船舶直流固態功率控制器技術研究

摘 要： 為了實現船舶直流配電系統支路負載過載、沖擊、短路狀態的區分與保護，抑制沖擊或短路電流，針對典型的直流24 V配電系統，研究了一種新穎的船舶直流固態功率控制器。重點討論該功率控制器的主電路設計、控制策略、反時限保護設計。最后通過原理樣機，驗證了船舶直流固態功率控制器技術的可行性。

關鍵詞： 船舶； 直流； 配電； 固態功率控制器

中圖分類號： TN876.3?34； TM564 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）13?0125?04

Abstract： To distinguish the states of subcircuit overload， impact and short?circuit in DC power distribution system for ships， protect the system and suppress impact or short?circuit current， a novel DC solid?state power controller for 24 V DC power distribution system is studied. The main circuit design， control strategy and inverse?time over?current protection design of the power controller are discussed emphatically. Finally， the feasibility of the DC solid?state power controller for ships is verified by the principle prototype.

Keywords： ship； DC； power distribution； solid?state power controller

0 引 言

直流固態功率控制器技術，由飛機28 V DC/270 V DC配電系統發展而來，是集繼電器的轉換功能和斷路器的電路保護功能于一體的智能配電技術，它具有無觸點、無電弧、無噪聲、響應快、電磁干擾小、壽命長、可靠性高以及便于計算機遠程控制等優點[1?3]。近十年來，隨著半導體工藝及電力電子技術的大力發展，直流固態功率控制器也獲得了迅猛發展[4]，歐美的JSF?35聯合攻擊機、波音787、空客A380、弗吉尼亞潛艇等已大量應用，中國在航空航天領域也正緊追歐美先進技術的步伐[5]。但是，中國船舶領域仍主要采用接觸器、開關、熔斷器等傳統器件進行配電保護與分路。為使中國船舶直流二次配電系統全面實現智能化，本文針對典型的直流24 V配電系統，開展船舶直流固態功率控制器技術研究工作。

1 船舶直流固態功率控制器技術

1.1 主要原理

運用快速的DSP28335微處理器、CPLD與電力電子技術，針對阻容負載突加與短路的船舶實際供電狀態，本文研究了一種新穎的基于電力電子開關器件的固態配電技術，即船舶直流固態功率控制器技術，原理框圖如圖1所示。

船舶直流固態功率控制器主要由功率開關、緩沖電路、電壓與電流檢測電路、驅動電路、輔助電源、基于DSP與CPLD的數字控制電路、狀態隔離電路等組成，固態功率控制器將根據支路負載電壓、電流情況，對主電路上功率開關進行通斷控制。當支路負載發生短路時，固態功率控制器能夠在微秒級時間內快速消除短路影響，并執行短路保護；當支路負載輸入側發生大電容電流沖擊時，固態功率控制器同樣能夠在微秒級時間內自動對負載電流進行抑制，直到沖擊電流消失再次工作于正常導通工況。

另外，船舶直流固態功率控制器能夠實時監測供電支路的運行情況，可以通過CAN網向上級監控系統傳輸支路工作狀態、運行參數、故障報警等信息，同時也可以接收上級監控系統下達的支路負載開、關等指令。

1.2 主電路設計

船舶直流固態功率控制器，由兩個互為冗余的支路負載供電通道構成，本文主電路設計部分主要研究供電通道主電路的設計。供電通道的原理框圖，如圖2所示。

主功率電路由一個電力電子功率開關、緩沖電路、采樣電阻組成，結構型式比較簡單。緩沖電路是為了抑制線路上可能出現的[didt，][dvdt，]避免損壞功率開關，采用的是RCD結構，由吸收電阻、吸收電容及快速二極管構成，其設計方法與常規RCD緩沖電路一致[6]；采樣電阻選用無感電阻，用來采集功率電路電流信號給控制電路；功率開關用來對支路進行通斷操作，因為支路負載在短路或沖擊時線路將控制功率開關進行電流限制，加上穩態運行時系統對導通壓降的要求，所以功率開關的選擇比較重要。

由于短路電流和沖擊電流的幅值很大，時間很短，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、晶閘管均不能滿足其要求，開關速度比較高的MOSFET或者IGBT是不二的選擇。由于固態功率控制器對輸入、輸出的電壓降、效率等指標具有嚴格要求，而MOSFET具有明顯的優點：導通電阻小，導通壓降低，功率損耗低；可并聯使用實現均流，提高帶載能力，同時并聯后導通電阻減小降低了功耗；無晶體管的二次擊穿現象；無IGBT的電流拖尾現象。因此，本文選擇低導通阻抗的MOSFET，不僅可以快速響應控制電路的保護動作，又可最大程度地降低分配電裝置的導通損耗。

然而，僅僅從導通阻抗方面選擇MOSFET還不夠，短路或沖擊時線路將進行電流限制，MOSFET需承受短時較大的功率，限流期間瞬時溫升引起的溫度不能超過功率管的最高結溫，因此，還需根據電路設計的限流幅值和限流時間，選擇熱阻較小的MOSFET。例如Polar工藝的IXFN300N100P（295 A/100 V），[RDS（on）≤]5.5 mΩ，熱阻曲線如圖3所示。持續10 ms的熱阻系數為0.033 ℃/W，效果比較理想。

1.3 控制策略

實現支路負載短路故障或沖擊影響最小化的保護功能，即實現直流負載過載、沖擊、短路狀態的邏輯區分與執行，是船舶直流固態功率控制器技術的關鍵。短路摸底試驗（索羅森SGI330/91，24 V DC，6 mm2負載線長約1.5 m短路工況）和沖擊摸底試驗（索羅森SGI330/91，24 V DC，6 mm2負載線長約3 m、具有10 000 μF電容沖擊工況）特征波形，如圖4，圖5所示。可以得知：短路工況時電流上升率大于4 A/μs左右，輸出電壓趨于零；沖擊工況時電流上升率小于2 A/μs左右，輸出電壓瞬間跌落后呈逐漸恢復趨勢。

設置合適電流上升率閾值（如取2 A/μs），在特定條件下可以合理地區分短路工況和沖擊電流工況，如圖6所示。通過硬件設置電流的檢測閾值[idect1，][idect2]和[idect3，]記錄相鄰兩者發生的時刻[t1]與[t2，][t2]與[t3，]由[t2-t1=][idect2-idect12.5 A/μs，][t3-t2=idect3-idect22.5 A/μs，]可以計算出電流上升的斜率，并判斷是否到達上升率閾值，以區分短路工況和沖擊工況。

然而，由于實船上支路負載大小、位置及走線電纜的多樣化，不同支路負載沖擊和短路的瞬時特性會不盡相同，因此僅依據電流上升率的判斷，還難以在多數場合非常準確地區分短路、沖擊工況。由短路和沖擊摸底試驗波形不難發現，兩種工況下輸出電壓的變化趨勢是有區別的。沖擊情況下隨著負載電容被連續注入電流，輸出電壓漸漸恢復，沖擊電流也將逐步減小，即沖擊工況下沖擊電流將隨著時間降低，短路工況則不然。

根據上述分析，本文利用基于快速CPLD高頻斬波策略的電流限制調制技術，制定了船舶直流固態功率控制器的控制邏輯，如表1所示。支路負載電流在1.2倍以下執行正常通斷或常規過流保護；在1.2倍至設定的電流閾值（如4倍額定電流）之間，執行先進的[I2t]反時限過流保護操作；上升至設定的電流閾值后，在微秒級時間內通過CPLD計算電流上升率。大于判斷閾值則立刻封鎖功率管驅動信號；小于判斷閾值則立即高頻斬波改變線路阻抗，進入電流限制環節以抑制沖擊或短路電流進一步上升。同時，TMS320F28335檢測電流限制工作時間長短判斷是否存在短路或沖擊，短路或者過度沖擊則封鎖功率管的驅動信號，沖擊則釋放驅動信號，沖擊電流將隨負載電壓的建立而自然下降。

該控制策略，利用電壓、電流檢測電路，將采樣的電壓、電流瞬時值信號反饋給基于TMS320F28335與CPLD的數字控制電路，控制電路發出相應調理信號，通過驅動電路，控制功率電路上MOSFET的開關動作，可準確地實現支路負載過載、沖擊、短路狀態的區分與執行，抑制沖擊或短路電流，達到支路故障不擴展、不蔓延，最小化的目的。

1.4 反時限過流保護設計

反時限過流保護設計，參照熱繼電器的反時限特性，國際上有兩種標準：IEEE Std C37.112?199662和IEC255?3（1989?05）。目前中國主要采用IEC標準作為國家標準（GB/T 14598.7?1995 第3部分：它定時限或自定時限的單輸入激勵量量度繼電器）。在IEC255?3標準中，可以查到三種典型的反時限標準方程：一般反時限、非常反時限和極端反時限。

其中，一般反時限的標準方程為：

[t=0.14TpIIp0.02-1] （1）

非常反時限的標準方程為：

[t=13.5TpIIp-1] （2）

極端反時限的標準方程為：

[t=80TpIIp2-1] （3）

式中：[t]為保護延時時間；[Tp]為延時整定系數；[I]為負載電流，[Ip]為整定電流值。三種反時限標準方程的不同主要在于[IIp]的指數不同，指數的不同也就決定了三種反時限特性應用的場合不同。通常的輸電線路采用一般反時限，而在線路首末端短路時，電流變化較大的情況下，則采用非常反時限，反映過熱狀態的過流保護，則采用極端反時限[7]。由于船舶配電系統直流固態功率控制器的過流保護特性必須與導線、負載的過熱特性相配合，因此采用的是極端反時限的過流保護特性。

本文設[Ip=BIe，][Tp=A80B2，]則極端反時限的標準方程可以簡化為：

[t=AIIe2-B2] （4）

式中：[Ie]為額定電流；[A，][B]為整定系數；電流整定值[Ip]為額定電流[Ie]的[B]倍。將式（4）經過等式變換、離散化等最終得到如下形式：

[n=0M-1[I2（n）-B2×I2e]=AΔTI2e] （5）

由表1中功率控制器控制邏輯要求1.2倍進入反時限保護，故式（5）中的[B]值取1.2；[A]值可根據需模擬的熔斷器或繼電器的延時保護特性選取參數，一般范圍為10～40。運用DSP28335微處理器，當程序中方程式（5）左邊的累加值大于右邊的閾值時，程序關斷固態功率控制器功率開關器件，實現反時限過流保護。極端反時限的保護時間[t]是[IIe]的二次函數，由[A]與[B]值可以獲得[I2t]反時限過流保護曲線，如圖7所示。

2 試驗結果與分析

設計實例：船舶直流固態功率控制器原理樣機，室溫常壓環境條件，輸入電源：24 V DC，DC源型號為索羅森SGI330/91；功率開關型號：MOSFET IXFN300N100P；驅動電路：CONCEPT 2BB0108T；試驗內容：負載短路、25 A阻性負載并聯58 800 μF/50 V電容沖擊；示波器：泰克TPS2012，LeCroy 44MXs?A。

圖8所示為原理樣機負載側突然短路試驗波形，由圖可知，負載短路電流迅速上升至設定值（100 A）后，由于電流上升率較大，功率管驅動信號被瞬時關斷，故障支路被切斷，支路短路電流立刻下降。

圖9為樣機正常運行時突加阻容負載大電流沖擊試驗波形，由圖可知，支路電流上升至設定值（100 A）后，功率管驅動信號立刻進行高頻斬波，支路沖擊電流下降進入電流限制工作狀態，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的電壓值。

負載過載25%試驗波形如圖10所示，樣機執行圖7所示的[I2t]反時限過流保護程序（程序內設置額定電流為20 A），相應時間延時后功率管驅動信號被關斷。

3 結 語

船舶直流固態功率控制器技術，實現了船舶直流二次配電系統支路過載、沖擊、短路的區分，能夠抑制支路沖擊或短路電流，達到支路故障不擴展、不蔓延，最小化的目的。本文以直流24 V為例，研究了船舶直流固態功率控制器的主電路設計、控制策略及反時限過流保護設計，通過原理樣機驗證了船舶直流固態功率控制器技術的可行性。

參考文獻

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