叱光輝，何智超，白 欣，劉 金，康英琦

(陜西群力電工有限責任公司，陜西寶雞，721300)

1 引言

隨著電子技術的發(fā)展，傳統(tǒng)電氣設備已無法適應新型的配電系統(tǒng)，因而提出了固態(tài)功率控制器(SSPC)等許多新型電氣控制設備方案，目前固態(tài)功率控制器(SSPC)逐漸成為電氣負載管理中心(ELMC)的重要組成部分，它集成斷路器線路保護功能和固態(tài)繼電器電氣開關功能，具有智能化程度高、抗干擾能力強、工作可靠、開關速度快等優(yōu)點。

本文介紹的固體功率控制器(SSPC)是基于MCU為核心，采用RS485通信方式，輸入為28Vd.c.，輸出為直流270Vd.c.，20A，其相關技術包括狀態(tài)反饋、可編程技術、高可靠短路保護技術。該方案可以滿足航電系統(tǒng)對負載電路遠程集中控制，同時方便用戶對負載電路的監(jiān)測和故障排查。

2 總體設計方案

該系統(tǒng)從功能上分為邏輯控制部分、功率開關部分和信號采集部分。邏輯控制部分包括：電源模塊、通信模塊和單片機模塊。功率開關部分包含功率輸出模塊和保護模塊；信號采集部分包含：電流采樣模塊和電壓采樣模塊。功能框圖如圖1所示。

圖1 控制器功能框圖

電源模塊以隔離型DC-DC為核心，為單片機模塊、通信模塊、短路保護模塊、電流采樣模塊、電壓采樣模塊中的數(shù)字芯片提供工作電壓；

通信模塊采用隔離收發(fā)器和RS485收發(fā)器，通過該模塊控制器內部的單片機可以實現(xiàn)與上位機的通信功能；

電壓采樣模塊負責采樣負載兩端的電壓，并將電壓數(shù)據(jù)上傳至單片機模塊；

電流采樣模塊負責采樣控制器輸出端通過的負載電流，并將電流數(shù)據(jù)上傳至單片機模塊；

保護模塊負責在負載電路出現(xiàn)異常的情況下，如負載電路出現(xiàn)短路、欠壓或過壓狀態(tài)時，保護模塊會發(fā)送信號至功率輸出模塊以切斷負載電路，保證負載不被損壞，并將短路、欠壓或過壓狀態(tài)上傳至單片機模塊；

功率輸出模塊驅動電路在接收到單片機模塊發(fā)送的驅動信號后，驅動功率MOSFET導通或關斷。當負載電路出現(xiàn)異常時，驅動電路停止工作，功率輸出端立刻關斷并鎖死，直到單片機發(fā)送復位信號或系統(tǒng)重新上電才能解除鎖死。

3 硬件電路設計

3.1 控制芯片

MCU是Microchip公司推出的PIC16F690型微控制器，其采用Harvard雙總線結構，運行速度快；該單片機內部集成增強型USART模塊、高耐久性的閃存/EEPROM儲存單元、17個雙向I/O引腳、2個模擬比較器模塊和10位分辨率的A/D轉換器。

3.2 功率開關元件及驅動電路

功率開關元件選用infineon公司的IPT60R028G7型場效應管,具有導通電阻小，接通速度快和帶負載能力強的特點。

驅動電路圖2所示，控制器內部MCU通過識別上位機發(fā)送的指令，控制場效應管V1導通或關斷，從而使得變壓器T1前端驅動電路工作，變壓器T1的初級線圈產生電壓自激振蕩信號，變壓器T1的次級線圈產生的電壓信號經過整流、穩(wěn)壓后產生一個穩(wěn)定的驅動電壓，驅動開關元件，并且在次級線圈電路中設計了快速泄放電路，當驅動電路關斷時，快速泄放電路會將MOSFET的GS兩端電壓迅速拉低，從而減小MOSFET在半導通狀態(tài)下的時間，提高其工作壽命。

圖2 驅動電路

3.3 電源模塊及通信模塊

電源模塊采用隔離型DC-DC為該系統(tǒng)內部元器件提供工作電壓，此次我們使用金升陽公司生產的B0505MT-1WR4模塊電源，輸入電壓為4.5Vd.c.～5.5Vd.c.，輸出電壓為5Vd.c.，輸出電流為200/20mA，工作溫度范圍為-40℃～125℃，其具有體積小，輸出電壓穩(wěn)定等特點。

通信模塊使用的芯片為TI公司生產的ISO1500型電隔離差分收發(fā)器，其采用超小的16腳SSOP封裝，其邏輯側工作電壓范圍為1.71Vd.c.～5.5Vd.c.，總線側工作電壓范圍為4.5Vd.c.～5.5Vd.c.，低EMI 1Mbps數(shù)據(jù)傳輸速率，總線上最多可以連接256個節(jié)點。

3.4 電流采樣模塊及電壓采樣模塊

如圖3所示，電流采集模塊采用Allegro公司生產的ACS780KLRTR-150U-T有源隔離型霍爾電流傳感器，電流范圍為0～100A，瞬態(tài)電流范圍為0～150A，工作電壓范圍為4.5Vd.c.～5.5Vd.c.，采樣敏感度為26.66mV/A。當輸出端導通時，負載電流通過霍爾傳感器N4輸出端，經過整形濾波后傳送至MCU和短路保護電路。

電壓采集通過采用電阻分壓形式，將并聯(lián)在負載端的電阻R9和R10進行分壓采集，電壓信號經過整形濾波后傳送至MCU。

圖3 電流采集及電壓采集電路

3.5 短路保護模塊

保護模塊采用以霍爾電流傳感器、運算放大器和比較器組成的硬件電路，具有反應速度快、抗干擾能力強的特點。具體保護電路如圖4所示。

圖4 短路保護電路

由于霍爾電流傳感器采集的電流信號是以2.5Vd.c.為基礎，其敏感度為26.66mVd.c./A。因此，采樣的電流信號先經過以運算放大器Q3為核心的減法電路將基礎值降低，再經過放大電路對電流采樣信號的電壓值進行放大，增加電流采樣信號的敏感度，從而提升短路保護模塊的抗干擾性能，防止誤觸發(fā)情況的發(fā)生，處理過的電流采樣信號經過濾波后傳送至比較器Q5，當電流采樣信號電壓值超過閾值時，比較器Q5輸出端輸出高電平信號，驅動電路被強制關斷，同時將高電平信號傳送至MCU指定I/O口。

4 軟件反時限保護算法

當負載端電流超過額定輸出電流500%時，控制器短路保護模塊會自動工作，關斷輸出端保護負載電路，當輸出端電流超過額定輸出電流但未到達500%時，此時控制器MCU接受到輸出端電流信號，進入反時限保護程序，通過算法準確計算出保護時間，在到達保護時間后負載電流仍超差，則MCU切斷驅動信號、關斷驅動電路。

按國際電工委員會IEC255--3中的反時限保護電流保護功能的要求。三種標準電流反時限保護方程分別為：一般反時限標準方程、非常反時限標準方程和極端反時限標準方程，本文中控制器的反時限保護算法采用極端反時限電流保護方程，其具體如下所示：

(1)

式中，I為實際電流；In為額定電流定值；TP為時間常數(shù)。

將上式轉化為：

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

(2)

(3)

要在單片機上實現(xiàn)公式(3)，必須將其離散化：

(4)

硬件電路設計是將電流信號轉化為電壓信號，電壓信號進入單片機后經A/D轉化為編碼m，因此公式(1)可寫成：

反時限電流保護采用積分算法來實現(xiàn)，其表達式為：

(5)

(6)

通過MCU的算法可以更精確的計算出保護時間，具體反時限電流保護是在額定電流的150%～500%進行，當輸出端負載電流大于額定電流500%立即斷電保護，反時限電流保護時間曲線見圖5所示。

圖5 反時限保護曲線圖

3 結束語

本文闡述了一種基于PIC系列單片機為核心，具有短路保護、反時限保護、過壓保護和欠壓保護等多種保護功能的控制器。設計采用硬件電路為基礎，MCU軟件控制為輔助，從而使得控制器整體電路具有響應速度快、電路設計簡單、系統(tǒng)整體可靠性、實時性和環(huán)境適應性強的優(yōu)點，并且有效的降低了產品的功耗和成本，使得該產品生產裝配和工藝控制簡化。經過軟件仿真和初步測試，其性能參數(shù)符合航空固態(tài)功率控制器的相關標準，能夠滿足航空電氣負載管理系統(tǒng)的需要，該設計切實可行，具有廣闊的應用前景。