0 引言

    隨著電流轉換器、開關裝置以及節能設備在生活和生產中的廣泛應用，非正弦的漏電電流正在污染著電網并且誘發觸電事故。如今，為了解決非正弦漏電電流產生的危害，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安全。根據中國國家標準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，根據采樣處理的同步誤差作出相應的改正。復雜的傅里葉分析以及整個系統高成本限制了它的廣泛應用。

    在參考文獻[4]中，剩余電流設備的改進結構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到的剩余電流到達了預定值，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節中會介紹），僅僅在正半周或者負半周內檢測漏電波形并不能很好地檢測脈沖直流漏電電流。最終測試結果表明跳閘電流閾值僅滿足國家標準，這個檢測方法并不適合A型漏電保護器。

    根據IEC60479-1標準^[6]，當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，會對人體造成嚴重傷害。因此將A型漏電保護器的漏電脫扣閾值設定在30 mA。

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

1 A型漏電保護器應用電路系統結構

    A型漏電保護器應用電路的系統結構主要部分包括剩余電流檢測模塊、一個電壓調節模塊、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的執行模塊。電壓調節模塊從50 Hz交流電源通過整形、降壓、穩壓產生穩定的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

    A型漏電保護器的主要結構如圖1。這是一個典型的模數混合設計集成電路，包括模擬和數字部分。模擬部分作為輔助電路，負責信號的放大和比較，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、上電復位電路以及溫度補償環形振蕩電路[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生具有不同幅值的電壓，每一種A型剩余電流對應了一個遲滯比較器和一個通過參考電壓生成電路產生的脫扣電流比較值。數字模塊是核心處理電路，主要來實現該創新的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 創新方法的提出   

    對于A型漏電保護器，最關鍵的是準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）是觸發計時脈沖，它是由（Ⅱ）和觸發計時器電平2.5 V（對應正滯后角）或者2.3 V（對應負滯后角）比較產生的。（Ⅳ）是漏電電流脈沖，由（Ⅱ）和對應的脫扣比較電平比較生成。當（Ⅳ）出現的時候，表明剩余電流大于等于最小脫扣電流值。當（Ⅳ）出現后，A型漏電保護器輸出波形（Ⅴ）來觸發可控硅，切斷電路。在對感應電壓波形（Ⅱ）深入研究后發現，從計時器被（Ⅲ）觸發后，漏電電流脈沖（Ⅳ）出現在不同的時間區間。當有漏電電流時，在計時器觸發計時后，如圖2～圖5所示，±135°類型脈沖，在3 ms內出現；±90°類型脈沖，在3 ms～7 ms之間出現；±0°類型脈沖，在7 ms～12 ms區間內。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兩個區間內都出現，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，測試表明它的響應和0°類型的相似，如圖5(b)中所示。16 ms后，所有的數字部分復位，準備下一個周期的檢測。

    表1總結了所有的剩余電流類型檢測的時間區間，這些時間區間不同但是連續。一個關鍵點是可以根據芯片輸出脈沖的占空比來判斷剩余電流的類型，這能夠幫助設計者來評估芯片的性能。在一個周期內，對于±135°剩余電流，可控硅的觸發脈沖在計時器被觸發后大約2.5 ms出現，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，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 測試結果

    這款A型漏電保護器采用CSMC 0.5 μm數模混合CMOS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，下部波形是當有觸電發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果。結果顯示，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區間內，大小相差2.8 mA。

    表3給出了這款A型漏電保護器和近來出現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勢。

5 總結

    本文展示了一個創新的方法來實現A型漏電保護器最小脫扣電流一致性。這款A型漏電保護器可以在一個周期內的不同且連續的時間區間內，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、優異性能而且高可靠性使得這款A型漏電保護器芯片在市場應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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[7] Yoshihiro Masui，Takeshi Yoshida，Atsushi Iwata.Low power and low voltage chopper amplifier without LPF[J].IEICE Electron，2008：967.

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