一种船用低压大功率直流智能配电模块及其控制策略制造技术

本发明专利技术公开了一种船用低压大功率直流智能配电模块及其控制策略，其特征在于：包括功率电路、缓冲电路、检测电路、控制电路、驱动电路和辅助电源；用于将集中供电系统的供电电源分配给受电负载，同时实时监测供电电源、受电负载及其自身的工作状态，实现故障状态下的保护及报警，并通过CAN总线与上级监控系统进行信息交互，实现正常状态下的遥控通断、参数在线整定及故障解除后的远程复位。此外，具有大电流冲击负载下的快速限流能力和短路故障下的快速分断能力，相较于传统配电器件，具有负载管理智能化、故障响应快速化、故障影响最小化的特点，其输出电流定额可在线整定，适用于船用24V/27V低压直流配电系统中额定电流100A以下的所有配电场合。以下的所有配电场合。以下的所有配电场合。

【技术实现步骤摘要】
一种船用低压大功率直流智能配电模块及其控制策略


[0001]本专利技术涉及一种船用低压大功率直流智能配电模块及其控制策略，属于船用低压直流智能配电系统。

技术介绍

[0002]随着船舶系统自动化程度的不断提高，其对供配电质量、可靠性和容错能力等要求也越来越高，因此，必须采取合理有效的配电设计和保护，一方面，在冲击性负载启动时快速限流，避免集中式供电系统母线电压发生大幅跌落或出现配电支路误跳闸；另一方面，在发生故障时及时切除故障支路，确保故障不扩散、不蔓延，从而确保非故障系统的供电连续性。
[0003]目前，我国船舶领域广泛采用的配电器件仍然是熔断器、断路器、机电式热保护继电器、接触器等。基于这些传统配电器件的配电系统故障响应速度慢，且不具备限流功能，在共源负载出现大电流冲击或配电支路发生短路故障时，母线电压会大幅跌落，从而导致敏感性负载失电；此外，传统配电器件不具备对外通讯功能，致使监控系统无法获取配电支路运行状态及故障信息，从而增加了故障隔离及定位难度，且故障解除后需要人工闭合或更换，大大增加了管理和维护工程量，已不能满足船舶配电系统对信息化、数字化和智能化的要求。
[0004]船舶负载特性复杂，负载大小、位置及电缆走线多样，为避免出现误保护或母线电压跌落，必须做到状态识别精准、故障响应迅速，其动作时间必须严格控制在微秒级；而针对大电流冲击性负载，为保证其安全、可靠启动，不仅需要快速进入限流模式，且需在限流模式下持续运行一定时间，其瞬时耐受功率可高达数百kW，这对研制性能优异、运行稳定的直流智能配电模块提出了严峻挑战。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题是：针对
技术介绍
中现有技术方案的不足及船舶终端配电系统面临的技术挑战，提供一种低压大功率直流智能配电模块。
[0006]为解决上述问题，本专利技术的技术方案是提供了一种船用低压大功率直流智能配电模块，其特征在于：包括功率电路、缓冲电路、检测电路、控制电路、驱动电路和辅助电源；
[0007]所述功率电路，包括功率器件，用于将集中供电系统的供电电源分配给受电负载；
[0008]所述缓冲电路，包括电容C1和TVS二极管，以降低线路杂散电感造成的电压尖峰和系统中的浪涌电压，保护功率器件和负载免受电压冲击；
[0009]所述检测电路，包括检测电阻、热敏电阻和信号调理电路，实现输入输出电压、负载电流和工作温度的采集和调理，并反馈至控制电路；
[0010]所述控制电路，包括工作状态评测单元、通断控制单元、故障诊断单元、限流单元和通讯单元，根据所述检测电路提供的参数，判断供电电源、配电支路及自身的工作状态，发出控制指令至驱动电路，并实时上传运行状态及工作参数至监控系统；
[0011]所述驱动电路，用于接收控制电路提供的控制信号，实现功率放大，驱动功率器件进行动作；
[0012]所述辅助电源用于为直流智能配电模块各功能电路提供辅助供电。
[0013]优选地，所述功率电路包括功率器件、功率电阻R1、直流电源输入端和直流电源输出端；
[0014]所述功率器件由大功率、低通态阻抗MOSFET并联而成，MOSFET的漏极连接直流电源输入端，源极通过检测电阻Rs连接直流电源输出端，栅极连接驱动电路的输出端；
[0015]功率电阻R1连接在直流电源输出端和功率地之间，用于在直流智能配电模块关断时消除输出端浮压。
[0016]优选地，所述缓冲电路包括解耦电容C1、大功率TVS二极管Z1和大功率TVS二极管Z2；
[0017]解耦电容C1采用铝电解电容，连接在直流电源输入端和功率地之间；
[0018]TVS二极管Z1并联于功率MOSFET的漏、源极；
[0019]TVS二极管Z2连接在直流电源输出端和功率地之间。
[0020]优选地，所述检测电路包括检测电阻Rs、热敏电阻和信号调理电路；所述检测电阻Rs采用大功率、高精度贴片分流器，一端连接至功率MOSFET的源极，另一端连接直流电源输出端；
[0021]信号调理电路由高速运放组成。
[0022]优选地，所述控制电路采用数字和模拟混合控制，包括工作状态评测单元、通断控制单元、故障诊断单元、限流单元和通讯单元，用于实现正常工况下的缓开通和缓关断、大电流冲击性负载与短路工况的智能区分、限流及保护和过载时的I2t反时限保护功能，同时实时上传工作状态、运行参数及故障信息。
[0023]优选地，所述控制电路的数字控制部分采用基于DSP的最小系统，实现通断控制、通讯及输入过欠压、过温及I2t反时限分段保护；
[0024]模拟控制部分采用高速运放和逻辑器件，实现硬件限流控制和短路故障时的快速分断控制。
[0025]优选地，所述硬件限流控制采用比例调节电路，高速运放U1及电阻R1、R2、R3、R4组成调理电路对电流反馈信号进行放大处理，高速运放U2及电阻R5、R6、R7、R8组成比例调节电路，V
ref
经分压后接至高速运放U2的同相输入端，作为维持电流基准电压，高速运放U2的输出即为限流控制电压，高速运放U2的输出端经固态开关Q1与选通二极管D1连接。
[0026]优选地，当限流控制信号有效时，固态开关Q1导通，限流控制电压经选通二极管D1输出至功率MOSFET的控制电压连接端，此时控制电压V
c
经驱动电路连接至功率MOSFET的栅极，控制功率MOSFET进入线性区，将负载电流限制在设定值。
[0027]优选地，所述辅助电源包括EMI滤波器和隔离型DC/DC电源模块，将外部24V直流电压转换为
±
15V、+5V电压，为直流智能配电模块各功能电路提供辅助供电。
[0028]优选地，所述控制电路通过CAN通讯网络实时上传工作状态、运行参数及故障信息。
[0029]本专利技术的另一个技术方案是提供了一种船用低压大功率直流智能配电模块控制策略，应用于如上所述的一种船用低压大功率直流智能配电模块，其特征在于：
[0030]当负载电流小于1.1倍额定电流时，直流智能配电模块长期稳定运行；
[0031]当负载电流为1.1倍额定电流时，直流智能配电模块稳定运行1h后保护，切断配电支路并上传故障信息；
[0032]当负载电流大于1.1倍额定电流且小于1.25倍额定电流时，进入第一段I2t反时限保护曲线；负载电流越大，反时限延迟时间越短；
[0033]当负载电流为1.25倍额定电流时，直流智能配电模块稳定运行3min后保护，切断配电支路并上传故障信息；
[0034]当负载电流大于1.25倍额定电流且小于硬件限流值I
limit
时，进入第二段I2t反时限保护曲线，负载电流越大，反时限延迟时间越短；
[0035]当负载电流大于硬件限流阈值I
th
(3.5倍额定电流)时，硬件控制电路在微秒级做出判断，控制模块进入限流模式，恒流运行，将负载电流限定为设定限流值I...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种船用低压大功率直流智能配电模块，其特征在于：包括功率电路、缓冲电路、检测电路、控制电路、驱动电路和辅助电源；所述功率电路，包括功率器件，用于将集中供电系统的供电电源分配给受电负载；所述缓冲电路，包括电容C1和TVS二极管，以降低线路杂散电感造成的电压尖峰和系统中的浪涌电压，保护功率器件和负载免受电压冲击；所述检测电路，包括检测电阻、热敏电阻和信号调理电路，实现输入输出电压、负载电流和工作温度的采集和调理，并反馈至控制电路；所述控制电路，包括工作状态评测单元、通断控制单元、故障诊断单元、限流单元和通讯单元，根据所述检测电路提供的参数，判断供电电源、配电支路及自身的工作状态，发出控制指令至驱动电路，并实时上传运行状态及工作参数至监控系统；所述驱动电路，用于接收控制电路提供的控制信号，实现功率放大，驱动功率器件进行动作；所述辅助电源用于为直流智能配电模块各功能电路提供辅助供电。2.如权利要求1所述的一种船用低压大功率直流智能配电模块，其特征在于：所述功率电路包括功率器件、功率电阻R1、直流电源输入端和直流电源输出端；所述功率器件由大功率、低通态阻抗MOSFET并联而成，MOSFET的漏极连接直流电源输入端，源极通过检测电阻Rs连接直流电源输出端，栅极连接驱动电路的输出端；功率电阻R1连接在直流电源输出端和功率地之间，用于在直流智能配电模块关断时消除输出端浮压。3.如权利要求1所述的一种船用低压大功率直流智能配电模块，其特征在于：所述缓冲电路包括解耦电容C1、大功率TVS二极管Z1和大功率TVS二极管Z2；解耦电容C1采用铝电解电容，连接在直流电源输入端和功率地之间；TVS二极管Z1并联于功率MOSFET的漏、源极；TVS二极管Z2连接在直流电源输出端和功率地之间。4.如权利要求1所述的一种船用低压大功率直流智能配电模块，其特征在于：所述检测电路包括检测电阻Rs、热敏电阻和信号调理电路；所述检测电阻Rs采用大功率、高精度贴片分流器，一端连接至功率MOSFET的源极，另一端连接直流电源输出端；信号调理电路由高速运放组成。5.如权利要求1所述的一种船用低压大功率直流智能配电模块，其特征在于：所述控制电路采用数字和模拟混合控制，包括工作状态评测单元、通断控制单元、故障诊断单元、限流单元和通讯单元，用于实现正常工况下的缓开通和缓关断、大电流冲击性负载与短路工况的智能区分、限流及保护和过载时的I2t反时限保护功能，同时实时上传工作状态、运行参数及故障信息。6.如权利要求5所述的一种船用低压大功率直流智能配电模块，其特征在于：所述控制电路的数字控制部分采用基于DSP的最小系统，实现通断控制、通讯及输入过欠压、过温及I2t反时限分段保护；模拟控制部分采用高速运放和逻辑器件，实现硬件限流控制和短路故障时的快速分断控制。7.如权利要求6所述的一种船用低压大功率直流智能配电模块，其特征在于：所述硬件
限流控制采用比例调节电路，高速运放U1及电阻R1、R2、R3、R4组成调理电路对电流反馈信号进行放大处理，高速运放U2及电阻R5、R6、R7、R8组成比例调节电路，V
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【专利技术属性】
技术研发人员：杨祯，章建峰，张艳军，万鹏，戴训龙，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七零四研究所，
类型：发明
国别省市：