航空交流固态功率控制器的研究

定稿日期： 2010-06-30 作者简介 ：胡华波 （1986-），男 ，湖南人 ，硕士 ，研究方向为 配电自动化及智能电器。 1 引 言 固态功率控制器（SSPC）是由半导体器件构 成的智能开关装置，其功能与传统的机械式热自 动开关、保险丝与继电器串联的组合器件及其他 控制保护电器如电力断路器等相似，而性能则大 大优于传统的继电保护装置。交流 SSPC可实现零 电压开通与零电流关断，对器件的电压/电流冲击 小，开关损耗小。目前国外公司交流 SSPC产品额 定电流达 25 A[1]，国内对交流 SSPC 还处于工程样 机阶段。交流 SSPC通态压降是制约其电流等级提 高的重要原因之一，这里所 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的 115 V/10 A 低 功耗交流 SSPC在该方面做了一些研究。 2 交流 SSPC 硬件总体设计 该 SSPC 的硬件 电路 模拟电路李宁答案12数字电路仿真实验电路与电子学第1章单片机复位电路图组合逻辑电路课后答案 主要分为主功率电路和 控制电路，如图 1所示。主功率电路由霍尔元件、 采样电阻、外接用电设备及 MOSFET 两两同向并 联后再反向串联构成。当上位机给开通信号时， MOSFET 开通，接通负载；当上位机给关断信号 时，MOSFET 截止，断开负载。电路通过采样电阻 及霍尔元件采集电流，过流时延时断开时间可以 从几毫秒到几秒。当发生大电流短路时，SSPC 通 过快速保护装置可以在几十微秒之内“跳闸”。 3 降低开关压降的设计 3.1 功率器件 MOSFET 是电流驱动型器件，控制简单，导通 压降低，开关速度快，良好的正温度特性利于并联 分流降低压降。在栅极加驱动电压，可双向导 通，等效为一个电阻与二极管并联。可充分利用这 一特点，选用导通电阻小的 MOSFET，在额定电流 下，电压反向时电流不流经体二极管，而全部从其 导电沟道内流过，则导通压降可大幅降低。 航空交流固态功率控制器的研究 胡华波， 武建文 （北京航空航天大学，自动化科学与电气工程学院，北京 100191） 摘要 ：以 115 V/10 A 航空交流固态功率控制器（Solid State Power Controller，简称 SSPC）为研究对象，提出了一 种新的零电压开通拓扑结构，能快速检测过零点，简单可靠地实现软开关功能。设计了电流双重采样电路，实 现全电流范围内的高精度采样，降低了大电流下 SSPC 的压降。完成了零电压开通、零电流关断、小电流可靠关 断和短路迅速断开等功能，通过实验结果进行了验证。 关键词：控制器；过零检测；零电压开通；零电流关断 中图分类号：TM571 文献标识码：A 文章编号：1000-100X（2010）11-0081-03 The Study of Aviation AC Solid-state Power Controller HU Hua-bo， WU Jian-wen （Beijing University of Aeronautics & Astronautics，Beijing 100191，China） Abstract：This paper is concerned with 115 V/10 A aviation AC solid state power controller（SSPC），a new zero-volt- age opening topological circuit is presented.It can quickly find the zero-voltage，reliably and simply achieve soft switching.A current double sampling circuit is designed.It makes the range of the current with high-precision sam- pling，reduces SSPC’s voltage drop in the big current.It achieves zero-voltage/zero-current switching，turns small cur- rent off reliably，and turns short current off quickly.The experimental results verify the study. Keywords：controller；zero detection；zero-voltage switching；zero-current switching 图 1 115 V/400 Hz 交流 SSPC 原理框图 第 44 卷第 11 期 2010 年 11 月 电力电子技术 Power Electronics Vol.44， No.11 November 2010 81 第 44 卷第 11 期 2010 年 11 月 电力电子技术 Power Electronics Vol.44， No.11 November 2010 3.2 电流采样传感器 通常用采样电阻测量电流，但大电流下采样 电阻的压降和功耗不可忽略。这里研究如图 2 所 示的电阻和霍尔元件串联对电流进行双重采样。 电流为 0～30 A 时以霍尔元件作为采样传感 器，大于 30 A 时以电阻作为采样传感器。霍尔元 件选用额定测量电流 15 A，最大测量电流 45 A， 其初级的粗铜导线串联在主回路中，电阻可忽略 不计。采样电阻选用两个 1 mΩ电阻串联，额定电 流时压降 0.02 V，功率损耗 0.2 W。从而使得电流 传感器压降小，电流测量精度高。 4 零电压开通及零电流关断设计 反向串联的 MOSFET 构成 SSPC，可等效为如 图 3a 所示结构，由于 MOSFET 输出电容的影响， 在输入电源电压 uin=0 时，功率管漏-源极电压 u1= u2，且均不为零，如图 3b所示仿真波形的 t1时刻。 采用“上下管按一定次序通断 [2]”策略，过零开 通中首先开通的 MOSFET 不是在电压过零时开 通，而是有一定电压，如图 3b 所示仿真图的 t2 时 刻，约 45 V，不是真正意义上的零电压开通。因此 对于反向串联的 MOSFET 构成 SSPC，依靠检测输 入电压过零的手段不能实现零电压开通。 4.1 零电压开通过程分析 图 4 示出基于以上分析所设计的控制器电 路。开通前电路无电流，1 mΩ电阻 Rf1，Rf2的电压 可忽略。Son是开关控制信号，一旦 Son变为高电 平，两个 D触发器使能有效，整个电路开始启动。 如果 u14 为正，则 u32 为负的二极管压降，u12 接近输入电源电压，此时 A1 产生低电平输入到 FF1 的 CLK1 端，A2 产生高电平输入到 FF2 的 CLK2端。当 u14由正变负时，CLK1跳变为高电平， Q1输出高电平开通 VQ6和 VQ7。半周波后 u14由负 变正，电路自然过零导通，此时 CLK2 跳变为高电 平，Q2输出高电平开通 VQ8和 VQ9。 4.2 零电流关断过程分析 开通时体二极管箝位，控制器只要在半个周 波内发出开通信号即可，零电压开通误差也非常 小，不会超过体二极管的压降。 当上位机给关断信号后，霍尔元件和采样电 阻采集电流信号，控制器检测过零点，使得 Son 变 为低电平，D 触发器复位输出低电平关断开关管， 实现零电流关断。 零电流关断误差来源：从电流过零到控制器 发出关断信号使电流关断存在时间延时 Δt，引起 过零关断误差电流为： Δi= Umsin（ωΔt） 2姨 RL （1） 对于航空交流 115 V/400 Hz 电源 12 Ω负载， 可将式（1）变为： Δi= 162.61sin（800πΔt） 12 2姨 （2） 4.3 小电流可靠关断设计 当负载电流很小时，可能存在电流传感器检 测误判或者无法检测到实际电流，控制器设计了 小电流强制关断程序，控制器检测电流小于某一 值时，无需零电流关断，直接关断，关断功耗和对 器件冲击都很小。 5 反时限过流保护 控制器采用反时限过流保护方法 [3]，该反时限 保护是基于耐热量降低原理、采用“减数法”和“时 间片”思想设计的，具有快速性好、准确性高和简 单实用等特点。 图 2 电流双重采样原理框图 图 3 MOSFET 输出电容影响分析图 图 4 零电压开通/零电流关断电路 82 6 实验验证 图 5 示出零电压开通波形，开通电压仅约为 0.5 V，半个周波内开通压降均 0.5 V，只要在半个 周波内发出开通信号都能实现开通电压小于 0.7 V， 美军标 MIL-P-81653B[4]要求零电压开通误差不 大于 6 V，前文提出的新的零电压开通拓扑非常 好地实现了零电压开通。 图 6示出电流关断波形。图 6a为零电流关断 波形。关断电流 0.306 A，根据 MIL-P-81653B 要 求，115 V/10 A 相应关断电流应小于 0.52 A，控制 器很好地实现了零电流关断。关断误差来源为信 号传输延迟，实验测得 Δt≈11.5 μs，代入式（2）得 Δi=0.277 A，实验结果与理论分析符合。 控制器在电流为 0.06 A时还能实现零电流关 断如图 6b所示。为可靠关断，增加了小电流强制 关断程序。实验设定为 0.1 A，具体可根据实际需 要进行修改。如图 6c 所示，电流为 0.078 A，上位 机给分闸信号时，控制器切断负载可靠关断。 由图 7a 可见控制器在通过 90 A 以上的电流 时，通过硬件快速动作，切断故障时间仅为 18 μs， 在响应速度上有很大优越性。快速保护自锁信号 能防止电流下降后控制器再次开通而产生振荡。 如图 7b所示，电流为 11.386 A 时 MOSFET 压 降波形完全对称，电流全部从导电沟道流过， MOSFET 等效为一个电阻，即有双向导通性；此时 SSPC 压降为 1.075 V（峰值 1.52 V），可见设计的 SSPC 开关压降低，功耗小。如图 7c 所示，电流为 33 A时，MOSFET两端电压出现非对称，在 MOSFET 漏-源极为负压时寄生二极管导通箝位，等效为一 个电阻与二极管并联。验证了 MOSFET的特性。 7 结 论 研究并验证了大电流低功耗航空交流 SSPC， 得到以下结论：①提出一种新的零电压开通拓扑 结构，能快速检测过零点，简单可靠地实现零电压 开通，实验证明开通电压在 0.7 V 以内；②设计的 双重采样电路提高了采样精度，能实现零电流关 断，关断电流为 0.306 A；还实现了低开关压降，实 验测得大电流 11.386 A 时 SSPC 压降为 1.075 V； ③实现了小电流可靠关断及短路故障时 18 μs 内 切断故障电流，时间响应快。 参考文献 [1] 陈昌林.交流固态功率控制器的研究[D].南京：南京航 空航天大学，2008. [2] Michael M.Kugelman，Akron，Ohio.Solid State Relay for Switching AC Power to a Reactive Load and Method of Operating the Same：USA，US7196436[P].2007-03-27. [3] 武建文.基于耐热量降低原理的配电系统微机反时限 过流保护[J].航空学报，2008，29（1）：181-186. [4] MIL-P-81653B.固态功率控制器通用技术规范 [S]. 1980. 图 6 零电流关断波形 图 7 短路硬件快速保护及开关压降测试波形 图 5 零电压开通波形 航空交流固态功率控制器的研究 83