要求为 28?F/A。 开通时,由于容性负载作用,电压上升时间会比阻性负载时长。同时开通时会 出现浪涌电流。关断仿真波形如图 2.6(a)所示。此时的负载状态信号跳变 时相隔 的时间约为 550?s。 关断时,电流在 250? s 左右关断,而负载电压下降到 30%Us的时间为: t -RC ln 0.3940s,式中 R、C为阻容性负载大小。因此,关断时状态信号 的 最大不同步时间约为 690?s。图 2.6(b)仿真波形中状态信号不同步时间为 700?s, 与理论分析结果相近。 Control Control U U d d 700us 550us I I tms tms (a)开通波形 (b)关断波形 图 2.6 容性负载仿真波形 针对这种状态不同步的情况,提出了 SSPC的时序要求。 11直流固态功率控制器的研究 在负载电流和电压信号都跳变后再向上位机发送状态信号,即在状态信号发生 跳变时,先将跳变前状态锁存,时间 t后再发送实时的状态。这种使状态信号延时 的设计方式能够避免上位机在负载正常工作时作出错误的故障判断。时序如图 2.7 所示。 控制信号 Control 跳闸点 负载电流I 负载电流 状态LOAD 负载电压 状态UT T 1 T2 T3 T4 T5 T 6 T7 T8 T9 T10 T11T12 T13图 2.7 SSPC控制时序 (注: T1-T2开通延时; T2-T3电流开通; T1-T4状态信号开通延时; T4-T5状态信号上升; T6-T7 关断延时;T7-T8电流关断;T6-T9开通状态信号延时;T9-T10关断状态信号;T11-T12电流跳 闸关断;T11-T13跳闸状态信号延时。) 从图 2.7中可以看出,状态信号延时有三种情况,分别是开通、关断和跳闸 (包 括过流和短路保护),其中在 SSPC不发生故障情况下,跳闸关断时间总是小于或 等于正常关断时间,故在设计 SSPC工作时序时不妨将跳闸状态信号延迟时间设计 为与关断状态信号延时时间相等。另外,状态信号的跳变与功率管控制信号 CMD 的跳变逻辑相同,且 CMD的跳变要先于状态信号跳变, CMD发生跳变时锁存的状 态信号是正常的状态信号。因此,状态信号延时时间可以简化为:(1)CMD由“L” 跳变成“H”,开通延时时间 t(图 2.7中 T1-T4);(2)CMD由“H”跳变成“L”, 1 关断延时时间 t(图 2.7中 T6-T9);(3)CMD为“L”或“H”时,不延时。 2 LOAD1 LOAD Control R2 D Q R1 LOAD1 B 1 3 CP 2 A C CMD LOAD GND 锁定D触发器 t1 t2 (a)电路图 (b)时序图 图 2.8状态信号延时电路 电流状态信号延时控制电路图与时序图如图 2.8所示。电压状态信号延时 控制12南京航空航天大学硕士学位论文 电路图与图 2.8(a)一致,只需将输入状态信号 LOAD1改为 UT1,输出状态 为电 压状态信号 UT。 锁定 D触发器逻辑式为: n+1 n CP 0,Q Q(2-1) n+1 n CP 1,Q D (1)当 CMD为“L”或“H”,同或门 A输出脚状态为“H”,此时锁定 D 触发器 B输出满足式(2-1),状态信号 LOAD LOAD1。 (2)当 CMD由“L”向“H”跳变。逻辑高电平通过电阻 R1向电容 C充电, 此时同或门 A输入脚 1脚电平与电容 C两端电压 u相同。在 u电压达到 同或门逻 c c 辑高电平电压 V 前,同或门输出 3为“L”,此时锁定 D触发器 B输出满足 式(2-1), H 状态信号状态为“保持”;u高于 V,输出信号放开锁定状态,与(1)相同。状 c H 态信号开通延时时间 t 为电容 C由低电平 0充电至 V 时间: 1 H V H t -R1C ln1- (2-2) 1 V CC (3)当 CMD由“H”向“L”跳变。电容 C通过电阻 R2放电,同或门 A输 入脚 1脚电平与电容 C两端电压 U 相同。在 u达到同或门逻辑低电平电 压 V前, C c L 同或门输出 3为“L”,此时锁定 D触发器 B输出满足式(2-1),状态信号状 态为 “保持”; u低于 V,输出信号放开锁定,状态与(1)相同。状态信号关断延 时 c L 时间 t 为电容 C由高电平 V 放电至 V 时间: 2 CC L V L t -R2C ln (2-3) 2 V CC 跳闸点 t t t 1 2 2图 2.9 控制时序仿真波形 具体参数设计时,考虑到开通、关断信号传输延迟(图 2.7中 T1-T2,T6-T7) 以及状态信号在电流、电压上升过程中的不同步时间,增加一定余量后设定延迟时13直流固态功率控制器的研究 间 t 2ms, t 2ms。电路中V 15 V, CMOS逻辑门电压典型值 V 11V, V 6V。 1 2 H L CC 根据式(2-2)、(2-3)计算 R1 1.5kW,R2 2.2kW,C1?F。系统仿真波形如 图 2.9所示。 2.3.3 可编程技术研究 固态功率控制器可编程技术包括电流定额可编程、可编程反时限保护两个方 面。电流定额可编程是指一定电流定额的固态功率控制器可以实现降额使用。 如图 2.10在固态功率控制器中采用三段式过流保护,I/I 为负载电流与额定电 e 流的比值,即电流倍数,a、b是两常数,分别设定为跳闸保护点和立即跳闸保护点, 是跳闸点的电流 Ia、立即跳闸点的电流 Ia、Ib与额定电流的比值: I / I a,SSPC正常工作; e a? I / I b,SSPC根据反时限保护曲线延迟时间t后关断; e I / Ib,立即切断负载。 e 负载电流 立即跳闸 立即跳闸 点 延时跳闸 跳闸点 不跳闸 0 跳闸延迟时间图 2.10 三段式过流保护特性曲线 2.3.3.1 反时限保护方程 [26]] 目前,国际上有关反时限继电器的标准有两种:IEEE Std C37.112-199662 和 [23] IEC 255-3(1989-05) 。IEEE标准是针对北美已广泛应用的 CO、IAC系列反 时 [27] 限继电器的特性来实现相应的过流保护,主要考虑与传统继电器的匹配等 ; 国内 采用 IEC标准作为国家标准(GB/T 14598.7-1995第 3部分:它定时限或自 定时限的 单输入激励量量度继电器)。 在 IEC 255-3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。其中, 一般反时限的标准方程为: 14 南京航空航天大学硕士学位论文 0.14T p t (2-4)0.02 I / I -1 p 非常反时限的标准方程为: 13.5T p t (2-5) I / I -1 p极端反时限的标准方程为: 80T p t (2-6) 2 I / I -1 p 式中,t为跳闸延时时间;T为延时整定系数;I为负载电流;I为整定电流值。 p p 三种反时限标准方程的不同主要在于 I/I的指数不同,指数的不同也就决定了 p 三种反时限特性应用于不同的场合。在被保护线路的首端和末端,短路时电流变化 较小的情况下,一般采用定时限过电流保护;而在线路首末端短路时电流变化较大 的情况下,则采用非常反时限;通常的输电线路采用一般反时限;反映过热状态的 [15] 过流保护,则采用极端反时限 。 由于固态功率控制器的过流保护特性必须与导线和负载的过热特性相配合,因 此采用的是极端反时限的过流保护特性。 在极端反时限的标准方程中,令: A I BI ,T p e p 2 80B [15] 则该方程可以简单表示为 : A t (2-7) 2 2 I / I - B e 其中 I为额定电流,A、B为整定系数,电流整定值 I为额定电流 I的 B倍。 e p e 可见,极端反时限的跳闸时间是 I/I的二次函数,由不同的 A、B可以确定不 e 2 同的 I T反时限过流跳闸曲线。 C U1 B1 R1 Uo A2 Vref1 U2 R2图 2.11 反比例-反函数拟合法保护电路 15 直流固态功率控制器的研究 反时限曲线由图 2.11所示“反比例-反函数”拟合法保护电路实现,曲线拟 合 [15][26] 方程由一次反比例曲线和一次反函数曲线构成 。 当积分放大器 A2反向输入端电压 u V 时,积分放大器输出为高电平 V ; 1 ref1 CC 积分放大器 A2反向输入端电压 u V 时,积分放大器 A2的输出电压开始下 降, 1 ref1 设此时为初始状态,其电压方程为: u - V d V - u 1 ref 1 ref 1 2 C (2-8) R dt 1 固态功率控制器正常工作情况下,积分放大器 A2输出电压 u=V(此值为积 2 c 分放大器输出电压的初始值,即 u(0)=V);当固态功率控制器出现过载时,积 2 c 分放大器 U的输出 u开始下降,当 u=u(此值为积分放大器输出电压的终态 值, 2 2 1 即 u(t)=u)时,比较器 IC输出低平,产生跳闸信号,从电路检测到过流信号 2 1 到积分放大器积分延时产生跳闸信号的这段时间 t即为过流保护时间。 于是由式(2-8)有 u t 1 1 V - u du u - V dt ref 1 2 1 ref 1 V 0 CC R ? C 1 R C ? V - u 1 CC 1 该方程的解为: t u - V 1 ref 1 u i / Ie + V 1 ref 拟合方程为: R C ? V -V - i / Ie 1 c ref t (2-9) i / Ie - V -V ref 1 ref 结合式(2-7),令V - V B。取 I/I 3时,拟合曲线与反时限曲线相交, e ref 1 ref 则: AB R C 1 2 9 - B V -V - 27 c ref 2.3.3.2 可编程反时限的实现 固态功率控制器的可编程主要有两个方面: (1)电流定额可编程,其含义是,固态功率控制器在能够低于其电流定额的 一定范围内降额使用;(2)反时限曲线可编程,包括?固态功率控制器的反时限曲 线能够变化,?立即跳闸保护点可编程,即可以根据需要对图 2.10中的立即跳闸16南京航空航天大学硕士学位论文 点设定。 可编程首先要确定可编程电流的范围。由于固态功率控制器采用检测电阻采样 电流,因此可编程电流范围对固态功率控制器检测电阻的选取以及功耗有很大影 响。理论上可编程范围可以由额定电流 I至 0,但是编程范围越大,对电流调理电 e 路的精度要求越高。电流编程范围需结合电流调理电路的实际检测能力。 可编程功能的实现与反时限保护实现电路密切相关。图 2.12所示反时限保护 电路由三部分构成,其中 LCS为经过电流调理电路的电流,A2、B1构成“反比例 -反函数”拟合电路,B2为立即跳闸判断。固态功率控制器的可编程反时限 功能, 通过对反时限保护电路参数的修改实现。 V ref2 B2 C LCS R1 TRIP1 B1 A2 V R2 ref1图 2.12 反时限保护电路 检测回路中电流调理电路公式为: LCS KiR + V I / I + V (2-10) s ref e ref 其中,LCS:为电流调理输出;K:放大系数;I:负载电流;R:检测电阻, s V :抬升电压。 ref 图 2.12所示,拟合曲线的保护时间 t由调理后的电流值 LCS决定,电路中 各个 跳闸点参数 V 、V 均根据标定的电流定额 I 确定。根据式(2-9)过流保护的时 ref1 ref2 eo 间是由过流倍数即负载电流与额定电流的比值决定, I/I 相同,保护时间相同。因 e 而,改变固态功率控制器的电流定额,只需要保证相同的 I/I,电流调理输出 LCS e 相同,即: LCS KmiR + V I / I +V (2-11) s ref es ref 其中,I 改变后的电流定额,I 固态功率控制器标定的电流定额。综合式(2-10) es eo 和式(2-11): m I / I eo es 结合反时限曲线的拟合过程与图 2.10三段式过流保护特性曲线,跳闸点 a和17直流固态功率控制器的研究 立即跳闸点 b在拟