基于CPLD的智能固态转换开关的研制

摘要：提出了一种适用于铁路信号供电电源的智能固态转换开关方案。以CPLD为核心，功率MOSFET作为主控器件，实现转换操作的无触点切换。介绍了主电路、控制电路的硬件设计及软件编程。实际应用表明方案可靠实用，能够提高供电的自动化水平。

铁路行车速度的不断提高对铁路信号设备和供电设备的可靠性提出了更高要求。铁路信 号电源由贯通和自闭两条线路供电，经过自动转换开关（ATS）输出给信号灯。ATS 应具有 远程遥分遥合、过电流保护、开关状态指示、当地手动等功能。目前现场ATS 主要有两种 实现方法：1、采用断路器、机械联锁装置及控制器组合而成；2、采用具有*分合功 能的低压电控开关[1]。国外也提出了利用可编程控制器（PLC）的实现方法[2]。几种方法都 属于有触点控制方式，寿命较短、响应速度慢，而机械执行机构的存在降低了可靠性。本文 提出了以CPLD 为核心的智能ATS 技术，采用半导体功率器件构成主电路实现无触点控制， 同时提供多种功能选择以适应现场的不同需要。

1 主电路设计

信号灯的额定供电为单相 220V/50Hz，额定工作电流5A，半导体器件可以采用双向晶 闸管或者固态继电器、全控型功率开关器件如MOSFET、IGBT 等。前者为半控型器件，需 要额外的关断电路才能控制断开，否则只能靠交流电源换向关断，不能满足重度过载或负载 侧短路时速断的要求，因此选用后者。

铁路信号电源采用贯通、自闭两条线路独立供电，因此本文设计的两路主电路拓扑相同， 其中一路的主电路拓扑结构[3]如图1 所示，两路输出并联连接给负载（信号灯）供电。

图中，M1、M2 为N 沟道增强型MOS-FET，Y1、Y2 为压敏电阻，D1-D4 和D5-D8 分别构成的整流桥电路在具体实现时可以直接利用整流桥BR1、BR2 代替。

通过控制 MOS 管M1、M2 的同时通断可以控制本线路是否对负载供电。

由于自闭、贯通两条线路独立供电，因此正常情况下两线路主电路MOS 控制信号应 为互补关系，而故障状况下（如负载侧短路）则两路控制信号都应使MOS 处于关断状态。 根据分析结果，实际选择整流桥 BR1、BR2 为kbpc3510，UR＝1000V，IFAV＝35A。 选用IXYS 公司的N 沟道增强型IXFH26N50，ID＝26A，UDS＝1000V，RDS(on)＝0.20Ω。

2 控制电路硬件设计

系统可以实现自动切换、过流保护、过载保护、自动重合闸及本地手动操作等功能，因 此设计的控制电路结构如图2 所示。图中A、B 两路代表供电的两条线路。智能ATS 还提 供给用户四种开关特性曲线，便于针对现场应用特点进行选择。

2.1 AC/DC 隔离电源

由两路电源（贯通和自闭）输入，输出五路相互隔离的电源，其中一路输出供给CPLD 及外围电路，另外四路供给MOS 管的驱动电路。这样可以保证任意一条线路正常供电时， ATS 都能够正常工作。

2.2 电压检测电路

通过电压互感器检测两路电源电压，判断比较结果送给 CPLD 作为供电切换的依据。

2.3 负载电流检测放大及判断

利用交流电流互感器（5A／2.5mA）检测负载电流，采样电压信号经有源低通滤波放大 电路再进行判断比较，输出不同的过流信号送给CPLD。

2.4 MOS 管驱动及互锁电路

CPLD 输出的四路MOS 管控制信号经过光电耦合器隔离和驱动电路去控制MOS 管的 导通和关断。为避免各种干扰可能造成的两路同时给负载供电的意外状况，设计了A、B 两 路驱动脉冲的硬件互锁电路。

2.5 本控接口和远控接口

本地接口主要与装置的开关、按钮和LED 状态指示灯进行连接，包括方式选择开关、 远控／本控开关、分B 合A 按钮、分A 合B 按钮、本地复位按钮、LED 指示。

远控接口则用于接收低压监控系统的控制，同时向监控装置汇报包括供电状况、工作状 况、故障状况等重要信息。包括控制信号：RM_EN（远方有效信号）、RM_A（分B 合A 信 号）；RM_B（分A 合B 信号）、RM_RST（远方复位信号）。后三个信号必须在RM_EN 有 效的情况下才起作用。

2.6 CPLD 及时钟、硬件复位电路

CPLD 即复杂可编程逻辑器件，内部可以集成高达几十万甚至上百万门的数字逻辑电 路，在线编程功能使用户可以灵活地改变设定的功能，同时在设计过程中通过仿真工具进行硬件仿真，便于调试[4][5]，因此CPLD 得到了广泛的应用。时钟电路为CPLD 提供稳定可靠 的时钟信号。利用MAXIM 公司的MAX705 构成的硬件WATCHDOG 电路，为系统上电时 提供可靠的复位信号，解决干扰可能造成的死机问题，提高系统工作的可靠性。

来源：维库开发网