一种高压直流固态功率控制器的设计

亢洁，李玉婷

(陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西西安710021)

一种高压直流固态功率控制器的设计

亢洁，李玉婷

(陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西西安710021)

为了提高全电飞机与多电飞机270V配电系统的智能性与可靠性，设计了一种基于单片机和CPLD的270V/30A高压直流固态功率控制器(solid-state power controller,SSPC)。通过对系统整体结构的分析与详细设计，实现了SSPC的反时限保护功能和短路保护功能。实验证明该方案不仅可以实现各种负载的开通、关断，对短路故障实现快速保护，又可以根据所设定的反时限保护曲线对负载进行准确的过流保护。所设计的270V/30A SSPC为航空配电系统提供了可靠的保护，减轻了配电系统的体积重量，提高了供电系统的可靠性。

高压直流；固态功率控制器；反时限保护；短路保护

Abstract：In order to improve the requirement of intelligence and reliability for the 270V distribution system of all electric and more electric aircraft,the hign current 270V/30A SSPC(solid-state power controller)Based on MCU and CPLD is developed.In this paper,through anaysis whole scheme structure and design the detailed circuits,the function of current squared time(I2t)in⁃verse time protection and short-cuircuit protection is realized.Experimental results are shown that not only the on/off state of various loads is controled,but also the quick short-circuit protection is realized.Then accurately inverse time protection with giv⁃en curve is provided.Comprehensive protection for air distribution system is given by SSPC,its volume and weight is reduced,and the reliability of the distribution system is improved in this design.

Key words：hign voltage direct current;solid-state power controller;inverse time protection;short-circuit protection

目前大型飞机正朝着全电化与多电化的方向发展[1]，其配电系统朝着分布式的方向发展[2]。和常规式配电系统、遥控式配电系统相比，固态配电系统在减轻配电系统重量、提高配电系统自动化程度、保证电能质量以及提高系统容错能力可靠性方面具有显著的优势[3]。固态功率控制器作为固态配电系统的核心部件，具有接通和断开负载、故障保护、状态反馈及记录和自检等功能[4]。

国外对固态功率控制器的研究起步较早，具有较多的相关理论和技术依据。美国北卡罗莱纳州立大学Alex等人在2012年设计了一种新型大电流固态功率控制器[2]，额定功率为270V/50A，选择IGBT作为功率开关器件，通过搭建硬件电路来实现过流保护，占用了硬件电路空间。英国华威大学Ahned等人在2013年研究了适用于航空航天的270V 100A直流固态功率控制器[3]，通过对比GTO，IGBT以及MOSFET的特性，选择多个英飞凌IPB60R099CP CoolMOS并联作为功率开关，短路保护为10倍额定电流(1000A)，但仅仅进行仿真验证。T Feechally等人在2014年设计了一种基于MOSFET的270V/200A固态功率控制器[4]，专用于航空系统。功率高达54KW，将21个硅MOS管并联作为主功率开关。在SABER上进行仿真实验，实现了SSPC的短路保护和过流保护功能。国内对固态功率控制器的研究起步较晚，无论从功率大小还是功能的完整方面较国外落后。海军航空工程学院张大为等人在2012年提出了以TMS320F2808为控制器的固态功率控制器[5]，详细的介绍其软件设计，并给出性能测试结果，测试结果仅为数据结果，而且精度不高。在后续的保护曲线调整方面难度较大。西安微电子技术研究所汪洋、王俊峰等人在2010年研究了一种28V直流固态功率控制器[6]，设计了反比例-但比例拟合法实现的过流保护电路，采用硬件电路来搭建过流保护电路。其缺点是元件的分散性大，在后续的保护曲线调整方面难度较大。中国运载火箭技术研究院陈春燕等人所设计固态功率控制器以DSP为核心[7]，并且完成基于DSP的过流保护算法，但保护特性曲线与美军标标准曲线相比，准确度不高。可以看出国内在研究28V直流固态功率控制器方面技术较为成熟，但在飞机配电系统中，270V高压直流配系统重量轻效率高，容易实现不中断供电和余度供电，提高了配电系统的可靠性、可维修性，提高了供电质量。因此270V高压直流配电是各国飞机配电系统今后发展的一个重要方向。国内研究人员在270V高压直流方面，研究投入较少，功率等级偏低。

针对飞机270V供电线路的特殊性，本文选用单片机C8051F580-AQ和CPLD为核心控制器，设计了一种270V/30A高压直流固态功率控制器。实现了短路保护功能和反时限过流保护功能，节省了硬件电路成本与空间。

1 系统整体结构

根据功能的不同可以将整个系统分为以下四部分：电源变换电路、主功率及驱动电路、控制与调理电路以及通讯电路。系统整体框图如图1所示。

电源变换电路的功能为，将机上28V直流电源转换为SSPC内部的5V电源，并具备双路冗余供电特性，能够为供电转换可能产生的供电简短提供电能储存。

主功率及电路主要由主功率、充电支路、续流回路、漏电流泄放支路、TVS保护管及MOSFET驱动电路组成。

控制与调理电路主要是由以下部分组成：控制器、逻辑电路、检测与调理电路。采集到的电压电流信号通过检测与调理电路进行差分放大、滤波等，送入控制器，控制器内部A/D转换，将转换后的数字信号给逻辑控制电路，进行负载的保护。逻辑与驱动电路，通过CPLD来实现，主要负责短路保护，以及开关管开通关断的时序。

通讯电路主要由与上位机进行信息交换的隔离CAN总线收发器，以及用于完成SSPC固件升级、数据下载、上传功能的422总线组成。当CAN总线失效或上位机控制失效后，SSPC通过飞机的应急控制信号进行应急控制。可完成对负载的双余度控制，提高了系统的稳定性。

图1 系统组成图

2 硬件设计

2.1 供电电路

机上向SSPC提供两路28V工作电源，28V电源的任一余度的故障(包括输入故障、输出故障和转换故障)不应影响另外一个余度的正常工作，因此两路28V之间是隔离的。根据需求设计如图2所示供电电路。为了抑制过压浪涌在输入端引入TVS管，因此在选择TVS管时，其反向击穿电压VBR大于50V并留有一定余量，以保证浪涌能量的安全泄放。经过电磁干扰滤波器VXRF2-28，抑制共模干扰，以降低电磁干扰输出并提高自身的可靠性。要求SSPC在28V供电中断50ms仍然可正常工作，因此设计储能电容电路。通过DC-DC电源模块VXR15-2805将28V转为5V，电源模块转换效率高达80%。

2.2 主功率及驱动电路

主功率电路由三路MOSFET并联构成的主开关管以及两路MOSFET并联构成的副开关管和充电支路、续流回路、漏电流泄放回路组成。功率开关元件选用英飞凌的CoolMos系列，和普通MOSFET相比，Cool MOSFET耐压值高，适合高压大电流的SSPC，同等功率下Cool MOSFET封装小。本文选用IPW65R019C7作为开关管，IPW65R019C7的最大应力电压为650V，瞬间承受电流为490A，稳态承受电流单管为70A。满足设计要求。

为了使电路更简单，设计驱动电路如图3所示，主要由MOS⁃FET专用驱动芯片FAN3100、三极管、二极管等组成。三极管以及外围电阻可以控制管子开通关断时间，三极管打开对MOS⁃FET无影响，三极管闭合，使得MOSFET驱动直接拉低关断。

图3 MOSFET驱动电路

2.3 短路保护功能实现

当负载发生短路时，电路中有可能出现几百安培的电流，不仅功率回路上损耗大，造成MOSFET功率器件温度急剧上升，极易损坏。而且会使一次电源过载，造成其他用电器的损坏。本文利用CPLD来实现负载的短路保护，短路保护原理如图4所示。

接通电容负载和负载短路都会引起大电流，为了区分电容负载和短路两种工况，需要采取重合闸机制。电流采样设置保护点为200A，主功率电路上的电流超出200A时则认为是短路，CPLD立即发出指令，断开管子进行保护。电压采样主要是判断负载是容流超过额定值时，若在4ms内电压采样值对性负载或者短路，在逻辑时序中体现。当电应的电压超出150V，则认为负载为容性负载，可以继续带载。若在4ms内电压采样值所对应的电压值小于150V，则认为时负载短路，立即关断MOS⁃FET。通过CPLD来控制驱动的时序，主开关与副开关的配合实现整个短路保护功能。

图4 SSPC短路保护原理图

3 反时限过流保护功能

对于负载和MOS功率管来说，都有其可通过的最大电流值。为了保护器件不受损坏，当电路即将达到负载和MOS管的最大电流时开启过流保护措施，电路应快速响应以及立即断开MOS管。

本文主要采用软件来实现反时限保护功能，核心处理器为Silicon laboratiries的C8051F580单片机，该芯片具有体积小，功耗低等特点，而且运行速度为普通51单片机的12倍。软件部分的核心是实现过流情况下的反时限保护功能并让SSPC具有热记忆功能，当有过流发生时，SSPC的保护时间是由过载电流的大小来决定的。

3.1 核心算法

本设计的核心就是模拟通电时导体发热和散热这个过程的累计和散失过程。要实现SSPC保护功能，就是要模拟出导线发热和散热的弄醒，也就是说要知道任何时刻，导体上的热量累计。根据这个原理设计了反时限保护算法。

首先对保护原理进行介绍：Qn为某一时刻的热量累计值，其计算公式为

其中Qn为某一时刻的热量累计值，K为耗散系数，ΔQ为新增热量，I为tn时刻通过的电流，Δt为两次热量累计的时间间隔。

1)Qmax的求解

如果设Qmax为负载端最大热量限度，则当Qn＞Qmax时，发生I2t保护动作，报故障。当设定临界保护电流为IA(即起始保护电流值，A代表临界保护电流为而定电流的倍数)，则累计的热量达到最大热量的限度，并且耗散的热量与新增热量相同，则会有如下等式成立：

则由

可求出Qmax。

2)K的求解

如果电流为一个固定值I(I＞IA)，并希望在t时刻累加热量值达到临界保护Qmax并发生保护，那么累加次数n=t/Δt，则可由式(1)推导出tn时刻的总热量为：

由此可求出K值。

3.2 程序实现

算法流程图如图5所示。通过检测输出的电流值来判断是否过流，先判断检测到的电流I是否大于上限值Imax，如果过流值大于最大电流保护阈值则输出保护信号，否则进入热量累计流程。进入热量累计流程后，判断I是否大于额定电流Ie，如果大于则进入热量累计，否则进入热量的耗散。最后计算出热量累计的结果，与热量累计上限Qmax进行比较，若大于Qmax进行

将式(3)带入式(2)得到如下方程：过流故障锁存，若小于Qmax则循环累计过程。

图5 I2t反时限保护算法流程图

4 实验结果

4.1 SSPC的带容能力

在满载带420µF电容实验时，设置过流保护点为200A，即当电流大于200A时进入容性负载时序逻辑。由图6可知，电流冲击大于200A时，关断主开关管15ms，启动充电支路。当电容充满电后，重新打开主开关。副开关会放掉部分电，则会再次有一个电流冲击。检测到电流小于200A，不进行保护，接通容性负载。因此电容负载满载情况下，可直接驱动420µF电容。

由图7可知，空载2000µF电容在15ms内副管导通过程中已将电容的电充满，15ms结束后，主开关管打开，无冲击电流产生，可直接带载。

图6 满载420µF电容负载波形图

图7 空载2000µF电容负载波形图

4.2 短路保护测试

在短路保护试验中，通过检测负载电流来判断是否有短路发生。如图8所示，第一次电流冲击，触发了第一次短路，电流最大冲击到273A，Vds关断尖峰380V。主开关管时序关断15ms，电压检测4ms时小于150V，则副开关管关闭。当二次电流冲击时，触发二次短路。此时锁定，关断开关管，完成短路保护。从检测到电流短路保护点到彻底关断MOSFET切断短路电流的时间约为20µs，如图9所示。

图8 短路保护波形图

图9 短路保护时间

4.3 过流保护测试

为了测试SSPC的反时限特性曲线，需要调整负载电流到过流状态。分别使负载电流过载为1.5倍、2倍、3倍、4倍、5倍、6倍。设置额定电流为30A，两次热量累计的时间间隔为1ms，根据给定反时限保护曲线，可求出Qmax=13101.37604，K=0.999899424。通过对每个过载电流下的延迟保护时间多次测量后取平均值。过流保护结果如表1所示。将试验结果与给定的过流保护曲线比较，动作时间均在所给定曲线的跳闸范围内。能够对过流故障做出快速保护。

表1 过流保护实验结果

5 结束语

本文设计了一种270V/30A高压直流固态功率控制器。以单片机C8051F580-AQ为控制核心，以CPLD为辅助逻辑控制系统，使用英飞凌Cool MOS IPW65R019C7作为功率开关。实现了对各种不同负载的供电控制、供电监控以及供电保护。实现了快速短路保护，设计了过流保护算法，实现了保护曲线内的过流保护。经原理样机实验，能够满足航空负载管理系统的需求，该设计切实可行。

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Design of A High Voltage DC Solid State Power Controller

KANG Jie,LI Yu-ting
(School of Electrical and Information Engineering,Shaanxi University of Science and Technology,Xi’an 710021,China)

TN702

A

1009-3044(2017)24-0198-04

2017-07-06

陕西省科技厅自然科学基础研究计划项目(2014JM8329)

亢洁(1973—)，女，副教授，硕士研究生导师，博士，研究方向为现代控制理论及应用、智能控制等。