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。

3 CPLD 的逻辑功能实现

3.1 CPLD 要完成的功能

1）供电的自动切换

根据不同的开关设置及信号情况，信号灯有本控主备方式、本控优先方式、远控方式三种工作模式，对应关系如表1 所示。

在本控主备模式下，CPLD 设定A 为主路，B 为备用。只要A 路电源正常，则由A 路供电，否则才由B 路供电，一旦A 路电源恢复正常，则自动切换到A 路供电。

在本控优先和远控优先模式下，两路优先等级相同。假设 A 路正在工作时电源故障，则自动切换到B 路供电，但A 路电源恢复正常后并不切换到A 路供电，而由B 路继续供电。

本控优先模式下本地强制切换控制信号（BUTT_A、BUTT_B）作用，而远控强制切换控制（REM_A、REM_B）和远方复位则无效。远控优先模式则正好相反。

2）过流和过载保护

当负载侧出现短路故障时立即封锁 MOS 管驱动脉冲停止对负载供电，即短路速断功能。当出现过载且持续相应时间后封锁 MOS 管驱动脉冲，持续时间根据过载电流大小的不

同而不同。

3）故障后延时供电功能

故障停电后在恢复供电之前经过适当延时，减少对供电电源的频繁冲击而影响其他信号灯的正常工作。

4）自动重投功能

故障停电延时后，自动尝试恢复对信号灯的供电。

5）延时切换

A、B 两路之间切换设置延时，以避免无延时可能造成的两路电源的直接短接。

3.2 CPLD 程序设计

采用 TOP-DOWN 的设计思想和模块化编程方法，先将总体功能划分为五个一级模块：

1）工作模式模块

接收本控和远控信号，结合当前的电源供电状况，输出无故障状况下的A、B 路控制信号以及复位信号。

2）过流时间设定及计时模块

用户可以根据实际状况的不同在 4 种方式中选择合适的过流持续时间。不同的设定与常 用断路器的不同特性曲线完全对应。当出现过流时，计时模块开始工作，达到设定的时间后 模块输出有效过流信号，可以避免外部干扰造成的假过流停机问题。

3）停机时间设定及计时模块

用户可以根据实际状况的不同在 4 种方式中选择过流故障出现后停机的持续时间。当到达设定时间时，模块输出可以重新合闸信号，以便恢复对信号灯的供电。

4）重合闸次数设定及计数模块 用于用户设定需要的过流保护后重新合闸的次数。如重合次数达到设定值则封锁 MOS 管驱动脉冲使负载保持断电，直到复位或装置重新上电。

5）综合处理模块 处理来自以上四个模块的信号，提供合适的 MOS 管触发信号，控制给信号灯的供电。 每个一级模块利用几个二级模块组合实现，同时软件设计利用状态机（State Machine） 作为中间变量，加入冗余处理技术，提高逻辑的可靠性和抗干扰能力，保证信号灯供电的连 续性，避免不必要的两路之间的切换。

3.3 逻辑综合、仿真

在 MAX+PLUSII[6]编程环境下，采用了图形输入和AHDL 语言编程相结合的方式，经 过实际编译、功能仿真、定时仿真及不断的优化过程，最终选择了Altera 公司MAX7000S 系列的EPM7128S-15。仿真结果如图3 所示。

图中，下述信号高电平有效。OCH 为负载侧短路信号，OCM、OCL 分别为负载侧电流 过流、过载信号；A_AC、B_AC 分别为A、B 两路电源的状况；A_DRV_M1、B_DRV_M1 分别为A、B 两路MOS 管的驱动信号；FAULT 为故障状况。

4 结论

根据上述技术方案研制的装置经过实际试验，结果表明可以实现贯通和自闭两路供电的 自动无触点切换、过流保护、过载保护、自动重合闸等功能，提供了多种工作模式供使用者 选择，满足实际需求，完全可以替代目前现场应用的ATS，提高铁路信号灯供电的可靠性。 同时这一技术也可以推广应用于其他场合和行业，但是大功率场合的应用必须考虑本方案存 在的功耗偏大的缺点。

本文的创新点：提出一种基于 CPLD 的智能固态转换开关的技术方案，实现两路电源的 无触点切换，提高了可靠性和寿命，多种功能的设置适合于现场应用。

[1].CPLDdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/CPLD_1136600.html.
[2].PLCdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/PLC_1248813.html.
[3].M2 datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/M2+_2039448.html.
[4].KBPC3510datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/KBPC3510_1965852.html.
[5].35Adatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/35A_1773264.html.
[6].IXFH26N50datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/IXFH26N50_362778.html.
[7].MAXIM datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/MAXIM+_1062568.html.
[8].MAX705 datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/MAX705+_1019153.html.
[9].MAX7000S datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/MAX7000S+_1018714.html.