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一种新型直流固态功率控制器行为模型

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提出一种适用于大型飞机电气系统数字仿真的直流(DC)固态功率控制器(SSPC)的行为模型.利用受控电压源控制SSPC两端电压按照线性规律变化以模拟SSPC的慢开通和慢关断特性.分析了该行为模型在稳态导通和稳态关断时的工作状态,考虑了实际直流SSPC的漏电流,对该模型进行了改进.分析该模型带各种负载的开通关断过程.在Saber软件中实现该行为模型,并通过仿真和实验验证其与各种性质负载的兼容性.快速性测试结果表明,相比基于真实结构和器件模型,该行为模型能够显著提高仿真速度和收敛性能.

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2012

No．1

航

Acta

空

学报

Jan．25

V01．33

129．137

Sinica

ISSN 1000．6893 ON

AeronautJca et Astronautica

1．1929／V

http：／／hkxb．buaa．edu．cn ．edu．cn

文章编号：1000—6893(2012)01—0129—09

一种新型直流固态功率控制器行为模型

阮立刚，王莉*

210016

南京航空航天大学电气工程系江苏省新能源发电与电能变换重点实验室，江苏南京

摘要：提出一种适用于大型飞机电气系统数字仿真的直流(DC)固态功率控制器(SSPC)的行为模型。利用受控电压

源控制SSPC两端电压按照线性规律变化以模拟SSPC的慢开通和慢关断特性。分析了该行为模型在稳态导通和稳态

关断时的工作状态．考虑了实际直流SSPC的漏电流．对该模型进行了改进。分析该模型带各种负载的开通关断过程。

在Saber软件中实现该行为模型，并通过仿真和实验验证其与各种性质负载的兼容性。快速性测试结果表明，相比基于

真实结构和器件模型，该行为模型能够显著提高仿真速度和收敛性能。

关键词：飞机电气系统；行为模型；仿真；固态功率控制器；负载兼容性

中图分类号：V242．3；TM56

文献标识码：A

目前大型飞机正朝着多电化和全电化的方向

发展[1_3]，其配电系统朝着分布式的固态自动配电

的方向发展。和常规配电以及遥控配电相比，固

态自动配电在减轻配电系统重量、提高综合控制

能力，保证电能质量，提高系统冗余容错能力以及

护更加依赖于先进的系统集成仿真技术。

目前大型飞机电气系统的集成仿真成为了国

内外研究的热点[1“11]，包括关键部件如发电机及

控制器、变压整流器、静止变流器、SSPC等的建

模。为了分析SSPC对系统性能的影响，评估系

统中出现过流或者短路故障时，SSPC如何对故

障进行保护和隔离，国内外学者对SSPC的数字

仿真模型展开了研究[1仉12。5。。文献[10-]通过对国

际空间站电力系统中直流SSPC的小信号建模，

发现当负载为功率变换器等恒功率负载时，

MoSFET的极间电容可能会导致整个系统不稳

定。文献[12]建立了一种考虑环境温度和导线温

度的模型，能够根据负载的电流、环境温度和导线

的温度决定过载时的跳闸保护时间。文献1-133利

用Saber软件的层次建模功能，对SSPC的实现

电路进行封装，建立了器件级模型，与实际的

SSPC性能有很好的一致性。文献[103、文献[12]

和文献C13]的建模方法基于实际结构和器件，其优

系统可靠性方面具有很大优势[4缶]。固态功率控

State Power

制器(Solid

Controller，SSPC)作为

固态自动配电系统中核心部件和终端的执行部

件，具有接通断开负载、故障保护和隔离、状态反

馈和自检等功能[7-9]。

大型飞机供配电系统结构和控制的规模、复杂

程度相比以往有了很大的提高，电气系统容量大大

增加，系统中使用大量的电力电子装置，带来了电

能质量的问题，包括：谐波畸变、电流浪涌、电压尖

峰等瞬态变化过程，这可能对设备的性能产生不利

的影响。许多问题在系统集成之前是不容易发现

的，在集成完成之后再对设计进行更改需要付出很

大的代价。因此大型飞机电气系统设计、研制和维

15：05

收稿日期：2011-02-22；退修El期：2011-03-19；录用日期：2011-09．29：网络出版时间：20”-10· 14

htmI

网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20111014．1505．001

基金项目：航空科学基金(20091952022)12010年南京航空航天大学研究生创新基地(实验室)开放基金

*通讯作者．Tel．‘025-84893497 E· malll ．edu．∞

DOI：CNKI：11-1929／V．20111014．1505．001

Ruan L

鳓焉格式I

etAstronaut／ca Sin／ca-2012．33

G．WangL．A novelbehavioralmodelofsolidstatepowercontroller．ActaAeronaut／ca

t|)|129-137．阮立戳。王韵．一种新型l漉固态功串控静J器行为模型．航空学报．2012。33(1)t 129．137．

万方数据

130

航

空

学报

Jan．25 2012 V01．33 No．1

点是能够准确地模拟实际的电气性能，并且对

SSPC的电路设计有比较好的指导作用。但是其缺

点也是显而易见的：由于在大型飞机配电系统中

SSPC的数量可以达到数百个，如果都采用基于实

际结构和器件的模型，那么必然会花费大量仿真时

间，甚至导致仿真不收敛而失败。因此基于实际结

构和器件的模型并不适用于大型飞机电力系统的

仿真。文献[143和文献[15]提出了一种行为建模

方法，不依赖于实际电路结构和器件，仿真速度快，

适用于大型复杂系统的仿真。该模型把SSPC当

做受控电流源来建模，虽然能够很好地处理纯阻性

负载和阻容性负载，但存在以下问题：

直流SSPC接收上位机的控制命令，通过控

制MOSFET的栅源电压实现负载的软接通和软

关断；当负载发生过流故障时，根据反时限保护曲

线跳闸；当出现短路故障时，可以在数十微秒内将

MOSFET关断，实现故障负载的隔离。从文献

[143和文献[15]中提供的美国Sensitron公司和

DDC公司的产品实验测试结果可以看出：一般直

流SSPC带纯阻性负载时，在负载开通和关断过

程中，负载电压是线性上升和下降的；带阻容性负

载时，开通过程中负载电压线性上升，关断过程中

负载电压非线性下降，且比阻性负载下关断得慢。

SSPC这种慢开通特性有利于减小容性负载开通

过程中的冲击电流，慢关断特性有利于减小感性负

载关断过程中的电压应力，因此SSPC的负载兼容

性较好。本文的重点是建立能够正确反映直流

SSPC软接通和软关断电气特性的行为模型。

①没有考虑实际SSPC的漏电流问题。

②需要实时检测负载阻抗的大小。当该模

型带阻感性负载时，由于电感电流初值为零，检测

负载阻抗得到无穷大的结果，出现奇异点，导致仿

真失败。

图2是本文提出的基于受控电压源的直流

SSPC行为模型，分为开关逻辑、斜坡信号产生、

功率回路、反时限过流检测和短路检测5个模块。

③当SSPC级联使用时，存在纯电流源割

集，这是电路仿真软件不善于处理的，如Saber和

MATLAB软件都无法处理这种情况。

为解决以上问题并正确模拟SSPC的慢开通

和慢关断特性，提出一种新的开环方式工作的行

为模型，模型简单且不需要检测负载阻抗的大小，

并且准确地模拟了带各种性质负载(包括阻感性

负载)的电气外特性。仿真和实验结果表明了该

模型的准确性和快速性。

1新型SSPC行为模型的提出

图1为一般直流SSPC的原理图，主要包括

电源模块、隔离控制电路、内部控制电路和功率部

分。功率部分由功率MOSFET和检测电阻组

成。内部控制电路包含MOSFET驱动电路、短

路保护电路、状态检测和锁存电路等。

图2基于受控电压源的直流SSPC行为模型原理图

Schematic

diagram

model based on

of DC SSPC behavioral

Fig．2

source

dependent voltage

开关逻辑模块将上位机发出的开通关断命令

C与反时限过流检测模块发出的过流关断信号T

以及短路电流检测模块发出的关断信号S进行

逻辑运算得到K。信号。K。为高电平时表示软

接通负载命令，K。为低电平则表示软关断负载

命令。

Power

supply

Bias

Powerin}

Internal

supply

mput

MOSFET

dnver

spupopwlleers

Current

Shortcircui

protectmn

scnslng

resistor

StatusI

Isolated

Status

circuit

Status

control

_oPowerout

Control

COmman

and _state

feedback

Latchcs

当负载出现过载时，反时限过流检测模块发

出低电平T给开关逻辑模块；当负载出现短路故

障时，短路检测模块发出低电平命令S给开关逻

辑模块，并使K如。在微秒时间内从1下降到0，而

Bias

supply

ground

图1直流SSPC原理图

SSPC

ot DC

Fig．1 Schematic

diagram

万方数据

131

阮立刚等：一种新型直流固态功率控制器行为模型

未检测到短路故障时K小。。=1。K。胁从1下降到

0的时间即为SSPC的短路保护时间。

功率模块由理想二极管D1、受控电压源U抽

和电阻R。。构成。D1是为了保证SSPC的单向导

电性。电阻R。是为了模拟实际SSPC的导通电

阻，可从产品数据手册中查到。受控电压源的电

压由斜坡信号产生模块的K州tch、短路检测模块

产生的K鼎。。和汇流条电压V。u。运算得到。

斜坡信号产生模块与功率模块的受控电压源

Ud，。负责控制负载电压的上升和下降。因为汇流条

电压‰ 。等于SSPC电压降‰ Pc与负载电压降

Ⅵ。。之和，通过控制SSPC的电压降按照线性规律

变化也就完成了对负载电压线性变化的控制。

图3(a)是斜坡信号产生模块的原理图，输入

信号为K。，输出信号为K。咖。。积分环节带有上

下限幅，上限幅值为1，下限幅值为0，积分器的初

值设为零。

(a)Schematic diagram

(b)Workingprinciple

图3斜坡信号产生模块原理图和波形

Schematic

and

working principle

Fig．3

diagram

block

ramp generating

当SSPC处于稳态开通状态时，K。咖h一1，

SSPC中流过正向的电流，而理想二极管D1的压

降UD。一0，所以式(4)变为

To。和L。是开通和关断时间，可从数据手册

中查到。若t。时刻发出开通命令，K。为逻辑高

电平，选择开关输入指向1／To。；t。时刻发出关断

命令，K。为逻辑低电平，选择开关输入指向1／

To¨ 输出信号K椭。“为

(6)

Vl州=VBUS一尺。。fssPc

从式(6)可以看出SSPC等效为一个开路电

压为V。u。、内阻为R。。的电压源。这和SSPC的实

际特性一致，如图4所示。

Kswitch

上ur

During

Steady

During

Steady

operation

state

导 E0,11

。-立

‰ K

氏。I

off

operation

1一导 E0,1]

斗

如圭

一

off state

(1)

图4 图2中行为模型稳态开通时的等效电路

K。和K椭。h的时序关系如图3(b)所示。根

据图2可得

circuit of behavioral model in dur—

Fig．2

Fig．4

Equivalent

ing steady

on state

(2)

Ud，。一VBus—K。}-ortK。。itchVBus

Vt。d=VBUS—UDl一Ud，。一R。JSsPc

K曲。rtKswitchVBus—UDl一R。。j豁Pc

当SSPC处于稳态关断状态时，K棚。h=0，

Um=Vaus，因此功率回路的电压源之和为零。所

以IssPc=0，UDl=0，得到

(3)

式中：UDl为D1的正向压降；Isspc为SSPC的电

流。不发生短路故障时，K。h。=1，式(3)变为

(7)

Vl。d=0VBus—R。。J鹞pc=0

(4)

Vl。d=KswitchVBus—UDl—R。。J船Pc

可以看出负载电压虽然为零，但此时SSPC

等效为一个开路电压为零、内阻为R。。的电压源。

所以该模型在稳态关断状态下和实际SSPC关断

时的高阻抗特性不一致，为此对图2所示模型进

行改进，得到图5所示的改进的行为模型。

若忽略【，D。和R。。上的压降，可以得出

、，l。．d=KswltchVBus

(5)

从式(1)和式(5)可以看出，负载电压是线性

上升和下降的。

万方数据

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