章建峰，杨祯，房玲
（中国船舶重工集团公司第704研究所，上海200031）
摘要：为了实现船舶直流配电系统支路负载过载、冲击、短路状态的区分与保护，抑制冲击或短路电流，针对典型的直流24 V配电系统，研究了一种新颖的船舶直流固态功率控制器。重点讨论该功率控制器的主电路设计、控制策略、反时限保护设计。最后通过原理样机，验证了船舶直流固态功率控制器技术的可行性。
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关键词 ：船舶；直流；配电；固态功率控制器
中图分类号：TN876.3?34；TM564 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）13?0125?04
收稿日期：2014?12?11
0 引言直流固态功率控制器技术，由飞机28 V DC/270 V DC配电系统发展而来，是集继电器的转换功能和断路器的电路保护功能于一体的智能配电技术，它具有无触点、无电弧、无噪声、响应快、电磁干扰小、寿命长、可靠性高以及便于计算机远程控制等优点[1?3]。近十年来，随着半导体工艺及电力电子技术的大力发展，直流固态功率控制器也获得了迅猛发展[4]，欧美的JSF?35联合攻击机、波音787、空客A380、弗吉尼亚潜艇等已大量应用，中国在航空航天领域也正紧追欧美先进技术的步伐[5]。但是，中国船舶领域仍主要采用接触器、开关、熔断器等传统器件进行配电保护与分路。为使中国船舶直流二次配电系统全面实现智能化，本文针对典型的直流24 V 配电系统，开展船舶直流固态功率控制器技术研究工作。1 船舶直流固态功率控制器技术
1.1 主要原理
运用快速的DSP28335微处理器、CPLD与电力电子技术，针对阻容负载突加与短路的船舶实际供电状态，本文研究了一种新颖的基于电力电子开关器件的固态配电技术，即船舶直流固态功率控制器技术，原理框图如图1所示。
船舶直流固态功率控制器主要由功率开关、缓冲电路、电压与电流检测电路、驱动电路、辅助电源、基于DSP与CPLD的数字控制电路、状态隔离电路等组成，固态功率控制器将根据支路负载电压、电流情况，对主电路上功率开关进行通断控制。当支路负载发生短路时，固态功率控制器能够在微秒级时间内快速消除短路影响，并执行短路保护；当支路负载输入侧发生大电容电流冲击时，固态功率控制器同样能够在微秒级时间内自动对负载电流进行抑制，直到冲击电流消失再次工作于正常导通工况。
另外，船舶直流固态功率控制器能够实时监测供电支路的运行情况，可以通过CAN 网向上级监控系统传输支路工作状态、运行参数、故障报警等信息，同时也可以接收上级监控系统下达的支路负载开、关等指令。
1.2 主电路设计
船舶直流固态功率控制器，由两个互为冗余的支路负载供电通道构成，本文主电路设计部分主要研究供电通道主电路的设计。供电通道的原理框图，如图2所示。
主功率电路由一个电力电子功率开关、缓冲电路、采样电阻组成，结构型式比较简单。缓冲电路是为了抑制线路上可能出现的di dt，dv dt，避免损坏功率开关，采用的是RCD结构，由吸收电阻、吸收电容及快速二极管构成，其设计方法与常规RCD 缓冲电路一致[6]；采样电阻选用无感电阻，用来采集功率电路电流信号给控制电路；功率开关用来对支路进行通断操作，因为支路负载在短路或冲击时线路将控制功率开关进行电流限制，加上稳态运行时系统对导通压降的要求，所以功率开关的选择比较重要。
由于短路电流和冲击电流的幅值很大，时间很短，要完成保护功能，必须在微秒级时间内进行控制，一般接触器、晶闸管均不能满足其要求，开关速度比较高的MOSFET或者IGBT是不二的选择。由于固态功率控制器对输入、输出的电压降、效率等指标具有严格要求，而MOSFET具有明显的优点：导通电阻小，导通压降低，功率损耗低；可并联使用实现均流，提高带载能力，同时并联后导通电阻减小降低了功耗；无晶体管的二次击穿现象；无IGBT的电流拖尾现象。因此，本文选择低导通阻抗的MOSFET，不仅可以快速响应控制电路的保护动作，又可最大程度地降低分配电装置的导通损耗。
然而，仅仅从导通阻抗方面选择MOSFET 还不够，短路或冲击时线路将进行电流限制，MOSFET需承受短时较大的功率，限流期间瞬时温升引起的温度不能超过功率管的最高结温，因此，还需根据电路设计的限流幅值和限流时间，选择热阻较小的MOSFET。例如Polar工艺的IXFN300N100P（295 A/100 V），RDS(on) ? 5.5 mΩ，热阻曲线如图3所示。持续10 ms的热阻系数为0.033 ℃/W，效果比较理想。
1.3 控制策略
实现支路负载短路故障或冲击影响最小化的保护功能，即实现直流负载过载、冲击、短路状态的逻辑区分与执行，是船舶直流固态功率控制器技术的关键。短路摸底试验（索罗森SGI330/91，24 V DC，6 mm2负载线长约1.5 m短路工况）和冲击摸底试验（索罗森SGI330/91，24 V DC，6 mm2负载线长约3 m、具有10 000 μF电容冲击工况）特征波形，如图4，图5所示。可以得知：短路工况时电流上升率大于4 A/μs左右，输出电压趋于零；冲击工况时电流上升率小于2 A/μs 左右，输出电压瞬间跌落后呈逐渐恢复趋势。
然而，由于实船上支路负载大小、位置及走线电缆的多样化，不同支路负载冲击和短路的瞬时特性会不尽相同，因此仅依据电流上升率的判断，还难以在多数场合非常准确地区分短路、冲击工况。由短路和冲击摸底试验波形不难发现，两种工况下输出电压的变化趋势是有区别的。冲击情况下随着负载电容被连续注入电流，输出电压渐渐恢复，冲击电流也将逐步减小，即冲击工况下冲击电流将随着时间降低，短路工况则不然。
根据上述分析，本文利用基于快速CPLD高频斩波策略的电流限制调制技术，制定了船舶直流固态功率控制器的控制逻辑，如表1所示。支路负载电流在1.2倍以下执行正常通断或常规过流保护；在1.2倍至设定的电流阈值（如4倍额定电流）之间，执行先进的I2 t 反时限过流保护操作；上升至设定的电流阈值后，在微秒级时间内通过CPLD 计算电流上升率。大于判断阈值则立刻封锁功率管驱动信号；小于判断阈值则立即高频斩波改变线路阻抗，进入电流限制环节以抑制冲击或短路电流进一步上升。同时，TMS320F28335检测电流限制工作时间长短判断是否存在短路或冲击，短路或者过度冲击则封锁功率管的驱动信号，冲击则释放驱动信号，冲击电流将随负载电压的建立而自然下降。
该控制策略，利用电压、电流检测电路，将采样的电压、电流瞬时值信号反馈给基于TMS320F28335 与CPLD的数字控制电路，控制电路发出相应调理信号，通过驱动电路，控制功率电路上MOSFET的开关动作，可准确地实现支路负载过载、冲击、短路状态的区分与执行，抑制冲击或短路电流，达到支路故障不扩展、不蔓延，最小化的目的。
1.4 反时限过流保护设计
反时限过流保护设计，参照热继电器的反时限特性，国际上有两种标准：IEEE Std C37.112?199662 和IEC255?3（1989?05）。目前中国主要采用IEC标准作为国家标准（GB/T 14598.7?1995 第3部分：它定时限或自定时限的单输入激励量量度继电器）。在IEC255?3 标准中，可以查到三种典型的反时限标准方程：一般反时限、非常反时限和极端反时限。
式中：t 为保护延时时间；Tp 为延时整定系数；I 为负载电流，Ip 为整定电流值。三种反时限标准方程的不同主要在于I Ip 的指数不同，指数的不同也就决定了三种反时限特性应用的场合不同。通常的输电线路采用一般反时限，而在线路首末端短路时，电流变化较大的情况下，则采用非常反时限，反映过热状态的过流保护，则采用极端反时限[7]。由于船舶配电系统直流固态功率控制器的过流保护特性必须与导线、负载的过热特性相配合，因此采用的是极端反时限的过流保护特性。
本文设Ip = BIe , Tp = A 80B2，则极端反时限的标准方程可以简化为：
式中：Ie 为额定电流；A, B 为整定系数；电流整定值Ip为额定电流Ie 的B 倍。将式（4）经过等式变换、离散化等最终得到如下形式：
由表1中功率控制器控制逻辑要求1.2倍进入反时限保护，故式（5）中的B 值取1.2；A 值可根据需模拟的熔断器或继电器的延时保护特性选取参数，一般范围为10~40。运用DSP28335微处理器，当程序中方程式（5）左边的累加值大于右边的阈值时，程序关断固态功率控制器功率开关器件，实现反时限过流保护。极端反时限的保护时间t 是I Ie 的二次函数，由A 与B 值可以获得I2 t 反时限过流保护曲线，如图7所示。
2 试验结果与分析
设计实例：船舶直流固态功率控制器原理样机，室温常压环境条件，输入电源：24 V DC，DC源型号为索罗森SGI330/91；功率开关型号：MOSFET IXFN300N100P；驱动电路：CONCEPT 2BB0108T；试验内容：负载短路、25 A阻性负载并联58 800 μF/50 V电容冲击；示波器：泰克TPS2012，LeCroy 44MXs?A。
图8所示为原理样机负载侧突然短路试验波形，由图可知，负载短路电流迅速上升至设定值（100 A）后，由于电流上升率较大，功率管驱动信号被瞬时关断，故障支路被切断，支路短路电流立刻下降。
图9 为样机正常运行时突加阻容负载大电流冲击试验波形，由图可知，支路电流上升至设定值（100 A）后，功率管驱动信号立刻进行高频斩波，支路冲击电流下降进入电流限制工作状态，输入电压在冲击电流上升过程中短时跌落后，即随着功率管斩波运行而迅速恢复正常的电压值。
负载过载25%试验波形如图10所示，样机执行图7所示的I2 t 反时限过流保护程序（程序内设置额定电流为20 A），相应时间延时后功率管驱动信号被关断。
3 结语
船舶直流固态功率控制器技术，实现了船舶直流二次配电系统支路过载、冲击、短路的区分，能够抑制支路冲击或短路电流，达到支路故障不扩展、不蔓延，最小化的目的。本文以直流24 V 为例，研究了船舶直流固态功率控制器的主电路设计、控制策略及反时限过流保护设计，通过原理样机验证了船舶直流固态功率控制器技术的可行性。
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作者简介：章建峰（1979—），男，江苏无锡人，硕士，工程师。主要从事电力电子与配电技术方面的研究。