（微电子学与固体电子学专业论文）漏电保护器专用芯片的设计与标准研究.pdf

浙江大学硕士研究生毕业论文 摘要 摘要 随着我国经济的迅速发展，人民生活水平的显著提高，家用电器和工业电器 的数量迅速增加，人们的日常生活与工作已经离不开各种各样的电气设施与电子 装备，这使得人们对用电的安全性和供电的可靠性方面提出了更高的要求。作为 保护用户人身安全的漏电保护器，得到了空前广泛的使用。但是，目前市场上主 流的漏电保护器采用的是进口芯片( 如日本三菱公司的m 5 4 1 2 3 ) 该类芯片由 于在适用标准及设计思想方面的原因，并不适合中国现有的输电线路状况，导致 在实际的运行中误动作频繁，影响了漏电保护器的实际投运率。近年来虽然也有 一些国产芯片( 如f m 5 4 1 2 3 ) 替代进口芯片以降低保护器成本，但都是进口芯片的 仿制品，不但没有自主知识产权，而且仍然存在抗干扰能力弱等诸多进口芯片同 样的问题。因此国内市场亟需一款自主研发、适应中国国情的漏电保护专用芯片。 本论文对漏电保护器的国际标准和中国国家标准进行了深入研究，通过对国 际标准和中国国家标准中关键指标参数的比较和分析，结合输电线路上干扰信号 的特点，从理论上解释了进口芯片不适应中国现有输电线路的原因，并在符合中 国国家标准的前提下，提出了在直接接触保护中引入1 0 毫秒不驱动时间的抗干 扰方法等，并在芯片中一一加以实现。 本论文设计了h i - i 系列漏电保护器专用集成电路芯片，其中包括h h 1 家用 漏电保护器专用集成电路和h h 2 总级漏电保护器专用集成电路两块芯片，两块 芯片配合使用，可以构成末级中级总级三级保护，芯片的主要优点和创新点包 括： 1 抗干扰能力强。通过对输电线路上的干扰信号的观察和分析，总结出电网 干扰信号的规律，并有针对性地采取抗干扰措施，如引入1 0 毫秒不驱动时间、 尖峰脉冲滤除、信号连续性检测及引入固定延时等创新的抗干扰方法。 2 延时精度高。采用高精度可微调内置振荡器，可获得精确的振荡频率，并 利用数字模块产生延时，有效地提高了延时的精确度，使得多级保护之间的匹配 更加方便。 3 可编程应用。h h 1 芯片通过编程可以在直接接触用的一般型和间接接触用 的s 型之问进行切换；h h 2 芯片通过编程可以切换触发阈值电压的范围。通过 浙江大学硕士研究生毕业论文摘要 编程使用可以大大提高芯片适用的范围和应用的灵活性 4 多功能、低功耗。在基本的漏电保护功能之外，h h 1 芯片集成了过电压保 护功能，h h - 2 芯片集成了自动重合闸功能，丰富了芯片的应用。h h - 1 芯片的功 耗仅为1 7 5 m w ，h h 2 芯片的功耗仅为2 m w ，不到进1 2m 5 4 1 2 3 芯片功耗的十 分之一 h h 系列芯片参加了由上海集成电路中心组织的m p w ( 多项目晶圆) 计划， 采用无锡上华0 6 u m 混合信号c m o s 工艺进行流片，并对芯片进行封装与测试， 测试结果理想，达到了设计所要求的全部功能和性能指标并通过了包括电磁兼 容测试在内的第三方检测认证，获得了合格的用户使用报告 关键词：漏电保护；集成电路；国家标准；抗干扰； 浙江大学硕士研究生毕业论文a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc h i n a se c o n o m i c s ，p e o p l e ss t a n d a r do fl i v i n gh a sb e e n g r e a t l yi m p r o v e d ，弧ea m o u n to fh o u s e h o l da p p l i a n c e sa n di n d u s t r i a la p p l i a n c e s i n c r e a s e sr a p i d l y , p e o p l eh a v eb e e ni n s e p a r a b l ef r o maw i d ev a r i e t yo fe l e c t r i c a l a p p l i a n c e si nt h e i rd a i l yl i f e ，t h u se a t i n gm o r ea n dm o r ea b o u ts a f e t ya n ds t a b i l i t yo f e l e c t r i c i t y a n dn o w , t h er e s i d u a lc u r r e n tc i r c u i tb r e a k e rw h i c hc a np r o t e c tp e o p l e s l i f ei sw i d e l yu s e d h o w e v e r , m o s to ft h er e s i d u a lc u r r e n tc i r c u i tb r e a k e r sn o wu s e di n t h ec h i n a sm a r k e ta r en o td e s i g n e du n d e rc h i n a sn a t i o n a ls t a n d a r d ，t h e s ei m p o r t e d c h i p sa r en o ts u i t a b l ef o rc h i n a se l e c t r i c a lt r a n s m i s s i o nl i n ea n da l w a y ss h o wah i ：g l l r a t eo fn u i s a n c et r i p p i n gw h i c hs e r i o u s l yi m p a c t st h ei n s t a l l a t i o nr a t eo fr e s i d u a l c u r r e n tp r o t e c t o r n e v e r t h e l e s s , t h e r ei sn oi m p r o v e dc h i pn o wi nc h i n at os u b s t i t u t e t h ei m p o r t e do n e a n ds u c hs i t u a t i o nn e c e s s i t a t e sag o o dp e r f o r m a n c ec h i pu n d e r c h i n e s ee l e c t r i c a lc o n d i t i o n b o t hi n t e r n a t i o n a la n dc h i n e s es t a n d a r d sa b o u tr e s i d u a lc u r r e n tp r o t e c t o rh a v e b e e ni n t e n s i v e l ys t u d i e di nt h i sp a p e r t h er e a s o nw h yi m p o r t e dc h i pi sn o ts u i t a b l e f o rc h i n a se l e c t r i c a lt r a n s m i s s i o nl i n ei st h e o r e t i c a l l ye x p l a i n e dt h r o u g hd e t a i l e d c o m p a r i s o na n da n a l y s i so ft h ek e yi n d e xp a r a m e t e r sb e t w e e ni n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d a n dc h i n a sn a t i o n a ls t a n d a r d , a n dt h i sp a p e ra l s op r e s e n tan o v e la n t i i n t e r f e r e n c e m e t h o db ye m p l o y i n glo r e sn o n - a c t u a t i n gt i m ed u r i n gd i r e c tc o n t a c tp r o t e c t i o ni n a c c o r d a n c e w i t hc h i n a sn a t i o n a ls t a n d a r d s u c he f f e c t i v em e t h o dh a sb e e n i m p l e m e n t e di no u rc h i p ss u c c e s s f u l l y t h eh hs e r i e sr e s i d u a lc u r r e n tp r o t e c t o ra s i ci n c l u d i n gh h 一1h o u s e h o l dl e a k a g e p r o t e c t o ra n dh h - - 2g e n e r a l l e v e ll e a k a g ep r o t e c t o rh a v eb e e nd e s i g n e di nt h i sp a p e r c o u s eo ft h et w oc h i p sc a ns u p p l yu s e r - m i d d l e - m a i ns t e pp r o t e c t i o n 讹em a i n a d v a n t a g e so f s u c hc h i p sa r es h o w n b e l o w ： 1 s t r o n ga n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t y 骱er e g u l a r i t yo fe l e c t r i c a ld i s t u r b a n c es i g n a l h a sb e e nc o n c l u d e dt h r o u g ho b s e r v a t i o na n da n a l y s i so fs u c hi n t e r f e r e n c e 。s e v e r a l n o v e la n t i i n t e r f e r e n c em e t h o d sh a sb e e ne m p l o y e d ，s u c ha si n t r o d u c t i o no f10 m s n o n - a c t u a t i n gt i m e ，f i l t e r i n g 硝p e a l ( p u l s e , d e t e c t i o no fs i g n a lc o n t i n u i t ya n da d o p t i n g h i 浙江大学硕士研究生毕业论文 a b s t r a c t c o n s t a n td e l a y 2 h i g hp r e c i s i o nd e l a y b yu s i n gh i g hp r e c i s ef i n ea d j u s t a b l ei n t e r n a lo s c i l l a t o r , w ec a ng e th i g hp r e c i s eo s c i l l a t i o nf r e q u e n c y w ec a na l s oe f f e c t i v e l yi m p r o v et h e d e l a ya c c u r a c yt h r o u g ht h eu t i l i z a t i o no fd i g i t a lm o d u l e ，t h u s ，m a t c h i n ga m o n g s e v e r a la p p l i c a t i o nl e v e l sb e c o m e sm o r ec o n v e n i e n t 3 p r o g r a m m a b l ea p p l i c a t i o n 。h h lc h i pc a ns w i t c hb e t w e e nn o r m a ld i r e c t c o n t a c ta n di n d i r e c tst y p et h r o u g hp r o g r a m m i n g ；h h - 2c h i pc a na l s oa c h i e v e d i f f e r e n tt h r e s h o l dv o l t a g er a n g eb yp r o g r a m m i n g 。s u c hp r o g r a m m a b l et e c h n o l o g y h a sg r e a t l yi m p r o v e dt h ec h i p ss c o p eo fa p p l i c a t i o na sw e l la sf l e x i b i l i t y 4 。m u l t i f u n c t i o na n dl o wp o w e r o v e rv o l t a g ep r o t e c t i o ni si n t e g r a t e di nh h l c h i pa n dr e c l o s i n gf u n c t i o ni si m p l e m e n t e d i nh h - 2w h i c hc a l le n r i c hi t sa p p l i c a t i o n t h ep o w e rd i s s i p a t i o no fh h li so n l y1 7 5 m wa n dt h a to fh h 一2i s2 m w , w h i c hi s o n l yt e np e r c e n to f m 5 4 1 2 3 sp o w e rc o m s u m p t i o n h hs e r i e sc h i p sj o i n e dt h em p w ( m u l t i - p r o j e c tw a f e r ) p l a nl a u g h e db ys h a n g h a i i n t e g r a t e dc i r c u i tc e n t e ra n dw e r ei m p l e m e n t e di nw u x is h a n g h t i n0 6 u r nm i x s i g n a l p r o c e s s t h ec h i p sa r et e s t e da f t e rf a b r i c a t i o na n de n c a p s u l a t i o n ，a n dt h et e s tr e s u l ti s e x c e l l e n tw h i c hi n d i c a t e sa l lt h ep a r a m e t e r so ft h ec h i pm e e tt h es p e c i f i c a t i o n s t h e c h i p sp a s st h et h i r d - p a r t yc e r t i f i c a t i o ni n c l u d i n ge l e c t r o m a g n e t i cc o m p a b i l i t y ( e m c ) t e s t ，a n da c q u i r eq u a l i f i e du s e r sr e p o r t k e yw o r d s ：r e s i d u a lc u r r e n tp r o t e c t o r ；i n t e g r a t e dc i r c u i t ；n a t i o n a ls t a n d a r d ； a n t i - i n t e r f e r e n c e ； i v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导频指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得堂姿叁茎或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一圊王俸的同志对本研究所徽的任何贡献均己在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 学位论文作者签名：们受签字日期：2 0 话 年6 月f 2 网 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解邀鎏盘茎有权保留并向困家有关部门或机构送 交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆基堂可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 义 导师签名： 签字日期：枷。孑年月f z 日 签字日期： 弱雨 矽肛月日 浙江大学硕士研究生毕业论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的背景及意义 2 0 世纪7 0 年代，我国农村触电死亡事故逐年上舞，仅1 9 7 3 年，根据全国不 完全统计，农村触电死亡人数高达7 0 2 0 入，电气火灾频繁发生，给死难者家庭 带来极大的痛苦，使群众的财产蒙受臣大损失f l 】。正是在这样的背景下，予7 0 年代中期我国首先在农村推广使用了简易电压型漏电保护器。这类漏电保护器的 推广，拉开了漏电保护器发展的序幕，尽管这些产品中存在着这样那样的缺陷， 但在避免人身触电伤亡事故的大量事例中，它确实发挥了巨大的作用，因此被老 百姓通俗的称交“保命器”。 随着我国经济的迅速发展和人民生活水平的不断提高，家用电器和工业电器 的数量迅速增加，各种电器已经和人们的e 常生活密切橡关，人们对用电的安全 性和可靠性的要求也越来越高。而市场上的主流漏电保护器均采用国外进1 2 1 芯片 或国内仿制进1 ：3 芯片作为核心控裁模块，此类芯片是根据葚本，美国电网的状况 研制的，并不适合中国电网的实际情况，在中国电网的复杂条件下误动作频繁， 给农村低压电网供电的可靠性带来了严重影响，使得漏电保护器的实际投运率不 足6 0 。有些地方为了保证供电的连续性而放弃了漏电保护，这样又增加了触电 伤亡事故【2 】。频繁误动作的事实证明了装有进墨及仿削芯片的现有漏电保护器 抗干扰性能低，缺乏漏电保护动作的选择性，不适应中国电网的实际情况。市场 上亟需一款骞主研发、适应中国国情的漏电保护专惩芯待。 本课题针对进口芯片的不足，从中国电网的实际情况出发，开发出h h 系列 漏毫保护器专用集成电路芯片。h h 系列露蓠包括嚣块集成电路芯片：h h 1 家 用漏电保护器专用集成电路芯片和h h 2 总级漏电保护器专用集成电路芯片。两 块芯冀配合使簿，可以构成共有动律电流孝动作时闻级差撩互配合的分级保护， 形成末级坤级总级的三级漏电保护体系，最大限度的保证电力设备及人民生命 酶安全。 h h 系列芯片专门针对中国电网的实际情况进行优化设计，采取了多项专利 技术进行抗干抗处理，并集成了市场上受欢逮的过电压保护、壹动重合阚等功能， 性能较市场上现有漏电保护器芯片有较大优势，希望能通过替代市场上的现有漏 渐江大学硬士研究垒毕监论文第一章绪论 电保护器芯冀，降低藕电保护器误动作率，提高漏电保护器的实际投运率，使得 漏电保护器更好地作为保护人民群众生命财产安全的有效工具。 1 2 漏电保护器在各冒的发展历程 早在1 9 2 8 年，西欧国家就开始采用漏电保护器。当时，人们把它作为防止 电机绝缘损坏嚣发生触电危险用的安全装置，由于制造技术的限制，初期的漏电 保护器都是电压动作型的产品【3 】。 从5 0 年代起，国外陆续出现了电流动作型漏电保护电器( 莉余电流动作保护 器) ，谣德于1 9 5 0 年左右开始批量生产剩余电流动作型产品，法国于1 9 5 7 年开始制 造额定动作电流5 0 0 m a 的剩余电流动作型产品。 1 9 6 0 年，美国加州大学教授c e d a l z i e l 提出发生心室纤维性颤动的安全电流 极限值。随着对安全电流极限值的研究和制造技术的提高，电流动作型剩余电流 保护器得到了不断的发展。从1 9 6 0 年起，欧美各国就广泛采用电流动作型剩余 电流动作保护器 6 0 年代后期，西欧各国电流动作型剩余电流动作保护器的发展疆趋完善。 1 9 6 5 年西德和法国先后制成额定剩余动作电流3 0 m a ，额定动作时间3 0 m s 的高 灵敏度高速型产品。羼时，西德和英国又分别于1 9 6 3 年和1 9 6 8 年先后制定了电 流动作型剩余电流动作保护器的标准。 美国于1 9 6 2 年剖成额定剩余动作电流5 m a 的产品。1 9 7 2 年，u l 9 4 3 接地 故障断路器标准( 第一版) 颁布。另外，1 9 7 1 年颁布的美国电气工程规程( n e c ) ， 对从1 9 7 3 年起安装剩余电流动作保护器的对象和范围等作了臻确的规定。 日本起步稍晚，1 9 6 0 年才制成电压动作型产品，1 9 6 8 年研制出电流动作型 产品。从1 9 6 7 年起，霹本大力推广剩余电流动作保护器，在加强引进、研究、 设计、制造的同时，还在有关报刊上对设置剩余电流动作保护器的目的、效果以 及产品性能、使用须知等进行大量余绍。另外，在各_ 释用电规程中以行政命令的 方式规定安装剩余电流动作保护器。在进行了一系列工作的基础上，1 9 7 4 年正 式颁布了漏电断路器标准( j i s 8 3 7 1 ) 。 中国在漏电保护器方面由于种种原因，起步较晚，1 9 7 5 年才开始进行漏电保 护器的开发研究王律，1 9 8 3 年经国家电气安全标准亿委员会批准，将糊订漏电 保护器国家标准和安装运行规程纳入工作计划，以机械部为主，劳动部和水利电 2 浙江大学硕士研究生毕业论文第一章绪论 力部参加缀织编写露家标准漏电电流萌作保护器，予1 9 8 6 年由国家标准局噬 g b 6 8 2 9 8 6 正式颁发。以水利电力部为主，机械部和劳动部参加，组织编写了漏 电保护器农村安装运行规程，予1 9 8 7 年出水利电力部正式颁发。1 9 9 2 年颁发 了g b l 3 9 5 5 - 9 2 漏电保护器安装和运行；为了使漏电保护器的技术标准与i e c 露际标准接轨，1 9 9 7 年又颁发了g b l 6 9 1 6 1 。1 9 9 7 家用和类似用途的不带过电 流保护的剩余电流动作断路器( i 池c b ) ，形成了一套较为完善的标准和规程体 系，使漏电保护器的研裁、生产和产品性能褥以规范，产品昀质量得以提高，使 安装、运行、维护、管理工作有章可循，为漏电保护器的健康发展奠定了基础。 1 3 漏电保护器的分类 漏电保护器经过几十年的发展，惑经形成了一个最种非常齐全、非常庞大的 产品系列，下面将根据不同的方法将其进行分类【4 】。 l 。3 1 根据动作方式分类 电子式剩余电流保护器：零序电流互感器的二次回路和脱扣器之间接入一个 电子线路，零序电流互感器童次殛路的输出电压经过电子线路放大处理后舞激励 脱扣器，称为电子式剩余电流保护器，其动作功能与线路电压有关。 电磁式剩余电流保护器：零序电流互感器的二次露路输出电压不经任何放 大，直接激励剩余电流脱扣器，称为电磁式剩余电流保护器，其动作功能与线路 电压无关。 1 3 2 根据漏电保护器的功能分类 剩余电流新路器：其作用是检测剩余电流，将剩余电流值与预先设定值相比 较，当剩余电流值超过预定值时，主电路触头断开，是一种机械开关电器。 剩余电流继电器：检测剃余电流，将剩余电流值与预定值穗比较，当察余电 流值超过预定值时，发出一个机械断开信号使机械开关电器脱扣或声光报警装置 发出撮警。剩余电流继电器常和交流接触器或低压断路器鲤成剩余电流保护器， 作为低压电网的总保护开关或分支保护开关使用。主要包括一般型剩余电流继电 器、脉冲墅裁余电流继电器、鉴摆鉴谣型裁余毫流继电器及智能型剩余电流继电 器等。 移动式剩余电流保护器：是由插夹、裂余电流保护装置和插座或接线装置组 成，包括剩余电流保护插头、移动式剩余电流保护插座、剩余电流保护插头插座 3 浙江大学硕士研究生毕业论文 第一章绪论 转换器等，用来对移动电器设备提供漏电保护。 固定安装的剩余电流保护插座：由固定式插座和剩余电流保护装置组成的电 器，也可对移动电器设备提供漏电保护。 1 3 3 根据漏电保护器的使用场合分类 专业人员使用的剩余电流保护器：这种剩余电流保护器一般额定电流比较 大，作为配电装置中主干线或分支线的保护开关用，发生故障影响范围比较大， 要求由专业人员来安装、使用和维护。剩余电流继电器和大电流剩余电流断路器 均属于这种形式的剩余电流保护器。 家用和类似用途的剩余电流保护器：用于城乡居民住宅等建筑物中的剩余电 流保护器，一般额定电流比较小，作为终端电气线路的漏电保护装置，适合于非 专业人员使用。主要是家用剩余电流断路器和移动式剩余电流保护器。 1 3 。4 根据漏电保护器动作是否具有延时时间分类 一般型剩余电流保护器：无故意延时，主要作为分支线路和终端线路的漏电 保护装置。 延时型剩余电流保护器：专门设计的对某一剩余动作电流值能达到一个预定 的动作延时时间的剩余电流保护器。延时型剩余电流保护器主要作为主干线或分 支线的保护装置，可以与终端线路的保护装置配合，达到选择性保护的要求。 1 4 漏电保护器的分级保护 在上个世纪8 0 年代推广漏电保护器的这段期间内，鉴于当时国民经济状况 及农村用电量较少，一般均采用一台配电变压器安装一只漏电保护器的总保护和 每条分路出线装一只漏电保护器的分路保护。这种农村低压电网的漏电保护方 式，持续使用了近2 0 年，为降低农村触电死亡事故起到了十分重要的作用。但 是从长期统计的数字来看，这种一级的保护方式的最大的缺陷就是动作频繁，停 电影响的范围广，对人民群众的生活造成很大的影响，有部分地区特别是经济发 达地区为了连续供电放弃了漏电保护，将漏电保护器退出运行，这样就增加了触 电伤亡事故。因此，要解决用电的安全性和农村供电的稳定性的矛盾，农村低压 电网的漏电保护方式就应脱离原有模式，选用具有选择性的多级保护方式。 多级保护的方式可以是两级保护，也可以是三级保护，根据配电变压器的容 量及分路出线的负荷大小来进行选择，负荷较大的采取三级保护，负荷较小的采 4 浙江大学硕士研究生毕业论文第一章绪论 取二级保护。三级保护是指总级保护，中间级分支保护和末级保护，如图1 1 所 示。 配电籍 总级保护 分支保护 末级保护 住尸 住尸 住户 住户住户住户 图1 1 三级漏电保护示意图 总级漏电保护器配置在配变电压器的低压总电源侧，是全网的总保护，它应 选用电流型的漏电保护器，其漏电动作电流值的选择以防止间接接触的触电为 主，并在躲过电网正常的漏电流的前提下尽量选小的值 5 】。 中间级漏电保护器应设置在接户线进入集表箱的电源刀闸的负荷侧。它是以防止 从接户线至末级保护器之前的直接接触的触电伤亡事故为主要目的，并作为末级 保护器的后备保护。应合理设定其额定漏电动作电流值及动作延时时间，以取得 与上下级保护器的良好配合。 末级漏电保护器应安装在进户线的电源侧，电源进线先接刀闸后接漏电保护 器。用于家用电器、固定安装电器、移动式电器、携带式电器及临时用电设备的 漏电保护，是直接防止人身触电的保护设备。此类漏电保护器还应具有短路、过 载、过压保护等功能，以满足用户的需求。 分级保护是农村低压电网的最佳漏电保护方式，这样的保护方式能够使得农 村电网供电的可靠性、连续性和安全性得到保证。 目前市场上的已有可构成分级保护的漏电保护器，这些漏电保护器受元器件 的离散性和芯片性能的限制，延时精度不高，容易发生越级动作，影响使用。 1 5 单相式电流型漏电保护器的原理 电流型漏电保护器是现在市场上的主流产品，其基本原理为通过检测输电线 路中的剩余电流，从而判断线路是否有漏电，并输出控制信号切断电路。本论文 5 浙江大学硕士研究生毕业论文第一章绪论 中主要涉及到单相的电流式漏电保护器，因此将详细介绍单相式电流型漏电保护 器的原理。单相式电流型漏电保护器的电路示意图如图1 2 所示【6 】，在正常的情 况下，通过相线流入的电流通过负载( 电灯、家用电器等) 后应该经由中性线流 出，即流入相线的电流应该与流出中性线的电流相等。如果发生了意外，人体直 接接触到了相线从而导致触电事故发生时，相线、人体和大地就构成了一个电流 回路，将会有一部分电流通过人体而直接流到了大地，这个电流约在几十至几百 毫安级别。这时在输入处流入的相线电流和流出的中性线电流的值将不再相等， 会产生一个不平衡电流，这个电流就是漏电流，又称剩余电流，这部分电流是通 过人体的那一部分电流。这个电流虽然值比相线和中性线上的电流小很多，但是 可以直接危害到人的生命安全。为了保证人的生命安全，必须对此电流的大小进 行监测和控制，电流型漏电保护器就是通过检测剩余电流的值，在其达到设定的 阈值时切断电路，保护人身安全。 相线 输入 中性线 图1 2电流型漏电保护器的工作原理 如图1 2 所示，电子式单相电流型漏电保护器的主要结构包括一个剩余电流 感应装置、电子线路控制电路和机械开关及线圈等。剩余电流感应装置一般采用 零序电流互感器磁环，零序电流互感器的结构与变压器类似，是由两个互相绝缘 绕在同一铁心上的线圈组成。一次线圈内平行地通过相线和中性线，二次线圈的 输出与漏电保护器中的电子线路控制电路相连接。当负载设备正常运行时，相线 流入电流与中性线流出电流大小相等、方向相反，互感器中一次线圈内的相线与 中性线电流矢量之和为零，即在互感器一次线圈中产生了大小相等，方向相反， 正负相互抵消的磁场，所以零序互感器二次线圈无信号输出，漏电保护器的开关 装置处于闭合状态运行。而当发生漏电事故时，有漏电电流经人体流入大地，致 6 浙江大学硕士研究生毕业论文第一章绪论 使零序电流互感器一次线圈中相线与中性线的电流出现了不平衡，即电流矢量之 和不为零，从而在一次线圈内产生了磁场，感应二次线圈输出电压值，当这个漏 电流值达到该漏电保护器限定的动作电流值时，漏电保护器就会动作，切断电源。 其具体分析如下： 根据电磁原理，穿过零序电流互感器磁环内的磁通量o - i t h s 。单相负载有 一根相线与一根中性线，两根线平行放置，流入零序互感器一次线圈磁环内的相 线电流，妇和流出零序互感器一次线圈磁环内的中性线电流k 产生的磁场强 度分别为和，则磁环内磁场强度h 为： h = h 嘲墩+ h 吣吲 ：坐坚+ 掣咝 ( 1 1 ) 厶i l r厶 式( 1 1 ) 中n i 和2 为零序电流互感器一、二次线圈侧线圈匝数，三i 和三：为零 序电流互感器一、二次线圈侧电感系数，由于线圈的匝数与电感系数成正比，故 有： n 。n 、 n = = = 一 厶岛 三 代入式( 1 1 ) 可以得到式( 1 2 ) ： 日：孚( k + k 耐) ( 1 2 ) 由式( 1 2 ) 可知，正常工作没有漏电流时，即，舡和k 大小相等，方向相 反，总磁场强度h 为零，零序电流互感器的二次侧没有感应电压产生，相应的 漏电开关也不动作。如果负载出现漏电流，且漏电电流通过人体或其他路径流走， 则，慨和k 大小不相等，因此零序电流互感器二次侧产生感应电压，并经过 电子线路滤波放大等处理，驱动漏电机械开关跳闸。零序互感器二次侧产生的感 应电压与漏电流有着直接的对应关系，这样可以预先设定一个阈值，当漏电流大 到足以危害入的安全时，便可以断开漏电机械开关，有效地保障了入的生命安全， 这便是单相电流型漏电保护器的基本原理。在实际应用当中，由于漏电保护器可 能会受到很多的外界干扰，为了尽量提高漏电保护器对干扰的抵抗能力，减小误 7 浙江大学硕士研究生毕业论文第一章绪论 动作情况的发生，漏电信号需要有一个比较复杂的识别和处理的过程，遗憾的是 现有漏电保护器芯片不具有这种智能化判断功能。 1 6 漏电保护器集成电路市场现状 漏电保护器在我国经过3 0 余年的发展和推广应用，已经形成了一个体系完 整、规格齐全的产品系列，在人民生活生产中发挥着重要作用。随着科技的不断 进步，漏电保护器也在不断的进行改造和升级换代，从初始的机械式控制到使用 分立元件电子线路作为控制模块再到使用集成电路芯片作为核心控制模块，功能 和性能逐步得到提高，现在市场上的主流产品基本采用集成电路芯片作为控制核 心。本课题研究的f i h 系列漏电保护器集成电路芯片的设计目的就是用于替代目 前市场上的不具有抗干扰能力的漏电保护器芯片，下面将具体介绍h h 系列漏电 保护器芯片的适用产品及优点。 市场上目前主要漏电保护器产品主要有以下几种： ( 1 ) 家用及类似用途剩余电流断路器。能够同时断开相线和中性线，具有漏 电保护功能，可增加过载、过电压保护功能，但无短路保护功能。这种断路器的 额定电流有6 、1 0 、1 6 、2 0 、2 5 、3 2a 六档，额定漏电动作电流为3 0 毫安。此 种断路器又称“家用漏电保护器”，广泛安装于商店、办公楼、饭店及城乡居民 住宅中，对低压线路进行保护，适合非专业人员使用。 ( 2 ) 剩余电流断路器( 低压塑壳断路器) 。国内生产的主要型号有d z l 5 l 、 d z l 2 5 、d z 2 0 l 和s l 系列及类似的产品，此类产品额定电流较大，除了漏电保 护外，还具有过载和短路保护，可作为工厂车间、农村等配电装置主干线、分支 线的漏电和过载短路保护装置。是分级保护中分支保护所使用的漏电保护器，适 合专业人员使用。 ( 3 ) 剩余电流继电器。剩余电流继电器需要和交流接触器组合成剩余电流保 护器作为主干线或分支线路的漏电保护装置，主要用于农村和小城镇低压电网 中，安装在配变电压器的低压总电源侧，此类剩余电流继电器又称为“总级漏电 保护器”，作为分级保护中的总级保护，负责整个电网的输电安全。 ( 4 ) 移动式剩余漏电保护器国内生产的主要型号有c l l 1 0 、b l c 、l b x 、 l b c 、c l l 1 0 、q l k 、a t l 、w l t - i 及t h d l 0 型剩余电流保护器。此类产品是 直接接触漏电保护器，其额定剩余动作电流值为1 0 m a 1 5 m a ，小于一般的家用 8 浙江大学硕士研究生毕渡论文第章绪论 漏电保护器昀3 0 m a 的额定剩余动作电流值，主要用予与电热水器、空调器、电 吹风等家用电器及手持电动工具配套。 h h 系列漏电保护器集成电路芯片是适用于电圈的分级保护的漏电保护器核 心控制芯片，其中h h 1 家用漏电保护器专用集成电路芯片具有可编程功能，通 过编程既可适矮子束级保护的家用漏电保护器，又可适孀于分支保护的剩余电流 断路器。h h 2 总级漏电保护器专用集成电路芯片可安装在剩余电流继电器中， 作为总级满电保护器的控制部件。h h - i 芯片与h h - 2 芯片配合使用可以很好的 构成电网的三级保护，避免出现越级跳闸的现象，保证输电的可靠性和安全性。 漏电保护器属嚣家规定强削安装的低压电器，英年需隶量非常大，达到5 0 0 0 万台年。经过几十年的发展及国家的长期扶持，我国在漏电保护器产量上已是 避器前列，超过了西方发达溪家的产量，但是产品的技术含量不高，质量欠佳。 而漏电保护器的核心处理模块_ 漏电保护器专用集成电路，全部被国外垄断，国 内只有仿制的芯片而没有一款完全寄主研发的集成电路芯片。由于核心技术并没 有掌握在圈内企业手里，所以只能以量取胜而不能以质取胜，国内的漏电保护器 缺乏核心竟争力，并且由于国外芯片是针对国外电网的情况所设计的，脱离了中 国的实际应用环境，其芯片也不能针对国内市场进行有效的优化，导致技术不能 得到升级、成本居高不下。 目前，市场上主要的漏电保护器集成电路芯片有两种，分别为： ( 1 ) m 5 4 1 2 3 ，适用于直接接触保护的家用漏电保护器； ( 2 ) m 5 4 1 3 3 g p ，适用于间接接触保护的总级漏电保护器。 这两种芯片均为日本三菱公司的产品，下面将分别典体介绍这两款漏电保护 器集成电路芯片的特点 m 5 4 1 2 3 是一款高速剩余电流断路器芯片，芯片采用3 u m 双极型工艺制造， 其内部模块包括差分运算放大器、闩锁电路及电压源等，其应用电路图如图1 3 所示，它通过对芯片管脚 上接的电容c 1 进行充电，并通过管脚判断电容上 电压值的方式来决定跳闸信号的输出，由于充电的时间随温度、电容值及充电电 流值的波动变化较大，因此，芯片使用很小的充电电容c l 以保证安全性，这使 得芯片的动作速度= l 常快，动作时阍约为0 0 0 6 s ，如嚣1 4 所示，如此之快的动 作速度导致了芯片的抗干扰能力的下降，电网上的干扰，特别是在中国的电网中， 9 浙江大学硕士研究生毕业论文第一章绪论 由于电动机启动、雷电感应等引起的输电线中的短时干扰会使得芯片做出误判 断；从而引起误动作。误动作频繁是使用此款芯片的漏电保护器的最大问题，其 主要原因是因为它在设计的时候是按照日本标准j i sc8 3 7 1 来进行设计，与中国 的国标g b l 6 9 1 6 1 - 2 0 0 3 并不完全相同，而且日本的电网建设要比中国的完善， 由于电网及电力设施的不完善，中国电网上的干扰非常大，存在大量的尖峰脉冲 等干扰信号，会使得m 5 4 1 2 3 出现频繁误动作现象 s u p 晰w 蚍学e , h z u i t a m p l 晦呵 o t a l m t 目埘l ，- _ - 一- 、，_ - 一弋，一、1 6 0 0 5 0 f l 岔4 0 0 邑 【l l 蓦 ；3 0 0 鼻 吾2 1 0 0 图1 3m 5 4 1 2 3 的应用电路图 - - - ；- ；- - - ，o o o 。 - - - - - o - - i o 。o 。 。 1 3 06 01 2 02 4 0 咖u a l c u r r e n t 国a ) 图1 4m 5 4 1 2 3 的动作特性 m 5 4 1 3 3 g p 是一种具有延时功能的漏电开关控制芯片，适用于总级漏电保护 器，其应用电路图如图1 5 所示，m 5 4 1 3 3 g p 与m 5 4 1 2 3 属于同一系列产品，可 l o 浙江大学硕士研究生毕业论文第一章绪论 以配合进行使用，但是它的缺点也是很明显的，主要有以下丸点： ( 1 ) 。高功耗，m 5 4 1 3 3 g p 芯片采用3 u m 双极型工艺制造，由于芯片功能较为 复杂且管脚数众多，两双极型电路敲功耗一般均较高，因此该芯片功耗较高。正 常工作时功耗为3 6 r o w ，最大功耗为2 0 0 m w ，由于漏电保护器属于长期运行的 低压电器，芯片的高功耗会耗费更多的电力，造成不必要的损失和浪费。 ( 2 ) m 5 4 1 3 3 g p 芯片采用外接r c 元件来实现延时的功能，由于r c 独立元器 件的不稳定性及芯片具有一定的离散性，延时时间会随外界条件( 温度、湿度、 工作电压等) 的变化而变化，误差为4 - 3 0 ，如此之高的延时误差使得m 5 4 1 3 3 在分级保护的使用牵容易造成不同保护级别之阙的动律时间的交叉情况，出现下 级保护未动作而上级保护就已经动作的误动作事故。 ( 3 ) m 5 4 1 3 3 g p 的功能比较单一，只有漏电保护功能，既无可编程功能也无市 场上受欢迎的自动夔合闸功能，限制了芯片在高端产品中的应用。 ( 4 ) m 5 4 1 3 3 g p 的外围应用电路非常复杂，可以从图1 5 看出，外围的电阻电 容等器件很多，这无形之中提高了芯片的应用成本。 图1 5m 5 4 1 3 3 g p 的应用电路图 市场上现有主流漏电保护器集成电路芯片虽然有许多缺点，但是国内尚无新 的集成电路芯片替代这些芯片，因此，针对国外芯片不足及中国的国情，本课题 设计了h h 系列漏电保护器集成电路芯片，用于替代市场现有的m 5 4 1 2 3 及 m 5 4 1 3 3 芯片本课题芯片的优势在于： 1 1 游江太学硕士研究童毕盈论文 第一章绪论 ( 1 ) 抗