基于固態(tài)功率控制器的反時限過流保護研究

陳群 ，周潔敏，洪峰，鄭罡，習(xí)志揚

（1.南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院，江蘇 南京 211106；2.南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京 211106）

隨著航空航天器朝著多電化/全電化方向發(fā)展，其中用電設(shè)備的數(shù)量急劇增加，功率需求越來越大，對配電系統(tǒng)的性能指標及可靠性提出了更高的要求。固態(tài)配電技術(shù)的核心器件——固態(tài)功率控制器（solid state power controller，SSPC），用晶體管電子器件替代機械開關(guān)、繼電器以及斷路器等，使SSPC具有開關(guān)速度快、不產(chǎn)生電弧、內(nèi)部無活動原件、無機械磨損、過載保護精度高、電氣隔離以及抗干擾能力強等眾多優(yōu)點。其中反時限過流保護是實現(xiàn)高性能配電及高可靠性的關(guān)鍵技術(shù)之一。

SSPC的過流保護特性需要與負載過熱特性相匹配，常采用負載的I2t反時限過流保護曲線模擬出負載的溫度變化規(guī)律，SSPC就可以在負載過載時及時地從電網(wǎng)上剝離負載，從而起到保護配電系統(tǒng)。

國內(nèi)外在SSPC上實現(xiàn)反時限過流保護的方法主要有兩種，分別是算法研究[1]與硬件電路相結(jié)合的方法實現(xiàn)。算法研究通常將“熱記憶”與I2t反時限保護曲線相結(jié)合，進行熱量累計，并根據(jù)保護時間間隔的時長來判斷是否需要考慮熱量累積所產(chǎn)生的影響，從而更加準確的實現(xiàn)反時限過流保護。有采用復(fù)雜可編程邏輯控制器件（complex programmable logic device，CPLD）[2]實現(xiàn)了SSPC的反時限過流保護技術(shù)。另外還有文獻報道采用基于現(xiàn)場可編程門陣列（field-program-mable gate array，F(xiàn)PGA）[3]實現(xiàn) SSPC的反時限過流保護技術(shù)，通過熱量累積計算，同時進行模擬散熱過程，將累積的熱量乘以采樣次數(shù)與熱量閾值進行比較，大于熱量閾值則迅速進行跳閘保護，小于熱量閾值則進入下一個采樣周期進行下一輪熱量累積計算。還有通過Matlab/Simulink軟件完成對反時限過流繼電器的仿真建模[4]。在硬件實現(xiàn)方法方面，文獻[5]主要介紹了通過反比例反函數(shù)擬合法來實現(xiàn)過流保護電路，這種方法的優(yōu)點在于實現(xiàn)“熱記憶保護”比較容易，但實現(xiàn)反時限的關(guān)鍵元件電阻與電容會由于溫度特性[6]受限，導(dǎo)致擬合出的I2t曲線產(chǎn)生偏差，但保護曲線是固定的。如果僅依靠元器件性能提高不僅會導(dǎo)致生產(chǎn)周期變長及成本增加，甚至無法滿足設(shè)計要求。通過分析導(dǎo)線的熱模型[7-9]以及對固態(tài)功率控制器的行為建模[10]，用一個RC電路模擬導(dǎo)線發(fā)熱與散熱過程，然后通過對電流的采樣以及信號的處理來實現(xiàn)反時限過流保護，但此模型無法實現(xiàn)對動作時間的調(diào)整來滿足不同情況的需求，在本文中此問題可以得到有效的解決。還有通過對SiC MOSFET源極的電感電流[11]的大小檢測以及判斷，從而實現(xiàn)對器件的過流保護功能。

本文采用一種新型的反時限電路，實現(xiàn)了SSPC的反時限過流保護，通過調(diào)節(jié)放大器增益電阻的方法調(diào)整動作時間，以滿足不同的需求。歸納總結(jié)反時限過流保護曲線的類別，根據(jù)保護曲線進行SSPC設(shè)計方案研究，利用建模和仿真等手段優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，并研制SSPC試驗電路，進一步驗證設(shè)計方案的有效性。

1 反時限過流保護曲線

反時限過流保護技術(shù)是實現(xiàn)SSPC保護負載、實現(xiàn)可靠配電的核心技術(shù)。在固態(tài)功率控制器應(yīng)用中，反時限過流保護常用于負載發(fā)生故障時，是介于短路保護電流等級之下的保護方式，且隨著負載電流的增大，保護時間自動減少，因此將其用于固態(tài)功率控制器中可提高可靠性，反時限過流保護通用數(shù)學(xué)模型為

式中：I為電路輸出電流；Ip為保護電流動作值；k為常數(shù)，量綱為時間；r為常數(shù)；tp為定義的時間常數(shù)。

式（1）表明反時限過流保護時間t隨著電路中的輸出電流變化。當I/Ip＜1時，此時t＜0，反時限保護不動作；當I/Ip=1時，此時t=∞，反時限保護不動作；當I/Ip＞1時，此時t＞0，反時限保護開始工作，隨著電路中的電流輸入值的增大，保護時間t越小。按照IEC標準，當r與k取不同值，分為三種不同類型的反時限保護，如表1所示。

表1 不同情況下的反時限過流保護曲線的k，rTab.1 k，r of inverse time overcurrent protection curve under different conditions

根據(jù)SSPC所帶負載的不同，選擇不同的反時限曲線。一般情況下，選用一般反時限曲線（r=0.02）；當輸入、輸出電流變化較大時，選用非常反時限曲線（r=1.00）；當表示發(fā)熱與電流的關(guān)系，選用極度反時限曲線（r=2.00），常用于反映過熱狀態(tài)的保護。本文取用r=2.00的情況，當ktp=1時，利用Matlab得到反時限過流保護曲線如圖1所示。

圖1 反時限過流保護曲線Fig.1 Curve of inverse time overcurrent protection

2 固態(tài)功率控制器反時限過流保護模型

2.1 固態(tài)功率控制器組成原理

固態(tài)功率控制器由主功率電路、反激電源電路、保護電路、控制電路以及電流電壓采樣電路組成，如圖2所示。

圖2 固態(tài)功率控制器原理圖Fig.2 Schematic diagram of solid-state power controller

圖2中，保護與控制電路要完成的是對主電路的MOSFET的通斷、短路保護、負載實時狀態(tài)的檢測以反時限過流保護的實現(xiàn)。電壓、電流采樣電路完成對主電路的電流、電壓采樣，為后續(xù)控制保護電路提供實時的參考信號。輔助電源電路采用的是反激電路，為控制保護電路提供供電電源，輸入電壓為270 V，輸出電壓為15 V。

2.2 RC充電模型分析

為了模擬在負載超載的情況下，固態(tài)功率控制器應(yīng)具有反時限過流保護行為，可以用“熱力學(xué)第一定律”建立導(dǎo)線熱模型的微分方程，具體如下：

式中：K為時間常數(shù)的導(dǎo)數(shù)，與導(dǎo)線的材料、環(huán)境溫度以及散熱情況有關(guān)系；Ew為導(dǎo)線中的熱量，相當于導(dǎo)線溫升，單位W；Rw為導(dǎo)線電阻，單位Ω；Iw為流過導(dǎo)線的電流值，單位A。

將式（2）微分方程求解可得：

圖3為RC充電電路，由圖3可知：

即

式中：Uc為電容兩端電壓；C為電容值；R為電阻值；Ieq為流入的電流大小。

解此方程可得：

比較式（3）和式（6）可知，這兩個式子具有相同的結(jié)構(gòu)，所以可以通過用RC放電過程來有效的模擬電路的發(fā)散熱過程，以此來研究反時限過流保護的工作形式。

圖3 RC充電電路圖Fig.3 Charging circuit diagram of RC

2.3 反時限保護電路分析

反時限保護的意義就是在靈活保護電路的同時又能在保護電路不被燒毀的情況下盡量的延長主電路的工作時間，當電路電流很大的時候，又能加速主電路的關(guān)斷。圖4為反時限保護硬件電路模型圖。

圖4 反時限保護硬件電路模型圖Fig.4 Inverse time protection hardware circuit model diagram

圖4中，U1，U2為運算放大器，型號分別采用的是tlc2201和lm158，輸出分別用V1，V2表示；U3，U4為比較器，型號采用的是lm193，輸出分別用V3，V4表示。其中運算放大器U1將采樣電阻兩端的電壓信號放大，輸出V1，并作為運算放大器U2的正相輸入、比較器U3的正相輸入、比較器U4的反相輸入。當SSPC主功率電路在正常狀態(tài)下工作時，此時，負載電流為正常值，比較器U3，U4的邏輯都為低，輸出都為低電平，只有運算放大器U2輸出電壓V2，為電容C充電，此時電容C的電壓低于MOSFETQ1的導(dǎo)通電壓，Q1不導(dǎo)通，MOSFETQ2保持導(dǎo)通狀態(tài)，SSPC正常工作，此目的是為了使電容C兩端保持一個低電壓，當SSPC發(fā)生故障導(dǎo)致電流過大時，電容C能夠迅速充電到Q1的導(dǎo)通電壓，減少充電時間。

當SSPC發(fā)生故障，或是在超負載的狀態(tài)下工作時，此時主功率電路電流上升，運算放大器U1的輸出V1增大，直到比較器U3的正相輸入大于反相輸入，邏輯為高，輸出V3為高電平15 V，此時V2，V3共同給電容C充電，當電容C電壓達到Q1的導(dǎo)通電壓Uon，Q1導(dǎo)通，Q2柵極電壓被拉低成0，Q2關(guān)斷，此時主功率電路為斷路，SSPC被保護，停止工作。當SSPC發(fā)生故障時，負載電流越大，運算放大器U2的輸出V2也越大，電容C充電到Q1導(dǎo)通電壓的時間也就越短，從而達到反時限過流保護的效果。

SSPC正常工作時，U2支路電流為I2，流入并聯(lián)RC網(wǎng)絡(luò)的電流I2，電容C電壓為V2，當處于過流狀態(tài)時，U2輸出電壓增大，支路電流為I＇2，U3輸出為V3，支路電流為I3，則流入并聯(lián)RC網(wǎng)絡(luò)的電流為

根據(jù)“三要素”法可計算出圖4中電容C的充電電壓為

解式（8）可得：

所以當SSPC過流狀態(tài)時，電容C充電到Q1導(dǎo)通電壓Uon所需時間，即反時限過流保護動作時間為

圖4中的比較器U4主要起到一個鎖存的作用，當SSPC正常工作時以及電流過大，發(fā)生反時限過流保護動作之前，其邏輯都為低，輸出V4為低電平，當反時限過流保護動作發(fā)生之后，Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)斷時，此時比較器U4的邏輯為高。輸出電壓V4為15 V，會一直給電容C充電，保持電容C兩端的電壓為Q1導(dǎo)通電壓，使Q1一直保持開通，防止在切斷SSPC輸入之前，Q1發(fā)生再次開通。

同時此電路模型還有具有反時限保護時間可調(diào)功能，當對運算放大器U2的增益電阻改變時，則在SSPC發(fā)生過流狀況之前，電容C的電壓相較于增益改變之前會有所變化，當發(fā)生過流狀況后，運算放大器U2的輸出電壓較增益改變之前也有變化，所以電容C兩端的電壓上升到Q1導(dǎo)通電壓所需要的時間就會有變化，因此就可以通過改變運算放大器U2的增益來改變反時限保護的動作時間。

3 仿真與試驗驗證

在經(jīng)過上述理論分析后，利用saber仿真軟件對上述硬件電路進行建模仿真，以此來驗證反時限保護的有效性。

在saber仿真軟件中搭建的電路模型，在仿真過程中，當SSPC正常工作后，延時一段時間后突然改變負載的大小，將負載電阻減小，從而達到瞬時增大電流的效果，以此來模擬SSPC發(fā)生過流的狀態(tài)，而且通過改變不同的負載，可以獲得SSPC在不同電流下發(fā)生反時限過流保護動作的時間。

3.1 仿真結(jié)果分析

在仿真中一共改變了5次負載，即在1.2倍、1.3倍、1.5倍、2倍、2.5倍這5種過流狀態(tài)下進行反時限保護動作時間仿真，得到仿真結(jié)果，圖5為不同過流狀態(tài)保護時間圖，具體數(shù)值如表2所示。

圖5 不同過流狀態(tài)保護時間圖Fig.5 Protection time diagram of different over-current states

表2 不同過流狀態(tài)保護時間表Tab.2 Protection time table of different over-current states

仿真結(jié)果可以清楚地看到，當SSPC的電流增大后延時一段時間SSPC關(guān)斷，負載兩端電壓值和SSPC的電流值都變?yōu)?。而且隨著電流的增大，反時限的保護時間逐漸減小，從5.26 ms減小到0.4 ms，并且起到很好的反時限過流保護效果，由此可以看出此電路模型能夠滿足上述的理論分析，可以初步認為此電路模型具有一定的有效性，是能夠起到反時限過流保護作用。

接下來又對反時限過流保護的保護時間設(shè)置進行仿真，減小運算放大器U2的增益，同樣改變5次負載，在1.2倍、1.3倍、1.5倍、2倍、2.5倍這5種過流狀態(tài)下進行仿真，得出仿真結(jié)果如圖6，具體數(shù)值如表3所示。

表3 減小增益不同過流狀態(tài)保護時間表Tab.3 Protection time table of different over-current states with reduced gain

圖6 減小增益不同過流狀態(tài)保護時間圖Fig.6 Protection time diagram of different over-current states with reduced gain

在將運算放大器U2的增益減小以后，電容C兩端電壓的初始值減小，充電時間增長，由仿真結(jié)果可以看出在同樣的過流狀態(tài)下，運算放大器U2增益減小后，反時限過流保護動作時間有了明顯的增長，反時限保護動作時間同樣呈隨電流增大而減小的趨勢，保護時間從6.94 ms減小到0.56 ms，所以在不同的增益下，此電路模型同樣滿足保護時間設(shè)置的要求，驗證了保護時間可設(shè)置的有效性，同時也進一步驗證了電路的可行性。

3.2 試驗結(jié)果分析

圖7為對SSPC反時限過流保護時間測試的實測圖，本次實驗通過手動切換負載來改變負載的大小，從而使SSPC工作在不同的過流狀態(tài)，進而測出不同狀態(tài)下的保護動作時間，得出實驗結(jié)果。

圖7 實物測試圖Fig.7 Physical test diagram

由于負載的阻值的限制以及產(chǎn)品設(shè)計的要求，此次試驗改變了三次負載，即在24 A，26 A，30 A這3種過流狀態(tài)下進行測試，試驗結(jié)果如圖8所示，具體數(shù)值如表4所示。

表4 不同過流狀態(tài)保護時間表（試驗）Tab.4 Protection time table of different over-current state（test）

同時減小運算放大器U2的增益，繼續(xù)在24 A，26 A，30 A這三種過流狀態(tài)下進行測試，試驗結(jié)果如圖9所示，具體數(shù)值如表5所示。

圖9 減小增益不同過流狀態(tài)保護時間圖（試驗）Fig.9 Protection time diagram of different over-current states with reduced gain（test）

表5 減小增益不同過流狀態(tài)保護時間表（試驗）Tab.5 Table of protection time of different over-current states with reduced gain（test）

由試驗結(jié)果可以看出，電流從24 A增大到30 A，反時限保護時間從4.98 ms減小到1.51 ms，減小運算放大器U2增益情況下的反時限保護時間從6.30 ms減小到2.78 ms，與仿真結(jié)果近似，并且在這三種過流狀態(tài)下，SSPC都進行了有效的關(guān)斷，同時也滿足反時限過流保護的要求，隨著電流的增大，保護時間越來越短，呈非線性減少，符合理論分析結(jié)果，充分證明了反時限保護模型的有效性。

4 結(jié)論

本文針對固態(tài)功率控制器的反時限過流保護問題，對反時限保護曲線、保護電路設(shè)計、控制原理分析以及特性實驗進行了系統(tǒng)型的研究，研究結(jié)論如下：

1）介紹的保護電路能夠精確的完成對SSPC的反時限過流保護功能，且保護時間滿足實際需求，實現(xiàn)了對SSPC過流狀態(tài)下有效保護的目的。

2）可通過修改放大器的增益電阻來改變反時限過流保護的時間，操作方法簡便，滿足了不同情況下對保護時長的要求。