反时限过流保护恢复时间探讨

李兴智 梁哲 赵君 呼明亮

摘 要：对反时限过流保护的基本原理进行了阐述，根据反时限过流保护的应用环境，从热量累积的角度出发，分析得出反时限过流保护恢复时间的关键因素为控制电路中的场效应管热量累计不超限，对并在此基础上对场效应管进行热仿真，依据仿真结果确定过流保护恢复时间，在不影响电路的正常功能前提下达到保护电路的基本要求。

关键词：反时限；过流保护；热仿真；恢复时间

中图分类号：TP391 文献标识码：A

随着反时限过流保护的广泛应用，反时限过流保护后的恢复接通时间已越来越引起人们的关注，反时限过流保护在原理上和很多负载的故障特性相接近，因此保护特性更为优越，实际上，许多工业用户要求保护为反时限特性[ 1-4 ]，而且对于不同的用户（负载），所需要的反时限特性并不相同。

现阶段，反时限过流保护应用越来越广泛，但是在实际应用中，特别是在航空系统中出现偶发性的过流或者短路，若不采用一定的策略恢复接通则会使电路或系统停止工作，从而造成严重的损失。

2 过流保护恢复策略

在航空系统中，反时限过流保护策略常常被应用于电机的过载保护[ 1 ]。

过载保护反映电动机的过负荷程度，过负荷将导致电动机产生热量，在一定时间段内热量的累积不会超过电机承受极限[ 5 ]。

在电机的实际工作过程中电动机的负载过载倍数是发生变化的，所以其过载时产生能量达到极限过载之后，其过载倍数不可能是一成不变的，随着过载倍数的变化，允许过载时间也发生相应的变化，即动态过载情况，其恰巧能够反映反时限保护策略[ 7 ]。

常用反时限保护控制电路的实现方法之一是通过反时限保护算法控制场效应管接通与断开实现过流保护的[ 9 ]，然而当电流超过场效应管的承受能力后，场效应管的导通电阻不能再被忽略，热量会不断累积，其产生的热量等于导体温度变化吸收（或释放）的热量与向周围介质的散发热量之和。在电机热量累积未超限的情况下，场效应管热量累积已超限，将会导致内部控制电路被损坏[ 8 ]。

3 场效应管热仿真

热仿真能够在产品开发之前确定决定所设计产品的消除热问题，Flotherm是一套由英国FLOMERICS软件公司开发并广为全球各地电子电路设计工程师和电子系统结构设计工程师使用的电子系统散热仿真分析软件，Flotherm可以完全满足系统级、板和组件级到封装级等各种层次的分析使用[ 10 ]，因此选用Flotherm仿真软件对各SUD50P系列场效应管进行建模热仿真[ 6 ]，所有场效应管导通电阻均为0.05欧姆，环境温度为环境温度：70℃。经过仿真得升温过程曲线和降温过程曲线，升温过程如图1所示，降温过程如图2所示。

4 仿真数据分析

由仿真数据可看出SUD50P10-43L在30倍极限过载情况下升温速度最快，因此选取SUD50P10-43L作为分析对象，该器件的过载功耗405W，在70℃的工作环境中，提取其0～300ms升温内的仿真数据绘制的升温曲线如图3所示，输出断开状态下的自然降温曲线如图4所示。

在30倍极限过载情况下，持续时间0.0003s，器件温度升高至70.1℃左右，不会造成过热故障，即器件可正常工作。同样上述工况条件下，由图3可看出，持续时间0.3s，器件温度升高至177°左右，超过其最高允许结温。在此情况下，对器件进行断电自然降温，1min该器件可以降温至89℃左右，前1s内的降温幅度大概为每0.1s降温1℃左右，后期降温幅度逐渐减小。

在30倍极限过载情况下，取间隔时间t=0.0003秒的间隔时间段内的升温曲线如图5所示。图中，横坐标为0.0003秒的单位间隔时间（1表示第1个0.0003s，38表示第38个0.0003s），纵坐标为温度，单位为℃，由图5可看出器件从70℃升高至177℃过程中，间隔时间t=0.0003秒时间段内的升高温度在0.106～0.109范围内浮动。因此自然散热远小于其工作时产生的热量，因此在该时间段和温度范围内可忽略自然散热所耗散的热量。

取间隔时间t=1秒的单位间隔时间，自然降温曲线如图6所示，横坐标为单位间隔时间（第1s、第2s、第3s……第60s），纵坐标为温度，单位为℃。

由图6可看出，随着器件温度的降低，单位时间内降温幅度也逐渐减小。由图6并结合原始数据可看出，器件受到保护后，当降温到90℃以下时，每秒降温约为0.3℃。

30倍极限过载情况下，由于使用反时限过流保护策略，根据反时限过流保护算饭，选取保护时间为0.0003S温度不会升高至升温幅度不超过0.11℃，此时认为器件温度已上升至90℃左右，由图4和图6结合原始仿真数据可得通过自然降温0.11℃，需要降温时间不超过0.38s。

因此选取0.38s作为断开保护后的恢复接通时间。在工程应用中为了排除偶发性的过流，可采用重试机制，过流保护后再次接通为一次重试，在一定时间内经过指定次数的重试后依然会发生过流保护则认为过流真实存在，不再进行重试，进入保护锁定状态。

5 结论

根据实际电路所采用的元器件二采用过流保护恢复策略可有效排除偶发性的过流引起的过流保护，能够防止因为偶发性的过流而导致的电路系统停止工作，在一定程度上增强了系统的可靠性，从而实现反时限过流保护控制电路安全、稳定、可靠的工作。

参考文献：

[1] 牟龙华，邢锦磊.反时限过载保护精确算法[J].電力自动化设备，2008，28（6）：36-38.

[2] 庄劲武，张晓锋，杨锋等.船舶直流电网短路限流装置的设计与分析[J].中国电机工程学报，2005，25（20）：26-30.

[3] 于芳，张宏宇，舒敏波.反时限电流保护浅析[J].淮阴工学院学报2006，15（3）：43-46.

[4] Mukhopadhyay S C，Dawson F P，Iwahara Metal.A Novel Compact Magnetic Current Limiter for Three Phase Applications[J].IEEE Trans on Magnetics，2000，36（5）：3568-3570.

[5] 张国智，胡仁喜，陈继刚.ANSYS10.0 热力学有限元分析实例指导教程[M].北京：机械工业出版社，2007.

[6] 王水发.基于Flotherm的热仿真分析[J].电子质量，2015，8：77-80.

[7] 巨文伟，张鹏反时限与定时限过电流保护配合的优化和改进[J].电气开关，2010，5：65-69.

[8] 刘静，高勇，黄媛媛.应变SiGe SOIPMOSFET温度特性研究[J].西安理工大学学报，2008，24（4）：385-389.

[9] 吴春艳，何颖，刘少学.基于P8LPC764的步进电机细分驱动电路硬件设计[J].仪器仪表学报，2006，27（6）：2514-2516.

[10] 徐晓婷，朱敏波，杨艳妮.电子设备热仿真分析及软件应用[J].电子工艺技术，2006，27（5）：265-268.

作者简介：李兴智（1984-），男，助理工程师，研究方向：计算机设计与应用；梁哲（1988-），男，助理工程师，研究方向：新型机载机电系统设计及应用。