基于FPGA的直流固态功率控制器的设计.pdf

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1、第５期机电元件Ｖｏｌ畅３６Ｎｏ畅５２０１６年１０月ELECTROMECHANICALCOMPONENTSＯｃｔ畅２０１６研究与设计基于FPGA的直流固态功率控制器的设计郑志洪，张开新，叶雪荣（哈尔滨工业大学军用电器研究所，黑龙江哈尔滨，１５０００１）摘要：固态功率控制器（ＳＳＰＣ）作为集继电器转换功能和断路器保护功能于一体的新型配电与保护执行器件，是未来航天器用配电器件的必然发展趋势。本文基于ＦＰＧＡ对固态功率控制器进行了软硬件设计，并使用Ｃ＃编写了其上位机程序。经实际电路调试，所设计的固态功率控制器不仅能依据计算机指令完成负载的开关控制与状态的实时监测等

2、各项功能，又可以依据所设定的反时限曲线对负载进行准确的过流保护。关键词：固态功率控制器；反时限保护；ＦＰＧＡ；配电系统Ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－６１３３．２０１６．０５．００５中图分类号：ＴＮ７８４文献标识码：Ａ文章编号：１０００－６１３３（２０１６）０５－００２１－０７用硬件电路实现反时限保护和程序实现法。林1引言［７］［８］［９］［１０］［１１］秦洲、陈昌林、张友方、汪洋、赵建伟［１］［２－３］随着航天器向多电化和全电化发展，等人就是采用硬件电路来实现ＳＳＰＣ的反时限保对配电系统的性能和可靠性的要求越来越高，固护，其缺点是元器件的

3、分散性大，且曲线是固定态配电技术也随之出现。相比于传统的配电方不变的，不能依据后续需求进行调整；在程序实式，固态配电技术可以对负载进行自动管理并为现法方面，大多采用单片机、ＤＳＰ等处理器，具有其提供更全面的保护功能，具有体积重量小、灵机器周期长、并行处理能力不足等缺陷，用于军［４］［１２］活性好等显著优势。固态功率控制器是固态事领域也存在着元器件停产风险。张晓斌等配电技术的核心器件。因此，其研发也越来越受人就是基于ＤＳＰ编程实现了过流反时限保护功［１３］到广泛关注。能，其实验给出的反时限曲线测试图趋势是正［１４］固态功率控制器（Ｓｏｌｉｄ－ＳｔａｔｅＰｏｗ

4、ｅｒＣｏｎｔｒｏｌ-确的，但精度不高；张雄林等人对反时限保护２ｌｅｒ，简称ＳＳＰＣ）是集继电器的转换功能和断路器曲线进行离散化后根据It过流维持－跳闸曲线的电路保护功能于一体的智能开关设备，是与固方程生成了时间表，虽基于ＦＰＧＡ实现了反时限态配电系统相配套的控制负载通断的开关装置。过流保护，但由于存储时间数据造成了资源浪它具有无触点、无电弧、无噪声、响应快、电磁干费，且拟合出的反时限曲线精度也不高。扰小、寿命长、可靠性高以及便于计算机远程控本文基于ＦＰＧＡ实现了反时限算法，并应用［５－６］制等优点。于所设计的固态功率控制器中。对固态功率控目前，反时限保护算

5、法作为固态功率控制器制器进行了软硬件设计，使用Ｃ＃编写了其上位机的关键技术，其实现方法主要有两种，分别为利程序。经实际电路调试，所设计的固态功率控制收稿日期：２０１６－０９－０１２２机电元件２０１６年器不仅能依据计算机指令完成负载的开关控制短路状态检测电路，并将短路状态信息传送给与状态的实时监测等各项功能，又可以依据所设ＦＰＧＡ，由ＦＰＧＡ向上位机传递短路状态信息，从定的反时限曲线对负载进行准确的过流保护。而判断负载电流是否处于短路状态；第三路通过Ａ／Ｄ转换电路，将模拟信号转换为数字信号，然2固态功率控制器整体设计方案后将负载电流的数字信号传递给ＦＰＧＡ中

6、的Ａ／Ｄ本文所设计的固态功率控制器的工作电压控制模块中，对负载电流进行实时采样。为２８Ｖ直流电压，输出端负载的额定电流为２Ａ；ＦＰＧＡ读取到ＡＤ采样得到的负载电流值后，其短路保护电流为额定电流的８倍（即１６Ａ）；当通过内部的数据处理程序以及反时限过流保护负载电流值低于额定电流的２５％时，设定负载处算法的运算，将Ａ／Ｄ芯片读入的负载电流信息转于开路故障状态；采用ＦＰＧＡ作为固态功率控制换为过流信息，即过流计数值。当过流计数值超器的智能控制芯片。图１给出了本文所设计的固过１００时，ＦＰＧＡ通过过流保护模块向ＭＯＳＦＥＴ态功率控制器总体结构图。驱动电路发送控制信

7、息，使ＭＯＳＦＥＴ开关关断，图１中，通过串联在功率回路的电流传感器从而对负载进行反时限过流保护。同时，ＦＰＧＡ采集负载的电流信号。电流传感器的信号分为通过串口与上位机进行通信，将当前负载的电流三路：第一路传给短路保护电路，短路保护电路值、过流计数值、ＭＯＳＦＥＴ开关状态以及负载是否通过内部的比较器判断出负载电流是否超过短短路等负载状态信息发送给上位机，实现上位机路电流，若超过则通过三级降栅压电路来降低其对负载状态的实时监测功能；另外，上位机可以功率开关ＭＯＳＦＥＴ的栅极电压，关断ＭＯＳＦＥＴ，进向ＦＰＧＡ发送开通、关断指令，以实现对负载的开行短路保护的跳闸

8、闭锁控制；第二路信号传递给通、关断控制，从而实现继电器的开关控制功