基于Simulink 的直流SSPC 设计及仿真研究

2024-01-31 13:23:18韩静怡张智勇王鹏博闫稳
电子制作 2024年2期
关键词:阻容电流值延时

韩静怡,张智勇,王鹏博,闫稳

(中国航空工业集团公司 西安航空计算技术研究所,陕西西安,710076)

0 引言

随着机载设备智能化、集成化、小型化、轻量化设计,传统基于继电器的供配电系统在智能化、可靠性等方面已不能满足智能供配电系统的需要,采用固态配电技术是当前的发展趋势。

飞机固态配电系统采用微处理机来实现控制和监控功能,并与机载计算机的总线管理综合,实现了采用多路传输和微处理机技术的遥控配电控制。固态功率控制器(Solid-State Power Controller,简称SSPC)是与固态配电系统相配套的控制负载通断的开关装置,其内部无活动部件,具有许多优点:无触点、不产生电弧、无机械磨损、抗干扰能力强、使用寿命长、可靠性高等,而且能够接收前级机载计算机的控制信号并且报告其工作状态[1]。SSPC 在直流电源系统和固态配电系统中有十分重要的实际应用价值。

低压直流SSPC 具有短路快速保护和反延时保护的功能,建立其仿真模型对研究其特性非常有帮助。

1 直流SSPC 基本工作原理

直流SSPC 通过MOSFET 实现对功率电路的通断控制,通过串联在功率电路中的采样电阻实现电流检测。包括了主电路、快速保护电路、反延时保护电路、驱动电路以及逻辑锁存电路,其原理结构框图如图1 所示。

直流SSPC 包括三个状态量,分别为:电流状态、脱扣状态和控制状态。其中控制状态是由前级计算机决定,高电平代表控制开关管导通,低电平代表控制开关管关断;脱扣状态取自驱动电路,高电平说明开关管关断,低电平说明开关管开通;电流状态通过电流状态检测电路获得,高电平说明主电路电流大于额定值的10%,低电平则相反。

根据GJB181B 机上用电设备的供电要求,本文直流SSPC 的设计指标如表1 所示。

表1 某型飞机SSPC设计指标要求

2 直流SSPC 行为级模型建立

利用Simulink 里提供的基础仿真元件模型搭建直流SSPC 的行为级模型。为了实现正常通断、快速保护和反延时保护功能,本文搭建的电路拓扑结构包括主电路、快速保护电路,反延时保护电路、锁存电路、逻辑驱动电路等。

行为级模型共包括三种电源:主电路28V 直流电、控制电路电源VCC=12V和VCC2=5V。基于Simulink 搭建的电路整体模型如图2 所示。

图2 直流SSPC 行为级仿真模型

主电路开关管选用功率MOSFET 管(IRF150,N 沟道增强型)[2];逻辑驱动电路由逻辑电路和驱动电路组成;锁存电路由D 触发器构成;快速保护电路输入为采样电阻电压,其由反相放大电路和比较电路组成;反延时保护电路输入为采样电阻电压,其由反相放大器电路、平方电路、电压值转电流值电路、电阻电容并联电路、电压跟随器电路和比较电路组成,其整体结构如图3 所示。

图3 反延时保护电路

■2.1 电压值转电流值电路设计

电压值转电流值电路的输入为平方电路的输出。采样电压经过之前的放大和平方运算之后,通过电压值转电流值电路转换成电流值IS。电压值转电流值电路采用“HOWLAND”电流泵电路实现[3]。输出电流IS对电阻电容并联电路进行充电,电容两端电压VC的暂态变化曲线的上升速率与IS相关,同时,主电路电流的平方与时间的乘积也与VC相关,即VC反映了主回路上的发热量,此电路具有“热记忆”的特性,这正是实现反延时保护的意义与关键。此电路实现了输入电压值转换成输出电流值,电流值随着电压值增大而增大,电流值与电压值呈正比关系,且输出电流由输入电压决定,与之后电阻电容并联电路的参数无关。

电阻电容并联电路的输入值为电压值转电流值电路的输出电流值,电容CS的稳态电压为VC=IS×Rs,其中RS为与电容CS并联的电阻。如果RS与R4的阻值相同,在稳态时有VC=Vin Rs/R4=Vin。

对整个电路进行测试,令Vin取不同值,观察VC的稳态值。当Vin增大至6V 时,VC的稳态值出现了失真。由于运放最大输出电流的限制,VC能到达的最大值为5V 左右,所以平方电路的输入最大值大约在≈2.236V,又因为采样电压的最大值为0.8V,可以得到电压比值为2.236V/0.8V=2.795,所以反相放大器的增益值设计为3 倍。

■2.2 电阻电容并联电路设计

电容CS的电压VC可以运用一阶电路全响应的三要素公式。

DDC 公司的RP-26000 产品指标资料中给出了典型反延时指标曲线[4],上边界曲线以上的区域为必脱扣区域,下边界曲线以下的区域为不脱扣区域,取图曲线上主电路电流Im为额定值300%的两点(0.5s,15A)和(1s,15A),分别代入式(1),即可得出CS的粗略取值范围:

3 直流SSPC 开关特性仿真分析

■3.1 正常通断仿真分析

在主电路负载为纯阻性负载(R1=5.6Ω),保护动作未发生的情况下,通过控制信号CMD控制主电路开通与关断,正常通断仿真结果如图4、图5 所示。

图4 正常开通仿真实验结果

图5 正常关断仿真实验结果

由图4 可知,在1s 时控制逻辑输出跳变,主电路开通时间(从控制信号跳变到主电路电流上升至额定值的时间)约为Ton为0.5ms;由图5 得,在37.7s 时逻辑输出跳变,主电路关断时间约为Toff为56μs。

■3.2 快速保护仿真分析

主电路发生短路(通过调节负载使主电路中产生从5A到约40A 的电流上跳沿),快速保护动作启动,仿真结果如图6 所示,快速保护信号输出脉冲高电平后,驱动信号跳变为低电平,MOS 管关断。

图6 快速保护仿真实验结果

由图6 可知,主电路中在15.95s 时产生了从0A 到约40A 的电流上跳沿,从短路产生到快速保护动作且主电路电流下降至零的时间间隔(快速保护时间)约为3μs。从短路产生到快速保护信号跳变存在50μs 的延时。

■3.3 反延时保护仿真分析

主电路电流值Im大于额定值的120%时,反延时保护动作启动。主电路处于开通稳态,t=15.59s时主电路电流Im从零跳变到不同过流值(负载阻值在t=3s时从1MΩ 改变至各过流值对应的阻值),Im分别取6.9A、9.8A、15.1A、23.6A、31.1A 和38.8A,观察并记录延时保护时间。仿真实验结果如表2 所示。

表2 Im与 tdelay仿真结果

4 行为级模型改进及仿真分析

当主电路负载为阻容性负载(电阻电容并联),电容C1取设计指标要求的最大值3800μF,电阻R1取5.6Ω,对行为级模型进行正常开通仿真实验。直流SSPC 仿真结果如图7 所示。

图7 阻容负载正常开通仿真实验结果

由图7 可知,当负载为阻容性负载时,主电路开通过程中出现了冲击电流,其值最高可达约162.3A,之后快速保护动作,主电路电流Im下降至零。直流SSPC 处于异常工作状态,过高的主电路电流也会损坏开关管,所以需要对电路进行改进,抑制开通过程中的冲击电流。为限制阻容负载在开关管开通过程中产生的浪涌电流,可以采用慢开通驱动电路,实现主电路的慢开通。

在原驱动电路中图腾柱部分的输入端前添加一个RC 网络,具体改进驱动电路如图8 所示。RC 网络中的Rb1和Rb2是用于调节驱动电压的初始值,在其值一定的条件下,可通过调节Cb的值来改变驱动电压Vdrive的变化率,从而调节主电路电流的上升和下降时间。

图8 驱动电路改进

在主电路开通过程中,三极管T1从截止转为导通,三极管T2从导通转为截止,所以A 点电压的表达式为:

当VA大于到0.7V 时,三极管T4导通,三极管T5截止,此时图腾柱部分等效为共集电极放大电路,具有电压跟随器的作用,又因为驱动输出电压Vdrive就是栅源极电压VGS,忽略驱动电路输出端电阻R17的影响,设VA0为0V、UBE为0.7V,则栅源极电压为:

查询IRF150 的资料得知其VGS(th)最大值为4V,再结合并代入式,可得:

主电路的限制电流为40A,可得:

因此取:Cb=0.183uF、Rb1=100Ω、Rb2=100Ω、R14=5kΩ。改进后仿真实验结果如图9 所示。

图9 驱动电路改进后阻容负载正常开通/关断仿真实验结果局部放大图

以上仿真实验结果的主电路电流最大值未超过规定的限制值,这从侧面验证了在Im≤ 40A的情况下RC 网络参数取值的可行性。

5 结语

本文在Simulink 中设计搭建了直流固态功率控制器的行为级模型,深入分析了其工作原理。针对行为级模型在阻容负载和快速保护情况下出现的问题,对驱动电路进行了改进,并进行仿真验证。

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