0 引言

    隨著電流轉(zhuǎn)換器、開關(guān)裝置以及節(jié)能設(shè)備在生活和生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用,，非正弦的漏電電流正在污染著電網(wǎng)并且誘發(fā)觸電事故,。如今，為了解決非正弦漏電電流產(chǎn)生的危害,，人們廣泛在供電電源處使用A型漏電保護器來保護個人和財產(chǎn)安全,。根據(jù)中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB16917.1-2003^[1]，A型剩余電流包含AC型和7種脈動直流漏電,，其中脈動直流漏電分為7種情況：電流滯后角分別為±0°,、±90°、±135°以及電流滯后角0°疊加6 mA的平滑直流電,。脫扣電流值為均方根值（RMS）,。

    一些研究員使用了單片機來解決主干線路的漏電保護問題^[2-3]，采用全波傅里葉算法來完成剩余電流信號的采樣,、特征分析,，根據(jù)采樣處理的同步誤差作出相應(yīng)的改正。復(fù)雜的傅里葉分析以及整個系統(tǒng)高成本限制了它的廣泛應(yīng)用。

    在參考文獻[4]中,，剩余電流設(shè)備的改進結(jié)構(gòu)包括簡單的分立元件,，例如電磁繼電器和永久磁鐵。如果電流變壓器感應(yīng)到的剩余電流到達了預(yù)定值,，它的磁通量大到能夠減小永久磁鐵的磁通量,，總的磁通量到達一定值后，彈簧就能夠拉動電磁繼電器中的可動銜鐵來斷開主電路,。

    在參考文獻[5]中實現(xiàn)了一種具有簡單外圍電路的A型漏電保護器,。因為電流互感器次級線圈帶來的波形失真（在第3節(jié)中會介紹），僅僅在正半周或者負(fù)半周內(nèi)檢測漏電波形并不能很好地檢測脈沖直流漏電電流,。最終測試結(jié)果表明跳閘電流閾值僅滿足國家標(biāo)準(zhǔn),，這個檢測方法并不適合A型漏電保護器。

    根據(jù)IEC60479-1標(biāo)準(zhǔn)^[6],，當(dāng)通過人體某一部位的電流超過30 mA時,，如果不能及時切斷電流，會對人體造成嚴(yán)重傷害,。因此將A型漏電保護器的漏電脫扣閾值設(shè)定在30 mA。

    本文提出了實現(xiàn)A型漏電電流檢測的創(chuàng)新型方法,，這種方法可以在不同的連續(xù)的時間區(qū)間內(nèi)精確地辨識出剩余電流的類型,。

1 A型漏電保護器應(yīng)用電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    A型漏電保護器應(yīng)用電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要部分包括剩余電流檢測模塊、一個電壓調(diào)節(jié)模塊,、一個A型漏電保護器控制器集成電路,、一個過壓保護模塊以及一個包含可控硅和電感L的執(zhí)行模塊。電壓調(diào)節(jié)模塊從50 Hz交流電源通過整形,、降壓,、穩(wěn)壓產(chǎn)生穩(wěn)定的5 V供電電壓。剩余電流檢測模塊可以檢測到相線和中性線之間的不平衡電流（即剩余電流）,。

2 A型漏電保護器的實現(xiàn)

    A型漏電保護器的主要結(jié)構(gòu)如圖1,。這是一個典型的模數(shù)混合設(shè)計集成電路，包括模擬和數(shù)字部分,。模擬部分作為輔助電路,，負(fù)責(zé)信號的放大和比較，它主要包括了參考電壓生成模塊,、斬波放大電路^[7]（共模電壓為2.4 V）,、遲滯比較器、上電復(fù)位電路以及溫度補償環(huán)形振蕩電路[8],。具有相同均方值的不同種類的A型剩余電流通過電流互感器的次級線圈產(chǎn)生具有不同幅值的電壓,，每一種A型剩余電流對應(yīng)了一個遲滯比較器和一個通過參考電壓生成電路產(chǎn)生的脫扣電流比較值。數(shù)字模塊是核心處理電路，主要來實現(xiàn)該創(chuàng)新的A型漏電電流識別算法,。它主要是由干擾濾除電路,、A型漏電電流檢測模塊、輸出緩沖電路以及過壓保護電路組成,。

3 創(chuàng)新方法的提出   

    對于A型漏電保護器,，最關(guān)鍵的是準(zhǔn)確快速地判別剩余電流的類型、判斷漏電電流的均方值是否達到了最小脫扣電流值,。

    因為供電電網(wǎng)采用50 Hz的交替電流,，所以剩余電流的頻率也是50 Hz。圖2～圖5闡述了A型剩余漏電保護器在一個周期20 ms內(nèi)的漏電檢測過程,。

    （Ⅰ）表示的是初始的A型剩余漏電電流,，電流互感器檢測到此剩余電流并且在其次級線圈產(chǎn)生漏電信號。（Ⅱ）是斬波放大器放大的漏電信號,，用于信號處理,。（Ⅲ）是觸發(fā)計時脈沖，它是由（Ⅱ）和觸發(fā)計時器電平2.5 V（對應(yīng)正滯后角）或者2.3 V（對應(yīng)負(fù)滯后角）比較產(chǎn)生的,。（Ⅳ）是漏電電流脈沖,，由（Ⅱ）和對應(yīng)的脫扣比較電平比較生成。當(dāng)（Ⅳ）出現(xiàn)的時候,，表明剩余電流大于等于最小脫扣電流值,。當(dāng)（Ⅳ）出現(xiàn)后，A型漏電保護器輸出波形（Ⅴ）來觸發(fā)可控硅,，切斷電路,。在對感應(yīng)電壓波形（Ⅱ）深入研究后發(fā)現(xiàn)，從計時器被（Ⅲ）觸發(fā)后,，漏電電流脈沖（Ⅳ）出現(xiàn)在不同的時間區(qū)間,。當(dāng)有漏電電流時，在計時器觸發(fā)計時后,，如圖2～圖5所示,，±135°類型脈沖，在3 ms內(nèi)出現(xiàn),；±90°類型脈沖,，在3 ms～7 ms之間出現(xiàn)；±0°類型脈沖,，在7 ms～12 ms區(qū)間內(nèi),。對于AC型，為了避免它對于其他類型漏電的干擾,，作者使用了波峰和波谷的檢測方法,，如圖5（a）中顯示的,，從計時器開始計時后，漏電脈沖在3 ms～7 ms以及13 ms～16 ms兩個區(qū)間內(nèi)都出現(xiàn),，AC型漏電電流會被檢測到,。至于電流滯后角0°疊加6 mA的平滑直流電，測試表明它的響應(yīng)和0°類型的相似,，如圖5(b)中所示,。16 ms后，所有的數(shù)字部分復(fù)位,，準(zhǔn)備下一個周期的檢測,。

    表1總結(jié)了所有的剩余電流類型檢測的時間區(qū)間，這些時間區(qū)間不同但是連續(xù),。一個關(guān)鍵點是可以根據(jù)芯片輸出脈沖的占空比來判斷剩余電流的類型,，這能夠幫助設(shè)計者來評估芯片的性能。在一個周期內(nèi),，對于±135°剩余電流,，可控硅的觸發(fā)脈沖在計時器被觸發(fā)后大約2.5 ms出現(xiàn)，所以占空比大約(16-2.5)/20=13.5/20,。對于±90°的剩余電流,，大約5 ms后出現(xiàn)，占空比大約是11/20,。對于±0°的剩余電流占空比大約是6/20,。對于AC型剩余電流占空比大約為1/20。

4 測試結(jié)果

    這款A(yù)型漏電保護器采用CSMC 0.5 μm數(shù)?；旌螩MOS工藝。芯片的尺寸是1.037 mm×0.686 mm,。芯片電源供電是5 V,，芯片輸入電流是480 μA。芯片總共有15個管腳,，其中只有6個是必要的,，其他的都是測試管腳。

    圖6～圖9顯示了A型漏電電流信號以及相應(yīng)的脫扣輸出,，其中上部波形是斬波放大器放大后的漏電電流信號,，下部波形是當(dāng)有觸電發(fā)生時用來切斷故障電路的A型漏電保護器的輸出信號。

    表2顯示的是最小脫扣電流值的測試結(jié)果,。結(jié)果顯示,，所有類型的A型漏電電流的最小脫扣電流值分布在28.9 mA到31.7 mA區(qū)間內(nèi)，大小相差2.8 mA,。

    表3給出了這款A(yù)型漏電保護器和近來出現(xiàn)的幾款保護器的比較,，從中可以看到,，這款芯片相較其他芯片的優(yōu)勢。

5 總結(jié)

    本文展示了一個創(chuàng)新的方法來實現(xiàn)A型漏電保護器最小脫扣電流一致性,。這款A(yù)型漏電保護器可以在一個周期內(nèi)的不同且連續(xù)的時間區(qū)間內(nèi),，識別剩余電流的類型，判斷它的均方值是否超過了額定值,。低成本,、優(yōu)異性能而且高可靠性使得這款A(yù)型漏電保護器芯片在市場應(yīng)用中有更強的競爭力。

參考文獻

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[4] Xiang Luo,，DU Y,，WANG X H，et al.Tripping characteristics of residual current devices under nonsinusoidal currents[J].IEEE Transactions on Industry Application,，2011,，47(3)：1515-1521.

[5] Han Yan，Ding Chen,，Shou Xinli.Design implementation & of an A-type residual current circuit beraker IC[J].ISIE,，2012：280.

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[8] Xia Xiaojuan，Ji XinCun,，Guo Yufeng,，et al.A temperature compensated CMOS ring oscillator for DC-DC converters[J].IEICE Electron，2013.