集成電源變換裝置智能分配電技術研究

王慶紅，陳 瑞，王 景

（中國艦船研究設計中心，武漢430064）

0 引言

上世紀90年代，國外就在飛機供電網絡二次配電系統中運用統籌、集成設計理念，采用集中式直流供電技術以及集成DC/DC變換裝置對重要負載提供工作電源，以滿足負載的工作要求[1]。隨著船舶的大型化，直流重要負荷以及不間斷電源負載的顯著增加，二次配電系統系統構架更復雜，可靠性、安全性要求更高，且存在一定的風險；同時從適應船舶模塊化建造考慮，美國率先在船舶二次配電系統中提出區域配電，并將直流供電及集成變換技術移植到船舶供電系統中并在DDG 79艦上成功應用，現已成為美國海軍軍用標準[2]。

直流供電經過統籌集成后，形成了大量的直流小系統即集中式供電電源，為重要負荷提供了最后的工作電源保障。因此集中式供電電源面對多路供電的重要負載，除了提供必要的工作電源外，還必須對其輸出供電支路作實時的監測，根據監測結果進行智能化判斷，按判斷結果加以限流或保護，保證非故障支路的正常供電，故障被抑制在最小范圍之內。

智能化分配電保護原則：對于多路輸出的集中供電式電源，每一支路輸出都應具有獨立于其他支路而起作用的合適的過流保護值，電源僅跳閘與過流相關的輸出支路。

智能化分配電核心技術：如何快速判斷并區分支路短路和大電容沖擊[3]，避免為了躲避支路負載沖擊電流而放大設計余量，造成配電上的資源浪費。

由于現有斷路器的短路分斷能力已越來越不能滿足系統短路電流增長的需要，如何使短路電流被限制在保護設備極限通斷能力以內，是保證系統正常可靠運行亟待解決的技術問題[4-6]。在目前，解決該類問題的主要方法是加裝限流裝置，限流式熔斷器是當前唯一商業化的故障電流限制裝置，一旦熔斷器熔斷，便切斷了故障電路，但卻破壞了保護的選擇性，并且其屬于單次動作，非常不利于供電系統自動化、智能化的發展趨勢[7,8]。本文深入分析研究了直流智能分配電技術，基于該技術開發的分配電裝置，能使發生短路故障的支路迅速從直流供電母線中予以切除，消除對同一供電母線其它負載的影響，避免故障擴大，并且能夠對發生短時過流的支路在一定時間內采取相應的限流措施，保證其他負載正常運行。本文在24V直流智能分配電原理樣機上進行了相關試驗，得到了試驗結果，驗證了分析的結論。

1 直流智能分配電裝置技術分析

由于短路電流和沖擊電流的幅值很大，時間極短，要完成保護功能，必須在微秒級時間內進行控制，一般接觸器、晶閘管的動作時間在毫秒級，均不能滿足其要求，只能選擇快速的 IGBT或者 MOSFET，但是，大多數 IGBT、MOSFET等開關器件超過器件本身額定電流后數十微秒內就會發生不可恢復的損壞[9,10]，因此直流智能分配電裝置的檢測保護操作，必須在短路或沖擊電流超過功率器件額定電流之前完成，而且時間越短越好。一般DSP（Digital Signal Processor）微處理器的控制周期在100us以上[11]，單純靠DSP完成保護操作顯然不能滿足需要，本文方案中選擇運算速度很快的 CPLD(Complex Program Logic Device)作為主控器件，DSP作為輔控器件，由硬件描述語言完成對控制算法的實現，通過修改語言中電流上升率閾值和瞬時電流閾值，可以基本準確地快速區分支路負載的短路或大電流沖擊狀況，以解決目前面臨的瓶頸技術。

圖1為船舶供電系統中直流智能分配電拓撲結構，每路智能分配電裝置由功率器件（IGBT或者 MOSFET）、續流功率二極管、檢測電路、控制與驅動電路、緩沖吸收電路等組成。基于CPLD和DSP微處理器的直流智能分配電裝置，將快速檢測支路負載上電流的大小和上升時間，并以微秒級的速度計算其上升率，用以判斷支路是否短路或者正承受大電流沖擊，然后迅速作出相應保護處理，同時將出現的故障信息及時上傳，做到故障準確定位。

船舶供電系統直流智能分配電裝置在實際運行過程中，共會出現四種工作狀態：

工作狀態一：裝置正常工作，單管IGBT（或是MOSFET）開通，由檢測電路采集電壓、電流信號，并通過CAN網將直流電壓、電流值發送給上一級控制系統；

工作狀態二：支路負載發生過載工況時，經一定延時后，立即切斷IGBT（或是MOSFET），同時將故障信號通過CAN網上傳；

工作狀態三：支路負載發生短路工況時，在短路電流到達設定值后（設定值低于功率器件額定電流），在幾微秒內快速切斷IGBT（或是MOSFET），同時將故障信號通過CAN網上傳；

工作狀態四：支路負載發生大電容電流沖擊時，在沖擊電流到達設定值后（設定值低于功率器件額定電流），在幾微秒內對IGBT（或是MOSFET）進行BUCK斬波，使負載軟啟動且不影響直流母線其它掛網負載正常工作，同時將故障信號通過CAN網上傳；若BUCK斬波時間超過設定時間，則自動切斷功率器件，并通過CAN網將故障信息上傳。

不難看到，在上述四種工作狀態中，工作狀態一和工作狀態二是相對常規的運行狀態，功能實現比較簡單；工作狀態三的單一功能實現方法也比較多，而工作狀態三和工作狀態四功能的區分執行是較特殊的。只有合理的選擇沖擊電流上升率閾值和瞬時電流閾值，才能準確地將這兩種非正常工況剝離出來，這是整個狀態區分環節的技術關鍵。

圖2為沖擊電流上升率的判斷曲線，通過檢測idect1、idect2、idect3瞬時電流及相應發生時間點t1、t2、t3，CPLD快速計算電流上升率并作出相應動作，當硬件檢測到idec4瞬時電流時，裝置立刻停機保護，idec4瞬時電流檢測保護是當裝置由于某種原因，在idect1、idect2、idect3檢測判斷失效或控制回路執行錯誤造成電流未及時限制的情況下，作出的最終保護措施，以防止裝置功率器件被過流損壞。

2 試驗結果

試驗實例：如圖1所示的單功率管BUCK型分配電拓撲結構，無濾波電感；輸入電源：24 VDC，DC源型號為索羅森SGI330/91；輸出濾波電容：6800 μF/50 V兩個并聯；功率管：IXFN230N10；驅動電路：CONCEPT 2BB0108T；輸出功率繼電器735-3A-C 24VDC隔離；試驗內容：負載短路，40 A阻性負載并聯58800 μF/50 V大電容沖擊；電流上升率閾值：0.15 A/μs、0.08 A/μs兩級判斷；示波器：泰克TPS2024。

24 V直流智能分配電樣機負載短路和負載大電容沖擊的試驗波形，如圖3和圖4所示。圖3為樣機正常運行時支路負載突然短路時的試驗波形，可以看到，支路電流上升至設定值100 A后功率管驅動信號瞬時關斷，故障支路被切斷，支路短路電流立刻下降。

圖4為為樣機正常運行時支路突加大電容負載時的試驗波形，可以看到，支路電流上升至設定值100 A后功率管驅動信號立刻進行BUCK斬波運行，支路沖擊電流下降進入BUCK工作狀態，輸入電壓在沖擊電流上升過程中短時跌落后，即隨著功率管斬波運行而迅速恢復正常電壓值。

3 結論

理論分析與試驗結果表明，運用快速的CPLD處理器，合理的計算并選擇支路沖擊電流上升率閾值和瞬時電流閾值，可以基本準確地區分支路負載的短路或大電流沖擊狀況，消除對其它掛網負載的影響，避免故障擴大，非常利于船舶供電系統自動化、智能化的發展。

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