基于固態(tài)功率控制器的反時(shí)限過(guò)流保護(hù)研究

陳群 ，周潔敏，洪峰，鄭罡，習(xí)志揚(yáng)

（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(lái)越大，對(duì)配電系統(tǒng)的性能指標(biāo)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(jī)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(wú)活動(dòng)原件、無(wú)機(jī)械磨損、過(guò)載保護(hù)精度高、電氣隔離以及抗干擾能力強(qiáng)等眾多優(yōu)點(diǎn)。其中反時(shí)限過(guò)流保護(hù)是實(shí)現(xiàn)高性能配電及高可靠性的關(guān)鍵技術(shù)之一。

SSPC的過(guò)流保護(hù)特性需要與負(fù)載過(guò)熱特性相匹配，常采用負(fù)載的I2t反時(shí)限過(guò)流保護(hù)曲線模擬出負(fù)載的溫度變化規(guī)律，SSPC就可以在負(fù)載過(guò)載時(shí)及時(shí)地從電網(wǎng)上剝離負(fù)載，從而起到保護(hù)配電系統(tǒng)。

國(guó)內(nèi)外在SSPC上實(shí)現(xiàn)反時(shí)限過(guò)流保護(hù)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(shí)現(xiàn)。算法研究通常將“熱記憶”與I2t反時(shí)限保護(hù)曲線相結(jié)合，進(jìn)行熱量累計(jì)，并根據(jù)保護(hù)時(shí)間間隔的時(shí)長(zhǎng)來(lái)判斷是否需要考慮熱量累積所產(chǎn)生的影響，從而更加準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)反時(shí)限過(guò)流保護(hù)。有采用復(fù)雜可編程邏輯控制器件（complex programmable logic device，CPLD）[2]實(shí)現(xiàn)了SSPC的反時(shí)限過(guò)流保護(hù)技術(shù)。另外還有文獻(xiàn)報(bào)道采用基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（field-program-mable gate array，F(xiàn)PGA）[3]實(shí)現(xiàn) SSPC的反時(shí)限過(guò)流保護(hù)技術(shù)，通過(guò)熱量累積計(jì)算，同時(shí)進(jìn)行模擬散熱過(guò)程，將累積的熱量乘以采樣次數(shù)與熱量閾值進(jìn)行比較，大于熱量閾值則迅速進(jìn)行跳閘保護(hù)，小于熱量閾值則進(jìn)入下一個(gè)采樣周期進(jìn)行下一輪熱量累積計(jì)算。還有通過(guò)Matlab/Simulink軟件完成對(duì)反時(shí)限過(guò)流繼電器的仿真建模[4]。在硬件實(shí)現(xiàn)方法方面，文獻(xiàn)[5]主要介紹了通過(guò)反比例反函數(shù)擬合法來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)電路，這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)“熱記憶保護(hù)”比較容易，但實(shí)現(xiàn)反時(shí)限的關(guān)鍵元件電阻與電容會(huì)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(hù)曲線是固定的。如果僅依靠元器件性能提高不僅會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)周期變長(zhǎng)及成本增加，甚至無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)分析導(dǎo)線的熱模型[7-9]以及對(duì)固態(tài)功率控制器的行為建模[10]，用一個(gè)RC電路模擬導(dǎo)線發(fā)熱與散熱過(guò)程，然后通過(guò)對(duì)電流的采樣以及信號(hào)的處理來(lái)實(shí)現(xiàn)反時(shí)限過(guò)流保護(hù)，但此模型無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)作時(shí)間的調(diào)整來(lái)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(guò)對(duì)SiC MOSFET源極的電感電流[11]的大小檢測(cè)以及判斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)器件的過(guò)流保護(hù)功能。

本文采用一種新型的反時(shí)限電路，實(shí)現(xiàn)了SSPC的反時(shí)限過(guò)流保護(hù)，通過(guò)調(diào)節(jié)放大器增益電阻的方法調(diào)整動(dòng)作時(shí)間，以滿足不同的需求。歸納總結(jié)反時(shí)限過(guò)流保護(hù)曲線的類別，根據(jù)保護(hù)曲線進(jìn)行SSPC設(shè)計(jì)方案研究，利用建模和仿真等手段優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，并研制SSPC試驗(yàn)電路，進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的有效性。

1 反時(shí)限過(guò)流保護(hù)曲線

反時(shí)限過(guò)流保護(hù)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)SSPC保護(hù)負(fù)載、實(shí)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(shí)限過(guò)流保護(hù)常用于負(fù)載發(fā)生故障時(shí)，是介于短路保護(hù)電流等級(jí)之下的保護(hù)方式，且隨著負(fù)載電流的增大，保護(hù)時(shí)間自動(dòng)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(shí)限過(guò)流保護(hù)通用數(shù)學(xué)模型為

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

式（1）表明反時(shí)限過(guò)流保護(hù)時(shí)間t隨著電路中的輸出電流變化。當(dāng)I/Ip＜1時(shí)，此時(shí)t＜0，反時(shí)限保護(hù)不動(dòng)作；當(dāng)I/Ip=1時(shí)，此時(shí)t=∞，反時(shí)限保護(hù)不動(dòng)作；當(dāng)I/Ip＞1時(shí)，此時(shí)t＞0，反時(shí)限保護(hù)開始工作，隨著電路中的電流輸入值的增大，保護(hù)時(shí)間t越小。按照IEC標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)r與k取不同值，分為三種不同類型的反時(shí)限保護(hù)，如表1所示。

表1 不同情況下的反時(shí)限過(guò)流保護(hù)曲線的k，rTab.1 k，r of inverse time overcurrent protection curve under different conditions

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

圖1 反時(shí)限過(guò)流保護(hù)曲線Fig.1 Curve of inverse time overcurrent protection

2 固態(tài)功率控制器反時(shí)限過(guò)流保護(hù)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(hù)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(hù)與控制電路要完成的是對(duì)主電路的MOSFET的通斷、短路保護(hù)、負(fù)載實(shí)時(shí)狀態(tài)的檢測(cè)以反時(shí)限過(guò)流保護(hù)的實(shí)現(xiàn)。電壓、電流采樣電路完成對(duì)主電路的電流、電壓采樣，為后續(xù)控制保護(hù)電路提供實(shí)時(shí)的參考信號(hào)。輔助電源電路采用的是反激電路，為控制保護(hù)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(fù)載超載的情況下，固態(tài)功率控制器應(yīng)具有反時(shí)限過(guò)流保護(hù)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(shí)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(dāng)于導(dǎo)線溫升，單位W；Rw為導(dǎo)線電阻，單位Ω；Iw為流過(guò)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(gè)式子具有相同的結(jié)構(gòu)，所以可以通過(guò)用RC放電過(guò)程來(lái)有效的模擬電路的發(fā)散熱過(guò)程，以此來(lái)研究反時(shí)限過(guò)流保護(hù)的工作形式。

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

2.3 反時(shí)限保護(hù)電路分析

反時(shí)限保護(hù)的意義就是在靈活保護(hù)電路的同時(shí)又能在保護(hù)電路不被燒毀的情況下盡量的延長(zhǎng)主電路的工作時(shí)間，當(dāng)電路電流很大的時(shí)候，又能加速主電路的關(guān)斷。圖4為反時(shí)限保護(hù)硬件電路模型圖。

圖4 反時(shí)限保護(hù)硬件電路模型圖Fig.4 Inverse time protection hardware circuit model diagram

圖4中，U1，U2為運(yùn)算放大器，型號(hào)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(hào)采用的是lm193，輸出分別用V3，V4表示。其中運(yùn)算放大器U1將采樣電阻兩端的電壓信號(hào)放大，輸出V1，并作為運(yùn)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(dāng)SSPC主功率電路在正常狀態(tài)下工作時(shí)，此時(shí)，負(fù)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(yùn)算放大器U2輸出電壓V2，為電容C充電，此時(shí)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(gè)低電壓，當(dāng)SSPC發(fā)生故障導(dǎo)致電流過(guò)大時(shí)，電容C能夠迅速充電到Q1的導(dǎo)通電壓，減少充電時(shí)間。

當(dāng)SSPC發(fā)生故障，或是在超負(fù)載的狀態(tài)下工作時(shí)，此時(shí)主功率電路電流上升，運(yùn)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(shí)V2，V3共同給電容C充電，當(dāng)電容C電壓達(dá)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(shí)主功率電路為斷路，SSPC被保護(hù)，停止工作。當(dāng)SSPC發(fā)生故障時(shí)，負(fù)載電流越大，運(yùn)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(shí)間也就越短，從而達(dá)到反時(shí)限過(guò)流保護(hù)的效果。

SSPC正常工作時(shí)，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(dāng)處于過(guò)流狀態(tài)時(shí)，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(jì)算出圖4中電容C的充電電壓為

解式（8）可得：

所以當(dāng)SSPC過(guò)流狀態(tài)時(shí)，電容C充電到Q1導(dǎo)通電壓Uon所需時(shí)間，即反時(shí)限過(guò)流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為

圖4中的比較器U4主要起到一個(gè)鎖存的作用，當(dāng)SSPC正常工作時(shí)以及電流過(guò)大，發(fā)生反時(shí)限過(guò)流保護(hù)動(dòng)作之前，其邏輯都為低，輸出V4為低電平，當(dāng)反時(shí)限過(guò)流保護(hù)動(dòng)作發(fā)生之后，Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)斷時(shí)，此時(shí)比較器U4的邏輯為高。輸出電壓V4為15 V，會(huì)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(shí)此電路模型還有具有反時(shí)限保護(hù)時(shí)間可調(diào)功能，當(dāng)對(duì)運(yùn)算放大器U2的增益電阻改變時(shí)，則在SSPC發(fā)生過(guò)流狀況之前，電容C的電壓相較于增益改變之前會(huì)有所變化，當(dāng)發(fā)生過(guò)流狀況后，運(yùn)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(shí)間就會(huì)有變化，因此就可以通過(guò)改變運(yùn)算放大器U2的增益來(lái)改變反時(shí)限保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間。

3 仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證

在經(jīng)過(guò)上述理論分析后，利用saber仿真軟件對(duì)上述硬件電路進(jìn)行建模仿真，以此來(lái)驗(yàn)證反時(shí)限保護(hù)的有效性。

在saber仿真軟件中搭建的電路模型，在仿真過(guò)程中，當(dāng)SSPC正常工作后，延時(shí)一段時(shí)間后突然改變負(fù)載的大小，將負(fù)載電阻減小，從而達(dá)到瞬時(shí)增大電流的效果，以此來(lái)模擬SSPC發(fā)生過(guò)流的狀態(tài)，而且通過(guò)改變不同的負(fù)載，可以獲得SSPC在不同電流下發(fā)生反時(shí)限過(guò)流保護(hù)動(dòng)作的時(shí)間。

3.1 仿真結(jié)果分析

在仿真中一共改變了5次負(fù)載，即在1.2倍、1.3倍、1.5倍、2倍、2.5倍這5種過(guò)流狀態(tài)下進(jìn)行反時(shí)限保護(hù)動(dòng)作時(shí)間仿真，得到仿真結(jié)果，圖5為不同過(guò)流狀態(tài)保護(hù)時(shí)間圖，具體數(shù)值如表2所示。

圖5 不同過(guò)流狀態(tài)保護(hù)時(shí)間圖Fig.5 Protection time diagram of different over-current states

表2 不同過(guò)流狀態(tài)保護(hù)時(shí)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(dāng)SSPC的電流增大后延時(shí)一段時(shí)間SSPC關(guān)斷，負(fù)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(shí)限的保護(hù)時(shí)間逐漸減小，從5.26 ms減小到0.4 ms，并且起到很好的反時(shí)限過(guò)流保護(hù)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(rèn)為此電路模型具有一定的有效性，是能夠起到反時(shí)限過(guò)流保護(hù)作用。

接下來(lái)又對(duì)反時(shí)限過(guò)流保護(hù)的保護(hù)時(shí)間設(shè)置進(jìn)行仿真，減小運(yùn)算放大器U2的增益，同樣改變5次負(fù)載，在1.2倍、1.3倍、1.5倍、2倍、2.5倍這5種過(guò)流狀態(tài)下進(jìn)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(guò)流狀態(tài)保護(hù)時(shí)間表Tab.3 Protection time table of different over-current states with reduced gain

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

在將運(yùn)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(shí)間增長(zhǎng)，由仿真結(jié)果可以看出在同樣的過(guò)流狀態(tài)下，運(yùn)算放大器U2增益減小后，反時(shí)限過(guò)流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間有了明顯的增長(zhǎng)，反時(shí)限保護(hù)動(dòng)作時(shí)間同樣呈隨電流增大而減小的趨勢(shì)，保護(hù)時(shí)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(hù)時(shí)間設(shè)置的要求，驗(yàn)證了保護(hù)時(shí)間可設(shè)置的有效性，同時(shí)也進(jìn)一步驗(yàn)證了電路的可行性。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖7為對(duì)SSPC反時(shí)限過(guò)流保護(hù)時(shí)間測(cè)試的實(shí)測(cè)圖，本次實(shí)驗(yàn)通過(guò)手動(dòng)切換負(fù)載來(lái)改變負(fù)載的大小，從而使SSPC工作在不同的過(guò)流狀態(tài)，進(jìn)而測(cè)出不同狀態(tài)下的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖7 實(shí)物測(cè)試圖Fig.7 Physical test diagram

由于負(fù)載的阻值的限制以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求，此次試驗(yàn)改變了三次負(fù)載，即在24 A，26 A，30 A這3種過(guò)流狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，具體數(shù)值如表4所示。

表4 不同過(guò)流狀態(tài)保護(hù)時(shí)間表（試驗(yàn)）Tab.4 Protection time table of different over-current state（test）

同時(shí)減小運(yùn)算放大器U2的增益，繼續(xù)在24 A，26 A，30 A這三種過(guò)流狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)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(guò)流狀態(tài)保護(hù)時(shí)間圖（試驗(yàn)）Fig.9 Protection time diagram of different over-current states with reduced gain（test）

表5 減小增益不同過(guò)流狀態(tài)保護(hù)時(shí)間表（試驗(yàn)）Tab.5 Table of protection time of different over-current states with reduced gain（test）

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，電流從24 A增大到30 A，反時(shí)限保護(hù)時(shí)間從4.98 ms減小到1.51 ms，減小運(yùn)算放大器U2增益情況下的反時(shí)限保護(hù)時(shí)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(guò)流狀態(tài)下，SSPC都進(jìn)行了有效的關(guān)斷，同時(shí)也滿足反時(shí)限過(guò)流保護(hù)的要求，隨著電流的增大，保護(hù)時(shí)間越來(lái)越短，呈非線性減少，符合理論分析結(jié)果，充分證明了反時(shí)限保護(hù)模型的有效性。

4 結(jié)論

本文針對(duì)固態(tài)功率控制器的反時(shí)限過(guò)流保護(hù)問題，對(duì)反時(shí)限保護(hù)曲線、保護(hù)電路設(shè)計(jì)、控制原理分析以及特性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了系統(tǒng)型的研究，研究結(jié)論如下：

1）介紹的保護(hù)電路能夠精確的完成對(duì)SSPC的反時(shí)限過(guò)流保護(hù)功能，且保護(hù)時(shí)間滿足實(shí)際需求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)SSPC過(guò)流狀態(tài)下有效保護(hù)的目的。

2）可通過(guò)修改放大器的增益電阻來(lái)改變反時(shí)限過(guò)流保護(hù)的時(shí)間，操作方法簡(jiǎn)便，滿足了不同情況下對(duì)保護(hù)時(shí)長(zhǎng)的要求。