一種直流固態(tài)功率控制器的設(shè)計

叱光輝，何智超，白 欣，劉 金，康英琦

(陜西群力電工有限責(zé)任公司，陜西寶雞，721300)

1 引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)電氣設(shè)備已無法適應(yīng)新型的配電系統(tǒng)，因而提出了固態(tài)功率控制器(SSPC)等許多新型電氣控制設(shè)備方案，目前固態(tài)功率控制器(SSPC)逐漸成為電氣負(fù)載管理中心(ELMC)的重要組成部分，它集成斷路器線路保護(hù)功能和固態(tài)繼電器電氣開關(guān)功能，具有智能化程度高、抗干擾能力強(qiáng)、工作可靠、開關(guān)速度快等優(yōu)點。

本文介紹的固體功率控制器(SSPC)是基于MCU為核心，采用RS485通信方式，輸入為28Vd.c.，輸出為直流270Vd.c.，20A，其相關(guān)技術(shù)包括狀態(tài)反饋、可編程技術(shù)、高可靠短路保護(hù)技術(shù)。該方案可以滿足航電系統(tǒng)對負(fù)載電路遠(yuǎn)程集中控制，同時方便用戶對負(fù)載電路的監(jiān)測和故障排查。

2 總體設(shè)計方案

該系統(tǒng)從功能上分為邏輯控制部分、功率開關(guān)部分和信號采集部分。邏輯控制部分包括：電源模塊、通信模塊和單片機(jī)模塊。功率開關(guān)部分包含功率輸出模塊和保護(hù)模塊；信號采集部分包含：電流采樣模塊和電壓采樣模塊。功能框圖如圖1所示。

圖1 控制器功能框圖

電源模塊以隔離型DC-DC為核心，為單片機(jī)模塊、通信模塊、短路保護(hù)模塊、電流采樣模塊、電壓采樣模塊中的數(shù)字芯片提供工作電壓；

通信模塊采用隔離收發(fā)器和RS485收發(fā)器，通過該模塊控制器內(nèi)部的單片機(jī)可以實現(xiàn)與上位機(jī)的通信功能；

電壓采樣模塊負(fù)責(zé)采樣負(fù)載兩端的電壓，并將電壓數(shù)據(jù)上傳至單片機(jī)模塊；

電流采樣模塊負(fù)責(zé)采樣控制器輸出端通過的負(fù)載電流，并將電流數(shù)據(jù)上傳至單片機(jī)模塊；

保護(hù)模塊負(fù)責(zé)在負(fù)載電路出現(xiàn)異常的情況下，如負(fù)載電路出現(xiàn)短路、欠壓或過壓狀態(tài)時，保護(hù)模塊會發(fā)送信號至功率輸出模塊以切斷負(fù)載電路，保證負(fù)載不被損壞，并將短路、欠壓或過壓狀態(tài)上傳至單片機(jī)模塊；

功率輸出模塊驅(qū)動電路在接收到單片機(jī)模塊發(fā)送的驅(qū)動信號后，驅(qū)動功率MOSFET導(dǎo)通或關(guān)斷。當(dāng)負(fù)載電路出現(xiàn)異常時，驅(qū)動電路停止工作，功率輸出端立刻關(guān)斷并鎖死，直到單片機(jī)發(fā)送復(fù)位信號或系統(tǒng)重新上電才能解除鎖死。

3 硬件電路設(shè)計

3.1 控制芯片

MCU是Microchip公司推出的PIC16F690型微控制器，其采用Harvard雙總線結(jié)構(gòu)，運(yùn)行速度快；該單片機(jī)內(nèi)部集成增強(qiáng)型USART模塊、高耐久性的閃存/EEPROM儲存單元、17個雙向I/O引腳、2個模擬比較器模塊和10位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器。

3.2 功率開關(guān)元件及驅(qū)動電路

功率開關(guān)元件選用infineon公司的IPT60R028G7型場效應(yīng)管,具有導(dǎo)通電阻小，接通速度快和帶負(fù)載能力強(qiáng)的特點。

驅(qū)動電路圖2所示，控制器內(nèi)部MCU通過識別上位機(jī)發(fā)送的指令，控制場效應(yīng)管V1導(dǎo)通或關(guān)斷，從而使得變壓器T1前端驅(qū)動電路工作，變壓器T1的初級線圈產(chǎn)生電壓自激振蕩信號，變壓器T1的次級線圈產(chǎn)生的電壓信號經(jīng)過整流、穩(wěn)壓后產(chǎn)生一個穩(wěn)定的驅(qū)動電壓，驅(qū)動開關(guān)元件，并且在次級線圈電路中設(shè)計了快速泄放電路，當(dāng)驅(qū)動電路關(guān)斷時，快速泄放電路會將MOSFET的GS兩端電壓迅速拉低，從而減小MOSFET在半導(dǎo)通狀態(tài)下的時間，提高其工作壽命。

圖2 驅(qū)動電路

3.3 電源模塊及通信模塊

電源模塊采用隔離型DC-DC為該系統(tǒng)內(nèi)部元器件提供工作電壓，此次我們使用金升陽公司生產(chǎn)的B0505MT-1WR4模塊電源，輸入電壓為4.5Vd.c.～5.5Vd.c.，輸出電壓為5Vd.c.，輸出電流為200/20mA，工作溫度范圍為-40℃～125℃，其具有體積小，輸出電壓穩(wěn)定等特點。

通信模塊使用的芯片為TI公司生產(chǎn)的ISO1500型電隔離差分收發(fā)器，其采用超小的16腳SSOP封裝，其邏輯側(cè)工作電壓范圍為1.71Vd.c.～5.5Vd.c.，總線側(cè)工作電壓范圍為4.5Vd.c.～5.5Vd.c.，低EMI 1Mbps數(shù)據(jù)傳輸速率，總線上最多可以連接256個節(jié)點。

3.4 電流采樣模塊及電壓采樣模塊

如圖3所示，電流采集模塊采用Allegro公司生產(chǎn)的ACS780KLRTR-150U-T有源隔離型霍爾電流傳感器，電流范圍為0～100A，瞬態(tài)電流范圍為0～150A，工作電壓范圍為4.5Vd.c.～5.5Vd.c.，采樣敏感度為26.66mV/A。當(dāng)輸出端導(dǎo)通時，負(fù)載電流通過霍爾傳感器N4輸出端，經(jīng)過整形濾波后傳送至MCU和短路保護(hù)電路。

電壓采集通過采用電阻分壓形式，將并聯(lián)在負(fù)載端的電阻R9和R10進(jìn)行分壓采集，電壓信號經(jīng)過整形濾波后傳送至MCU。

圖3 電流采集及電壓采集電路

3.5 短路保護(hù)模塊

保護(hù)模塊采用以霍爾電流傳感器、運(yùn)算放大器和比較器組成的硬件電路，具有反應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)的特點。具體保護(hù)電路如圖4所示。

圖4 短路保護(hù)電路

由于霍爾電流傳感器采集的電流信號是以2.5Vd.c.為基礎(chǔ)，其敏感度為26.66mVd.c./A。因此，采樣的電流信號先經(jīng)過以運(yùn)算放大器Q3為核心的減法電路將基礎(chǔ)值降低，再經(jīng)過放大電路對電流采樣信號的電壓值進(jìn)行放大，增加電流采樣信號的敏感度，從而提升短路保護(hù)模塊的抗干擾性能，防止誤觸發(fā)情況的發(fā)生，處理過的電流采樣信號經(jīng)過濾波后傳送至比較器Q5，當(dāng)電流采樣信號電壓值超過閾值時，比較器Q5輸出端輸出高電平信號，驅(qū)動電路被強(qiáng)制關(guān)斷，同時將高電平信號傳送至MCU指定I/O口。

4 軟件反時限保護(hù)算法

當(dāng)負(fù)載端電流超過額定輸出電流500%時，控制器短路保護(hù)模塊會自動工作，關(guān)斷輸出端保護(hù)負(fù)載電路，當(dāng)輸出端電流超過額定輸出電流但未到達(dá)500%時，此時控制器MCU接受到輸出端電流信號，進(jìn)入反時限保護(hù)程序，通過算法準(zhǔn)確計算出保護(hù)時間，在到達(dá)保護(hù)時間后負(fù)載電流仍超差，則MCU切斷驅(qū)動信號、關(guān)斷驅(qū)動電路。

按國際電工委員會IEC255--3中的反時限保護(hù)電流保護(hù)功能的要求。三種標(biāo)準(zhǔn)電流反時限保護(hù)方程分別為：一般反時限標(biāo)準(zhǔn)方程、非常反時限標(biāo)準(zhǔn)方程和極端反時限標(biāo)準(zhǔn)方程，本文中控制器的反時限保護(hù)算法采用極端反時限電流保護(hù)方程，其具體如下所示：

(1)

式中，I為實際電流；In為額定電流定值；TP為時間常數(shù)。

將上式轉(zhuǎn)化為：

[(I/In)2-1]t=80Tp

(2)

(3)

要在單片機(jī)上實現(xiàn)公式(3)，必須將其離散化：

(4)

硬件電路設(shè)計是將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，電壓信號進(jìn)入單片機(jī)后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)化為編碼m，因此公式(1)可寫成：

反時限電流保護(hù)采用積分算法來實現(xiàn)，其表達(dá)式為：

(5)

(6)

通過MCU的算法可以更精確的計算出保護(hù)時間，具體反時限電流保護(hù)是在額定電流的150%～500%進(jìn)行，當(dāng)輸出端負(fù)載電流大于額定電流500%立即斷電保護(hù)，反時限電流保護(hù)時間曲線見圖5所示。

圖5 反時限保護(hù)曲線圖

3 結(jié)束語

本文闡述了一種基于PIC系列單片機(jī)為核心，具有短路保護(hù)、反時限保護(hù)、過壓保護(hù)和欠壓保護(hù)等多種保護(hù)功能的控制器。設(shè)計采用硬件電路為基礎(chǔ)，MCU軟件控制為輔助，從而使得控制器整體電路具有響應(yīng)速度快、電路設(shè)計簡單、系統(tǒng)整體可靠性、實時性和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點，并且有效的降低了產(chǎn)品的功耗和成本，使得該產(chǎn)品生產(chǎn)裝配和工藝控制簡化。經(jīng)過軟件仿真和初步測試，其性能參數(shù)符合航空固態(tài)功率控制器的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，能夠滿足航空電氣負(fù)載管理系統(tǒng)的需要，該設(shè)計切實可行，具有廣闊的應(yīng)用前景。