3.4.2 SSPC/LCL模型
对于大型航天器配电系统来说，集成仿真是提高其性能的有效手段，因此，固态功率控制器（Solid State Power Controller，SSPC）作为固态自动配电系统中的核心部件和终端的执行部件，其仿真模型设计的合理性至关重要。SSPC是美国波音公司开发的具有反时限保护特性，用于保护与一次电源接口的较大功率负载，其是以半导体功率开关器件为核心，集继电器的开关转换功能和断路器的保护功能于一体的智能固态配电装置。SSPC的原理框图如图3-36所示。
图3-36 SSPC的原理框图
根据SSPC原理建立其仿真模型。以下对SSPC建立的两个模型进行介绍：
（1）建立SSPC的开关行为模型，此行为模型主要由三部分组成，分别是开关逻辑部分、斜坡信号部分和功率回路部分。其中，开关逻辑部分模拟SSPC接收的开关信号，斜坡信号部分模拟MOSFET开关过程中的延时时间，功率回路部分为SSPC主负载回路。SSPC的行为模型结构如图3-37所示。
图3-37 SSPC的行为模型结构
根据上述分析，可建立SSPC的行为模型，如图3-38所示。
图3-38 SSPC的行为模型
图3-38中，框1为行为模型的逻辑开关部分。SSPC接收来自上位机或者微处理器的开关指令，改变MOSFET的驱动电压，达到开关负载回路的目的。其中，KC为开关控制信号。框2为斜坡信号产生部分，引入该部分信号为Kswitch。框3为功率回路部分，其中二极管VD1保证回路的单向导电性，压控电压源VCVS模拟主开关器件功率管MOSFET，其驱动电压来自框2的斜坡信号，Ron为MOSFET内阻，Rload为主负载。
该模型可以模拟SSPC的动态开关过程，但仍存在两个缺陷：①没有考虑MOSFET关断时的漏电流；②没有考虑功率管MOSFET关断时并未处于高阻态。对模型进行优化，SSPC改进行为模型如图3-39所示。
图3-39 SSPC改进行为模型
图3-39中，框a解决功率管MOSFET关断时并未处于高阻态的问题，在主回路添加受斜坡信号控制的SPS器件（转换开关）。当斜坡信号大于0时，切断主回路，使MOSFET关断时处于高阻态；当斜坡信号为0时，与原模型一致。框b加入压控电流源模拟MOSFET关断时的漏电流，根据选用的MOSFET型号的芯片手册，可得到控制系数：
由图3-39所建的行为模型可以计算出受控电压源Udvs和负载两端的电压Uload：
式中，Ubus为总线电压；UVD1为二极管压降；Isspc为负载回路电流。
若忽略二极管压降和MOSFET内阻，则可以得到
由式（3-87）可知，当SSPC开通时，负载两端电压是线性上升的，与实际情况相符；若SSPC稳态关断，则Isspc=Ileak，与SSPC关断特性相符。
（2）不依赖于实际的电路结构及器件，只考虑交流SSPC对外工作表现行为，对单相交流SSPC进行建模。其单相交流SSPC仿真模型原理如图3-40所示。
图3-40 单相交流SSPC仿真模型
图3-40中单相交流SSPC仿真模型主要为驱动控制、反时限保护以及短路保护。模型采用逻辑控制开关与二极管并联模拟MOSFET，该开关可根据MOSFET的手册设置其导通电阻、关断电阻、开通时间和关断时间，使其尽可能与MOSFET保持一致，更接近于真实情况。
驱动控制为最核心部分，该模型包括了电压电流检测、电压电流极性判断以及驱动逻辑控制。电压电流检测采用理想检测部件并将模拟信号转化为控制信号输出给极性判断电路，极性判断电路将电压电流与零点比较得出其极性；驱动逻辑控制采用纯逻辑器件实现。该模型采用的控制器件无参考地，信号均为逻辑控制信号。
保护电路主要包括反时限保护与短路保护。SSPC过流保护多采用反时限保护，其根据过载电流的大小确定SSPC的关断延迟时间，电流越大，关断时间越短。图3-41所示为典型的三段式保护曲线，交流SSPC正常导通时，负载电流小于起始保护点aIe（Ie为额定电流），交流SSPC保持接通状态；当负载电流在aIe～bIe之间时，交流SSPC的跳闸延迟时间与负载电流的平方成反比；当负载电流大于立即跳闸点bIe时，交流SSPC立即跳闸。交流SSPC在反时限保护时，仍采用零电流关断，与正常关断工作行为一致。
图3-41 反时限保护曲线
短路保护是SSPC不可缺少的功能，当系统发生短路故障时，电流迅速上升，极易损坏功率管，更严重者，会损坏整个电源系统，甚至引发火灾，故在发生短路故障时，需快速关断SSPC，从而切除故障，保护功率管以及供配电系统不受损坏。短路保护通过将电流最大值与设定值比较，在检测到电流超过短路保护阈值时，通过硬件电路在微秒级内迅速关断SSPC，从而隔离故障。
固态限流开关（Latching Current Limiter，LCL）是基于恒流限流定时关断保护特性的产品，以MOSFET为核心，主要功能是供电、限流保护和可恢复短路保护。当供电线路发生过载或短路故障且故障维持时间超过设计规定时间后，开关可自动触发关断。在开关关断前，供电线路上的电流被限制在规定的安全电流上。电流恢复正常后，可由外部控制信号控制MOS管再次导通正常供电。
基于恒流限流定时关断保护特性的LCL，设计原理比较简单，保护过程中的触发关断时间都以固态开关的结温上限作为限制，因此，这种产品主要将过载发生时的固态开关作为保护对象。图3-42所示为单路LCL电路设计原理图。
图3-42 单路LCL电路设计原理图
LCL是在启动和负载发生过流、短路等故障时，固态开关的输出最大电流被限定在一定范围内，在限流保护时间内，若负载电流仍未能恢复至正常电流值，可自动断开对负载的供电。采用LCL开关，将供电电源端作为保护对象，配电控制通路宜采用双管串联设计，以确保在轨过载发生时固态开关可以有效断开。