基于多通道SSPC的小型智能配電器設(shè)計(jì)

楊秀濤，周 振

（貴州航天電器股份有限公司，貴陽(yáng) 550009）

0 引言

配電器是型號(hào)裝備電氣系統(tǒng)的重要組成部分，一般組裝于電源系統(tǒng)后級(jí)，主要用于電源系統(tǒng)的二次供電分配。其能夠接收控制系統(tǒng)的指令，實(shí)現(xiàn)各型號(hào)設(shè)備的加電、轉(zhuǎn)電、斷電、保護(hù)等，并能夠?qū)?zhí)行狀態(tài)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，以便進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

傳統(tǒng)的裝備配電控制系統(tǒng)主要基于電磁繼電器、接觸器等機(jī)械開關(guān)元件[1]，這種配電控制方式主要存在以下缺點(diǎn)：

（1）電磁繼電器等機(jī)械開關(guān)器件觸點(diǎn)壽命有限，抗過載和沖擊能力較弱；

（2）選用的機(jī)械開關(guān)動(dòng)作有噪聲，線圈會(huì)產(chǎn)生電磁干擾；

（3）傳統(tǒng)的配電器使用硬線指令信號(hào)進(jìn)行配電控制，所有接口均引出，導(dǎo)致配套電纜數(shù)量較多，不但型號(hào)裝備上電纜總質(zhì)量增加，并且使得儀器倉(cāng)內(nèi)電纜連接狀態(tài)復(fù)雜，布局困難；

（4）在電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中出于降額設(shè)計(jì)、冗余設(shè)計(jì)等可靠性考慮，選用的電磁繼電器質(zhì)量、體積較大，不利于裝備系統(tǒng)的小型化、集成化設(shè)計(jì)；

（5）由于電磁繼電器不具備過流保護(hù)功能，因此傳統(tǒng)配電器往往需要增加熔斷器、斷路器等元器件，且過電流保護(hù)的門限值為固定值，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間是也是固定的，與負(fù)載電流的大小無(wú)關(guān)，不能根據(jù)用戶實(shí)際的使用情況來進(jìn)行調(diào)整。

本文通過對(duì)固態(tài)配電技術(shù)進(jìn)行研究，將固體功率控制器（SSPC）研制技術(shù)與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)進(jìn)行融合，設(shè)計(jì)一種具有多路SSPC輸出通道的智能配電器。該配電器能夠通過CAN總線通信方式實(shí)現(xiàn)多通道負(fù)載可控，能對(duì)負(fù)載輸出狀態(tài)、負(fù)載電流、電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并可實(shí)現(xiàn)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間隨負(fù)載電流大小變化的保護(hù)特性。該配電器模塊可為后續(xù)型號(hào)裝配供配電系統(tǒng)一體化、數(shù)字化、智能化配套奠定基礎(chǔ)。

1 固態(tài)配電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

固態(tài)配電技術(shù)以固體電子元器件為核心，由三極管或MOS管等功率器件作為無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)，具有壽命長(zhǎng)、可靠性高、轉(zhuǎn)換速度快、低噪聲、電磁干擾小等特點(diǎn)[2-3]。固態(tài)繼電器作為一種典型的固體電子開關(guān)元件，目前已經(jīng)在工業(yè)控制、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

固態(tài)功率控制器（SSPC）是一種將固態(tài)繼電器和斷路器融合在一起的智能開關(guān)，可通過遠(yuǎn)程控制方式實(shí)現(xiàn)對(duì)各負(fù)載通道接通與斷開的控制，并能夠反饋當(dāng)前各負(fù)載通道狀態(tài)信息，為上級(jí)控制系統(tǒng)決策提供可靠依據(jù)[4-5]。SSPC主要由一些硬件功能電路、MOS管等器件構(gòu)成，通過控制MOS管的導(dǎo)通或者關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的接通、斷開、保護(hù)、狀態(tài)反饋等功能。

因此，以固態(tài)電子開關(guān)為核心構(gòu)建固態(tài)配電系統(tǒng)，通過采用集成化設(shè)計(jì)，利用總線控制方式實(shí)現(xiàn)輸出通道控制、電流電壓監(jiān)測(cè)、開關(guān)狀態(tài)檢測(cè)，并實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)、過流保護(hù)等智能化功能，可滿足未來型號(hào)系統(tǒng)對(duì)智能配電的需求。

目前，美國(guó)DDC公司推出的RP-26231000N1型、RP-26321000NX型等多通道SSPC模塊，可用于航空航天和國(guó)防領(lǐng)域。Leach公司的EMP系列具備大電流傳輸及過載保護(hù)功能。國(guó)內(nèi)在航空航天領(lǐng)域，對(duì)其研究的機(jī)構(gòu)主要有天津航空機(jī)電有限公司、桂林航天電子有限公司、北京航天微機(jī)電技術(shù)研究所、陜西群力電工有限責(zé)任公司、振華群英電器有限公司等。其中，天津航空機(jī)電有限公司與北京航天微機(jī)電技術(shù)研究所正逐步在智能電源管理方面應(yīng)用固態(tài)功率控制器。

2 智能配電器需求分析與設(shè)計(jì)

2.1 需求分析

本文所研究的配電器是某裝備型號(hào)供配電系統(tǒng)的重要組成部分，主要實(shí)現(xiàn)裝備配電管理，其能夠接收裝備計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝備設(shè)備供電控制、轉(zhuǎn)電控制、斷電控制，并實(shí)現(xiàn)輸出通道狀態(tài)監(jiān)測(cè)、輸出保護(hù)等智能管理功能。具體的功能需求可概括為以下幾點(diǎn)：

（1）配電器通過CAN總線與裝備計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行連接，指令協(xié)議滿足CAN2.0，通信速率為250 kb/s；

（2）配電器具有16路通道輸出，每一路輸出通道可受總線控制，單路負(fù)載能力1～30 A可配置輸出；

（3）配電器可實(shí)時(shí)監(jiān)控各路輸出電壓、電流并上傳數(shù)據(jù)；

（4）可根據(jù)上電后的單路輸出狀態(tài)進(jìn)行過流、過壓保護(hù)等；

（5）實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化、模塊化設(shè)計(jì)，具備通用拓展功能。

從上述功能需求可知，由于每一路輸出通道需要最大驅(qū)動(dòng)能力30 A，按以往配電采用電磁繼電器的選型方式，為滿足元器件降額標(biāo)準(zhǔn)，至少應(yīng)該選擇額定輸出電流為50 A的繼電器。以傳統(tǒng)的JQX-1050 M電磁繼電器為例，單個(gè)產(chǎn)品外形尺寸26 mm×26 mm×26.7 mm，質(zhì)量50 g左右，僅16只繼電器及其驅(qū)動(dòng)電路布局后，其整體尺寸和質(zhì)量已不能滿足小體積使用要求。

鑒于以上情況，該型號(hào)配電器采用控制器+多路固體繼電器的實(shí)現(xiàn)方案。其中，所選用的固體繼電器不同于以往獨(dú)立器件，而是將大功率MOS開關(guān)管及其驅(qū)動(dòng)電路移到主控電路板，即是將多個(gè)SSPC集成設(shè)計(jì)到同一塊電路模塊中，共享一個(gè)控制芯片，集中數(shù)據(jù)采集，分散功率器件管理，最終形成具有多路SSPC輸出的智能配電器模塊。

2.2 總體設(shè)計(jì)

該裝備智能配電器主要由主處理器模塊、電源轉(zhuǎn)換與濾波處理模塊、CAN接口電路模塊、隔離驅(qū)動(dòng)模塊、MOS功率開關(guān)電路、電流與電壓檢測(cè)模塊。配電器系統(tǒng)功能原理如圖1所示。主處理器模塊主要負(fù)責(zé)與控制臺(tái)計(jì)算機(jī)的CAN通信，進(jìn)行控制臺(tái)的指令解析，將相應(yīng)MOS管進(jìn)行開關(guān)控制，同時(shí)負(fù)責(zé)所有輸出通道電壓、電流數(shù)據(jù)的AD采集。隔離驅(qū)動(dòng)模塊主要負(fù)責(zé)將主處理器的控制指令進(jìn)行電氣隔離，并將該信號(hào)調(diào)理到MOS管的最佳開關(guān)控制信號(hào)；電壓、電流檢測(cè)模塊主要實(shí)現(xiàn)將每路輸出的信號(hào)進(jìn)行隔離采集，經(jīng)信號(hào)調(diào)整后送入主處理器的AD輸入口。CAN接口電路主要解決控制器輸出與CAN總線電平不匹配問題。電源處理模塊主要負(fù)責(zé)將外部供電電源轉(zhuǎn)換為內(nèi)部主處理模塊、隔離驅(qū)動(dòng)模塊等電路使用的電源。

2.3 主要模塊設(shè)計(jì)及器件選型

2.3.1 主處理模塊電路

主處理器功能為實(shí)現(xiàn)兩路CAN通信，接收指令并回傳信息，獲取開關(guān)量信號(hào)，并進(jìn)行相關(guān)操作，控制AD采集和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，控制外部開關(guān)動(dòng)作。控制器選用某公司的TMS320F28335，150 MHz，88個(gè)GPIO，256 kb×16閃存，3個(gè)SCI模塊，2個(gè)CAN模塊，1個(gè)SPI模塊，16通道12位ADC，18路增強(qiáng)型PWM輸出[6]。利用DSP自帶的CAN模塊控制2路CAN通信，最高波特率可達(dá)1 Mb/s。通過DSP的GPIO口，實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)量的檢測(cè)與開關(guān)量輸出控制。通過DSP的內(nèi)置AD模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部模擬量的采集。

2.3.2 MOS管及驅(qū)動(dòng)電路

圖1 配電器系統(tǒng)功能原理

大功率MOS管選用Infineon公司生產(chǎn)的IPB01510N5型MOSFET，該器件VDS耐壓可達(dá)100 V，器件RDS導(dǎo)通電阻最大0.15 mΩ，允許最大導(dǎo)通電流180 A。主控芯片DSP發(fā)出的指令通過驅(qū)動(dòng)電路，經(jīng)隔離光耦后，輸送到MOS管驅(qū)動(dòng)電路。每一個(gè)輸出通道上的MOS功率開關(guān)器件均采用2只并聯(lián)的冗余控制方式，一方面可提高通道輸出可靠性，另外一方面減小通道上的導(dǎo)通電阻，降低單個(gè)MOS管的發(fā)熱量。其工作原理如圖2所示。

圖2 單路輸出通道控制原理

2.3.3 電流采集電路

使用霍爾電流傳感器檢測(cè)每一路輸出通道的電流值。為保證電流檢測(cè)結(jié)果的精度，采用線性穩(wěn)壓電源TPS73201為霍爾檢測(cè)電路供電。線性穩(wěn)壓電源TPS73201輸入控制系統(tǒng)5 V供電，經(jīng)分壓電阻調(diào)節(jié)輸出4.5 V穩(wěn)定電壓供電霍爾檢測(cè)芯片?；魻栯娏鳈z測(cè)芯片采用allegro公司的ACS758KCB-150U-PFF-T。芯片工作電壓3～5.5 V，導(dǎo)通電阻0.1 mΩ，總電流50 A通過時(shí)，壓降僅5 mV。

2.3.4 CAN接口通訊電路

配電器通過CAN接口與外部控制臺(tái)進(jìn)行指令傳輸與信息交互。主處理器DSP28335中內(nèi)置CAN總線協(xié)議控制器，只要外接總線驅(qū)動(dòng)芯片和適當(dāng)?shù)目垢蓴_電路就可以很方便地建立CAN總線智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中采用PHILIP公司的TJA1050 CAN總線驅(qū)動(dòng)器，TJA1050有個(gè)電流限制電路，保護(hù)發(fā)送器的輸出級(jí)，使由正或負(fù)電源電壓意外造成的短路不會(huì)對(duì)TJA1050造成損壞。此外，為了實(shí)現(xiàn)CAN總線接口的電氣隔離，DSP輸出的CAN信號(hào)需要先經(jīng)過HCPL-5631光耦隔離，然后再接入TJA1050接口，其工作原理如圖3所示。

圖3 CAN通信接口工作原理

2.4 軟件設(shè)計(jì)

控制器選用TI公司的DSPTMS320F28335，編程語(yǔ)言為C語(yǔ)言，該部分軟件主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）通過CAN總線接收中央計(jì)算機(jī)指令，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品自檢和參數(shù)設(shè)置；

（2）通過CAN總線接收中央計(jì)算機(jī)指令，對(duì)指定開關(guān)通道進(jìn)行開啟和關(guān)斷控制；

（3）通過CAN總線接收中央計(jì)算機(jī)指令，對(duì)指定開關(guān)通道的電壓、電流值進(jìn)行查詢；

（4）能夠啟動(dòng)AD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，獲取當(dāng)前通路的電壓值和電流值；

（5）當(dāng)產(chǎn)品相應(yīng)通路的電壓、電流值超過設(shè)定門限值時(shí)，能夠主動(dòng)切斷負(fù)載，并向中央計(jì)算機(jī)發(fā)送報(bào)警信息。

控制系統(tǒng)主程序流程如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)主程序流程

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn)

3.1 功率器件緩開通和緩關(guān)斷技術(shù)

電氣系統(tǒng)中采用硬開通、關(guān)斷的驅(qū)動(dòng)電路，在阻容性負(fù)載開通時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的瞬時(shí)浪涌電流，在阻感性負(fù)載關(guān)斷時(shí)，會(huì)在功率管兩端產(chǎn)生很高的電壓尖峰。為了能適用于各種負(fù)載，固態(tài)功率控制器的設(shè)計(jì)考慮與各種負(fù)載的兼容性，采用帶有軟啟動(dòng)、緩關(guān)斷功能的驅(qū)動(dòng)電路。

軟啟動(dòng)、緩關(guān)斷實(shí)際上就是當(dāng)固態(tài)功率控制器開通或關(guān)斷時(shí)，為減小阻感性負(fù)載關(guān)斷時(shí)的瞬變電壓和阻容性負(fù)載開通時(shí)的瞬變電流，提高配電器輸出通道的帶載能力，使配電器適用于電網(wǎng)中的各類負(fù)載。

如圖5所示，電路的驅(qū)動(dòng)中加入簡(jiǎn)單的RC網(wǎng)絡(luò)，可解決固態(tài)開關(guān)EMC問題和后級(jí)開關(guān)的瞬通問題，同時(shí)也有效控制在開通瞬間的激增電流。

圖5 RC網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的軟啟動(dòng)緩關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電路

針對(duì)感性負(fù)載和容性負(fù)載，電路設(shè)計(jì)過程中需要注意以下幾個(gè)方面。

（1）負(fù)載接通時(shí)間不能太快，這樣會(huì)引起固態(tài)開關(guān)EMC問題和后級(jí)開關(guān)的瞬通問題，也會(huì)引起在開通容性負(fù)載開通瞬間的激增電流過大問題。

（2）負(fù)載接通時(shí)間不能太慢，這樣會(huì)使MOSFET開通大功率負(fù)載過程中的動(dòng)態(tài)損耗加大，影響MOSFET的壽命。

（3）在感性負(fù)載輸出端對(duì)地并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管，應(yīng)對(duì)在控制感性負(fù)載關(guān)斷時(shí)對(duì)電路的影響。

3.2 反時(shí)限過流保護(hù)技術(shù)

反時(shí)限過流保護(hù)是固態(tài)功率控制器的關(guān)鍵技術(shù)，也是實(shí)現(xiàn)智能保護(hù)負(fù)載的關(guān)鍵技術(shù)。反時(shí)限過流保護(hù)就是指保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)間隨負(fù)載電流的增大而自動(dòng)減小的保護(hù)。一般來說，I2t形狀的反時(shí)限保護(hù)曲線可以有效模擬線路的溫度變化[7-8]。

通過研究配電系統(tǒng)的過負(fù)載特性，擬合出對(duì)應(yīng)的反時(shí)限保護(hù)曲線。當(dāng)系統(tǒng)中的負(fù)載出現(xiàn)過載情況時(shí)，配電器便能得出因過載而導(dǎo)致的線路上升溫度，從而在線路發(fā)生過熱損壞前切斷負(fù)載，達(dá)到保護(hù)目的。

本智能配電器中通過對(duì)于熱量的處理來判斷負(fù)載是否過流，故采用的是極端反時(shí)限的過流保護(hù)特性。IEC255-3標(biāo)準(zhǔn)中極限反時(shí)限標(biāo)準(zhǔn)方程為：

式中：t為保護(hù)延時(shí)時(shí)間；TP為延時(shí)整定系數(shù)；I為當(dāng)前負(fù)載電流，Ip為目標(biāo)整定電流。

本文設(shè)IP=BIe，TP=A/80B2，則上述極端反時(shí)限方程可以簡(jiǎn)化為：

式中：Ie為額定輸出電流；A、B為整定系數(shù)。

由于智能配電器的輸出通道是長(zhǎng)時(shí)間接通過程，當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)過載時(shí)，通電線路、功率器件會(huì)出現(xiàn)過載熱效應(yīng)。因此，配電器過流保護(hù)的時(shí)間不僅取決于當(dāng)前的電流，與之前的電流值也有關(guān)。當(dāng)配電器負(fù)載發(fā)生過流故障時(shí)，其負(fù)載電流是連續(xù)變化的，與額定電流的比例也在不斷變化，為了使配電系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)電流能夠具有記憶特性，需將反時(shí)限算法的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為積分的形式：

為便于配電器中DSP處理器進(jìn)行公式計(jì)算，將上述反時(shí)限數(shù)學(xué)模型式進(jìn)一步離散化為：

式中：ΔT為采樣時(shí)間；AIe2/ΔT為系統(tǒng)發(fā)熱的上限值，即超過該值時(shí)控制系統(tǒng)應(yīng)發(fā)出控制指令將功率開關(guān)關(guān)斷；整定系數(shù)B=1.18；A值可根據(jù)需模擬的熔斷器或繼電器的延時(shí)保護(hù)特性選取參數(shù)；左側(cè)電流倍率的平方和為電流的發(fā)熱量的累積值（當(dāng)負(fù)載電流大于額定電流B倍時(shí)，進(jìn)行熱量累積；當(dāng)負(fù)載電流小于額定電流B倍時(shí)，直接散熱，不進(jìn)行熱量累積，即認(rèn)為其發(fā)熱量為0）。

運(yùn)用控制模塊中的DSP處理器進(jìn)行公式計(jì)算，當(dāng)程序中方程式左邊的累加值大于右邊的閾值時(shí)，程序關(guān)斷固態(tài)功率控制器功率開關(guān)器件，實(shí)現(xiàn)反時(shí)限過流保護(hù)。

極端反時(shí)限的保護(hù)時(shí)間t是I/Ie的二次函數(shù)，由A與B值可以獲得I2t反時(shí)限過流保護(hù)曲線，如圖6所示。

圖6 跳閘保護(hù)曲線

搭建原理樣機(jī)電路，對(duì)上述I2t反時(shí)限保護(hù)電路進(jìn)行驗(yàn)證。本次以輸出通道10 A為額定負(fù)載電流進(jìn)行驗(yàn)證，測(cè)試得到故障保護(hù)啟動(dòng)時(shí)間與負(fù)載電流關(guān)系如表1所示。

表1 反時(shí)限過流保護(hù)時(shí)間測(cè)試表

從測(cè)試結(jié)果可以得到以下結(jié)論。

（1）當(dāng)負(fù)載電流小于或等于115%時(shí)，配電器能按規(guī)定要求不跳閘；當(dāng)負(fù)載電流大于或等于120%，并且小于1 000%時(shí)，進(jìn)入I2t保護(hù)，按跳閘保護(hù)曲線在相應(yīng)時(shí)間范圍內(nèi)跳閘；當(dāng)負(fù)載電流大于或等于1 000%時(shí)，進(jìn)入系統(tǒng)短路保護(hù)，立刻啟動(dòng)跳閘。

（2）由于電路中元器件的參數(shù)差異、數(shù)據(jù)采集電路的AD精度差異、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)響應(yīng)的差異會(huì)造成實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)有一定偏差，但是仍在跳閘保護(hù)曲線的允許范圍內(nèi)，達(dá)到了反時(shí)限保護(hù)的目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了某型號(hào)裝備供電系統(tǒng)用智能配電器的設(shè)計(jì)原理及關(guān)鍵技術(shù)，采用了固態(tài)配電技術(shù)方案，制作原理樣機(jī)初步實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)要求的總線開關(guān)控制、負(fù)載狀態(tài)監(jiān)測(cè)、負(fù)載過流過壓保護(hù)等功能。雖然目前固態(tài)配電技術(shù)在大功率化、集成化與小型化、故障診斷與檢測(cè)等方面仍有大量研究工作需要開展，但隨著半導(dǎo)體技術(shù)與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，固態(tài)配電技術(shù)將是未來航天器、型號(hào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的必然選擇。