一種新型直流固態功率控制器的設計與建模

劉慧英，岳 超，孫景峰，傅宇航

（西北工業大學 陜西 西安710129）

一種新型直流固態功率控制器的設計與建模

劉慧英，岳 超，孫景峰，傅宇航

（西北工業大學 陜西 西安710129）

為了避免固態功率控制器（Solid State Power Controller，SSPC）誤跳閘、誤保護，提出了一種基于TL431的恒流電路的限流保護模塊的設計方案，并完成系統的軟硬件設計。該設計通過在Saber上的建模與仿真，驗證了所設計直流固態控制器具有短路保護、過流保護和避免誤跳閘、誤保護的智能保護功能。文中SSPC的設計大大節省了人力物力、減少了實驗成本、為SSPC的應用提供參考和依據，從而縮短新型飛機的研制周期，達到了設計要求。

固態功率控制器；短路保護；過流保護；限流

固態功率控制器（SSPC）［1-3］是采用電力電子器件MOSFET作為軟開關，集繼電器的轉換功能、接觸器的開通閉合功能和斷路器的電路保護功能于一體的智能開關設備［4］。

目前，國內航天器在負載輸入端采用的過流保護多為在設備的輸入端串入熔斷器，屬于一種被動的過流保護手段。由于過流保護對設備是不可恢復的，同時熔斷器不可靠因素較多，尤其對于存在電感、電容的濾波電路，在過渡過程中可能產生幅值和頻率較高的沖擊電流，電流熱積累會造成熔斷器的異常熔斷。傳統的機電式配電系統在智能化、可靠性等方面已不能滿足大規模分布式配電系統的需要，采用模塊化固態配電技術是當前的發展趨勢?；诠虘B配電技術和計算機綜合控制技術不僅可以實現電源系統高度自主運行，在電源系統局部出現故障時實現對系統的重構，還可以為系統的健康管理提供大量的有用信息，大大提高系統的可靠性。固態功率控制器作為用來代替繼電器的轉換功能和斷路器的電路保護功能于一體的固態元器件，是與固態配電系統相配套的控制負載通斷的開關裝置。它不僅可以根據任務的需求實現對負載的通斷控制，而且在負載或配電線路出現過流或短路等故障時可以迅速斷開發生故障的負載電路部分，以實現電源的不中斷供電，并為電源和配電系統提供全面保護［5］SSPC作為一種智能開關設備，在正常工作工作的情況下，它接受ELMC的開通、關斷、跳閘后的復位指令，完成對負載的開通和關斷和對SSPC自身的復位；同時它能夠將負載的狀態，如電流、電壓、正常開通/關斷、輕載、還是跳閘等，反映給ELMC；除此之外，當負載發生短路時，SSPC能進行快速保護，對于未發生短路的過載情況下，SSPC能根據反時限特性曲線對負載進行反時限保護，即過載電流越大保護時間越短，過載電流越小保護時間越長。本文設計的SSPC當遇到短路、過流電流時，處理過程是首次跳閘延時-限流-跳閘-復位-跳閘-復位-跳閘，這樣便能避免SSPC的誤保護，提高系統的魯棒性。經過在Saber平臺上驗證了本文設計的SSPC不僅可以正確執行短路保護的功能，而且還可以承受脈沖電流的沖擊，防止對脈沖電流的誤判斷，充分說明了本文設計的SSPC的短路保護是可靠性。

1　總體設計方案

文中設計的SSPC從結構上來說，它由內部電源、驅動電路、功率回路、電流電壓采樣電路、反時限及短路保護、狀態反饋、光耦隔離、限流模塊、邏輯判斷等9個主要模塊組成，這九部分相互作用實現了SSPC對負載的智能控制。其結構簡圖如圖1所示。

圖1　SSPC的結構圖

內部電源主要為SSPC供電；驅動模塊是采用電力電子器件MOSFET作為軟開關，實現MOSFET的軟啟動和緩關斷；電流電壓采樣電路主要負責采集負載上的電壓、電流信號，并將其傳輸給反時限和短路保護模塊，實現SSPC的實時監控；反時限和短路保護模塊是SSPC的重要組成部分，它根據采樣電路傳來的負載電壓、電流信息判斷負載的狀態，并對負載發生短路時進行關斷和負載過載時進行反時限保護，從而保證了整個系統的安全性和可靠性；邏輯判斷模塊是SSPC的核心器件，起到大腦的作用，它根據反時限及短路保護發出的信號、外部控制信號來完成對驅動電路的控制，從而完成對 MOSFET和負載的智能控制；當邏輯判斷給MOSFET驅動電路發送指令時，為了避免電磁干擾和其他信號的干擾，需要在它們之間加上隔離電路，由于光耦隔離電路的電路簡單、輸入阻抗小、安全性高、響應速度快、驅動能力強等優點，隔離電路選擇光耦隔離；限流模塊的主要功能是當電流過大時，將電流限制在安全的范圍內。當發生短路保護時，系統設定的首次跳閘前需要延時一段時間，為了保證這段時間電路的安全，系統會自動將限流模塊接入，以防止電路中電流過大，從而達到更好的保護用電設備的目的。狀態反饋模塊的功能是將SSPC和負載的工作狀態反饋給ELMC。其工作原理是分別采集負載的供電控制信號、電路中的電流信號以及控制保護電路的跳閘信號，將這3種信號的8種組合以數字 “1、2、3、4、5、6、7、8”的形式反饋給ELMC，ELMC通過狀態解析即可獲得SSPC和負載的工作狀態。

2　主要單元模塊的組成

2.1限流模塊

所謂限流電路是：“做了適當的設計和保護的電路，使得在正常條件和單一故障條件下，能從電路流出的電流是非危險的電流［6］”。這是GB4943-2001在《信息技術設備的安全》給出的準確定義。單一故障是包括任何絕緣元器件的失效，但不包括雙重絕緣或加強絕緣的元器件。如：半導體器件、電容的短路和開路等故障都屬于單一故障的范疇。

文中設計的限流模塊是由恒流源和帶阻濾波器組成的，其電路圖如圖2所示。當電壓開始升高時，流經三極管的偏流電流也增大，從而導致流經的電流也大幅增大，同時的電壓降也增大。但隨著電壓的升高，TL431就會動作而使它的陰陽極的電流大幅增加（分流三極管的偏流電流），最終結果是使的電壓回到2.5 V為止，因為三極管的基極偏流電流是很小的，它的微小變化就會帶來其發射極電流的大變化，所以基極電流的變化對恒流大小的變化可以忽略不計的，所以這樣的電路其輸出電流幾乎不受輸入電壓的變化影響的；同理，當電壓下降時，隨著電壓的降低，TL431就會動作而使它的陰陽極電流減小，最終結果是使回到2.5 V，從而起到恒流的目的。恒流源輸出的電流、基準電壓以及負載三者之間的關系為：

當負載發生短路SSPC進行保護時，SSPC第一次跳閘時需要將限流模塊接入一段時間后再進行切除，這樣做的目的一是為了保證電路繼續運行，來滿足SSPC第一次跳閘延時的要求，二是為了將電路中的電流維持在安全范圍內，來保護電路的元器件，限流模塊的開通與關斷通是由邏輯判斷模塊來控制的。

圖2　限流模塊電路圖

2.2反時限及短路保護模塊

當配電系統發生短路或者過載時，電路中的電流會增大到幾十甚至幾百安，這樣極易燒壞MOSFET和一些電子器件，為此，必須進行相應的保護。本文所設計的SSPC具有智能保護模塊，當負載出現短路和過載時進行負載的保護，SSPC的保護模塊可分為短路保護，反時限過流保護兩部分［7-10］。

文中設計的SSPC反時限保護電路如圖3所示，該電路共有4個積分電路和4個比較電路組成（一般情況來說積分電路和比較電路越多反比例擬合的就越好，但隨著積分電路和比較電路的增多，電路變得就越繁雜，為此，我們從實際出發，選用了4個積分電路和4個比較電路來作為反時限過流保護電路），最后經過一個邏輯“與”器件將結果輸出給邏輯判斷模塊，從而實現SSPC的反時限過流保護。

由于4個積分電路的基準電壓不同，因此跳閘延遲時間也不同，但SSPC反時限過流保護電路的輸出是4個比較電路的輸出相“與”后得到的，所以SSPC反時限過流保護電路的跳閘延遲時間是4個比較電路的延遲時間中的最小值。

圖3　SSPC反時限保護電路

3　仿真結果及分析

3.1SSPC短路保護的仿真驗證

對于負載短路時，SSPC的短路保護驗證主要驗證兩個問題，一是當負載出現短路時，SSPC是否具有短路保護的能力，防止電路短路產生的大電流對電路元件或用電設備造成破壞；另一個是當瞬間大電流出現時，SSPC應能對脈沖電流進行識別，不至于誤將其判定為電路短路，而進行短路保護。因此，對短路保護的測試方法是給分別給電路注入短路電流和脈沖電流，觀察SSPC的判定結果和判定方式。為了區分是脈沖電流還是短路電流，SSPC會在出現過大電流是，首先接入限流模塊并切斷負載，防止大電流對電流的破壞，一段時間后，再將SSPC復位，接通負載，并繼續采集負載電流，如果電路中電流仍然很大，就切斷電路，如此進行兩次SSPC復位，即可區分脈沖電流和短路電流。仿真的方式和結果如下：

1）電路短路仿真

文中設計的SSPC根據不同負載額定電流，也有不同的額定電流，例如額定電流為5 A的SSPC、額定電流為10 A的SSPC等，接下來的仿真實驗都是選用額定電流為5 A的SSPC。當負載電流超過額定電流10倍時，SSPC就會進行短路保護。以額定電流為5 A的SSPC為例，將負載的的電流調至60 A（即12倍的額定電流值），在1.5 s時接通電路，并用Saber的Scope探針觀察電路的電流波形，其波形如圖4所示。

圖4　SSPC短路保護的仿真波形

由圖5觀察可知，當遇到短路電流時，SSPC的處理過程是首次跳閘延時-限流-跳閘-復位-跳閘-復位-跳閘，這樣與真實SSPC的測試數據相類似，說明SSPC具有短路保護功能。

2）脈沖電流仿真

實驗仍然以額定電流為5 A的SSPC為例，將電路中的電流設定為5 A，在1.5 s時接通電路，在2 s時注入一個持續時間為1ms，大小為60 A的脈沖電流，觀察電路的電流波形，如圖5所示。

圖5　SSPC脈沖電流的仿真波形

由圖6可知，當負載遭遇較短時間的脈沖電流后，SSPC并沒有對負載進行短路保護，而是繼續保持負載正常工作，說明SSPC區別短路電流和脈沖電流的能力。

3.2SSPC過流保護的仿真驗證

SSPC對于負載的保護采用的是反時限過流保護，對于一些關鍵負載，具有形狀的跳閘曲線是比較好的保護方式，其中，為一定恒定值，超過該值時可能會導致配電線路和負載損壞。因此SSPC對于關鍵負載的保護采用保護曲線。與短路保護一樣，為了減少脈沖電流的影響，反時限過流保護也會采用兩次復位兩次切斷的操作，確保SSPC不會出現誤保護。

為了驗證SSPC的反時限過流保護，仍以額定電流為5 A的SSPC為例，將電路中的電流設定為12.5 A，即為額定電流的2.5倍，在1.8 s接通電路，運行仿真軟件，觀察電路的電流波形，如圖6所示。

圖6　SSPC反時限過流保護的仿真波形

由圖6可知，SSPC實現了對負載的反時限過流保護，且保護時間為1.82 s，并經歷了兩次復位兩次跳閘的過程，與SSPC的設計理論相吻合，從而驗證了SSPC對負載具有反時限過流保護功能。

我們將以上測試結果分別在美軍標MIL-STD-1760D反時限保護時間圖譜上標注，以便驗證SSPC反時限過流保護特性的正確性，比對結果如圖7所示。

圖7　額定電流5A的過流保護時間在反時限保護曲線上的標注

由圖7可知，本文設計的SSPC的反時限過流保護特性符合美軍標MIL-STD-1760D的要求。

4　結　論

通過仿真實驗，驗證了本文的SSPC不僅可以正確執行短路保護的功能，而且還可以承受脈沖電流的沖擊，防止對脈沖電流的誤判斷，充分說明了本文設計的SSPC的短路保護是可靠性，反時限過流保護特性是符合美軍標MIL-STD-1760D的要求。從而說明該設計切實可行。

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Design and modeling of new DC solid state power controller

LIU Hui-ying，YUE Chao，SUN Jing-feng，FU Yu-hang
（Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710129，China）

In order to avoid the solid state power controller error protection，proposed a design based on limiting protection modules TL431 constant currentcircuitsand complete system ofhardware and software design.The design by themodeling and simulation in Saber，and validates our design DC solid state controller has a short-circuit protection，overcurrent protection and avoid nuisance tripping，error protection intelligent protection function.This article SSPC design savesmanpower and resources，reducing the cost of experiments to provide reference and basis for SSPC applications，thus shortening the developmentcycle ofnew aircraft，meet the design requirements.

solid state power controllers；short circuit protection；overcurrent protection；current-limiting

TN702

A

1674-6236（2016）19-0131-04

2015-10-20稿件編號：201510125

研究生創意創新種子基金（Z2015025）

劉慧英（1956—），女，山東日照人，博士，教授。研究方向：現代控制理論及應用、計算機控制及網絡控制、系統建模與仿真。