一种直流固态功率控制器的设计

叱光辉，何智超，白 欣，刘 金，康英琦

(陕西群力电工有限责任公司，陕西宝鸡，721300)

1 引言

随着电子技术的发展，传统电气设备已无法适应新型的配电系统，因而提出了固态功率控制器(SSPC)等许多新型电气控制设备方案，目前固态功率控制器(SSPC)逐渐成为电气负载管理中心(ELMC)的重要组成部分，它集成断路器线路保护功能和固态继电器电气开关功能，具有智能化程度高、抗干扰能力强、工作可靠、开关速度快等优点。

本文介绍的固体功率控制器(SSPC)是基于MCU为核心，采用RS485通信方式，输入为28Vd.c.，输出为直流270Vd.c.，20A，其相关技术包括状态反馈、可编程技术、高可靠短路保护技术。该方案可以满足航电系统对负载电路远程集中控制，同时方便用户对负载电路的监测和故障排查。

2 总体设计方案

该系统从功能上分为逻辑控制部分、功率开关部分和信号采集部分。逻辑控制部分包括：电源模块、通信模块和单片机模块。功率开关部分包含功率输出模块和保护模块；信号采集部分包含：电流采样模块和电压采样模块。功能框图如图1所示。

图1 控制器功能框图

电源模块以隔离型DC-DC为核心，为单片机模块、通信模块、短路保护模块、电流采样模块、电压采样模块中的数字芯片提供工作电压；

通信模块采用隔离收发器和RS485收发器，通过该模块控制器内部的单片机可以实现与上位机的通信功能；

电压采样模块负责采样负载两端的电压，并将电压数据上传至单片机模块；

电流采样模块负责采样控制器输出端通过的负载电流，并将电流数据上传至单片机模块；

保护模块负责在负载电路出现异常的情况下，如负载电路出现短路、欠压或过压状态时，保护模块会发送信号至功率输出模块以切断负载电路，保证负载不被损坏，并将短路、欠压或过压状态上传至单片机模块；

功率输出模块驱动电路在接收到单片机模块发送的驱动信号后，驱动功率MOSFET导通或关断。当负载电路出现异常时，驱动电路停止工作，功率输出端立刻关断并锁死，直到单片机发送复位信号或系统重新上电才能解除锁死。

3 硬件电路设计

3.1 控制芯片

MCU是Microchip公司推出的PIC16F690型微控制器，其采用Harvard双总线结构，运行速度快；该单片机内部集成增强型USART模块、高耐久性的闪存/EEPROM储存单元、17个双向I/O引脚、2个模拟比较器模块和10位分辨率的A/D转换器。

3.2 功率开关元件及驱动电路

功率开关元件选用infineon公司的IPT60R028G7型场效应管,具有导通电阻小，接通速度快和带负载能力强的特点。

驱动电路图2所示，控制器内部MCU通过识别上位机发送的指令，控制场效应管V1导通或关断，从而使得变压器T1前端驱动电路工作，变压器T1的初级线圈产生电压自激振荡信号，变压器T1的次级线圈产生的电压信号经过整流、稳压后产生一个稳定的驱动电压，驱动开关元件，并且在次级线圈电路中设计了快速泄放电路，当驱动电路关断时，快速泄放电路会将MOSFET的GS两端电压迅速拉低，从而减小MOSFET在半导通状态下的时间，提高其工作寿命。

图2 驱动电路

3.3 电源模块及通信模块

电源模块采用隔离型DC-DC为该系统内部元器件提供工作电压，此次我们使用金升阳公司生产的B0505MT-1WR4模块电源，输入电压为4.5Vd.c.～5.5Vd.c.，输出电压为5Vd.c.，输出电流为200/20mA，工作温度范围为-40℃～125℃，其具有体积小，输出电压稳定等特点。

通信模块使用的芯片为TI公司生产的ISO1500型电隔离差分收发器，其采用超小的16脚SSOP封装，其逻辑侧工作电压范围为1.71Vd.c.～5.5Vd.c.，总线侧工作电压范围为4.5Vd.c.～5.5Vd.c.，低EMI 1Mbps数据传输速率，总线上最多可以连接256个节点。

3.4 电流采样模块及电压采样模块

如图3所示，电流采集模块采用Allegro公司生产的ACS780KLRTR-150U-T有源隔离型霍尔电流传感器，电流范围为0～100A，瞬态电流范围为0～150A，工作电压范围为4.5Vd.c.～5.5Vd.c.，采样敏感度为26.66mV/A。当输出端导通时，负载电流通过霍尔传感器N4输出端，经过整形滤波后传送至MCU和短路保护电路。

电压采集通过采用电阻分压形式，将并联在负载端的电阻R9和R10进行分压采集，电压信号经过整形滤波后传送至MCU。

图3 电流采集及电压采集电路

3.5 短路保护模块

保护模块采用以霍尔电流传感器、运算放大器和比较器组成的硬件电路，具有反应速度快、抗干扰能力强的特点。具体保护电路如图4所示。

图4 短路保护电路

由于霍尔电流传感器采集的电流信号是以2.5Vd.c.为基础，其敏感度为26.66mVd.c./A。因此，采样的电流信号先经过以运算放大器Q3为核心的减法电路将基础值降低，再经过放大电路对电流采样信号的电压值进行放大，增加电流采样信号的敏感度，从而提升短路保护模块的抗干扰性能，防止误触发情况的发生，处理过的电流采样信号经过滤波后传送至比较器Q5，当电流采样信号电压值超过阈值时，比较器Q5输出端输出高电平信号，驱动电路被强制关断，同时将高电平信号传送至MCU指定I/O口。

4 软件反时限保护算法

当负载端电流超过额定输出电流500%时，控制器短路保护模块会自动工作，关断输出端保护负载电路，当输出端电流超过额定输出电流但未到达500%时，此时控制器MCU接受到输出端电流信号，进入反时限保护程序，通过算法准确计算出保护时间，在到达保护时间后负载电流仍超差，则MCU切断驱动信号、关断驱动电路。

按国际电工委员会IEC255--3中的反时限保护电流保护功能的要求。三种标准电流反时限保护方程分别为：一般反时限标准方程、非常反时限标准方程和极端反时限标准方程，本文中控制器的反时限保护算法采用极端反时限电流保护方程，其具体如下所示：

(1)

式中，I为实际电流；In为额定电流定值；TP为时间常数。

将上式转化为：

[(I/In)2-1]t=80Tp

(2)

(3)

要在单片机上实现公式(3)，必须将其离散化：

(4)

硬件电路设计是将电流信号转化为电压信号，电压信号进入单片机后经A/D转化为编码m，因此公式(1)可写成：

反时限电流保护采用积分算法来实现，其表达式为：

(5)

(6)

通过MCU的算法可以更精确的计算出保护时间，具体反时限电流保护是在额定电流的150%～500%进行，当输出端负载电流大于额定电流500%立即断电保护，反时限电流保护时间曲线见图5所示。

图5 反时限保护曲线图

3 结束语

本文阐述了一种基于PIC系列单片机为核心，具有短路保护、反时限保护、过压保护和欠压保护等多种保护功能的控制器。设计采用硬件电路为基础，MCU软件控制为辅助，从而使得控制器整体电路具有响应速度快、电路设计简单、系统整体可靠性、实时性和环境适应性强的优点，并且有效的降低了产品的功耗和成本，使得该产品生产装配和工艺控制简化。经过软件仿真和初步测试，其性能参数符合航空固态功率控制器的相关标准，能够满足航空电气负载管理系统的需要，该设计切实可行，具有广阔的应用前景。