基于混合信號狀態機的交流固態功率控制器功能模型

阮立剛，王莉，葉家瑜，楊善水

南京航空航天大學 自動化學院 電氣工程系 多電飛機電氣系統重點實驗室，南京 210016

基于混合信號狀態機的交流固態功率控制器功能模型

阮立剛，王莉*，葉家瑜，楊善水

南京航空航天大學 自動化學院 電氣工程系 多電飛機電氣系統重點實驗室，南京 210016

提出了一種基于混合信號狀態機的交流(AC)固態功率控制器(SSPC)功能模型。通過分析交流SSPC工作特點和工作模態得出其狀態轉換規律和阻抗變化規律。定義了交流SSPC的3個穩定狀態、4個中間轉換狀態和11個狀態轉換函數以描述交流SSPC在穩態導通和關斷、零電壓開通、零電流關斷以及短路故障關斷過程中的阻抗轉換規律。討論了交流SSPC短路故障關斷的兩種方式：“立即關斷”和“零電流關斷”的功能級建模方法。利用Saber軟件的混合信號狀態機建模工具StateAMS實現了該模型，并與兩種短路關斷方式交流SSPC實驗結果對比驗證了模型準確性。模型仿真速度測試結果對比表明該模型能夠顯著提高仿真效率。

飛機配電系統；固態功率控制器；功能模型；混合信號狀態機；零電壓開通；零電流關斷；短路故障保護

目前在飛機、航天器、艦船和軍用車輛等領域均存在采用固態功率控制器(Solid State Power Controller, SSPC)替代傳統接觸器、斷路器等機械式配電裝置的趨勢[1]。SSPC具有接通斷開負載、故障隔離、狀態反饋和自檢測等功能，當SSPC接通或斷開功率電路，能夠限制負載起動沖擊電流、開關電壓電流應力；在線路過載時，SSPC按照I2t反時限曲線跳閘斷開，保證線路和負載不過熱；在線路或者負載發生短路故障時，SSPC首先將故障電流限制住再關斷SSPC進行故障隔離[2]。大型飛機電氣系統結構和控制規模、復雜度相比以往大大提高，其設計、研制更加依賴集成仿真技術。大型飛機電氣系統的建模和集成仿真是國內外研究熱點[3-5]。由于在大型飛機配電系統中直流和交流SSPC的數量可達數百至千個，若在系統級集成仿真時采用器件級模型，則系統模型過于復雜、仿真速度慢，且極容易不收斂。文獻[6-9]針對上述問題開展了直流SSPC行為級/功能級建模方法研究，基本原則是：① 模型必須較準確地模擬SSPC的開關和保護性能，評估SSPC的開關特性、故障保護特性對負載和系統電能質量、穩定性的影響，并不關心實際電路結構和器件細節。② 具有足夠快的仿真速度，以滿足大型飛機、航天器和艦船復雜電氣系統的仿真需求[4-9]。交流SSPC主要應用于飛機和艦船交流配電系統對交流負載進行控制和保護[10-11]。目前尚無關于交流SSPC行為級/功能級建模研究的公開報道。本文擬建立交流SSPC的功能級仿真模型：首先要求該模型能夠體現交流SSPC帶各種性質負載開關過程、故障保護過程中的電氣外特性；其次，希望該模型相比于器件級模型能夠簡化和提煉本質特征，從而大幅提高仿真速度；最后，從使用方便性的角度出發，希望該模型具有一定通用性，能夠適應各種類型的交流SSPC，具有良好的可配置性。本文在分析交流SSPC各種工作過程中阻抗變化規律的基礎上，提出一種基于混合信號狀態機的交流SSPC功能模型，仿真和實驗結果驗證了模型的準確性和快速性。

1 交流SSPC特點和工作狀態分析

1.1 過零點開關過程阻抗特性分析

交流SSPC最突出的特點是具有零電壓開通(Zero Voltage Switch-ON, ZVS-ON)和零電流關斷(Zero Current Switch-OFF, ZCS-OFF)特性。零電壓開通指SSPC在電源電壓過零點處接通負載，減小開通時負載端du/dt，抑制開通容性負載時的沖擊電流。零電流關斷指SSPC在電流過零點處將負載從電源斷開，可以抑制關斷過程的di/dt，減小感性負載和線路寄生電感引起的電壓應力。目前有多種方法實現交流SSPC零電壓開通和零電流關斷。

目前最廣泛應用的控制方法是基于雙MOSFET反串聯主拓撲和檢測過零點開關控制策略或者“自然過零開關”控制策略[10-15]。這兩種控制方法在零電壓開通和零電流關斷的控制效果上基本一致，本文以基于雙MOSFET反串聯主拓撲和“自然過零開關”控制策略的交流SSPC進行工作狀態分析，并得出交流SSPC阻抗變化的一般規律。

圖1為帶有限流支路的交流SSPC主電路，Q1和Q2反串聯構成主支路，Q3和Q4與限流電阻Rlimit組成并聯限流支路。主支路利用Q1和Q2的體二極管實現不需要過零點檢測的“自然零電壓開通”和“自然零電流關斷”[15]。其中限流支路只針對部分交流SSPC使用場合才進行配置，例如交流SSPC主支路功率器件容量有限、限流能力不足時[14]。

根據交流SSPC工作原理，本文定義了3個穩定工作狀態(S1～S3)和4個中間轉換工作狀態(S4～S7)，其中狀態S4和狀態S5用于描述交流SSPC的過零點開關中間轉換過程。

1) 狀態S1，關斷態：Q1～Q4均關斷，交流SSPC的漏電流為微安到毫安級別，一般呈現數百千歐至兆歐級阻抗(ROFF)。

2) 狀態S2，導通態：Q1～Q4均導通處于歐姆電阻區，交流SSPC呈現毫歐級阻抗(RON)。

3) 狀態S3，限流態：Q1～Q2關斷，Q3～Q4導通，交流SSPC呈現限流支路的阻抗(Rlimit)。

圖1 帶有限流支路的交流(AC) SSPC主電路Fig.1 Alternating current (AC) SSPC main circuit with a current-limiting branch

圖2 交流SSPC零電壓開通和零電流關斷Fig.2 ZVS-ON and ZCS-OFF operation of AC SSPC

4) 狀態S4，從關斷態到導通態的零電壓開通過程(S1→S4→S2)。如圖1和圖2所示，若開通命令SSPC-CMD(開關控制信號)發出時刻(t1)功率輸入電壓為正，則立即先開通Q2，回路仍然保持關斷；等待功率輸入電壓變為負時，Q1的體二極管實現功率電路的“自然零電壓開通”(t2)，然后再零電壓開通Q1(t3)。若開通命令發出時刻功率輸入電壓為負，則先開通Q1，回路也仍保持關斷；等待功率輸入電壓變為正時，Q2的體二極管實現功率電路“自然零電壓開通”，此時零電壓開通Q2。

因此，總結上述零電壓開通過程中交流SSPC阻抗RSSPC變化規律是：接收到開通命令時，保持交流SSPC兩端電壓VSSPC當前電壓阻斷方向的阻抗不變(ROFF)，但是將反方向的阻抗變為RON，此時交流SSPC維持關斷狀態；當VSSPC極性變換時，交流SSPC阻抗即為RON完成零電壓開通；然后將接收到開通命令時刻電壓阻斷方向的阻抗也變為RON。

5) 狀態S5，從導通態到關斷態的零電流關斷過程(S2→S5→S1)。如圖1和圖2所示，若關斷命令發出時刻SSPC電流為負時(t4)，則立即先關斷Q1，回路由Q1體二極管保持導通；等待SSPC電流極性從負變正時(t5)，Q1的體二極管的單向導通性實現“自然零電流關斷”，然后零電流關斷Q2(t6)。當關斷命令SSPC-CMD發出時刻SSPC電流為正時，則先關斷Q2，回路由Q2體二極管保持導通；等待SSPC電流極性從正變負時，Q2的體二極管的單向導通性實現“自然零電流關斷”，然后零電流關斷Q2。

總結上述零電流關斷過程中交流SSPC阻抗RSSPC變化規律可以表述如下：接收到關斷命令時，保持當前電流方向的阻抗不變(RON)，但是將當前電流反方向的阻抗變為ROFF，此時交流SSPC維持導通狀態；當電流極性變換時，交流SSPC阻抗即為ROFF完成零電流關斷；接著將接收到關斷命令時刻的電流方向的阻抗也變為ROFF。

1.2 短路故障關斷工作過程阻抗特性分析

在交流SSPC負載發生短路故障或者起動沖擊性負載時，SSPC和線路將出現比較大的電流，SSPC通常首先將線路電流限制在可以接受的水平。若在允許的限流維持時間內(Tlimit)該電流幅值逐漸下降到正常水平，則SSPC退出限流、恢復到導通狀態。如圖3和圖4所示，若在允許的限流維持時間內(Tlimit)故障電流繼續存在，則判定發生短路故障，并關斷SSPC。而此時交流SSPC短路故障關斷的方式分為兩種，即等待故障電流的過零點關斷(以下稱為方式A)，或者在判斷出短路故障后立即關斷(以下稱為方式B)。這兩種短路故障關斷的方式在本文的建模中均予以考慮。本文定義狀態S6和狀態S7分別描述這兩種短路故障保護關斷方式：

1) 狀態S6：短路故障時，交流SSPC從限流態(S3)到零電流關斷(S6)，再完全關斷(S1)。

2) 狀態S7：短路故障時，交流SSPC從限流態(S3)或者導通態(S2)立刻進入到電流線性下降的關斷狀態(S7)，再完全關斷(S1)。

圖3 短路故障零電流關斷Fig.3 ZCS-OFF during short fault

圖4 短路故障立即關斷Fig.4 Instant switch-off during short fault

圖3為交流SSPC故障限流故障后在過零點關斷(方式A)的波形示意圖。圖3中t7時刻之前，交流SSPC處于導通狀態(S2)，SSPC阻抗為導通態阻抗(RON)；在t7時刻檢測到SSPC電流ISSPC超出設定值Limiting_TH，則SSPC阻抗立刻從導通態阻抗(RON)變為限流態阻抗(Rlimit)、進入到限流狀態S3(t8時刻)，從而抑制故障電流。若經過Tlimit時間后判斷出短路故障(t9時刻)，則在t9時刻發出故障關斷指令，開始進入到自然零電流關斷的工作模式(S3→S6→S1)，等待SSPC電流ISSPC在下一個過零點(t10時刻)再完全關斷，此時RSSPC=ROFF。方式A的顯著優點是SSPC在短路故障關斷時理論上沒有附加電壓應力。但由于需要等待交流電流過零點，故障限流存在時間可能多出半個電源周期，所以SSPC功耗較大。

圖4中t11～t12時間為交流SSPC以方式B進行短路故障保護關斷的波形示意圖，對應狀態S7。與方式A不同之處在于：SSPC通過增加其自身的阻抗RSSPC，迫使故障電流ISSPC在幾十到幾百微秒內被拉斷至零(t11～t12)。當SSPC阻抗RSSPC增大到關斷阻抗ROFF時，SSPC完全關斷。假設在此過程中故障電流近似地按照線性規律下降，交流SSPC功率器件額外承受一部分正比于di/dt的電壓應力。因此按照方式B短路故障關斷時電壓應力略高，必須控制故障關斷時(t11～t12)的電流下降速率di/dt，否則可能在SSPC功率器件上引起過高的電壓應力、導致功率器件雪崩擊穿。在實際應用中也有較多的交流SSPC并不帶限流支路，在檢測到大電流時不進行限流[10,12-13]，或利用主支路功率管維持極短時間的限流[15-16]，然后按照方式B進行故障保護關斷。

方式B的優點是故障隔離速度快，通常不具有限流支路，直接利用主支路的功率管工作在線性工作區實現故障立即關斷。如圖5所示，當短路故障電流發生電源極性正半周、由功率MOSFET-Q1完成立即關斷時，MOSFET-Q1處于線性飽和工作區，其漏極ID(Q1)即SSPC電流ISSPC與其柵極電壓VGS(Q1)存在如下關系[16-17]：

(1)

圖5 MOSFET-Q1短路故障立即關斷Fig.5 Instant switch-off operation during short fault by MOSFET-Q1

式中：μn為功率MOSFET電子遷移率；Cox為其單位面積柵極電容；W/L為其溝道寬長比；VGS(th)為其開啟電壓。根據式(1)，該過程中Q1及交流SSPC可視為由柵極電壓VGS(Q1)控制的電流源。通過對VGS(Q1)的控制，SSPC電流ISSPC按照近似線性規律下降到零。因此交流SSPC短路故障立即關斷過程適合被當作線性下降的受控電流源建模。

2 交流SSPC功能模型

2.1 建模方法

本文提出采用混合信號狀態機(Mixed-Signal State Machine)描述交流SSPC的在控制命令和故障條件下的工作狀態變化和阻抗響應規律，從而建立交流SSPC功能模型。

混合信號狀態機是基于狀態圖(State Chart)和方程的建模方法，能夠在不同的建模層次描述具有復雜工作狀態、包含模擬、數字和功率混合信號的對象行為特性[17-20]，而交流SSPC恰好具有這樣的特點。支持該方法的建模語言包括Saber-MAST, VHDL-AMS, Verilog-AMS和Modelica等，在Saber軟件和MATLAB中均提供了可視化建模工具StateAMS和Stateflow[19-20]。

如圖6所示，本文提出的交流SSPC混合信號狀態機模型中包括以下幾個部分：數字邏輯部分、反時限過流檢測部分、限流和短路故障檢測部分以及阻抗狀態轉換部分。

SOMS信號用于根據具體問題設置交流SSPC模型的短路故障關斷模式：當SOMS=0時，該模型按照狀態S6定義的方式關斷(電流過零點關斷)；當SOMS=1時，該模型按照狀態S7定義的方式關斷(立即關斷)。OL_Trip為過流故障邏輯脈沖信號(下降沿有效)，Short_Trip為短路故障邏輯脈沖信號(下降沿有效)。ZeroON/OFF為過零點開關指令：當ZeroON/OFF=1時，SSPC零電壓開通；當ZeroON/OFF=0時，SSPC零電流關斷。ShortOFF為短路故障立即關斷指令，當ShortOFF=0時，表示需要SSPC進行短路故障立即關斷。Limiting為限流邏輯指令，當Limiting=1時表示SSPC需要進入限流狀態S3。

圖7為阻抗狀態轉換部分，是交流SSPC模型的核心，其中包括了前述定義的7個狀態S1～S7。在此基礎上定義描述每個狀態下阻抗變化規律的狀態方程(State Functions)，以及描述7個狀態之間相互轉換條件的11個狀態轉換函數(Transition Function)。根據第1部分對交流SSPC工作狀態和阻抗變化規律的分析，設計狀態方程和狀態轉換函數如2.2節和2.3節所示。

圖6 交流SSPC功能模型功能框圖Fig.6 Block diagram of functional model for AC SSPC

圖7 阻抗狀態轉換部分Fig.7 Transition part of impedance state

2.2 狀態方程

S1～S3的狀態方程定義如式(2)～式(4)，其中ROFF、RON和Rlimit分別為交流SSPC關斷態S1、導通態S2和限流態S3的電阻值。

ISSPC(t)=VSSPC(t)/ROFF

(2)

ISSPC(t)=VSSPC(t)/RON

(3)

ISSPC(t)=VSSPC(t)/Rlimit

(4)

S4～S6的狀態方程被設計為

RSSPC(t)=[1+

sign(VSSPC(t1))sign(VSSPC(t))]ROFF/2+

[1-sign(VSSPC(t1))sign(VSSPC(t))]RON/2

(5)

RSSPC(t)=[1+

sign(ISSPC(t4))sign(ISSPC(t))]RON/2+

[1-sign(ISSPC(t4))sign(ISSPC(t))]ROFF/2

(6)

RSSPC(t)=[1+

sign(ISSPC(t9))sign(ISSPC(t))]Rlimit/2+

[1-sign(ISSPC(t9))sign(ISSPC(t))]ROFF/2

(7)

式中：RSSPC(t)為交流SSPC電阻值。

式(5)中利用符號函數sign(·)實現交流SSPC零電壓開通功能：如圖8所示，當功率輸入端電壓方向未改變時，即VSSPC(t)與VSSPC(t1)符號相同時，SSPC保持關斷RSSPC(t)=ROFF，其中VSSPC(t1)表示在S1狀態下、過零點開關指令從0變化到1時(t1時刻)交流SSPC功率輸入和功率輸出電壓差；當VSSPC(t)極性由正變負或者由負變正時，RSSPC(t)=RON，即SSPC進入導通狀態S2。

式(6)實現交流SSPC零電流關斷功能：當SSPC電流ISSPC方向不變時，即VSSPC=RONISSPC方向不變時，SSPC維持導通，RSSPC(t)=RON。如圖9所示，當SSPC電流ISSPC極性由正變負或者由負變正時(t4)，SSPC關斷，即RSSPC(t)=ROFF。類似地，式(7)描述交流SSPC從限流態(Rlimit)零電流切換到關斷狀態(ROFF)。

如前述分析，在狀態S7中交流SSPC適合被當作受控電流源建模，因此S7的狀態方程被設計為式(8)，即從當前故障電流ISSPC(t11)在Tf時間內線性下降到零：

圖8 零電壓開通過程阻抗變化建模Fig.8 Modeling of impedance transition during ZVS-ON

圖9 零電流關斷過程阻抗變化建模Fig.9 Modeling of impedance transition during ZCS-OFF

ISSPC(t)=ISSPC(t11)[1-(t-t11)/Tf]

(8)

式中：ISSPC(t11)表示在S3狀態下、ShortOFF從1變化到0的時刻(圖4中t11時刻)的交流SSPC電流瞬時值；Tf為用戶根據實驗數據或者產品手冊設定的短路電流下降時間，典型值為25～100 μs。

2.3 狀態轉換函數

共定義了11個狀態轉換及相應的狀態轉換函數(TF1～TF11)如下。當狀態轉換函數條件被滿足時，相應的狀態轉換即被觸發，使SSPC工作狀態發生變化。

1) 狀態轉換S1→S4：狀態轉換函數TF1為(ZeroON/OFF=1)&(ShortOFF=1)&(Limiting=0)=1。

2) 狀態轉換S4→S2：狀態轉換函數TF2為sign[VSSPC(t1)]+sign[VSSPC(t)]=0,VSSPC(t)電壓極性反向時，進入導通態S2。

3) 狀態轉換S2→S5：狀態轉換函數TF3為(ZeroON/OFF=0)&(ShortOFF=1)&(Limiting=0)=1。

4) 狀態轉換S5→S1：狀態轉換函數TF4為sign[ISSPC(t4)]+sign[ISSPC(t)]=0。電流極性反向時，進入關斷態S1。

5) 狀態轉換S2→S3：狀態轉換函數TF5為(ZeroON/OFF=1)&(ShortOFF=1)&(Limiting=1)=1。

6) 狀態轉換S3→S2：狀態轉換函數TF6為(ZeroON/OFF=1)&(ShortOFF=1)&(Limiting=0)=1。

7) 狀態轉換S3→S6：狀態轉換函數TF7為(ZeroON/OFF=0)&(ShortOFF=1)&(Limiting=1)=1。

8) 狀態轉換S6→S1：狀態轉換函數TF8為sign[ISSPC(t9)]+sign[ISSPC(t)]=0。 故障電流極性反向時，進入關斷態S1。

9) 狀態轉換S3→S7：狀態轉換函數TF9為ShortOFF=0。SSPC從限流狀態S3進入S7，故障電流線性下降到零。

10) 狀態轉換S2→S7：狀態轉換函數TF10為ShortOFF=0。 SSPC從導通態S2進入S7，故障電流線性下降到零。S2→S7用于描述不帶限流功能的交流SSPC的短路故障立即關斷的特性。

11) 狀態轉換S7→S1：狀態轉換函數TF11為ISSPC(t)=0.即當SSPC電流下降到零后，SSPC進入完全關斷態S1。

3 模型實現和驗證

3.1 模型準確性驗證

采用Saber軟件中可視化建模工具StateAMS實現本文提出的功能模型。選擇的兩款交流SSPC的功能和主要參數如表1所示。其中SSPC-A具有限流支路，短路故障時立即限流，并在電流過零點關斷；SSPC-B沒有限流支路，在短路故障時控制其故障電流近似線性下降立即關斷。

根據實驗測試結果對功能模型進行配置，實驗波形與模型仿真波形的對比如圖10～圖14所示。

圖10為交流SSPC-A零電壓開通阻容性負載的實驗和仿真波形。交流SSPC-A在開通命令發出后半個電源周期內VSSPC的過零點開通，SSPC兩端電壓VSSPC和功率輸出端電壓VPowerout均從零開始上升，抑制開通起動阻容性負載的沖擊電流。從ISSPC波形可以看出，幾乎沒有沖擊電流。

圖11為交流SSPC-A零電流關斷阻感性負載的實驗和仿真波形。交流SSPC-A在關斷命令發出后半個電源周期內的電流ISSPC過零點關斷，從VSSPC的波形可以看出，沒有任何附加電壓應力。

圖12為交流SSPC-A開通單相不控整流橋負載的波形。整流橋輸出濾波電容為2 200 μF，負載為27 Ω。雖然SSPC-A在零電壓VSSPC過零點開通、VPowerout從零開始上升，但由于負載濾波電容過大，所以出現了沖擊電流，導致SSPC-A進入限流狀態(S3)，在整流橋濾波電容電壓逐漸升高后，SSPC-A恢復到導通狀態(S2)。

表1 驗證模型的兩款交流SSPCTable 1 Two AC SSPCs for model verification

圖10 SSPC-A開通阻容性負載波形Fig.10 Waveforms during ON operation of SSPC-A with resistive and capacitive load

圖13中SSPC-A在正常導通狀態下負載突然被短路，進入限流態(S3)限制故障電流，8 ms后判斷出短路故障進入零電流關斷狀態(S6)，在電流過零點關斷、進入關斷態(S1)。S3和S6狀態下限流維持時間Tlimit總計13 ms，約為3/4個電源周期。

圖11 SSPC-A關斷阻感性負載波形Fig.11 Waveforms during OFF operation of SSPC-A with resistive and inductive load

圖12 SSPC-A開通不控整流橋負載波形Fig.12 Waveforms during ON operation of SSPC-A with uncontrolled rectifier load

圖13 SSPC-A短路故障過零點關斷波形Fig.13 Waveforms during SSPC-A ZCS-OFF operation after short fault

圖14中SSPC-B的負載突然被短路，SSPC-B檢測到ISSPC大于50 A時，從導通狀態S2進入狀態S7，故障電流開始近似線性下降，最后進入關斷高阻抗狀態。

從圖10～圖14的實驗和仿真結果對比可見，本文提出的交流SSPC功能模型可以很好地模擬實際交流SSPC的各種負載條件下的開關性能和故障保護特性。

圖14 SSPC-B短路故障立即關斷波形Fig.14 Waveforms during SSPC-B instant switch-off operation after short fault

3.2 模型仿真速度測試

在Saber軟件中搭建圖15所示的模型測試平臺，測試N個交流SSPC-A的元器件級模型或功能模型的仿真速度。控制信號SSPC-CMD#1～#N按照表2中時序開通或者關斷控制阻性、阻感性和阻容性負載，并在288 ms時刻通過開關T5閉合模擬短路故障。總的仿真時間設置為320 ms，仿真步長為5 μs。

從表3的仿真時間對比可以看出，單個功能模型(N=1時)相比元器件級模型約加速10倍左右。當SSPC數量增多時，例如SSPC數量為10時，功能模型加速60倍以上，并且由于模型簡單，仿真過程更容易收斂。

圖15 模型仿真速度測試Fig.15 Model simulation speed test bench

表2 模型速度測試中事件序列Table 2 Event sequence for model speed test bench

No．Time/msEventNote1230?101030OFFstateSSPC?ONSSPC?OFFT1ClosedT2?T5Open4550100SSPC?ONSSPC?OFFT2ClosedT1，T3?T5Open67130170SSPC?ONSSPC?OFFT3ClosedT1，T2，T4，T5Open89200250SSPC?ONSSPC?OFFT4ClosedT1?T3，T5Open1011270288SSPC?ONT5closed，resultingashortfaultT1ClosedT2?T5Open

表3 仿真時間對比

因此本文提出交流SSPC功能建模方法更加適合系統級的建模和仿真應用，SSPC部件供應商可以根據產品功能和性能配置相應的模型提供給系統設計人員，評估SSPC產品對電氣系統性能的影響。

4 結 論

提出了一種基于混合信號狀態機的交流SSPC功能模型，具有以下特點：

1) 模型準確：在各種性質負載條件下都能夠準確地模擬實際交流SSPC在穩態導通和關斷、零電壓開通、零電流關斷以及短路故障關斷過程中的外特性。

2) 配置性好：根據SSPC的參數或者實測結果即可以完成對SSPC的建模，可以設置導通電阻、是否具有限流功能、限流阻抗和限流時間、短路故障關斷模式、短路故障電流關斷下降時間等參數。

3) 仿真速度遠快于基于實際結構和器件的模型，大大減少仿真時間開銷，適合大型飛機/艦船的復雜電氣系統仿真。

[1] FRIEDMAN S N. Solid-state power controller for the next generation[J]. IEEE Aerospace Electronics System Magazine, 1992, 7 (9): 24-29.

[2] IZQUIERDO D, BARRADO A, RAGA C, et al. Protection devices for aircraft electrical power distribution systems: State of the art[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2011, 47(3): 1538-1550.

[3] 董延軍, 劉文韜, 高朝暉, 等. 一種新型交流恒功率負載仿真模型[J]. 航空學報, 2009, 30(1): 115-120.

DONG Y J, LIU W T, GAO Z H, et al. A new simulation model of AC constant power load [J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2009, 30(1): 115-120 (in Chinese).

[4] VALDIVIA V, BARRADO A, LZARO A, et al. Black-box modeling of DC-DC converters based on transient response analysis and parametric identification methods[C]∥Proceedings of Twenty-Fifth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition. Piscataway, NJ: IEEE Press, 2010: 1131-1138.

[5] YANG T, BOZHKO S, ASHER G. Functional modeling of symmetrical multipulse autotransformer rectifier units for aerospace applications[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, 30(9):4704-4713.

[6] BARRADO A, IZQUIERDO D, SANZ M. Behavioural modeling of solid state power controllers (SSPC) for distributed power systems[C]∥Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2009: 1692-1697.

[7] IZQUIERDO D, BARRADO A, SANZ M. Modeling methods for solid state power controllers (SSPC)[C]∥Compatibility and Power Electronics, 2009: 265-270.

[8] 阮立剛, 王莉. 一種新型直流固態功率控制器行為模型[J]. 航空學報, 2012, 33(1): 129-137.

RUAN L G, WANG L. A novel behavioral model of solid state power controller [J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2012, 33(1): 129-137 (in Chinese).

[9] DONG Y J, DENG D J, ZHANG X B. An optimizing scheme for behavioral modeling of solid-state power controller[C]∥International Conference on IEEE, Electrical Systems for Aircraft, Railway, Ship Propulsion and Road Vehicles (ESARS). Piscataway,NJ: IEEE Press, 2015:1-5.

[10] 陳昌林. 交流固態功率控制器的研究[D].南京: 南京航空航天大學, 2008.

CHENG C L. Research on AC solid state power controller [D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2008 (in Chinese).

[11] KUGELMAN, MICHAEL M. Solid state relay for switching AC power to a reactive load and method of operating the same: 7196436B2 [P]. 2007-03-27

[12] 胡華波, 武建文. 航空交流固態功率控制器的研究[J]. 電力電子技術, 2010, 44(11): 81-83.

HU H B, WU J W. The study of aviation AC solid-state power controller[J]. Power Electronics, 2010, 44(11): 81-83 (in Chinese).

[13] 張曉斌, 高朝暉, 董延軍, 等. 一種交流固態功率控制器的軟開關裝置: ZL201010216988.7[P]. 2012-07-04.

ZHANG X B, GAO Z H, DONG Y J. A soft switching AC solid state power controller apparatus: ZL201010216988.7[P]. 2012-07-04 (in Chinese).

[14] 王莉, 阮立剛, 葉家瑜. 具有限流功能的交流固態功率控制器控制方法及裝置: 201410162049.7[P]. 2014-07-09.

WANG L, RUAN L G, YE J Y. Control method and apparatus of AC solid state power controller with current limiting function: 201410162049.7[P]. 2014-07-09 (in Chinese).

[15] 楊冬平. 交流固態功率控制器控制策略研究[D].南京： 南京航空航天大學, 2010.

YANG D P. Research on control strategy of AC solid state power controller[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2010 (in Chinese).

[16] 楊冬平, 王莉, 江登宇. 降柵壓技術在MOSFET驅動中的應用[J].電力系統及其自動化學報, 2010, 22(1): 1-4.

YANG D P, WANG L, JIANG D Y. Application of drop gate voltage technology in MOSFET drive circuit[J]. Proceedings of the Chinese Society of Universities for Electric Power System and Automation, 2010, 22(1): 1-4 (in Chinese).

[17] CHRISTEN E, BAKALAR K. VHDL-AMS: A hardware description language for analog and mixed-signal applications [J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems Ⅱ: Analog and Digital Signal Processing, 1999, 46(10): 1263-1272.

[18] JAKOBSSON A, SERBAN A, GONG S. Implementation of quantized-state system models for a PLL loop filter using Verilog-AMS[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems Ⅰ, 2015, 62(3): 680-688.

[19] DA SILVA A C R, GROUT I, RYAN J, et al. Generating VHDL-AMS models of digital-to-analogue converters from MATLAB/SIMULINK[C]∥International Conference on Thermal, Mechanical and Multi-Physics Simulation Experiments in Microelectronics and Micro-Systems, 2007: 1-7.

[20] ALAN C. Mixed signal finite state machine models ensuring analog continuity: 7299164B2[P]. 2007-11-20.

FunctionalmodelingofACsolidstatepowercontrollerbasedonmixedsignalstatemachine

RUANLigang,WANGLi*,YEJiayu,YANGShanshui

CentreforMore-Electric-AircraftPowerSystem,DepartmentofElectricalEngineering,CollegeofAutomationEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China

ThepaperdevelopsafunctionalmodelfortheAlternatingCurrent(AC)SolidStatePowerController(SSPC)basedonmixedsignalstatemachine.StatetransitionandimpedancevariationrulesareobtainedbyanalyzingtheworkingmodesoftheACSSPC.Themodeldefinesthreestablestates,fourintermediatetransitionstatesandeleventransitionfunctionstoimitatetheimpedancevariationsofACSSPCsduringON/OFFstate,zerovoltageswitch-on,zerocurrentswitch-off,andswitch-offaftershortfault.Themodelconsiderstwoswitch-offwaysfortheACSSPCwithshortfaultsinstantswitch-off,bywhichthefaultcurrentisinstantlyreducedtozeroinalinearway;andzerocurrentswitch-off.Themodelisimplementedbythemixedsignalstatemachinemodelingtool(StateAMS)inSaber.AccuracyofthemodelisverifiedbyconfiguringthemodelaccordingtothetestresultsoftwoACSSPCs.Speedtestresultsshowthattheproposedfunctionalmodelcansignificantlyimprovecomputationefficiency.

aircraftpowerdistributionsystem;solidstatepowercontroller;functionalmodel;mixedsignalstatemachine;zerovoltageswitch-on;zerocurrentswitch-off;short-circuitfaultprotection

2017-01-16；Revised2017-03-28；Accepted2017-07-18；Publishedonline2017-07-311047

URL：http://hkxb.buaa.edu.cn/CN/html/20171122.html

s：NationalNaturalScienceFoundationofChina(51777092,51277093)

.E-mailliwang@nuaa.edu.cn

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2017.321133

V242.3；TM56

A

1000-6893(2017)11-321133-11

2017-01-16；退修日期2017-03-28；錄用日期2017-07-18；< class="emphasis_bold">網絡出版時間

時間：2017-07-311047

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國家自然科學基金(51777092,51277093)

.E-mailliwang@nuaa.edu.cn

阮立剛，王莉，葉家瑜，等. 基于混合信號狀態機的交流固態功率控制器功能模型J． 航空學報,2017,38(11):321133.RUANLG,WANGL,YEJY,etal.FunctionalmodelingofACsolidstatepowercontrollerbasedonmixedsignalstatemachineJ.ActaAeronauticaetAstronauticaSinica,2017,38(11):321133.

(責任編輯：蘇磊)