基于IGBT的交流固态功率控制器设计

刘建英，刘鹏飞，马 敏，杨占刚，李新健

(1.中国民航大学航空自动化学院，天津 300300；2.中国南方航空股份有限公司河南分公司，河南郑州 451162)

0 引言

固态功率控制器(SSPC)是由半导体器件构成的智能开关装置，为115 V、400 Hz、3．0～7．5 A的交流负载提供控制和馈电线保护功能，用于接通或断开电路，实现电路保护和接收上位机的控制信号并报告其状态信息。不但兼具断路器在线保护和固态继电器高可靠性的特点，具有无触点、无电弧、无噪声、响应快、电磁干扰小、寿命长、可靠性高以及便于计算机远程控制等优点。能够对阻性、感性和容性各种负载实时的电压、电流、频率状态进行监测并作出处理[1]。

系统以STM32为控制内核，通过CAN总线与电气负载管理中心(ELMC)进行通信，并根据指令信号激励功率开关部件断开和闭合；根据电流型电压互感器以及AD736芯片信息，判断SSPC的状态。选用型号为IKB15N60T的IGBT作为功率开关，不仅具有功率MOS管高输入阻抗的优点，而且具有双极型开关器件BJT耐压值高、通电流大的优点，非常适合用作SSPC的功率开关。经测试，系统满足高精度的测量要求，并且实现了I2t反时限过流保护功能。

1 系统结构及原理

图1 交流固态功率控制器原理框图

固态功率控制器主要由4部分组成：隔离电源转换电路、隔离接口电路、控制保护电路和功率开关电路，其中控制保护电路是固态功率控制器的核心模块[2-3]。

隔离电源和隔离接口电路都起到隔离保护作用[4]，避免了SSPC与上位机及外部供电电源的相互干扰，特别是当某一个SSPC因过流或过压被瞬间烧坏时，阻断破坏信号波及上位机，从而有效地保护了上位机和其他SSPC的正常工作。开关电路选择IGBT作为电子开关，通过对IGBT管驱动电路的控制实现对负载上电或断电的控制。

控制保护电路作为固态功率控制器SSPC的核心[5-7]，具有驱动和控制功率开关、负载的短路保护和I2t反时限过流保护、监控负载的电参数和频率等功能。SSPC通过电流互感器检测负载电流信息，当检测到负载短路时，短路信号直接反馈到IGBT管驱动保护电路，立即关断IGBT管，实现了对负载的断电保护功能；同时，SSPC将此断开状态反馈到控制器进行锁存，并通过总线将此状态信息发送到显示装置。当检测到负载电流超过配置的过载电流时，SSPC按照I2t曲线规律进行过流保护。

2 系统硬件电路设计

2．1 功率开关模块及其驱动电路

由于功率IGBT是全控型压控开关器件，控制可靠性强且导通压降低[8-9]，选用型号为IKB15N60T的IGBT反向串联组合作为功率开关模块。

功率开关采用两发射极对接的IGBT反向串联组合，为保证可靠性，需要对2个IGBT同时进行控制。选用SCALE-2芯片组2SC0108T作为驱动电路。

2SC0108T是一款高集成度低成本的超小型SCALE-2双通道驱动器[10-11]。接口兼容3．3～15 V逻辑电平信号，栅极驱动电压+15 V/-8 V，驱动电流8 A，单通道输出功率1 W，可以驱动600 A/1 200 V或450 A/1 700 V的常规IGBT模块，支持3级或多级拓扑。内置隔离式DC/DC转换器，具有短路保护、过流保护和电源电压监控等功能。

2．2 交流电压检测电路设计

图2是交流电压检测电路，图中的互感器选用电流型电压互感器GPT-206B，具有体积小、精度高、线性度好等优点，原副边匝数比为1：1，额定输入电流为2 mA，线性范围为0～10 mA．额定输入电压为115 V，在互感器输入端接一个57 kΩ的限流电阻，使输入电流为2 mA左右，再经过57 kΩ的取样电阻，送入AD736的输入端。

微电压测量部分采用AD736芯片。其主要特点是准确度高、灵敏性好(满量程为200 mVRMS)、测量速率快、频率特性好(工作频率范围可达0～460 kHz)、输入阻抗高、输出阻抗低、电源范围宽且功耗低最大的电源工作电流为200 μA．用它来测量正弦波电压的综合误差不超过±0．3%，所以适合应用到对精度要求非常高的固态功率控制器中。

如表2所示，对PP注塑件VOC八项物质进行检测，主要检出物为甲醛和乙醛，其它物质由于含量较低无法检出(ND)。造成该结果的原因是PP材料在高温下会发生热氧化降解，其主要产物为醛类小分子化合物。从图1中可以看出，随着注塑温度升高，甲醛和乙醛含量增大，当温度高于210℃时，热氧化降解加强，产生的醛类物质开始大量增加。如表2所示，随着注塑温度升高，PP注塑件的气味越来越大，主要为焦糊味，注塑温度超过210℃后，焦糊味越来越浓，逐渐无法接受。所以在PP材料注塑加工过程中，把加工温度控制在在210℃以下，有利于降低PP注塑件的气味、VOC。

图2中，R为限流电阻，取值为47 kΩ，D1、D2为双向限幅二极管，可起到过压保护作用，文中选择IN4148高速开关二极管。

测量系统是由电流型电压互感器、STM32单片机、交流真有效值转换芯片AD736等组成。AD736要求输入电压幅值在±200 mV之间，所以对115 V AC电压先做降压处理，再送入AD736．OUTPUT输出引脚接到单片机的A/D采样端口进行测量。

图2 交流电压检测电路图

2．3 交流电流检测电路设计

交流电流的检测方法是通过电流互感器将交流大电流转换为交流小电流，再使用硬件电路进行处理。图3是交流电流检测电路，电流互感器选用穿孔式电流互感器TA17-04，具有体积小、精度高、线性度好、安装方便等优点。互感器原副边的匝数比为2 000：1，输入电流的线性范围为0～20 A，工作频率为20 Hz～20 kHz，输出端额定采样电阻为300 Ω.互感器输出的电流经过采样电阻后转换为电压信号，再经过绝对值整流放大电路转换成小信号，最后接到单片机的A/D采样端口进行测量。

图3 交流电流检测电路图

2．4 反时限过流保护设计

交流固态功率控制器首先应该具有Ι2t保护功能即反时限保护功能，一般反延时的标准方程为：

(1)

式中：t为关断延时时间；K为反时限常数；I为负载电流；Ip为额定电流。

整理成积分形式为：

(2)

离散化得到：

(3)

式中：Ι(n)为第n次采样的电流值；Ip为负载的额定电流；N为求和次数；ΔT为采样时间间隔。

图4 反延时保护程序流程图

在对负载电流I采样结束后，首先判断I≤Ip是否成立，若成立，则转到采样程序继续采样；若不成立，则向下执行程序。接着判断I>10·Ip是否成立，若成立，则直接转到断开负载的非延时保护动作；若不成立，则计算累积和Sum.再比较累积和Sum与M的大小，若Sum>M，则执行负载的反延时保护动作；若Sum≤M，则转到采样程序继续采样，重复前面的流程。

3 实验测试

3．1 对交流电参数的测量

系统以PC机作为PSP，制作上位机软件，监控负载的状态，上位机界面如图5所示。

图5 上位机监控负载回路图

系统115 V交流电压由地面电源提供，在回路中接入额定功率为900 W的电气负载，通电测试后在PC机上得到电压、电流、功率、因素和电量共5个电参数，由图8可知，获取参数的采样精度满足系统要求，多参数的测量提高了系统的可靠性。

系统设计必须满足关键负载的不中断供电要求，软件刷新时间间隔设置为50 ms，这样就能满足大部分负载的要求。当检测到电源脱落后，把负载转换到可供选用的电源上，达到防止供电中断的目的。

3．2 反时限过流保护测试

固态功率控制器的输入电流额定值为5 A，软件设定当负载电流≥5 A时，系统执行反时限过流保护算法；当负载电流大于10 A时，系统执行过流保护，直接断开负载。

测试从5 A开始每隔0．5 A选择1个采样点，直到10 A，令外也测试了11 A的大电流，将这些定点的过流保护时间的实验值记录下来，根据所得的实验数据进行曲线拟合，描绘出一条反时限过流保护曲线如图6所示。图6中的保护曲线基本符合反时限过流保护的要求。

图6 反时限过流保护曲线

4 结束语

文中提出的基于IGBT的固态功率控制器具有灵敏度高，能够检测负载的电流并能提供反延时保护。基于真有效值转换芯片AD736设计的交流电压检测系统简化了电路，也满足了精度要求。应用固态功率控制器实测时，能够监控负载的各种电参数，系统的反时限过流保护曲线精度较高，方便用于在线测量，有很高的实用价值。

参考文献：

[1] 金静，李建勋，毕荣．基于DSC的飞机电气负载管理中心设计．电源技术应用，2012，15(8)：53 - 57．

[2] 钱燕娟，袁旺．直流固态功率控制器控制技术．现代电子技术，2012，35(17)：183-185．

[3] 张秦岭，温菲菲，刘磊．基于DSP的通航飞机自动配电系统设计．测控技术，2014，33(1)：83 - 85．

[4] 张志林，胡旻，袁旺．交流固态功率控制器控制技术．现代电子技术，2012，35(18)：182-184．

[5] 陈昌林．交流固态功率控制器的研究：[学位论文]．南京：南京航空航天大学，2008．

[6] ROSERO J A，ALDABAS E．Moving towards a more electric aircraft．IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine，2007，22(3)：3-9．

[7] 杨海涛，于克杰，曹俊彬．某型飞机电源故障诊断专家系统设计与实现．计算机应用与软件，2013，30(4)：204 - 206．

[8] 李钰玺，骆光照，闫要岗．一种新型板载式IGBT驱动器设计．测控技术，2011，30(2)：51-56．

[9] 陈再春．基于CPLD控制的直流固态功率控制器的设计：[学位论文]．西安：西北工业大学，2007．

[10] 郑先成，张晓斌，高朝晖，等．航天器新型固态配电技术研究．宇航学报，2008，29(4)：1430-1434．

[11] 张大为，姜静，刘迪．基于DSP的固态功率控制器的设计．航空计算技术，2012，42(4)：117-119．

[12] 王昌华．固态继电器及其应用．西北电力技术，2004，32(5)：49-52．