基于电热仿真的固态功率控制器设计与实现

发布时间：2017-10-07 12:22

  本文关键词：基于电热仿真的固态功率控制器设计与实现

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【摘要】：目前,航天飞行器正朝着多电化和全电化的趋势发展,其机载设备的数量随之增多,整个飞行器的功率等级也不断提升,这对飞机配电系统性能提出了更高的要求。而固态配电方式因其重量轻、体积小、自动化程度高等优势正逐渐取代传统的常规与遥控配电方式。固态功率控制器(Solid State Power Controller,简称SSPC)是固态配电系统的关键元器件,对其分析、设计及实现方法进行研究具有重要实际意义。本文对SSPC的动态开关过程进行研究,建立其电学行为模型,基于热学仿真及理论计算对开关过程功率损耗进行分析,在此基础上完成SSPC的软硬件设计与功能实验测试。主要工作如下:首先,基于行为模型研究SSPC的动态开关过程。依据SSPC的原理结构,基于Saber软件建立SSPC动态开关过程的电学行为模型,从理论和仿真两个角度分析其带阻性、容性以及感性负载时开关过程中的参数变化,研究浪涌电流与瞬态电压对SSPC带载能力的影响,从而得到合理的设计参数,为后续SSPC的设计与实现奠定基础。另外,基于PSIM建立完整的数字仿真模型,可为大型配电系统的集成仿真提供依据。其次,为避免浪涌电流引起过温失效,对SSPC功率开关管稳态过程及开通过程的损耗进行分析。基于Saber软件建立功率开关管的稳态热路模型以及开通过程中的瞬态热路模型,仿真得到功率开关管的结温,并与热路理论计算结果进行对比验证,保证其在合理温升范围内。另外,应用ANSYS有限元分析软件对功率开关管进行瞬态与稳态热分析,进一步验证热路分析结果。最后,在电热仿真的基础上,基于FPGA对直流28V、2A的SSPC进行软硬件设计,应用C#编写人机交互界面。通过实验测试SSPC的反时限过流保护曲线、开关指令控制、负载状态监测等功能模块,调试开通时间,以保证SSPC有足够的带载能力。本研究对国内SSPC的智能化发展具有一定的理论意义与工程价值,其电热仿真方法可推广应用到更大功率、更多通道SSPC的分析与设计中。
【关键词】：固态功率控制器 反时限保护 行为模型 热仿真 FPGA
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V442
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-18
• 1.1 课题的来源及研究的目的和意义9-11
• 1.2 课题的国内外研究现状11-15
• 1.2.1 SSPC国内外发展现状11-13
• 1.2.2 固态功率控制器电仿真模型的研究现状13-14
• 1.2.3 功率元器件损耗分析的研究现状14-15
• 1.2.4 国内外文献综述简析15
• 1.3 本文主要研究内容15-18
• 第2章 基于电仿真的SSPC动态开关过程建模分析18-41
• 2.1 引言18
• 2.2 固态功率控制器的原理18-21
• 2.2.1 固态功率控制器的结构原理18-19
• 2.2.2 固态功率控制器的反时限过流保护原理19-21
• 2.3 基于Saber的SSPC开关过程仿真分析21-25
• 2.4 不同负载下的动态开关特性仿真分析25-35
• 2.4.1 阻性负载25-28
• 2.4.2 容性负载28-32
• 2.4.3 感性负载32-35
• 2.5 基于PSIM的SSPC整体行为模型建立35-40
• 2.5.1 开关行为模型36-37
• 2.5.2 反时限保护行为模型37-40
• 2.6 本章小结40-41
• 第3章 基于热仿真的SSPC功率管损耗分析41-53
• 3.1 引言41
• 3.2 SSPC功率管损耗及温升的理论计算41-44
• 3.2.1 功率管瞬态温升理论计算41-43
• 3.2.2 功率管稳态温升理论计算43-44
• 3.3 基于热路模型的仿真分析44-48
• 3.3.1 瞬态热路模型仿真44-47
• 3.3.2 稳态热路模型仿真47-48
• 3.4 基于ANSYS的功率管热分析48-51
• 3.4.1 功率MOSFET器件的ANSYS三维模型48-49
• 3.4.2 功率MOSFET瞬态热分析49-50
• 3.4.3 功率MOSFET稳态热分析50-51
• 3.5 本章小结51-53
• 第4章 固态功率控制器的设计53-69
• 4.1 引言53
• 4.2 固态功率控制器的整体设计方案53-54
• 4.3 固态功率控制器的硬件设计54-58
• 4.3.1 MOSFET驱动及开关状态检测电路55-56
• 4.3.2 短路保护电路56-57
• 4.3.3 三级降栅压电路57-58
• 4.4 固态功率控制器的软件设计58-68
• 4.4.1 FPGA软件程序设计58-64
• 4.4.2 上位机软件程序设计64-68
• 4.5 本章小结68-69
• 第5章 固态功率控制器的测试与结果分析69-77
• 5.1 引言69
• 5.2 SSPC功能测试69-74
• 5.2.1 反时限过流保护测试69-71
• 5.2.2 上位机功能测试71-73
• 5.2.3 短路保护测试73-74
• 5.3 开通时间调试74-75
• 5.4 本章小结75-77
• 结论77-79
• 参考文献79-84
• 附录84-85
• 攻读学位期间发表的学术论文85-87
• 致谢87

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