一種基于固態功率控制器的過流保護方法研究

梁曉鋒 武逸然 儀德英

（中國空間技術研究院載人航天總體部，北京 100094）

1 引言

供配電系統作為重要的平臺子系統，其可靠性很大程度上決定了航天器的可靠性，為確保航天器用電設備發生過流故障時對整個供電系統造成影響，國內外一直在研究航天器供配電系統的過流保護技術，在發生故障時以最快的速度將故障隔離，防止故障進一步蔓延影響到其它的系統，同時還需要確保故障隔離的準確性，以避免造成非正常的保護動作。

功率電子器件制造水平的快速提高，使基于過流保護的固態供電控制技術得到廣泛采用。從20世紀80年代開始，歐、美、日等國家的航天器逐漸采用以金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）器件為基礎的固態供電控制技術，以提高航天器配電的安全性［1］。美國馬歇爾航天飛行中心為“國際空間站”設計了一種遠程供電控制器（RPC）［2］。美國明尼蘇達大學研制了可編程斷路器，應用于空間飛行器［3］。日本研制了用于“國際空間站”的日本實驗艙（JEM）的電流限流開關（CLS）［4］。美國南卡羅來納大學設計一種固態供電控制器［5］，功能類似日本的CLS，具有恒流限流功能。不過，該產品沒有利用MOSFET 器件的恒流特性，而是通過調節MOSFET 器件導通的占空比來實現限流。這種限流的原理類似具有限流功能的直流-直流變換器［6］?；冖?t（其中Ⅰ為負載電流，t為跳閘延遲時間）的固態供電控制技術研究比較成熟，其產品使用主要以美國、加拿大兩國的航天器為代表，技術較為復雜，一般用在大功率配電線路的保護。

目前，國內航天器在負載輸入端采用的過流保護多為在設備的輸入端串入熔斷器，屬于一種被動的過流保護手段［1］。由于熔斷器過流保護方式對設備而言是不可恢復的，同時熔斷器不可靠因素較多，存在因浪涌電流等瞬間應力導致失效的可能，尤其對于存在電感、電容的濾波電路，在過渡過程中可能產生幅值和頻率較高的沖擊電流，電流熱積累會造成熔斷器的異常熔斷［7］。因此應盡量避免采用熔斷器作為過流保護器件，而應優先采用過流保護故障排除后可恢復的過流保護線路。而國內尚未有在軌飛行的航天器采用固態供電控制技術，未來的遙感系列衛星擬采用電流限流開關作為過流保護手段，部分載人航天器擬采用基于Ⅰ2t的固態功率控制技術作為過流保護手段。

2 基于固態功率控制器的過流保護方法

固態功率控制器（SSPC）一般由MOSFET 驅動電路及保護控制電路、隔離的測控電路和輔助電源組成，此為可恢復式過流保護器件。在通路發生短路后，可恢復式過流保護器件進行過流保護，并將保護狀態信息傳送至智能管理單元；智能管理單元預測故障保護后衛星任務受到的影響，并作出故障處理的決策［8］。例 如 美 國 深 空 系 統 技 術 項 目（DSSTP，即X2000）電源系統的故障處理方案，當通路產生過流報警信號時，斷開相應的通路，延遲相應時間后再次接通該通路。在一定時間內過流報警超過累計次數時，則徹底斷開負載，以剔除偶發故障和可排除的軟故障［9］。可見，固態功率控制器為可恢復式的過流保護器件，它的使用提高了供配電系統的智能化。

2．1 過流保護體系設計

從上述調研及分析可見，固態功率控制器因其具有過流保護后的可恢復功能，提升供配電系統智能化等優點，得到了廣泛的應用。但固態功率控制器功能組成模塊多，設計復雜，自身出現故障的概率增大。隨著后續航天器規模增大，每個供電母線可能為上百臺設備提供供電，若一個過流情況下固態功率控制器因故障未動作，則會導致整條供電母線斷電，造成航天器失去供電的嚴重后果。固態功率控制器均采用緩啟動、慢關斷的策略，減小了設備啟動時的浪涌電流，克服了熔斷器因為浪涌等瞬間應力而失效的缺點，可有效提高熔斷器使用的可靠性。綜上所述，為提高供配電系統設計可靠性，實現“一重故障工作，二重故障安全”，考慮采用固態功率控制器＋熔斷器的模式，其可克服單獨使用熔斷器的缺點，兼具了熔斷器及固態功率控制器兩者的優點，在不增加較多系統資源的同時極大地提高了系統應對故障的能力。配電模式示意圖如圖1所示。

圖1 配電模式示意圖Fig．1 Schematic diagram of distribution model

2．2 過流保護參數整定

采用SSPC＋熔斷器模式后，當用電設備發生過流故障時，SSPC 和熔斷器均可能因為過流而發生保護動作，此時考慮到SSPC為可恢復保護器件，因此SSPC應在熔斷器動作之前動作，則故障排除后可再次為用電設備加電。若熔斷器先動作，則SSPC的自恢復保護功能未能起到作用，喪失了使用SSPC的意義。

從上述分析可見，使用SSPC＋熔斷器后，過流體系為二重的過流保護設計，因此必須對SSPC 過流保護曲線與熔斷器的過流保護曲線進行匹配設計，即保護參數整定后，方可達到使用目的。

2．2．1 熔斷器保護曲線

以當前航天器使用最為廣泛的Schulte公司的MGA-S系列熔斷器為例，其熔斷時間如表1和圖2所示）。

表1 MGA-S熔斷器熔斷時間Table 1 MGA-S fusing time

圖2 Schulte公司熔斷器熔斷曲線圖Fig．2 MGA-S fusing curve

2．2．2 SSPC保護曲線

國外SSPC產品的過流保護跳閘時間如表2所示。

表2 過流SSPC產品過流保護時間Table 2 SSPC response time

可見，SSPC 的過流跳閘時間各產品之間均不相同，同時從SSPC原理分析，其過流保護參數的設定主要與應用場合相關，若供電電源短時輸出能力大且負載耐過流能力較強，則可以適當地延長過流保護動作時間，時間的延長有利于SSPC 的抗干擾設計，若供電電源輸出能力較小且負載耐過流能力較弱，則需要縮短過流保護動作時間，以避免過流時影響供電母線為其它負載的供電。

以某廠商的SSPC為例，其產品包括0．5A、1A、3A 及10A 四種規格，前3種規格產品在電流小于8倍額定電流時，采用Ⅰ2t保護策略，隨著負載電流的增加跳閘時間減小，當過流電流大于8倍額定電流時產品立即跳閘，跳閘時間小于500μs。10A 產品由于過流保護時電源需要提供的電流值較大，因此立即跳閘的過流倍數定義為額定電流的4倍。保護曲線如圖3所示。

2．2．3 過流保護參數匹配

為保證發生過流故障時，SSPC 先于熔斷器動作，需要根據SSPC 及熔斷器的保護曲線進行匹配的設計。即對于每個規格的SSPC，為其配置一個固定規格的熔斷器，使其兩者在保護參數上協調，實現SSPC 先于熔斷器動作。由圖2可見，熔斷器的熔斷時間隨過流電流的增大而減小，同時由圖3可見，SSPC的跳閘時間同樣隨過流電流的增大而減小。因此若用電設備發生過流，在每個固定的過流值時，SSPC的跳閘時間小于熔斷器的熔斷時間，并留有一定的時間余量，即可保證SSPC 先于熔斷器動作，使兩者保護時序滿足要求。反映在過流保護曲線中時，即將熔斷器的過流保護曲線位于SSPC過流保護曲線的上方。

圖3 SSPC產品過流保護曲線Fig．3 SSPC over-curren prevention curve

以10A 的SSPC 為 例，可為其配置20A 的熔斷器，當過流值為20 A 時，SSPC 的過流倍數為2倍，熔斷器未過流，因此SSPC 跳閘而熔斷器未跳閘；當過流值為30A 時，SSPC 的過流倍數為3倍，熔斷器的過流倍數為1．5倍，熔斷器熔斷時間大于10s，此時SSPC的跳閘時間小于1s即可（留有9s的時間余量）；當過流值為40A 時，SSPC的過流倍數為4倍，熔斷器的過流倍數為2倍，熔斷器熔斷時間大于2s，此時SSPC立即跳閘，跳閘時間小于500μs，確保了在過流時SSPC先于熔斷器動作。從兩者匹配的角度看，對于固定規格的SSPC，與其對應的熔斷器規格越大，則發生過流時熔斷器熔斷所用的時間越長，但熔斷器規格不宜過大，因為過大的熔斷器可能導致供電電源無法提供足夠的能量將其熔斷。熔斷器的選擇同樣需要滿足以下要求。

式中：Ⅰp為電源母線（一次電源為電源分系統，二次電源為電源變換器）的保護電流；Ⅰn為熔斷器額定工作電流；Ⅰs為該母線上總負載的最大額定工作電流；Ⅰe為此臺設備的最大額定工作電流；α為熔斷器的電流降額因子。

3 過流保護方案仿真及試驗驗證

從上述理論分析可見，通過合理的選用熔斷器及SSPC的過流保護參數，可以實現在通路過流時SSPC先于熔斷器動作，達到兩者合理的保護動作時序。在理論分析的基礎上，對過流設計進行了仿真分析及試驗驗證，以進一步證實過流體系設計及保護參數整定方法的正確性。

3．1 仿真分析

首先建立熔斷器及SSPC 的數學模型，在此基礎上進行了系統仿真。

3．1．1 熔斷器模型建立

以20A 熔斷器為例，在Saber電路仿真軟件中選取已有熔斷器模型，根據Schulte公司熔斷器的參數確定仿真模型參數。測試波形如圖4所示。

圖4 熔斷器測試波形Fig．4 Fuse waveform

由圖4可以看出，所搭建熔斷器模型滿足過流0．8～1．25倍不熔斷，1．5倍熔斷時間大于10s，1．7和2倍熔斷時間大于2s，與圖2中熔斷器的時間相符。

3．1．2 SSPC模型建立

以10ASSPC 為例，SSPC 模型的測試波形如圖5所示。

圖5 SSPC測試波形Fig．5 SSPC waveform

負載兩端電壓從0V 到100V 的上升時間為45μs，從100V 到0V 的下降時間為15μs，與實際SSPC數據基本吻合，所搭建模型滿足要求。

3．1．3 過流保護仿真

使用Saber仿真軟件中的電壓比較器、理想電壓源、電阻和電容模塊，根據前文中SSPC與熔斷器過流保護參數匹配設計，應用點擬合法搭建Ⅰ2t過流保護模塊。將各模塊連接，搭建包括直流電源、熔斷器、SSPC、過流保護電路、負載的完整仿真驗證模型。模型的過流保護特性如圖6所示。

圖6為10A 規格的SSPC 在負載電流由額定值突變為20A 時的保護特性曲線，從曲線中可見正常狀態時，負載電流為10A，當負載電流在0．5s突變至20A 時，SSPC過流保護，在1．38s斷開，過流保護時間為0．88s，負載電流降為0A。

圖6 10ASSPC過流約2倍波形Fig．6 2times over current flow waveform of 10ASSPC

圖7為10A 規格的SSPC在負載電流由額定值突變為36．8A 時（模擬用電設備過流）的保護特性曲線，從曲線中可見正常狀態時，負載電流為10A，當負載電流突變至36．8A 時，SSPC 過流保護，在502．36ms斷開，過流保護時間為1．41ms，負載電流降為0A。

圖7 SSPC過流約4倍波形Fig．7 4times over current flow waveform of 10ASSPC

從上述保護特性仿真可見，使用SSPC＋熔斷器配電模式，通過對SSPC、熔斷器過流保護特性匹配設計后，當用電設備過流故障時，SSPC 動作進行過流保護，對故障起到有效的隔離作用，同時熔斷器未發生熔斷。

3．2 試驗驗證

對于SSPC與熔斷器的匹配性能進行了試驗驗證，試驗驗證平臺由穩壓直流電源、接觸器及驅動電路、SSPC及驅動電路、熔斷器、負載、測試電纜及測試儀表組成。內部組成及連接關系如圖8所示。其中SSPC 選用0．5A、1A、3A、10A4種規格，在SSPC之前配置熔斷器。直流電源電壓為100 V，SSPC 偏置電壓12V，控制信號為0．5V，負載電流可調整，通過驅動電路控制SSPC的開通與關斷。

圖8 試驗驗證框圖Fig．8 Diagram of the test

測試中，將系統連接到位后通過驅動電路首先接通K1、K2開關，通過驅動電路開通SSPC，然后將負載電流逐步增大，測試SSPC 的保護特性。當SSPC過流保護后，通過驅動電路將SSPC 斷開，然后調整負載到額定狀態，再次開通SSPC后，調整負載到一定過流值，繼續測試SSPC 保護特性。試驗過程中對SSPC 的保護動作曲線進行了測試，部分測試波形如圖9所示。

圖9 SSPC過流波形Fig．9 Over current flow waveform of SSPC

圖9中綠色曲線為SSPC（模擬用電設備過流）的保護特性曲線，紅色曲線為SSPC 開通指令信號。圖9（a）中正常狀態時，負載電流為10A，當負載電流突變至20A 時，SSPC 過流保護約0．8s，負載電流降為0。圖9（b）中正常狀態時，負載電流為10A，當負載電流突變至37．3A 時，SSPC 過流保護約1．3ms，負載電流降為0。圖9（c）中正常狀態時，負載電流為3A，當負載電流突變至25．1A 時，SSPC過流保護約37μs，負載電流降為0。實現了用電負載短路下的立即跳閘。

從圖9保護特性測試可見，使用SSPC＋熔斷器配電模式，通過對SSPC、熔斷器過流保護特性匹配設計后，當用電設備過流故障時，由于SSPC的過流跳閘時間小于熔斷器的熔斷時間，SSPI先于熔斷器實現過流保護，對故障起到有效的隔離作用，同時熔斷器未發生熔斷。

4 結束語

本文在調研分析當前國內外配電過流保護設計的基礎上，提出了一種SSPC＋熔斷器的配電過流保護體系。對這種過流保護體系的優缺點進行了分析。提出了過流保護參數整定的要求并進行了仿真分析及試驗驗證。SSPC＋熔斷器的過流保護體系在增加很小系統資源的情況下實現了對負載過流的二重保護，通過合理的保護參數整定實現了當負載過流時SSPC先于熔斷器動作，在提高系統運行可靠性的基礎上，實現了自恢復式的過流保護?？梢詾楹罄m航天器型號進行過流保護設計提供參考。

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