一种与熔断器寿命特性相匹配的固态功率控制器设计方法

技术领域

本发明涉及航空配电系统，属于配电系统、负载控制领域。具体涉及一种与熔断器寿命特性相匹配的固态功率控制器设计方法。

背景技术

固态功率控制器英文名称为Solid State Power Controller简化为SSPC，在飞机上应用已经有几十年的历史了，其原理是通过处理器发出驱动信号来驱动功率MOSFET的栅极从而实现MOSFET的开通关断，从而对负载功率回路进行通断控制，有因为它具备电流采集电压采集短路保护等功能，可以对负载电流进行监控并实现智能控制与保护负载功能，但是由于是功率MOSFET作为回路中的主要元器件，由于SSPC作为复杂集成电路设备，在对MOSFET的过流保护控制上可靠性不如传统热断路器，所以又过流保护失效的风险。

随着航空业发展，需要提升SSPC功率回路可靠性，保证在SSPC过流保护失效的情况下也可以保护后级线缆不被烧毁，在SSPC功率回路中串入熔断器，并保证当发生过流时，在固态功率控制器在功能正常的情况下，能及时跳闸保护，并且保护时间快于熔断器熔断时间，以免造成熔断器的误动作。

发明内容

本发明的目的是提供与熔断器特性匹配的具备热记忆功能固态功率控制器的设计方法，来提升固态功率控制器功率回路的安全性、可靠性和维修性，并更好的保护飞机线缆。

技术方案

一种与熔断器寿命特性相匹配的固态功率控制器设计方法，基于固态功率控制器而实现，固态功率控制器分为两部分，SSPC控制模块与功率回路，其中功率回路包括依次串联的MOS管、采样电阻和熔断器，SSPC控制模块包括微处理器、驱动模块、电流采集模块和熔断器电压采集模块，通过采集熔断器的上端与下端的电压，经熔断器电压采集模块进行数值转换后发送给微处理器，微处理器基于电压信号和电流采集模块采集到采样电阻的电流，判断何时向驱动模块输出跳闸信号，驱动模块根据跳闸信号控制MOS管的开闭。

具体步骤如下：

1.固态功率控制器内部具备熔断器状态采集模块，通过采集熔断器状态，完成对SSPC控制模块内微处理器内部过流保护算法的自适应调节，来保证当功率回路发生过流时，SSPC模块控制能及时控制MOS管关断，不会触发熔断器误动作。

2.熔断器状态采集模块，在熔断器上端与下端分别引线，将上端线与功率回路地线引入一个运算放大电路中，下端线与功率回路地线引入另一个运算放大电路中，通过两个运算放大电路，采集熔断器的输入电压与输出电压，并将信号输入值SSPC控制模块的微处理器中。

3.在SSPC控制模块的微处理器中提取熔断器输入电压值、熔断器输出电压值、电流采集值。然后可计算出熔断器的初始内阻值。

4.每一个电源周期重新计算一次当前电源周期的熔断器内阻值。然后将当前内阻值减去熔断器的初始内阻值，计算熔断器内阻值的偏移量。

5.将加速寿命试验的不同内阻状态的熔断器样本进行熔断特性试验，得出熔断器在不同寿命状态下的熔断特性，通过与热累积计算公式求出其对应的不同电流热累积系数a与电流热耗散系数b。将不同电流热累积系数a比原始电流热累积系数a0得出该寿命下的电流热累积衰减比例a’；将不同电流热耗散系数b比原始电流热耗散系数b0得出该寿命下的电流热耗散衰减比例b’。

6.根据针对熔断器不同内阻状态的熔断器样本进行熔断特性试验结果，将熔断器内阻变化以0.001刻度对应的运行试验结果时间与对应的电流热累积衰减比例a’和电流热耗散衰减比例b’记录到SSPC控制模块的微处理器中。判断如果偏移量小于0.001，则偏移量可忽略不计，SSPC过流保护程序原始热累积系数与SSPC过流保护程序原始热耗散系数保持不变；若偏移量大于0.001，通过读取存储在微处理器中的当前熔断器内阻对应的电流热累积衰减比例a’和电流热耗散衰减比例b’。

7.将电流热累积衰减比例a’乘以SSPC过流保护程序原始热累积系数，得到新SSPC过流保护程序热累积系数；将电流热耗散衰减比例b’乘以SSPC过流保护程序原始热耗散系数，得到新SSPC过流保护程序热耗散系数，该系数用于过流保护热累积过程计算。

8.当功率回路发生过流时，提取电流采样值，之后进行电流采样值校正，提取当前SSPC过流保护程序热累积系数与SSPC过流保护程序热耗散系数，计算当前热量值，并将当前热量值累积到总热量中，热累积次数加1后判总热量值是否大于热量上限，如果大于等于热量上限则记录当前热量值，关闭通道，记录热积累次数后计算保护时间。如果如果小于热量上限，则返回到计算当前热量值步骤，通过处理器定时器进行新一轮的热量累加计算，直到热量值大于等于热量上限。然后输出跳闸信号，计算保护时间。

9.将过流保护次数加1，记录过流保护次数，并判断过流保护次数是否大于等于熔断器I2t冲击试验次数，如果是，则输出熔断器更换告警信息，如果否，则直接结束。

进一步的，所述步骤1的熔断器，选用表贴型T型熔断器。

进一步的，所述步骤2的熔断器状态采集模块，其中使用的运算放大电路为正比例运算放大电路。

进一步的，所述步骤2的正比例运算放大电路其中包括单电源供电、轨对轨集成运算放大器芯片，与高精度比例系数运算电阻，通过设置电阻的阻值，从而设置运算放大电路的比例放大系数，将采集电路输入端口电压转换为微处理器能识别到得电压范围内，再通过微处理器内部换算，计算得出熔断器的输入电压与输出电压。

进一步的，所述步骤3的SSPC控制模块的微处理器，需选用至少具备3个ADC通道的微处理器芯片，以便对熔断器输入电压、熔断器输出电压、功率回路电流进行独立模拟量采集，需要选取存储空间大于512kb的微处理器芯片。

进一步的，所述步骤5的加速寿命试验，使用变加速因子寿命评估法，在加速老化试验中，选取m个间隔0.001欧姆电阻值，记录每个熔断器达到选型该电阻值及熔断或试验截止的时间和对应的熔体温度。

进一步的，所述步骤5的熔断器热累积计算公式，由熔体温升公式进行演化得出，其中熔体温升公式为：

其中：I为流过熔断器熔体的电流；

a为电流热累积系数，取决于熔体材料和截面积；

b为电流热耗散系数，取决于熔断器腔体的材料和厚度、熔体材料和截面积；

ΔT为熔体的温升，当温升到达熔体熔点时，熔断器熔断。

进一步的，所述步骤6、步骤8中的SSPC过流保护程序，其中模拟热累积过程算法公式为：

判据变为当X(i)≥X

其中：I为流过SSPC功率回路的电流；

其中X

其中：SSPC过流保护程序原始热累积系数为1，SSPC过流保护程序原始热耗散系数为k。

进一步的，所述步骤9中熔断器I2t冲击试验次数，通过熔断器I2t冲击试验得出，对熔断器进行大量样本的符合SSPC真实过流工况的I2t冲击试验，记录典型耐受次数结果，为熔断器I2t冲击试验次数。

技术效果

本发明一种与熔断器寿命特性相匹配的固态功率控制器设计方法，应用在航空领域，通过采集熔断器状态，实现具备热记忆功能的过流保护与熔断器特性相匹配，保证SSPC过流程序以熔断器寿命衰减的程度进行保护特性衰减，并且通过记录过流保护次数，在适当的时候输出熔断器更换告警信息来提示熔断器该进行更换了，保证当功率回路发生过流时，固态功率控制器能先于熔断器熔断进行过流关断保护，并且能实现针对熔断器这种有寿命的元器件进行自适应匹配，最终来实现对负载的智能控制与保护，提高飞机配电网络的可靠性。

该技术可针对各种大型或小型配电领域的多级功率保护自适应调节，通过对有寿命的保护器件进行状态采集与前期寿命试验，实现智能自适应的配电多级保护机制。提高整个配电网络安全性与可靠性。

附图说明

图1是与熔断器特性匹配的SSPC硬件原理框图

图2是与熔断器特性匹配的过流保护程序流程图

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述。以下所述仅为本发明一部分实施例，非全部实施例。基于本发明实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

1固态功率控制器具备熔断器状态采集模块，通过采集熔断器状态，实现具备热记忆功能的过流保护与熔断器特性相匹配，保证当功率回路发生过流时，固态功率控制器能先于熔断器熔断进行过流关断保护。

2.熔断器状态采集模块，在熔断器上端与下端分别引线，将上端线与功率回路地线引入一个运算放大电路中，下端线与功率回路地线引入另一个运算放大电路中，通过两个运算放大电路，采集熔断器的输入电压与输出电压。

3.通过采集熔断器状态，实现具备热记忆功能的过流保护与熔断器特性相匹配，将采集到的熔断器输入电压减去输出电压，得到熔断器的电压降，通过电流采集模块采集到功率回路的电流，通过在处理器中使电压降除以电流，得出熔断器的内阻值，熔断器内阻值的偏移值反应了的熔断器的熔断特性衰减变化。

4.在微处理器中记录下熔断器在不同过流电流值下的熔断时间，并且过流保护程序设定好的固态功率控制器的在不同过流电流值下的关断保护时间均小于熔断器熔断时间。

5.随着熔断器运行时间增加，熔断器内部会由于电子偏移造成空穴从而使内阻增大，使得熔断特性衰减。通过处理器采集熔断器的内阻变化值，乘预设好的加速因数，得出显著的熔断器内阻变化量。

6.通过采集熔断器状态，实现具备热记忆功能的过流保护与熔断器特性相匹配，其特征在于，通过熔断器内阻变化量，进行熔断器特性衰减量估算，将估算出的衰减量除以初始状态熔断特性，得出熔断器的特性衰减系数。

7.保证当功率回路发生过流时，固态功率控制器能先于熔断器熔断进行过流关断保护。根据熔断器特性衰减系数，计算固态功率控制器过流保护程序中的热累积系数，保证固态功率控制器过流保护计算过程以相同特性衰减系数进行衰减，从而使发生过流时关断始终快于熔断器熔断。

8.保证当功率回路发生过流时，固态功率控制器能先于熔断器熔断进行过流关断保护。，其特征在于，在固态功率控制器处理器程序中，记录全生命周期功率回路的发生过流的次数，并将熔断器I2t冲击寿命次数预设进处理器程序中，当记录全生命周期功率回路的发生过流的次数达到预设熔断器I2t冲击寿命次数的80％时，发出告警消息，提醒乘组即将达到熔断器I2t冲击寿命，应及时返厂更换熔断器。

一种与熔断器特性匹配的具备热记忆功能固态功率控制器，包括功率回路与SSPC模块两部分，功率回路包括依次串联的MOS管，采样电阻和熔断器，SSPC模块包括微处理器、驱动模块、电流采集模块和熔断器电压采集模块，通过采集熔断器的上端与下端的电压，经熔断器电压采集模块进行数值转换后发送给微处理器，微处理器基于温度信号和电流采集模块采集到采样电阻的电流，判断何时向驱动模块输出跳闸信号，驱动模块根据跳闸信号控制MOS管的开闭。

一种与熔断器特性匹配的具备热记忆功能固态功率控制器设计方法，其特征在于，固态功率控制器具备熔断器电压采集电路，通过采集熔断器状态，实现具备热记忆功能的过流保护与熔断器特性相匹配，保证当功率回路发生过流时，固态功率控制器能先于熔断器熔断进行过流关断保护。

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明

如图1所示，本发明通过此硬件原理框图实现，其中包括功率回路与SSPC两大部分，功率回路包括MOS管，采样电阻，熔断器串联在28V功率回路中，SSPC中包括微处理器、驱动模块、电流采集模块、温度传感器和熔断器电压采集模块。当功率回路中出现过流现象时，通过采样电阻采集的电流信号，进入SSPC中的电流采集模块中，经过信号调理与放大，将调理后的电流值发送到发送到微处理器中，在微处理器中通过软件算法实现I2t热积累，直到热积累达到上限值后，输出跳闸信号到驱动模块，驱动模块将驱动信号置低后，MOS管关断。通过熔断器电压采集模块采集到电压值并输出等效值到处理器中，处理器通过计算熔断器的内阻偏移量值对热累积系数进行调整从而达到与二级保护装置配合的控制效果。

如图2所示，处理器中过流保护根据熔断器状态自适应调整流程图，其中包括算法流程开始后，提取熔断器上端电压值、熔断器下端电压值、电流采集值。然后可计算初始熔断器内阻计算与记录，每个电源周期计算一次当前熔断器内阻计算，计算内阻值偏移量，判断如果偏移量小于0.001，则偏移量可忽略不计，SSPC过流保护程序原始热累积系数与原始热耗散系数保持不变；若偏移量大于0.001，读取存储在微处理器中的当前熔断器内阻对应的电流热累积衰减比例a’，读取存储在微处理器中的当前熔断器内阻对应的电流热累积衰减比例b’，将电流热累积衰减比例a’乘以SSPC过流保护程序原始热累积系数，得到新SSPC过流保护程序热累积系数；将电流热耗散衰减比例b’乘以SSPC过流保护程序原始热耗散系数，得到新SSPC过流保护程序热耗散系数。该系数用于过流保护热累积过程计算；提取电流采样值，之后进行电流采样值校正，判断状态是否为开通，如果否则进入关断后热耗散流程；如果是，则提取当前热积累与热耗散系数，计算当前热量值，并将当前热量值累积到总热量中，热累积次数加1后判总热量值是否大于热量上限，如果大于等于热量上限则记录当前热量值，关闭通道，记录热积累次数后计算保护时间。如果如果小于热量上限，则返回到计算热量步骤，进行新一轮的热量累加，直到热量值大于等于热量上限。然后输出跳闸信号，计算保护时间，并将过流保护次数加1，记录过流保护次数，并判断过流保护次数是否大于等于熔断器I2t冲击试验次数，如果是，则输出熔断器更换告警信息，如果否，则直接结束。

实施例1

一种与熔断器寿命特性相匹配的固态功率控制器设计方法，基于固态功率控制器而实现，固态功率控制器分为两部分，SSPC控制模块与功率回路，其中功率回路包括依次串联的MOS管、采样电阻和熔断器，SSPC控制模块包括微处理器、驱动模块、电流采集模块和熔断器电压采集模块，通过采集熔断器的上端与下端的电压，经熔断器电压采集模块进行数值转换后发送给微处理器，微处理器基于电压信号和电流采集模块采集到采样电阻的电流，判断何时向驱动模块输出跳闸信号，驱动模块根据跳闸信号控制MOS管的开闭。

具体步骤如下：

1.固态功率控制器内部具备熔断器状态采集模块，通过采集熔断器状态，完成对SSPC控制模块内微处理器内部过流保护算法的自适应调节，来保证当功率回路发生过流时，SSPC模块控制能及时控制MOS管关断，不会触发熔断器误动作。

2.熔断器状态采集模块，在熔断器上端与下端分别引线，将上端线与功率回路地线引入一个运算放大电路中，下端线与功率回路地线引入另一个运算放大电路中，通过两个运算放大电路，采集熔断器的输入电压与输出电压，并将信号输入值SSPC控制模块的微处理器中。

3.在SSPC控制模块的微处理器中提取熔断器输入电压值、熔断器输出电压值、电流采集值。然后可计算出熔断器的初始内阻值。

4.每一个电源周期重新计算一次当前电源周期的熔断器内阻值。然后将当前内阻值减去熔断器的初始内阻值，计算熔断器内阻值的偏移量。

5.将加速寿命试验的不同内阻状态的熔断器样本进行熔断特性试验，得出熔断器在不同寿命状态下的熔断特性，通过与热累积计算公式求出其对应的不同电流热累积系数a与电流热耗散系数b。将不同电流热累积系数a比原始电流热累积系数a0得出该寿命下的电流热累积衰减比例a’；将不同电流热耗散系数b比原始电流热耗散系数b0得出该寿命下的电流热耗散衰减比例b’。

6.根据针对熔断器不同内阻状态的熔断器样本进行熔断特性试验结果，将熔断器内阻变化以0.001刻度对应的运行试验结果时间与对应的电流热累积衰减比例a’和电流热耗散衰减比例b’记录到SSPC控制模块的微处理器中。判断如果偏移量小于0.001，则偏移量可忽略不计，SSPC过流保护程序原始热累积系数与SSPC过流保护程序原始热耗散系数保持不变；若偏移量大于0.001，通过读取存储在微处理器中的当前熔断器内阻对应的电流热累积衰减比例a’和电流热耗散衰减比例b’。

7.将电流热累积衰减比例a’乘以SSPC过流保护程序原始热累积系数，得到新SSPC过流保护程序热累积系数；将电流热耗散衰减比例b’乘以SSPC过流保护程序原始热耗散系数，得到新SSPC过流保护程序热耗散系数，该系数用于过流保护热累积过程计算。

8.当功率回路发生过流时，提取电流采样值，之后进行电流采样值校正，提取当前SSPC过流保护程序热累积系数与SSPC过流保护程序热耗散系数，计算当前热量值，并将当前热量值累积到总热量中，热累积次数加1后判总热量值是否大于热量上限，如果大于等于热量上限则记录当前热量值，关闭通道，记录热积累次数后计算保护时间。如果如果小于热量上限，则返回到计算当前热量值步骤，通过处理器定时器进行新一轮的热量累加计算，直到热量值大于等于热量上限。然后输出跳闸信号，计算保护时间。

9.将过流保护次数加1，记录过流保护次数，并判断过流保护次数是否大于等于熔断器I2t冲击试验次数，如果是，则输出熔断器更换告警信息，如果否，则直接结束。

进一步的，所述步骤1的熔断器，选用表贴型T型(慢断型)熔断器，保证熔断器能够在发生过流时保护线路的同时缓慢熔断，不易触发误动作。对熔断器的熔断特性的一致性有较高要求，需通过试验筛选熔断器熔断特性一致性较高的型号作为优选型号使用。

进一步的，所述步骤2的熔断器状态采集模块，其中使用的运算放大电路为正比例运算放大电路。

进一步的，所述步骤2的正比例运算放大电路其中包括单电源供电、轨对轨集成运算放大器芯片，与高精度比例系数运算电阻，通过设置电阻的阻值，从而设置运算放大电路的比例放大系数，将采集电路输入端口电压转换为微处理器能识别到得电压范围内，再通过微处理器内部换算，计算得出熔断器的输入电压与输出电压。

进一步的，所述步骤3的SSPC控制模块的微处理器，需选用至少具备3个ADC通道的微处理器芯片，以便对熔断器输入电压、熔断器输出电压、功率回路电流进行独立模拟量采集，需要选取存储空间大于512kb的微处理器芯片，以便存储熔断器试验结果数据。

进一步的，所述步骤5的加速寿命试验，使用变加速因子寿命评估法，因为熔体在加速老化试验过程中的温度会逐渐升高，随时间增加，加速因子也会逐渐变大，在加速老化试验中，选取m个间隔0.001欧姆电阻值，记录每个熔断器达到选型该电阻值及熔断或试验截止的时间和对应的熔体温度。

进一步的，所述步骤5的熔断器热累积计算公式，由熔体温升公式进行演化得出，其中熔体温升公式为：

其中：I为流过熔断器熔体的电流；

a为电流热累积系数，取决于熔体材料和截面积；

b为电流热耗散系数，取决于熔断器腔体的材料和厚度、熔体材料和截面积；

ΔT为熔体的温升，当温升到达熔体熔点时，熔断器熔断。

进一步的，所述步骤6、步骤8中的SSPC过流保护程序，其中模拟热累积过程算法公式为：

判据变为当X(i)≥X

其中：I为流过SSPC功率回路的电流；

其中X

其中：SSPC过流保护程序原始热累积系数为1，SSPC过流保护程序原始热耗散系数为k。

进一步的，所述步骤9中熔断器I2t冲击试验次数，通过熔断器I2t冲击试验得出，对熔断器进行大量样本的符合SSPC真实过流工况的I2t冲击试验，记录典型耐受次数结果，为熔断器I2t冲击试验次数。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。