集成電源變換裝置智能分配電技術(shù)研究

王慶紅，陳 瑞，王 景

（中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢430064）

0 引言

上世紀(jì)90年代，國(guó)外就在飛機(jī)供電網(wǎng)絡(luò)二次配電系統(tǒng)中運(yùn)用統(tǒng)籌、集成設(shè)計(jì)理念，采用集中式直流供電技術(shù)以及集成DC/DC變換裝置對(duì)重要負(fù)載提供工作電源，以滿足負(fù)載的工作要求[1]。隨著船舶的大型化，直流重要負(fù)荷以及不間斷電源負(fù)載的顯著增加，二次配電系統(tǒng)系統(tǒng)構(gòu)架更復(fù)雜，可靠性、安全性要求更高，且存在一定的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)從適應(yīng)船舶模塊化建造考慮，美國(guó)率先在船舶二次配電系統(tǒng)中提出區(qū)域配電，并將直流供電及集成變換技術(shù)移植到船舶供電系統(tǒng)中并在DDG 79艦上成功應(yīng)用，現(xiàn)已成為美國(guó)海軍軍用標(biāo)準(zhǔn)[2]。

直流供電經(jīng)過(guò)統(tǒng)籌集成后，形成了大量的直流小系統(tǒng)即集中式供電電源，為重要負(fù)荷提供了最后的工作電源保障。因此集中式供電電源面對(duì)多路供電的重要負(fù)載，除了提供必要的工作電源外，還必須對(duì)其輸出供電支路作實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行智能化判斷，按判斷結(jié)果加以限流或保護(hù)，保證非故障支路的正常供電，故障被抑制在最小范圍之內(nèi)。

智能化分配電保護(hù)原則：對(duì)于多路輸出的集中供電式電源，每一支路輸出都應(yīng)具有獨(dú)立于其他支路而起作用的合適的過(guò)流保護(hù)值，電源僅跳閘與過(guò)流相關(guān)的輸出支路。

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

由于現(xiàn)有斷路器的短路分?jǐn)嗄芰σ言絹?lái)越不能滿足系統(tǒng)短路電流增長(zhǎng)的需要，如何使短路電流被限制在保護(hù)設(shè)備極限通斷能力以內(nèi)，是保證系統(tǒng)正常可靠運(yùn)行亟待解決的技術(shù)問(wèn)題[4-6]。在目前，解決該類問(wèn)題的主要方法是加裝限流裝置，限流式熔斷器是當(dāng)前唯一商業(yè)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(hù)的選擇性，并且其屬于單次動(dòng)作，非常不利于供電系統(tǒng)自動(dòng)化、智能化的發(fā)展趨勢(shì)[7,8]。本文深入分析研究了直流智能分配電技術(shù)，基于該技術(shù)開(kāi)發(fā)的分配電裝置，能使發(fā)生短路故障的支路迅速?gòu)闹绷鞴╇娔妇€中予以切除，消除對(duì)同一供電母線其它負(fù)載的影響，避免故障擴(kuò)大，并且能夠?qū)Πl(fā)生短時(shí)過(guò)流的支路在一定時(shí)間內(nèi)采取相應(yīng)的限流措施，保證其他負(fù)載正常運(yùn)行。本文在24V直流智能分配電原理樣機(jī)上進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，得到了試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了分析的結(jié)論。

1 直流智能分配電裝置技術(shù)分析

由于短路電流和沖擊電流的幅值很大，時(shí)間極短，要完成保護(hù)功能，必須在微秒級(jí)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行控制，一般接觸器、晶閘管的動(dòng)作時(shí)間在毫秒級(jí)，均不能滿足其要求，只能選擇快速的 IGBT或者 MOSFET，但是，大多數(shù) IGBT、MOSFET等開(kāi)關(guān)器件超過(guò)器件本身額定電流后數(shù)十微秒內(nèi)就會(huì)發(fā)生不可恢復(fù)的損壞[9,10]，因此直流智能分配電裝置的檢測(cè)保護(hù)操作，必須在短路或沖擊電流超過(guò)功率器件額定電流之前完成，而且時(shí)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(hù)操作顯然不能滿足需要，本文方案中選擇運(yùn)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(yǔ)言完成對(duì)控制算法的實(shí)現(xiàn)，通過(guò)修改語(yǔ)言中電流上升率閾值和瞬時(shí)電流閾值，可以基本準(zhǔn)確地快速區(qū)分支路負(fù)載的短路或大電流沖擊狀況，以解決目前面臨的瓶頸技術(shù)。

圖1為船舶供電系統(tǒng)中直流智能分配電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每路智能分配電裝置由功率器件（IGBT或者 MOSFET）、續(xù)流功率二極管、檢測(cè)電路、控制與驅(qū)動(dòng)電路、緩沖吸收電路等組成?；贑PLD和DSP微處理器的直流智能分配電裝置，將快速檢測(cè)支路負(fù)載上電流的大小和上升時(shí)間，并以微秒級(jí)的速度計(jì)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(yīng)保護(hù)處理，同時(shí)將出現(xiàn)的故障信息及時(shí)上傳，做到故障準(zhǔn)確定位。

船舶供電系統(tǒng)直流智能分配電裝置在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，共會(huì)出現(xiàn)四種工作狀態(tài)：

工作狀態(tài)一：裝置正常工作，單管IGBT（或是MOSFET）開(kāi)通，由檢測(cè)電路采集電壓、電流信號(hào)，并通過(guò)CAN網(wǎng)將直流電壓、電流值發(fā)送給上一級(jí)控制系統(tǒng)；

工作狀態(tài)二：支路負(fù)載發(fā)生過(guò)載工況時(shí)，經(jīng)一定延時(shí)后，立即切斷IGBT（或是MOSFET），同時(shí)將故障信號(hào)通過(guò)CAN網(wǎng)上傳；

工作狀態(tài)三：支路負(fù)載發(fā)生短路工況時(shí)，在短路電流到達(dá)設(shè)定值后（設(shè)定值低于功率器件額定電流），在幾微秒內(nèi)快速切斷IGBT（或是MOSFET），同時(shí)將故障信號(hào)通過(guò)CAN網(wǎng)上傳；

工作狀態(tài)四：支路負(fù)載發(fā)生大電容電流沖擊時(shí)，在沖擊電流到達(dá)設(shè)定值后（設(shè)定值低于功率器件額定電流），在幾微秒內(nèi)對(duì)IGBT（或是MOSFET）進(jìn)行BUCK斬波，使負(fù)載軟啟動(dòng)且不影響直流母線其它掛網(wǎng)負(fù)載正常工作，同時(shí)將故障信號(hào)通過(guò)CAN網(wǎng)上傳；若BUCK斬波時(shí)間超過(guò)設(shè)定時(shí)間，則自動(dòng)切斷功率器件，并通過(guò)CAN網(wǎng)將故障信息上傳。

不難看到，在上述四種工作狀態(tài)中，工作狀態(tài)一和工作狀態(tài)二是相對(duì)常規(guī)的運(yùn)行狀態(tài)，功能實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單；工作狀態(tài)三的單一功能實(shí)現(xiàn)方法也比較多，而工作狀態(tài)三和工作狀態(tài)四功能的區(qū)分執(zhí)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(shí)電流閾值，才能準(zhǔn)確地將這兩種非正常工況剝離出來(lái)，這是整個(gè)狀態(tài)區(qū)分環(huán)節(jié)的技術(shù)關(guān)鍵。

圖2為沖擊電流上升率的判斷曲線，通過(guò)檢測(cè)idect1、idect2、idect3瞬時(shí)電流及相應(yīng)發(fā)生時(shí)間點(diǎn)t1、t2、t3，CPLD快速計(jì)算電流上升率并作出相應(yīng)動(dòng)作，當(dāng)硬件檢測(cè)到idec4瞬時(shí)電流時(shí)，裝置立刻停機(jī)保護(hù)，idec4瞬時(shí)電流檢測(cè)保護(hù)是當(dāng)裝置由于某種原因，在idect1、idect2、idect3檢測(cè)判斷失效或控制回路執(zhí)行錯(cuò)誤造成電流未及時(shí)限制的情況下，作出的最終保護(hù)措施，以防止裝置功率器件被過(guò)流損壞。

2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)實(shí)例：如圖1所示的單功率管BUCK型分配電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，無(wú)濾波電感；輸入電源：24 VDC，DC源型號(hào)為索羅森SGI330/91；輸出濾波電容：6800 μF/50 V兩個(gè)并聯(lián)；功率管：IXFN230N10；驅(qū)動(dòng)電路：CONCEPT 2BB0108T；輸出功率繼電器735-3A-C 24VDC隔離；試驗(yàn)內(nèi)容：負(fù)載短路，40 A阻性負(fù)載并聯(lián)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(jí)判斷；示波器：泰克TPS2024。

24 V直流智能分配電樣機(jī)負(fù)載短路和負(fù)載大電容沖擊的試驗(yàn)波形，如圖3和圖4所示。圖3為樣機(jī)正常運(yùn)行時(shí)支路負(fù)載突然短路時(shí)的試驗(yàn)波形，可以看到，支路電流上升至設(shè)定值100 A后功率管驅(qū)動(dòng)信號(hào)瞬時(shí)關(guān)斷，故障支路被切斷，支路短路電流立刻下降。

圖4為為樣機(jī)正常運(yùn)行時(shí)支路突加大電容負(fù)載時(shí)的試驗(yàn)波形，可以看到，支路電流上升至設(shè)定值100 A后功率管驅(qū)動(dòng)信號(hào)立刻進(jìn)行BUCK斬波運(yùn)行，支路沖擊電流下降進(jìn)入BUCK工作狀態(tài)，輸入電壓在沖擊電流上升過(guò)程中短時(shí)跌落后，即隨著功率管斬波運(yùn)行而迅速恢復(fù)正常電壓值。

3 結(jié)論

理論分析與試驗(yàn)結(jié)果表明，運(yùn)用快速的CPLD處理器，合理的計(jì)算并選擇支路沖擊電流上升率閾值和瞬時(shí)電流閾值，可以基本準(zhǔn)確地區(qū)分支路負(fù)載的短路或大電流沖擊狀況，消除對(duì)其它掛網(wǎng)負(fù)載的影響，避免故障擴(kuò)大，非常利于船舶供電系統(tǒng)自動(dòng)化、智能化的發(fā)展。

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