高效順序開關分流調節(jié)器研究

楊岳楓

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384)

高效順序開關分流調節(jié)器研究

楊岳楓

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384)

論述了如何采用單功率二極管供電提高順序開關分流調節(jié)器的效率。功耗降低使得系統(tǒng)熱耗減少，減少了系統(tǒng)的散熱壓力。為防止單功率二極管單點失效，本系統(tǒng)采用高可靠性二極管短路保護電路。仿真結果驗證了設計的合理性、可靠性。

順序開關分流調節(jié)器；免單點故障；可靠性

隨著順序開關分流調節(jié)技術的廣泛應用，針對其功率拓撲的改進也在不斷進行。本文主要研究通過改變傳統(tǒng)順序開關分流調節(jié)電路功率拓撲來提升分流器效率，減少產品的熱應力等問題，并解決了改變功率拓撲帶來的單點故障問題。

1 工作原理及現狀

順序開關分流調節(jié)技術是歐洲航天局(ESA)在20世紀70年代伴隨開關調節(jié)技術發(fā)展起來的，S3R分流調節(jié)器是電源控制器的核心組成部分[1]。系統(tǒng)拓撲如圖1所示。

圖1 S3R原理框圖

S3R的特點是所有分流電路完全相同，受控于同一母線誤差放大信號(MEA)。分流電路的邏輯狀態(tài)(開或關)取決于MEA與每級分流電路的參考電壓的比較結果。每級的參考電壓由母線電壓經電阻分壓產生，并以同一增量有規(guī)則均勻分布。

調整級的工作狀態(tài)與該級比較器回差的上限和下限電壓有關，當分流開關管關斷時，注入母線的太陽電池電流高于負載電流，此時母線濾波電容充電，母線電壓升高，控制信號電壓逐漸升高。當電壓升高到該級的上限電壓時，開關管導通，此時注入母線的太陽電池電流少于負載電流，母線濾波電容放電，母線電壓降低，控制信號電壓逐漸降低，直到電壓降低到到該級的下限電壓時，開關管關斷，完成一個調整周期。

隔離二極管的作用是當分流開關管導通時，阻止母線電流反向注入到電源地。現在普遍使用兩只功率二極管串聯(lián)方式給母線供電。

2 單功率二極管S3R拓撲

為提高S3R效率指標，本文采用兩個隔離二極管并聯(lián)供電形式取代之前二極管串并聯(lián)形式。單個分流二極管不僅減小功率損耗，更減少了功率器件數量，使功率組件小型化得以實現，同時減小了功率組件的熱應力。

顯然，去掉一個分流隔離二極管后，當發(fā)生二極管短路失效時，必須做出相應保護措施，防止分流電路分流時母線電容沿分流支路放電。且相應保護電路必須具有快速響應故障能力，迅速關斷MOS器件，同時電路需要有較強的噪聲抑制能力，即區(qū)分正常分流和故障情況。因此提出下述保護電路。

保護電路基于檢測功率MOS管漏極和S3R比較器輸出端同時出現高電壓情況。保護電路由比較器構成。保護電路比較器同向輸入端接在通過二極管接MOS管漏極的對地接電容，電容上電壓由分壓電阻決定。保護比較器另一輸入端接參考電壓。當MOS管分流時，二極管導通，電容開始放電，其上電壓與一個參考電壓進行比較。當S3R比較器電壓以及MOS管漏極電壓均為高時，保護電路比較器輸出高電位[2]。

保護電路比較器輸出端接電容，同時輸出端上拉電阻通過二極管和電阻接S3R比較器輸出端。電容在MOS管導通時充電，關斷時放電，充放電電阻選取不同數量級，使得充電快、放電慢。當故障發(fā)生時，MOS管處于連續(xù)的開通和關斷狀態(tài)。連續(xù)的充電和放電使得電容上要達到一個給定電平，這個電平去觸發(fā)存儲單元，使得MOS管關斷。

當MOS管開通瞬間，由方陣結電容引起正常導通時兩者電壓都高的情況。這是因為，保護電路比較器輸出端對地電容上充電時間遠遠小于放電時間，每個周期內電容均完全放電。因此不會混淆正常分流和故障模式。

電路仿真結果如下：

電路模擬隔離二極管失效，設置二極管在0.2 m時短路失效，結電容10 μF情況下，瞬時電流可達到972 A，MOS管瞬間被擊穿，導致該級方陣失效。仿真如圖2所示。

圖2 無保護開關管電流和母線紋波

加入保護電路后仿真結果如圖3所示。仿真電路在100 ms處設置母線二極管短路，單點故障保護電路迅速起作用，約在3 ms內分流管斷開。

在MOS管關斷過程中，流過MOS管的電流值如圖4所示。

圖3 有保護開關管電流和母線紋波

圖4 保護瞬間開關管電流和母線紋波

3 結論

單功率二極管S3R電源系統(tǒng)拓撲極大地提高了S3R系統(tǒng)的效率，同時降低了電源系統(tǒng)的熱應力，功率器件的減少使得功率系統(tǒng)更加小型化。仿真結果顯示該單點故障檢測電路能有效鑒別故障模式和正常工作模式，使得電路可靠性大幅增加。

[1]韓波.S4R型功率調節(jié)系統(tǒng)技術簡介[C]//中國宇航學會電源分會論文集.北京：中國宇航學會，2005：121-125.

[2]TONICELLO F,LLAVONA L B.Synchronous rectified,single diode sequential shunt switching regulator(S3R)[C]//Proceedings of 9th European Space Power Conference.France:Saint Raphael, 2011:1-8.

Research on efficient sequential shunt switching regulator

How to use a single power diode to improve the efficiency of the sequential shunt switching regulator was discussed.Lower power consumption resulted in lower heat loss.To prevent a single point failure of single power diode,the system used a high-reliability diode short-circuit protection.The simulation results show the rationality and reliability of design.

sequential shunt switching regulator(S3R);single point failure free(SPFF);reliability

TM 57

A

1002-087 X(2016)06-1284-02

2015-12-15

楊岳楓(1984—)，女，河北省人，碩士，工程師，主要研究方向為航天電源系統(tǒng)設計及航天電源控制技術。