一种新型直流固态功率控制器的设计与建模

刘慧英，岳 超，孙景峰，傅宇航

（西北工业大学 陕西 西安710129）

一种新型直流固态功率控制器的设计与建模

刘慧英，岳 超，孙景峰，傅宇航

（西北工业大学 陕西 西安710129）

为了避免固态功率控制器（Solid State Power Controller，SSPC）误跳闸、误保护，提出了一种基于TL431的恒流电路的限流保护模块的设计方案，并完成系统的软硬件设计。该设计通过在Saber上的建模与仿真，验证了所设计直流固态控制器具有短路保护、过流保护和避免误跳闸、误保护的智能保护功能。文中SSPC的设计大大节省了人力物力、减少了实验成本、为SSPC的应用提供参考和依据，从而缩短新型飞机的研制周期，达到了设计要求。

固态功率控制器；短路保护；过流保护；限流

固态功率控制器（SSPC）［1-3］是采用电力电子器件MOSFET作为软开关，集继电器的转换功能、接触器的开通闭合功能和断路器的电路保护功能于一体的智能开关设备［4］。

目前，国内航天器在负载输入端采用的过流保护多为在设备的输入端串入熔断器，属于一种被动的过流保护手段。由于过流保护对设备是不可恢复的，同时熔断器不可靠因素较多，尤其对于存在电感、电容的滤波电路，在过渡过程中可能产生幅值和频率较高的冲击电流，电流热积累会造成熔断器的异常熔断。传统的机电式配电系统在智能化、可靠性等方面已不能满足大规模分布式配电系统的需要，采用模块化固态配电技术是当前的发展趋势。基于固态配电技术和计算机综合控制技术不仅可以实现电源系统高度自主运行，在电源系统局部出现故障时实现对系统的重构，还可以为系统的健康管理提供大量的有用信息，大大提高系统的可靠性。固态功率控制器作为用来代替继电器的转换功能和断路器的电路保护功能于一体的固态元器件，是与固态配电系统相配套的控制负载通断的开关装置。它不仅可以根据任务的需求实现对负载的通断控制，而且在负载或配电线路出现过流或短路等故障时可以迅速断开发生故障的负载电路部分，以实现电源的不中断供电，并为电源和配电系统提供全面保护［5］SSPC作为一种智能开关设备，在正常工作工作的情况下，它接受ELMC的开通、关断、跳闸后的复位指令，完成对负载的开通和关断和对SSPC自身的复位；同时它能够将负载的状态，如电流、电压、正常开通/关断、轻载、还是跳闸等，反映给ELMC；除此之外，当负载发生短路时，SSPC能进行快速保护，对于未发生短路的过载情况下，SSPC能根据反时限特性曲线对负载进行反时限保护，即过载电流越大保护时间越短，过载电流越小保护时间越长。本文设计的SSPC当遇到短路、过流电流时，处理过程是首次跳闸延时-限流-跳闸-复位-跳闸-复位-跳闸，这样便能避免SSPC的误保护，提高系统的鲁棒性。经过在Saber平台上验证了本文设计的SSPC不仅可以正确执行短路保护的功能，而且还可以承受脉冲电流的冲击，防止对脉冲电流的误判断，充分说明了本文设计的SSPC的短路保护是可靠性。

1　总体设计方案

文中设计的SSPC从结构上来说，它由内部电源、驱动电路、功率回路、电流电压采样电路、反时限及短路保护、状态反馈、光耦隔离、限流模块、逻辑判断等9个主要模块组成，这九部分相互作用实现了SSPC对负载的智能控制。其结构简图如图1所示。

图1　SSPC的结构图

内部电源主要为SSPC供电；驱动模块是采用电力电子器件MOSFET作为软开关，实现MOSFET的软启动和缓关断；电流电压采样电路主要负责采集负载上的电压、电流信号，并将其传输给反时限和短路保护模块，实现SSPC的实时监控；反时限和短路保护模块是SSPC的重要组成部分，它根据采样电路传来的负载电压、电流信息判断负载的状态，并对负载发生短路时进行关断和负载过载时进行反时限保护，从而保证了整个系统的安全性和可靠性；逻辑判断模块是SSPC的核心器件，起到大脑的作用，它根据反时限及短路保护发出的信号、外部控制信号来完成对驱动电路的控制，从而完成对 MOSFET和负载的智能控制；当逻辑判断给MOSFET驱动电路发送指令时，为了避免电磁干扰和其他信号的干扰，需要在它们之间加上隔离电路，由于光耦隔离电路的电路简单、输入阻抗小、安全性高、响应速度快、驱动能力强等优点，隔离电路选择光耦隔离；限流模块的主要功能是当电流过大时，将电流限制在安全的范围内。当发生短路保护时，系统设定的首次跳闸前需要延时一段时间，为了保证这段时间电路的安全，系统会自动将限流模块接入，以防止电路中电流过大，从而达到更好的保护用电设备的目的。状态反馈模块的功能是将SSPC和负载的工作状态反馈给ELMC。其工作原理是分别采集负载的供电控制信号、电路中的电流信号以及控制保护电路的跳闸信号，将这3种信号的8种组合以数字 “1、2、3、4、5、6、7、8”的形式反馈给ELMC，ELMC通过状态解析即可获得SSPC和负载的工作状态。

2　主要单元模块的组成

2.1限流模块

所谓限流电路是：“做了适当的设计和保护的电路，使得在正常条件和单一故障条件下，能从电路流出的电流是非危险的电流［6］”。这是GB4943-2001在《信息技术设备的安全》给出的准确定义。单一故障是包括任何绝缘元器件的失效，但不包括双重绝缘或加强绝缘的元器件。如：半导体器件、电容的短路和开路等故障都属于单一故障的范畴。

文中设计的限流模块是由恒流源和带阻滤波器组成的，其电路图如图2所示。当电压开始升高时，流经三极管的偏流电流也增大，从而导致流经的电流也大幅增大，同时的电压降也增大。但随着电压的升高，TL431就会动作而使它的阴阳极的电流大幅增加（分流三极管的偏流电流），最终结果是使的电压回到2.5 V为止，因为三极管的基极偏流电流是很小的，它的微小变化就会带来其发射极电流的大变化，所以基极电流的变化对恒流大小的变化可以忽略不计的，所以这样的电路其输出电流几乎不受输入电压的变化影响的；同理，当电压下降时，随着电压的降低，TL431就会动作而使它的阴阳极电流减小，最终结果是使回到2.5 V，从而起到恒流的目的。恒流源输出的电流、基准电压以及负载三者之间的关系为：

当负载发生短路SSPC进行保护时，SSPC第一次跳闸时需要将限流模块接入一段时间后再进行切除，这样做的目的一是为了保证电路继续运行，来满足SSPC第一次跳闸延时的要求，二是为了将电路中的电流维持在安全范围内，来保护电路的元器件，限流模块的开通与关断通是由逻辑判断模块来控制的。

图2　限流模块电路图

2.2反时限及短路保护模块

当配电系统发生短路或者过载时，电路中的电流会增大到几十甚至几百安，这样极易烧坏MOSFET和一些电子器件，为此，必须进行相应的保护。本文所设计的SSPC具有智能保护模块，当负载出现短路和过载时进行负载的保护，SSPC的保护模块可分为短路保护，反时限过流保护两部分［7-10］。

文中设计的SSPC反时限保护电路如图3所示，该电路共有4个积分电路和4个比较电路组成（一般情况来说积分电路和比较电路越多反比例拟合的就越好，但随着积分电路和比较电路的增多，电路变得就越繁杂，为此，我们从实际出发，选用了4个积分电路和4个比较电路来作为反时限过流保护电路），最后经过一个逻辑“与”器件将结果输出给逻辑判断模块，从而实现SSPC的反时限过流保护。

由于4个积分电路的基准电压不同，因此跳闸延迟时间也不同，但SSPC反时限过流保护电路的输出是4个比较电路的输出相“与”后得到的，所以SSPC反时限过流保护电路的跳闸延迟时间是4个比较电路的延迟时间中的最小值。

图3　SSPC反时限保护电路

3　仿真结果及分析

3.1SSPC短路保护的仿真验证

对于负载短路时，SSPC的短路保护验证主要验证两个问题，一是当负载出现短路时，SSPC是否具有短路保护的能力，防止电路短路产生的大电流对电路元件或用电设备造成破坏；另一个是当瞬间大电流出现时，SSPC应能对脉冲电流进行识别，不至于误将其判定为电路短路，而进行短路保护。因此，对短路保护的测试方法是给分别给电路注入短路电流和脉冲电流，观察SSPC的判定结果和判定方式。为了区分是脉冲电流还是短路电流，SSPC会在出现过大电流是，首先接入限流模块并切断负载，防止大电流对电流的破坏，一段时间后，再将SSPC复位，接通负载，并继续采集负载电流，如果电路中电流仍然很大，就切断电路，如此进行两次SSPC复位，即可区分脉冲电流和短路电流。仿真的方式和结果如下：

1）电路短路仿真

文中设计的SSPC根据不同负载额定电流，也有不同的额定电流，例如额定电流为5 A的SSPC、额定电流为10 A的SSPC等，接下来的仿真实验都是选用额定电流为5 A的SSPC。当负载电流超过额定电流10倍时，SSPC就会进行短路保护。以额定电流为5 A的SSPC为例，将负载的的电流调至60 A（即12倍的额定电流值），在1.5 s时接通电路，并用Saber的Scope探针观察电路的电流波形，其波形如图4所示。

图4　SSPC短路保护的仿真波形

由图5观察可知，当遇到短路电流时，SSPC的处理过程是首次跳闸延时-限流-跳闸-复位-跳闸-复位-跳闸，这样与真实SSPC的测试数据相类似，说明SSPC具有短路保护功能。

2）脉冲电流仿真

实验仍然以额定电流为5 A的SSPC为例，将电路中的电流设定为5 A，在1.5 s时接通电路，在2 s时注入一个持续时间为1ms，大小为60 A的脉冲电流，观察电路的电流波形，如图5所示。

图5　SSPC脉冲电流的仿真波形

由图6可知，当负载遭遇较短时间的脉冲电流后，SSPC并没有对负载进行短路保护，而是继续保持负载正常工作，说明SSPC区别短路电流和脉冲电流的能力。

3.2SSPC过流保护的仿真验证

SSPC对于负载的保护采用的是反时限过流保护，对于一些关键负载，具有形状的跳闸曲线是比较好的保护方式，其中，为一定恒定值，超过该值时可能会导致配电线路和负载损坏。因此SSPC对于关键负载的保护采用保护曲线。与短路保护一样，为了减少脉冲电流的影响，反时限过流保护也会采用两次复位两次切断的操作，确保SSPC不会出现误保护。

为了验证SSPC的反时限过流保护，仍以额定电流为5 A的SSPC为例，将电路中的电流设定为12.5 A，即为额定电流的2.5倍，在1.8 s接通电路，运行仿真软件，观察电路的电流波形，如图6所示。

图6　SSPC反时限过流保护的仿真波形

由图6可知，SSPC实现了对负载的反时限过流保护，且保护时间为1.82 s，并经历了两次复位两次跳闸的过程，与SSPC的设计理论相吻合，从而验证了SSPC对负载具有反时限过流保护功能。

我们将以上测试结果分别在美军标MIL-STD-1760D反时限保护时间图谱上标注，以便验证SSPC反时限过流保护特性的正确性，比对结果如图7所示。

图7　额定电流5A的过流保护时间在反时限保护曲线上的标注

由图7可知，本文设计的SSPC的反时限过流保护特性符合美军标MIL-STD-1760D的要求。

4　结　论

通过仿真实验，验证了本文的SSPC不仅可以正确执行短路保护的功能，而且还可以承受脉冲电流的冲击，防止对脉冲电流的误判断，充分说明了本文设计的SSPC的短路保护是可靠性，反时限过流保护特性是符合美军标MIL-STD-1760D的要求。从而说明该设计切实可行。

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Design and modeling of new DC solid state power controller

LIU Hui-ying，YUE Chao，SUN Jing-feng，FU Yu-hang
（Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710129，China）

In order to avoid the solid state power controller error protection，proposed a design based on limiting protection modules TL431 constant currentcircuitsand complete system ofhardware and software design.The design by themodeling and simulation in Saber，and validates our design DC solid state controller has a short-circuit protection，overcurrent protection and avoid nuisance tripping，error protection intelligent protection function.This article SSPC design savesmanpower and resources，reducing the cost of experiments to provide reference and basis for SSPC applications，thus shortening the developmentcycle ofnew aircraft，meet the design requirements.

solid state power controllers；short circuit protection；overcurrent protection；current-limiting

TN702

A

1674-6236（2016）19-0131-04

2015-10-20稿件编号：201510125

研究生创意创新种子基金（Z2015025）

刘慧英（1956—），女，山东日照人，博士，教授。研究方向：现代控制理论及应用、计算机控制及网络控制、系统建模与仿真。