基于Simulink 的直流SSPC 設(shè)計(jì)及仿真研究

韓靜怡，張智勇，王鵬博，閆穩(wěn)

（中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司 西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西西安，710076）

0 引言

隨著機(jī)載設(shè)備智能化、集成化、小型化、輕量化設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)基于繼電器的供配電系統(tǒng)在智能化、可靠性等方面已不能滿足智能供配電系統(tǒng)的需要，采用固態(tài)配電技術(shù)是當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)。

飛機(jī)固態(tài)配電系統(tǒng)采用微處理機(jī)來實(shí)現(xiàn)控制和監(jiān)控功能，并與機(jī)載計(jì)算機(jī)的總線管理綜合，實(shí)現(xiàn)了采用多路傳輸和微處理機(jī)技術(shù)的遙控配電控制。固態(tài)功率控制器（Solid-State Power Controller，簡(jiǎn)稱SSPC）是與固態(tài)配電系統(tǒng)相配套的控制負(fù)載通斷的開關(guān)裝置，其內(nèi)部無活動(dòng)部件，具有許多優(yōu)點(diǎn)：無觸點(diǎn)、不產(chǎn)生電弧、無機(jī)械磨損、抗干擾能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、可靠性高等，而且能夠接收前級(jí)機(jī)載計(jì)算機(jī)的控制信號(hào)并且報(bào)告其工作狀態(tài)[1]。SSPC 在直流電源系統(tǒng)和固態(tài)配電系統(tǒng)中有十分重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

低壓直流SSPC 具有短路快速保護(hù)和反延時(shí)保護(hù)的功能，建立其仿真模型對(duì)研究其特性非常有幫助。

1 直流SSPC 基本工作原理

直流SSPC 通過MOSFET 實(shí)現(xiàn)對(duì)功率電路的通斷控制，通過串聯(lián)在功率電路中的采樣電阻實(shí)現(xiàn)電流檢測(cè)。包括了主電路、快速保護(hù)電路、反延時(shí)保護(hù)電路、驅(qū)動(dòng)電路以及邏輯鎖存電路，其原理結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

直流SSPC 包括三個(gè)狀態(tài)量，分別為：電流狀態(tài)、脫扣狀態(tài)和控制狀態(tài)。其中控制狀態(tài)是由前級(jí)計(jì)算機(jī)決定，高電平代表控制開關(guān)管導(dǎo)通，低電平代表控制開關(guān)管關(guān)斷；脫扣狀態(tài)取自驅(qū)動(dòng)電路，高電平說明開關(guān)管關(guān)斷，低電平說明開關(guān)管開通；電流狀態(tài)通過電流狀態(tài)檢測(cè)電路獲得，高電平說明主電路電流大于額定值的10%，低電平則相反。

根據(jù)GJB181B 機(jī)上用電設(shè)備的供電要求，本文直流SSPC 的設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1 所示。

表1 某型飛機(jī)SSPC設(shè)計(jì)指標(biāo)要求

2 直流SSPC 行為級(jí)模型建立

利用Simulink 里提供的基礎(chǔ)仿真元件模型搭建直流SSPC 的行為級(jí)模型。為了實(shí)現(xiàn)正常通斷、快速保護(hù)和反延時(shí)保護(hù)功能，本文搭建的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括主電路、快速保護(hù)電路，反延時(shí)保護(hù)電路、鎖存電路、邏輯驅(qū)動(dòng)電路等。

行為級(jí)模型共包括三種電源：主電路28V 直流電、控制電路電源VCC=12V和VCC2=5V?；赟imulink 搭建的電路整體模型如圖2 所示。

圖2 直流SSPC 行為級(jí)仿真模型

主電路開關(guān)管選用功率MOSFET 管(IRF150，N 溝道增強(qiáng)型)[2]；邏輯驅(qū)動(dòng)電路由邏輯電路和驅(qū)動(dòng)電路組成；鎖存電路由D 觸發(fā)器構(gòu)成；快速保護(hù)電路輸入為采樣電阻電壓，其由反相放大電路和比較電路組成；反延時(shí)保護(hù)電路輸入為采樣電阻電壓，其由反相放大器電路、平方電路、電壓值轉(zhuǎn)電流值電路、電阻電容并聯(lián)電路、電壓跟隨器電路和比較電路組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 反延時(shí)保護(hù)電路

■2.1 電壓值轉(zhuǎn)電流值電路設(shè)計(jì)

電壓值轉(zhuǎn)電流值電路的輸入為平方電路的輸出。采樣電壓經(jīng)過之前的放大和平方運(yùn)算之后，通過電壓值轉(zhuǎn)電流值電路轉(zhuǎn)換成電流值IS。電壓值轉(zhuǎn)電流值電路采用“HOWLAND”電流泵電路實(shí)現(xiàn)[3]。輸出電流IS對(duì)電阻電容并聯(lián)電路進(jìn)行充電，電容兩端電壓VC的暫態(tài)變化曲線的上升速率與IS相關(guān)，同時(shí)，主電路電流的平方與時(shí)間的乘積也與VC相關(guān)，即VC反映了主回路上的發(fā)熱量，此電路具有“熱記憶”的特性，這正是實(shí)現(xiàn)反延時(shí)保護(hù)的意義與關(guān)鍵。此電路實(shí)現(xiàn)了輸入電壓值轉(zhuǎn)換成輸出電流值，電流值隨著電壓值增大而增大，電流值與電壓值呈正比關(guān)系，且輸出電流由輸入電壓決定，與之后電阻電容并聯(lián)電路的參數(shù)無關(guān)。

電阻電容并聯(lián)電路的輸入值為電壓值轉(zhuǎn)電流值電路的輸出電流值，電容CS的穩(wěn)態(tài)電壓為VC=IS×Rs，其中RS為與電容CS并聯(lián)的電阻。如果RS與R4的阻值相同，在穩(wěn)態(tài)時(shí)有VC=Vin Rs/R4=Vin。

對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行測(cè)試，令Vin取不同值，觀察VC的穩(wěn)態(tài)值。當(dāng)Vin增大至6V 時(shí)，VC的穩(wěn)態(tài)值出現(xiàn)了失真。由于運(yùn)放最大輸出電流的限制，VC能到達(dá)的最大值為5V 左右，所以平方電路的輸入最大值大約在≈2.236V，又因?yàn)椴蓸与妷旱淖畲笾禐?.8V，可以得到電壓比值為2.236V/0.8V=2.795，所以反相放大器的增益值設(shè)計(jì)為3 倍。

■2.2 電阻電容并聯(lián)電路設(shè)計(jì)

電容CS的電壓VC可以運(yùn)用一階電路全響應(yīng)的三要素公式。

DDC 公司的RP-26000 產(chǎn)品指標(biāo)資料中給出了典型反延時(shí)指標(biāo)曲線[4]，上邊界曲線以上的區(qū)域?yàn)楸孛摽蹍^(qū)域，下邊界曲線以下的區(qū)域?yàn)椴幻摽蹍^(qū)域，取圖曲線上主電路電流Im為額定值300%的兩點(diǎn)(0.5s，15A)和(1s，15A)，分別代入式(1)，即可得出CS的粗略取值范圍：

3 直流SSPC 開關(guān)特性仿真分析

■3.1 正常通斷仿真分析

在主電路負(fù)載為純阻性負(fù)載(R1=5.6Ω)，保護(hù)動(dòng)作未發(fā)生的情況下，通過控制信號(hào)CMD控制主電路開通與關(guān)斷，正常通斷仿真結(jié)果如圖4、圖5 所示。

圖4 正常開通仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5 正常關(guān)斷仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖4 可知，在1s 時(shí)控制邏輯輸出跳變，主電路開通時(shí)間(從控制信號(hào)跳變到主電路電流上升至額定值的時(shí)間)約為Ton為0.5ms；由圖5 得，在37.7s 時(shí)邏輯輸出跳變，主電路關(guān)斷時(shí)間約為Toff為56μs。

■3.2 快速保護(hù)仿真分析

主電路發(fā)生短路(通過調(diào)節(jié)負(fù)載使主電路中產(chǎn)生從5A到約40A 的電流上跳沿)，快速保護(hù)動(dòng)作啟動(dòng)，仿真結(jié)果如圖6 所示，快速保護(hù)信號(hào)輸出脈沖高電平后，驅(qū)動(dòng)信號(hào)跳變?yōu)榈碗娖剑琈OS 管關(guān)斷。

圖6 快速保護(hù)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖6 可知，主電路中在15.95s 時(shí)產(chǎn)生了從0A 到約40A 的電流上跳沿，從短路產(chǎn)生到快速保護(hù)動(dòng)作且主電路電流下降至零的時(shí)間間隔(快速保護(hù)時(shí)間)約為3μs。從短路產(chǎn)生到快速保護(hù)信號(hào)跳變存在50μs 的延時(shí)。

■3.3 反延時(shí)保護(hù)仿真分析

主電路電流值Im大于額定值的120%時(shí)，反延時(shí)保護(hù)動(dòng)作啟動(dòng)。主電路處于開通穩(wěn)態(tài)，t=15.59s時(shí)主電路電流Im從零跳變到不同過流值(負(fù)載阻值在t=3s時(shí)從1MΩ 改變至各過流值對(duì)應(yīng)的阻值)，Im分別取6.9A、9.8A、15.1A、23.6A、31.1A 和38.8A，觀察并記錄延時(shí)保護(hù)時(shí)間。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 Im與 tdelay仿真結(jié)果

4 行為級(jí)模型改進(jìn)及仿真分析

當(dāng)主電路負(fù)載為阻容性負(fù)載(電阻電容并聯(lián))，電容C1取設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的最大值3800μF，電阻R1取5.6Ω，對(duì)行為級(jí)模型進(jìn)行正常開通仿真實(shí)驗(yàn)。直流SSPC 仿真結(jié)果如圖7 所示。

圖7 阻容負(fù)載正常開通仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖7 可知，當(dāng)負(fù)載為阻容性負(fù)載時(shí)，主電路開通過程中出現(xiàn)了沖擊電流，其值最高可達(dá)約162.3A，之后快速保護(hù)動(dòng)作，主電路電流Im下降至零。直流SSPC 處于異常工作狀態(tài)，過高的主電路電流也會(huì)損壞開關(guān)管，所以需要對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)，抑制開通過程中的沖擊電流。為限制阻容負(fù)載在開關(guān)管開通過程中產(chǎn)生的浪涌電流，可以采用慢開通驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)主電路的慢開通。

在原驅(qū)動(dòng)電路中圖騰柱部分的輸入端前添加一個(gè)RC 網(wǎng)絡(luò)，具體改進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路如圖8 所示。RC 網(wǎng)絡(luò)中的Rb1和Rb2是用于調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電壓的初始值，在其值一定的條件下，可通過調(diào)節(jié)Cb的值來改變驅(qū)動(dòng)電壓Vdrive的變化率，從而調(diào)節(jié)主電路電流的上升和下降時(shí)間。

圖8 驅(qū)動(dòng)電路改進(jìn)

在主電路開通過程中，三極管T1從截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通，三極管T2從導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止，所以A 點(diǎn)電壓的表達(dá)式為：

當(dāng)VA大于到0.7V 時(shí)，三極管T4導(dǎo)通，三極管T5截止，此時(shí)圖騰柱部分等效為共集電極放大電路，具有電壓跟隨器的作用，又因?yàn)轵?qū)動(dòng)輸出電壓Vdrive就是柵源極電壓VGS，忽略驅(qū)動(dòng)電路輸出端電阻R17的影響，設(shè)VA0為0V、UBE為0.7V，則柵源極電壓為：

查詢IRF150 的資料得知其VGS(th)最大值為4V，再結(jié)合并代入式，可得：

主電路的限制電流為40A，可得：

因此?。篊b=0.183uF、Rb1=100Ω、Rb2=100Ω、R14=5kΩ。改進(jìn)后仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9 所示。

圖9 驅(qū)動(dòng)電路改進(jìn)后阻容負(fù)載正常開通/關(guān)斷仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果局部放大圖

以上仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果的主電路電流最大值未超過規(guī)定的限制值，這從側(cè)面驗(yàn)證了在Im≤ 40A的情況下RC 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)取值的可行性。

5 結(jié)語

本文在Simulink 中設(shè)計(jì)搭建了直流固態(tài)功率控制器的行為級(jí)模型，深入分析了其工作原理。針對(duì)行為級(jí)模型在阻容負(fù)載和快速保護(hù)情況下出現(xiàn)的問題，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了改進(jìn)，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。