反時限過流保護(hù)恢復(fù)時間探討

李興智 梁哲 趙君 呼明亮

摘 要：對反時限過流保護(hù)的基本原理進(jìn)行了闡述，根據(jù)反時限過流保護(hù)的應(yīng)用環(huán)境，從熱量累積的角度出發(fā)，分析得出反時限過流保護(hù)恢復(fù)時間的關(guān)鍵因素為控制電路中的場效應(yīng)管熱量累計不超限，對并在此基礎(chǔ)上對場效應(yīng)管進(jìn)行熱仿真，依據(jù)仿真結(jié)果確定過流保護(hù)恢復(fù)時間，在不影響電路的正常功能前提下達(dá)到保護(hù)電路的基本要求。

關(guān)鍵詞：反時限；過流保護(hù)；熱仿真；恢復(fù)時間

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

隨著反時限過流保護(hù)的廣泛應(yīng)用，反時限過流保護(hù)后的恢復(fù)接通時間已越來越引起人們的關(guān)注，反時限過流保護(hù)在原理上和很多負(fù)載的故障特性相接近，因此保護(hù)特性更為優(yōu)越，實際上，許多工業(yè)用戶要求保護(hù)為反時限特性[ 1-4 ]，而且對于不同的用戶（負(fù)載），所需要的反時限特性并不相同。

現(xiàn)階段，反時限過流保護(hù)應(yīng)用越來越廣泛，但是在實際應(yīng)用中，特別是在航空系統(tǒng)中出現(xiàn)偶發(fā)性的過流或者短路，若不采用一定的策略恢復(fù)接通則會使電路或系統(tǒng)停止工作，從而造成嚴(yán)重的損失。

2 過流保護(hù)恢復(fù)策略

在航空系統(tǒng)中，反時限過流保護(hù)策略常常被應(yīng)用于電機(jī)的過載保護(hù)[ 1 ]。

過載保護(hù)反映電動機(jī)的過負(fù)荷程度，過負(fù)荷將導(dǎo)致電動機(jī)產(chǎn)生熱量，在一定時間段內(nèi)熱量的累積不會超過電機(jī)承受極限[ 5 ]。

在電機(jī)的實際工作過程中電動機(jī)的負(fù)載過載倍數(shù)是發(fā)生變化的，所以其過載時產(chǎn)生能量達(dá)到極限過載之后，其過載倍數(shù)不可能是一成不變的，隨著過載倍數(shù)的變化，允許過載時間也發(fā)生相應(yīng)的變化，即動態(tài)過載情況，其恰巧能夠反映反時限保護(hù)策略[ 7 ]。

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

3 場效應(yīng)管熱仿真

熱仿真能夠在產(chǎn)品開發(fā)之前確定決定所設(shè)計產(chǎn)品的消除熱問題，F(xiàn)lotherm是一套由英國FLOMERICS軟件公司開發(fā)并廣為全球各地電子電路設(shè)計工程師和電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師使用的電子系統(tǒng)散熱仿真分析軟件，F(xiàn)lotherm可以完全滿足系統(tǒng)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(yīng)管進(jìn)行建模熱仿真[ 6 ]，所有場效應(yīng)管導(dǎo)通電阻均為0.05歐姆，環(huán)境溫度為環(huán)境溫度：70℃。經(jīng)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(shù)據(jù)分析

由仿真數(shù)據(jù)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(huán)境中，提取其0～300ms升溫內(nèi)的仿真數(shù)據(jù)繪制的升溫曲線如圖3所示，輸出斷開狀態(tài)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(xù)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(xù)時間0.3s，器件溫度升高至177°左右，超過其最高允許結(jié)溫。在此情況下，對器件進(jìn)行斷電自然降溫，1min該器件可以降溫至89℃左右，前1s內(nèi)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(nèi)的升溫曲線如圖5所示。圖中，橫坐標(biāo)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(biāo)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(nèi)的升高溫度在0.106～0.109范圍內(nèi)浮動。因此自然散熱遠(yuǎn)小于其工作時產(chǎn)生的熱量，因此在該時間段和溫度范圍內(nèi)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(biāo)為單位間隔時間（第1s、第2s、第3s……第60s），縱坐標(biāo)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(nèi)降溫幅度也逐漸減小。由圖6并結(jié)合原始數(shù)據(jù)可看出，器件受到保護(hù)后，當(dāng)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(hù)策略，根據(jù)反時限過流保護(hù)算飯，選取保護(hù)時間為0.0003S溫度不會升高至升溫幅度不超過0.11℃，此時認(rèn)為器件溫度已上升至90℃左右，由圖4和圖6結(jié)合原始仿真數(shù)據(jù)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(hù)后的恢復(fù)接通時間。在工程應(yīng)用中為了排除偶發(fā)性的過流，可采用重試機(jī)制，過流保護(hù)后再次接通為一次重試，在一定時間內(nèi)經(jīng)過指定次數(shù)的重試后依然會發(fā)生過流保護(hù)則認(rèn)為過流真實存在，不再進(jìn)行重試，進(jìn)入保護(hù)鎖定狀態(tài)。

5 結(jié)論

根據(jù)實際電路所采用的元器件二采用過流保護(hù)恢復(fù)策略可有效排除偶發(fā)性的過流引起的過流保護(hù)，能夠防止因為偶發(fā)性的過流而導(dǎo)致的電路系統(tǒng)停止工作，在一定程度上增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性，從而實現(xiàn)反時限過流保護(hù)控制電路安全、穩(wěn)定、可靠的工作。

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作者簡介：李興智（1984-），男，助理工程師，研究方向：計算機(jī)設(shè)計與應(yīng)用；梁哲（1988-），男，助理工程師，研究方向：新型機(jī)載機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用。