反時限過流保護恢復時間探討

李興智 梁哲 趙君 呼明亮

摘 要：對反時限過流保護的基本原理進行了闡述，根據反時限過流保護的應用環境，從熱量累積的角度出發，分析得出反時限過流保護恢復時間的關鍵因素為控制電路中的場效應管熱量累計不超限，對并在此基礎上對場效應管進行熱仿真，依據仿真結果確定過流保護恢復時間，在不影響電路的正常功能前提下達到保護電路的基本要求。

關鍵詞：反時限；過流保護；熱仿真；恢復時間

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

隨著反時限過流保護的廣泛應用，反時限過流保護后的恢復接通時間已越來越引起人們的關注，反時限過流保護在原理上和很多負載的故障特性相接近，因此保護特性更為優越，實際上，許多工業用戶要求保護為反時限特性[ 1-4 ]，而且對于不同的用戶（負載），所需要的反時限特性并不相同。

現階段，反時限過流保護應用越來越廣泛，但是在實際應用中，特別是在航空系統中出現偶發性的過流或者短路，若不采用一定的策略恢復接通則會使電路或系統停止工作，從而造成嚴重的損失。

2 過流保護恢復策略

在航空系統中，反時限過流保護策略常常被應用于電機的過載保護[ 1 ]。

過載保護反映電動機的過負荷程度，過負荷將導致電動機產生熱量，在一定時間段內熱量的累積不會超過電機承受極限[ 5 ]。

在電機的實際工作過程中電動機的負載過載倍數是發生變化的，所以其過載時產生能量達到極限過載之后，其過載倍數不可能是一成不變的，隨著過載倍數的變化，允許過載時間也發生相應的變化，即動態過載情況，其恰巧能夠反映反時限保護策略[ 7 ]。

常用反時限保護控制電路的實現方法之一是通過反時限保護算法控制場效應管接通與斷開實現過流保護的[ 9 ]，然而當電流超過場效應管的承受能力后，場效應管的導通電阻不能再被忽略，熱量會不斷累積，其產生的熱量等于導體溫度變化吸收（或釋放）的熱量與向周圍介質的散發熱量之和。在電機熱量累積未超限的情況下，場效應管熱量累積已超限，將會導致內部控制電路被損壞[ 8 ]。

3 場效應管熱仿真

熱仿真能夠在產品開發之前確定決定所設計產品的消除熱問題，Flotherm是一套由英國FLOMERICS軟件公司開發并廣為全球各地電子電路設計工程師和電子系統結構設計工程師使用的電子系統散熱仿真分析軟件，Flotherm可以完全滿足系統級、板和組件級到封裝級等各種層次的分析使用[ 10 ]，因此選用Flotherm仿真軟件對各SUD50P系列場效應管進行建模熱仿真[ 6 ]，所有場效應管導通電阻均為0.05歐姆，環境溫度為環境溫度：70℃。經過仿真得升溫過程曲線和降溫過程曲線，升溫過程如圖1所示，降溫過程如圖2所示。

4 仿真數據分析

由仿真數據可看出SUD50P10-43L在30倍極限過載情況下升溫速度最快，因此選取SUD50P10-43L作為分析對象，該器件的過載功耗405W，在70℃的工作環境中，提取其0～300ms升溫內的仿真數據繪制的升溫曲線如圖3所示，輸出斷開狀態下的自然降溫曲線如圖4所示。

在30倍極限過載情況下，持續時間0.0003s，器件溫度升高至70.1℃左右，不會造成過熱故障，即器件可正常工作。同樣上述工況條件下，由圖3可看出，持續時間0.3s，器件溫度升高至177°左右，超過其最高允許結溫。在此情況下，對器件進行斷電自然降溫，1min該器件可以降溫至89℃左右，前1s內的降溫幅度大概為每0.1s降溫1℃左右，后期降溫幅度逐漸減小。

在30倍極限過載情況下，取間隔時間t=0.0003秒的間隔時間段內的升溫曲線如圖5所示。圖中，橫坐標為0.0003秒的單位間隔時間（1表示第1個0.0003s，38表示第38個0.0003s），縱坐標為溫度，單位為℃，由圖5可看出器件從70℃升高至177℃過程中，間隔時間t=0.0003秒時間段內的升高溫度在0.106～0.109范圍內浮動。因此自然散熱遠小于其工作時產生的熱量，因此在該時間段和溫度范圍內可忽略自然散熱所耗散的熱量。

取間隔時間t=1秒的單位間隔時間，自然降溫曲線如圖6所示，橫坐標為單位間隔時間（第1s、第2s、第3s……第60s），縱坐標為溫度，單位為℃。

由圖6可看出，隨著器件溫度的降低，單位時間內降溫幅度也逐漸減小。由圖6并結合原始數據可看出，器件受到保護后，當降溫到90℃以下時，每秒降溫約為0.3℃。

30倍極限過載情況下，由于使用反時限過流保護策略，根據反時限過流保護算飯，選取保護時間為0.0003S溫度不會升高至升溫幅度不超過0.11℃，此時認為器件溫度已上升至90℃左右，由圖4和圖6結合原始仿真數據可得通過自然降溫0.11℃，需要降溫時間不超過0.38s。

因此選取0.38s作為斷開保護后的恢復接通時間。在工程應用中為了排除偶發性的過流，可采用重試機制，過流保護后再次接通為一次重試，在一定時間內經過指定次數的重試后依然會發生過流保護則認為過流真實存在，不再進行重試，進入保護鎖定狀態。

5 結論

根據實際電路所采用的元器件二采用過流保護恢復策略可有效排除偶發性的過流引起的過流保護，能夠防止因為偶發性的過流而導致的電路系統停止工作，在一定程度上增強了系統的可靠性，從而實現反時限過流保護控制電路安全、穩定、可靠的工作。

參考文獻：

[1] 牟龍華，邢錦磊.反時限過載保護精確算法[J].電力自動化設備，2008，28（6）：36-38.

[2] 莊勁武，張曉鋒，楊鋒等.船舶直流電網短路限流裝置的設計與分析[J].中國電機工程學報，2005，25（20）：26-30.

[3] 于芳，張宏宇，舒敏波.反時限電流保護淺析[J].淮陰工學院學報2006，15（3）：43-46.

[4] Mukhopadhyay S C，Dawson F P，Iwahara Metal.A Novel Compact Magnetic Current Limiter for Three Phase Applications[J].IEEE Trans on Magnetics，2000，36（5）：3568-3570.

[5] 張國智，胡仁喜，陳繼剛.ANSYS10.0 熱力學有限元分析實例指導教程[M].北京：機械工業出版社，2007.

[6] 王水發.基于Flotherm的熱仿真分析[J].電子質量，2015，8：77-80.

[7] 巨文偉，張鵬反時限與定時限過電流保護配合的優化和改進[J].電氣開關，2010，5：65-69.

[8] 劉靜，高勇，黃媛媛.應變SiGe SOIPMOSFET溫度特性研究[J].西安理工大學學報，2008，24（4）：385-389.

[9] 吳春艷，何穎，劉少學.基于P8LPC764的步進電機細分驅動電路硬件設計[J].儀器儀表學報，2006，27（6）：2514-2516.

[10] 徐曉婷，朱敏波，楊艷妮.電子設備熱仿真分析及軟件應用[J].電子工藝技術，2006，27（5）：265-268.

作者簡介：李興智（1984-），男，助理工程師，研究方向：計算機設計與應用；梁哲（1988-），男，助理工程師，研究方向：新型機載機電系統設計及應用。