一种基于微控制器实现的固态功率控制器

技术领域

本发明涉及微控制器实现的固态功率控制器，属电力电子与电工技术领域。

背景技术

配电领域一般采用电磁继电器或者固体继电器实现开关控制，配合熔断器 实现线路电流过载保护。过载情况下熔断器热量积累使其自身导体温度升高， 达到熔点后，熔断导体材料，断开线路起到保护作用。熔断时间取决于线路过 载电流的大小，过载电流越大，熔断速度越快。熔断器熔断后，只有通过更换 完好熔断器才能再次恢复导通。本发明固态功率控制器基于微控制器实现电子 式的反时限跳闸保护，可以将开关控制、熔断保护的功能集成，同时具有跳闸 保护复位再导通、线路状态监测的特点。

发明内容

本发明技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于微控制器实 现的固态功率控制器，具有保护参数更改性、过载跳闸保护的特点，大大提高 系统过载保护的有效性。

本发明的技术解决方案：一种基于微控制器实现的固态功率控制器包括： 信号隔离电路、隔离电源、微控制器、AD模数转换器、放大器、比较器、驱 动电路、检测电阻和功率MOSFET；隔离电源接收外部5V供电后产生内部隔 离5V、10V电源，为整个控制器供电；外部控制命令经过信号隔离电路产生隔 离信号送到微控制器，微控制器根据隔离信号的控制命令控制驱动电路，驱动 电路接收到驱动导通命令后驱动功率MOSFET导通，线路电流经过检测电阻 至负载，负载得到配电；线路电流在检测电阻上的电流压降经放大器调理放大 分别进入比较器与AD模数转换器；负载电流达到短路状态时，调理后的电流 信号引起比较器翻转，形成瞬时跳闸信号，微控制器接收此状态后立即关断功 率MOSFET；负载电流过载尚未达短路状态时，微控制器接收AD模数转换后 的电流信号，微控制器内部的软件跳闸算法进行反时限热量积累运算，得到热 量结果，将所述热量结果与设定的参考值比较，当达到保护限值时，微控制器 立即输出信号通过驱动电路控制关断功率MOSFET输出；负载电流负载在额 定值及以下，根据控制器命令控制功率MOSFET输出导通或者关断；微控制 器根据负载电流值大小、是否处于跳闸状态，指示相应的状态，经过信号隔离 电路对外输出；

所述软件跳闸算法进行反时限热量积累的运算公式为：

$V_A\left(n\right)=\frac{T}{T+\mathrm{RC}}[I_w^2\left(n\right)R+\frac{\mathrm{RC}}{T}{V}_A(n-1)]$

其中：T为采样时间，R为算法模型中的电阻，C为算法模型中的电容，V_A(n) 为第n次热量积累值，I_w(n)为第n次采样线路电流。

所述微控制器能够通过协议设计以总线串行通信方式工作；所述软件程序 中的跳闸时间参数R、C能够通过通信指令在线更改，以实现更改固态功率控 制器的线路功率等级。

本发明与传统配电开关、熔断器相比的优点在于：

(1)本发明实现配电开关控制，并且可以监测开关跳闸状态、监测负载线 路中电流的大小；

(2)本发明实现了软件跳闸算法实现反时限跳闸保护曲线，具有熔断器反 时限跳闸功能，并且可以根据情况实现线路复位，不需要更换线路保护器件；

(3)本发明可以在线更新微控制器内部跳闸保护参数，从而实现不同额定 电流的跳闸保护或者跳闸时间的更新；

(4)本发明基于电子元器件及微控制器内部程序，大大提高跳闸保护曲线 精确度、一致性；

(5)所述的软件跳闸算法是基于线路电流平方后的电流源对RC并联电路 充电，充电电压与参考电压比较。负载过流时会产生跳闸信号。

附图说明

图1是本发明电路原理图；

图2是现有技术中的熔断器示意图；

图3是实现本发明跳闸算法的电路原理图；

图4是不同负载电流下图3中A点电压波形；

图5是反时限跳闸曲线。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括：信号隔离电路1、隔离电源2、微控制器3、 AD模数转换器4、放大器5、比较器6、驱动电路7、检测电阻8和功率 MOSFET9。

本发明固态功率控制器控制输入与功率输出端电气隔离，可以实现开关控 制、状态监测、过流跳闸保护功能。

1、开关控制功能。隔离电源2接收外部5V供电后产生内部隔离5V、10V 电源，为整个控制器供电；外部控制命令经过信号隔离电路1产生隔离信号送 到微控制器3，微控制器3根据隔离信号的控制命令控制驱动电路7，驱动电 路7接收到驱动导通命令后驱动功率MOSFET9导通，线路电流经过检测电阻 8至负载，负载10得到配电。

2、过流跳闸保护功能。线路电流在检测电阻8上的电流压降经放大器5 调理放大分别进入比较器6与AD模数转换器4；负载10电流达到短路状态时， 调理后的电流信号引起比较器6翻转，形成瞬时跳闸信号，微控制器3接收此 状态后立即关断功率MOSFET9；负载10电流过载尚未达短路状态时，微控制 器3接收AD模数转换器4后的电流信号，微控制器3内部的软件跳闸算法进 行反时限热量积累运算，得到热量结果，将所述热量结果与设定的参考值比较， 当达到保护限值时，微控制器3立即输出信号通过驱动电路7控制关断功率 MOSFET9输出；负载10输出跳闸后将保持跳闸状态，直至通过控制命令对微 控制器进行复位，方可再次通过控制命令控制功率MOSFET9输出导通。

3、状态监测功能。状态监测可以分为负载线路电流状态监测、固态功率控 制器输出状态监测。负载电流状态监测是在正常工作过程中，微控制器3将检 测到的输出端线路电流与额定电流值的15％进行比较，超过额定电流的15％， 状态指示低电平；低于额定电流15％，状态指示高电平。可以以此判断开关闭 合负载线路是否异常或者断路。因负载线路电流过流，微控制器3处于跳闸状 态，微控制器3将跳闸状态通过信号隔离电路2指示输出。

微控制器3能够通过协议设计以总线串行通信方式工作；软件跳闸算法中 的跳闸时间参数R、C能够通过通信指令在线更改，以实现更改固态功率控制 器的线路功率等级。

本发明微控制器3内部的反时限跳闸算法理论与实现如下：

图2所示为现有技术中的熔断器的示意图。式(1)为发热导体功率与自 身温度的微分方程。P(t)为发热体自身功率，a为发热导体的升温系数，b为导 体的散热系数，θ(t)为t时刻导体温升。如果导体自身发热功率超过散热量将 会使导体温升升高，反之导体温升下降，直至达到发热与散热平衡。熔断器的 发热模型与工作原理可以用式(1)描述，当电流过载温升超过熔点后，熔断器 熔断保护线路。

$P\left(t\right)=a\frac{\mathrm{d\theta }\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+\mathrm{b\theta }\left(t\right)---\left(1\right)$

图3所示为实现本发明跳闸算法的电路原理图。工作原理为的线路电流值 经过乘法运算形成电流源输出，对RC并联电路充电，可以有等式(2)

$I_w^2\left(t\right)=C\frac{d{V}_A\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+\frac{V_A\left(t\right)}{R}---\left(2\right)$

类比式(1)与式(2)，等式(1)中P(t)即与电流平方成正比。调整 电阻R、电容C值即可使式(2)中电压V_A(t)模拟式(1)中的温升θ(t)。电路 中时间常数τ＝RC。因此得到模拟熔断器温升的电子电路，当V_A(t)电压超过参 考比较电压V_ref，即认为温升超过保护点，形成跳闸信号。

图4所示为不同电流源对RC并联电路充电的电压上升波形，即图3电路 中A点电压上升波形。电流曲线3及电流曲线4对应A点稳定电压没有超过参 考比较电压，因此不会形成跳闸信号。电流曲线1与电流曲线2的稳定电压会 超过参考电压V_ref，在电压上升过程达到V_ref即形成跳闸信号，断开输出端。

图5为不同时间常数τ＝RC和参考电压V_ref形成的反时限跳闸波形，τ₂＞τ₁。

微控制器3中的软件跳闸算法实现图3电路的功能，对等式(2)离散化， 采样时间T，可得式(3)，解得式(4)。根据等式(4)编写软件反时限跳闸程 序，即可实现保护算法。

$\frac{V_A\left(n\right)}{R}+C\frac{V_A\left(n\right)-V_A(n-1)}{T}=I_w^2\left(n\right)---\left(3\right)$

$V_A\left(n\right)=\frac{T}{T+\mathrm{RC}}[I_w^2\left(n\right)R+\frac{\mathrm{RC}}{T}{V}_A(n-1)]---\left(4\right)$

其中：T为采样时间，R为算法模型中的电阻，C为算法模型中的电容，V_A(n) 为第n次热量积累值，I_w(n)为第n次采样线路电流。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。