高壓直流固態(tài)功率控制器設(shè)計(jì)

劉俊堯，張 明，趙建偉，劉奕宏，黃 雷，宗 巖

(1.山東航天電子技術(shù)研究所，山東 煙臺(tái) 264032； 2.中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京 100094)

隨著航天事業(yè)的快速發(fā)展，航天器功能越來(lái)越復(fù)雜，相應(yīng)功能設(shè)備數(shù)量增多，對(duì)供配電系統(tǒng)的智能化、集成化和負(fù)載能力需求更高[1-2]。傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)普遍采用低壓配電技術(shù)，采用Si MOSFET或者繼電器作為開(kāi)關(guān)元件[3]，實(shí)現(xiàn)了小功率控制配電，功率不足限制了航天器的整體功能，影響了航天事業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)中缺少可靠性高的電路保護(hù)功能的設(shè)計(jì)，出現(xiàn)過(guò)流、短路情況時(shí)，會(huì)對(duì)設(shè)備造成不可逆的損傷。隨著航天技術(shù)的發(fā)展，安全、可靠、智能、簡(jiǎn)單的大功率供配電技術(shù)成為新一代航天裝備的發(fā)展目標(biāo)，固態(tài)功率控制器作為一種智能控制配電技術(shù)在超大功率航天器未來(lái)發(fā)展中具有明顯優(yōu)勢(shì)。

固態(tài)功率控制器屬于智能配電領(lǐng)域,是由半導(dǎo)體器件組成的集電路保護(hù)、狀態(tài)采集于一體的具有控制功率通斷能力的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)系統(tǒng)[4-6]，具有無(wú)電弧、無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)噪聲、響應(yīng)快、電磁干擾小、可靠性高、壽命長(zhǎng)和便于控制的特點(diǎn)[7-8]。固態(tài)功率控制器在設(shè)計(jì)時(shí)考慮與各種負(fù)載的兼容性，實(shí)現(xiàn)電路控制功能。固態(tài)功率控制器最早被美國(guó)應(yīng)用在航空飛機(jī)中，隨著技術(shù)發(fā)展，逐漸應(yīng)用于我國(guó)航天器供配電系統(tǒng)中[9]。

針對(duì)超大功率電源系統(tǒng)控制、管理及配電技術(shù)項(xiàng)目中高壓大功率配電技術(shù)研制需求，基于高壓大功率配電單元設(shè)備研制情況，介紹了高壓直流固態(tài)控制器設(shè)計(jì)方案，方案以SiC MOSFET為開(kāi)關(guān)元件，實(shí)現(xiàn)了400 V/8 kW控制配電，采用反時(shí)限延時(shí)保護(hù)和短路保護(hù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)電路過(guò)流、短路保護(hù)。設(shè)計(jì)方案經(jīng)過(guò)高壓大功率配電單元設(shè)備驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了400 V高壓控制配電、電路保護(hù)和故障隔離，滿足高壓大功率配電技術(shù)發(fā)展需求，為超大功率航天器在軌應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 高壓直流固態(tài)功率控制器

傳統(tǒng)航天器配電技術(shù)一般采用繼電器或者Si MOSFET作為功率輸出器件，由于繼電器和Si MOSFET不具備過(guò)流保護(hù)能力，通常需在配電通路放置熔斷器實(shí)現(xiàn)配電保護(hù)[10]。繼電器觸點(diǎn)易粘連、壽命短、體積大，Si MOSFET耐壓值低、功率密度小、導(dǎo)通阻抗大、工作頻率低[11]，均不適用于超大功率航天器發(fā)展方向；熔斷器保護(hù)功能單一，熔斷后不具備自恢復(fù)能力，航天器配電通路熔斷器發(fā)生熔斷會(huì)導(dǎo)致單通路配電功能失效。高壓直流固態(tài)功率控制器采用SiC MOSFET作為功率輸出器件，具有可靠性高、耐壓值高、功率密度大、導(dǎo)通阻抗小和工作頻率高的特點(diǎn)[12]，適用于超大功率航天器發(fā)展方向；高壓直流固態(tài)功率控制器采用反時(shí)限延時(shí)保護(hù)和短路保護(hù)設(shè)計(jì)，配電通路存在過(guò)流時(shí)可以根據(jù)過(guò)流程度采用不同保護(hù)方案，完成電路保護(hù)及故障隔離，故障剔除后可復(fù)位高壓直流固態(tài)功率控制器。

高壓直流固態(tài)功率控制技術(shù)在超大功率航天器有良好的應(yīng)用前景，在大功率化、集成化和智能化[13-15]方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，是超大功率控制配電的必然選擇，是實(shí)現(xiàn)超大功率航天器配電控制的關(guān)鍵。

高壓直流固態(tài)功率控制器硬件主要由供電部分、內(nèi)部控制部分、驅(qū)動(dòng)控制部分、功率輸出部分、保護(hù)電路部分和遙測(cè)采集部分組成，其框圖如圖1所示。

圖1 高壓直流固態(tài)功率控制器框圖

內(nèi)部隔離電源實(shí)現(xiàn)隔離電壓變換，輸入端為控制信號(hào)地和42 V電源，輸出端為浮地和參考浮地的+15 V電壓；隔離控制和隔離采集通過(guò)光耦實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)、遙測(cè)采集和高壓電路的隔離；內(nèi)部控制電路實(shí)現(xiàn)開(kāi)/關(guān)指令信號(hào)、短路保護(hù)信號(hào)和反時(shí)限延時(shí)保護(hù)信號(hào)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的控制；驅(qū)動(dòng)控制電路接收內(nèi)部控制電路的開(kāi)關(guān)指令，通過(guò)圖騰柱提高驅(qū)動(dòng)能力，進(jìn)而控制SiC MOSFET開(kāi)通/關(guān)斷；功率通路通過(guò)參考浮地的電流霍爾采集通路電流，若通路存在過(guò)流和短路情況，反時(shí)限延時(shí)保護(hù)電路或短路保護(hù)電路產(chǎn)生作用于內(nèi)部控制電路的信號(hào)，進(jìn)而控制SiC MOSFET；功率通路通過(guò)參考控制信號(hào)地的電流霍爾采集通路電流，通過(guò)電壓采集電路采集通路電壓。

1.2 保護(hù)電路

反時(shí)限延時(shí)保護(hù)和短路保護(hù)是保障供配電安全的關(guān)鍵技術(shù)，配電通路發(fā)生過(guò)流和短路時(shí)可及時(shí)切開(kāi)配電通路，避免故障的擴(kuò)大。同時(shí)，過(guò)流與短路保護(hù)所要求的時(shí)限與動(dòng)作閾值不同，實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能的電路也不同，為實(shí)現(xiàn)故障的快速切斷，同時(shí)減少器件的使用，過(guò)流保護(hù)電路采用反時(shí)限延時(shí)保護(hù)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，電流越大，關(guān)斷時(shí)間越短，當(dāng)電流達(dá)到短路閾值時(shí)直接關(guān)斷功率通路。

功率通路上發(fā)生過(guò)流或短路故障時(shí)，供電線路上存在大小為I2R的熱功率累積，當(dāng)熱量無(wú)法通過(guò)環(huán)境散出時(shí)，供電線路溫度就會(huì)不斷上升，且溫度上升的速率與線路的比熱容和線徑的大小呈線性關(guān)系。每一條特定的供電線路都有一個(gè)熱能吸收極限值Qm，可用I2t=Qm表示。這個(gè)常數(shù)與線路允許上升的溫度和線徑有關(guān)。如果高壓直流固態(tài)功率控制器在過(guò)流保護(hù)動(dòng)作過(guò)程中在供電線路上產(chǎn)生的I2t小于該線路的Qm，則供電線路不會(huì)出現(xiàn)故障。否則，將可能由于過(guò)熱造成線路絕緣度下降，引起二次故障。此種保護(hù)方式基于I2t常數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)保護(hù)曲線，固態(tài)開(kāi)關(guān)保護(hù)動(dòng)作的時(shí)間取決于流過(guò)開(kāi)關(guān)的過(guò)載電流大小，如果電流較大，則保護(hù)時(shí)間越短；反之，保護(hù)時(shí)間延長(zhǎng)。反時(shí)限延時(shí)保護(hù)曲線如圖2所示。

圖2 反時(shí)限延時(shí)保護(hù)曲線

反時(shí)限延時(shí)保護(hù)電路根據(jù)過(guò)流程度來(lái)確定延時(shí)保護(hù)時(shí)間，反時(shí)限延時(shí)保護(hù)曲線的模型表達(dá)式為

(1)

式中：t為反時(shí)限延時(shí)保護(hù)時(shí)間；B為固定常數(shù)；M為整定系數(shù)；I為負(fù)載電流；Ie為額定電流；r為曲線指數(shù)參數(shù)。

根據(jù)所帶負(fù)載的差異對(duì)反時(shí)限延時(shí)保護(hù)曲線進(jìn)行區(qū)分。一般情況下，選用一般反時(shí)限延時(shí)保護(hù)曲線；輸入、輸出電流變化較大時(shí)，選用非常反時(shí)限延時(shí)保護(hù)曲線；對(duì)過(guò)熱負(fù)載進(jìn)行保護(hù)時(shí)，選用極度反時(shí)限延時(shí)保護(hù)曲線。根據(jù)反時(shí)限延時(shí)保護(hù)曲線的劃分，整定系數(shù)和曲線指數(shù)參數(shù)選擇存在差異，如表1所示。

表1 反時(shí)限延時(shí)保護(hù)參數(shù)

2 硬件電路設(shè)計(jì)方案

2.1 電源電路

高壓大功率配電單元設(shè)備母線電壓為400 V，一級(jí)DC/DC電源變換將400 V母線電壓轉(zhuǎn)換為42 V電壓，二級(jí)DC/DC電源變換將42 V電壓轉(zhuǎn)換為+15 V電壓，+15 V電壓通過(guò)LM117得到+5 V電壓，+15 V電壓通過(guò)精密基準(zhǔn)電壓源器件AD584得到反時(shí)限延時(shí)保護(hù)電路和短路保護(hù)電路的+5 V電壓基準(zhǔn)。供電電源原理框圖如圖3所示。

圖3 供電電源原理框圖

2.2 控制電路

內(nèi)部控制電路、短路保護(hù)電路和反時(shí)限延時(shí)保護(hù)電路是高壓直流固態(tài)功率控制器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，內(nèi)部控制電路通過(guò)兩級(jí)RS觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)對(duì)SiC MOSFET的控制，一級(jí)RS觸發(fā)器輸入信號(hào)為開(kāi)/關(guān)指令信號(hào)和反時(shí)限延時(shí)保護(hù)信號(hào)。初始化時(shí)，反時(shí)限延時(shí)保護(hù)信號(hào)通過(guò)上拉電阻將引腳1鉗制為高電平；上位機(jī)控制信號(hào)通過(guò)下拉電阻將引腳2鉗制為低電平；此時(shí)引腳3輸出為高電平，引腳5為低電平，一級(jí)RS觸發(fā)器控制信號(hào)為低電平。上位機(jī)發(fā)送控制配電指令時(shí)，一級(jí)RS觸發(fā)器引腳2和引腳5翻轉(zhuǎn)為高電平，此時(shí)引腳3輸出鎖定為高電平，一級(jí)RS觸發(fā)器控制信號(hào)輸出為高電平。一級(jí)RS觸發(fā)電路原理如圖4所示。

圖4 一級(jí)RS觸發(fā)電路原理

二級(jí)RS觸發(fā)器輸入為一級(jí)RS觸發(fā)電路信號(hào)和短路控制信號(hào)，其電路原理如圖5所示。初始化時(shí)，一級(jí)RS觸發(fā)器控制信號(hào)為低電平，三極管V1不導(dǎo)通，三極管V2導(dǎo)通，RS觸發(fā)器引腳2和引腳4為低電平，引腳1為低電平，二級(jí)RS觸發(fā)器控制信號(hào)為低電平。上位機(jī)發(fā)送控制配電信號(hào)時(shí)，一級(jí)RS觸發(fā)器控制信號(hào)為高電平；三極管V1導(dǎo)通，三極管V2基極電壓為低電平；三極管V2關(guān)斷，RS觸發(fā)器引腳2、引腳4翻轉(zhuǎn)為高電平；二級(jí)RS觸發(fā)器控制信號(hào)保持低電平狀態(tài)。

圖5 二級(jí)RS觸發(fā)器電路原理

兩級(jí)RS觸發(fā)器控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的控制，驅(qū)動(dòng)控制電路原理如圖6所示。初始化時(shí)，一級(jí)RS觸發(fā)器控制信號(hào)為低電平，二級(jí)RS觸發(fā)器控制信號(hào)為低電平，驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)為低電平；發(fā)送開(kāi)通指令時(shí)，一級(jí)RS觸發(fā)器控制信號(hào)翻轉(zhuǎn)為高電平，二級(jí)RS觸發(fā)器控制信號(hào)為低電平，驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)為高電平，SiC MOSFET導(dǎo)通。功率通路過(guò)流時(shí)，一級(jí)RS觸發(fā)器控制信號(hào)在延時(shí)一定時(shí)間后翻轉(zhuǎn)為低電平，二級(jí)RS觸發(fā)器控制信號(hào)為低電平，驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)為低電平，SiC MOSFET關(guān)斷。功率通路短路時(shí)，一級(jí)RS觸發(fā)器控制信號(hào)為高電平，二級(jí)RS觸發(fā)器控制信號(hào)翻轉(zhuǎn)為高電平，驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)為低電平，SiC MOSFET關(guān)斷。

圖6 驅(qū)動(dòng)控制電路原理

電流霍爾采集功率通路電流信號(hào)，采集到的電流信號(hào)經(jīng)運(yùn)放電路和電壓比較器進(jìn)行狀態(tài)判斷，當(dāng)功率通路存在過(guò)流情況時(shí)，反時(shí)限延時(shí)保護(hù)信號(hào)在延時(shí)一定時(shí)間后翻轉(zhuǎn)為低電平，產(chǎn)生作用于一級(jí)RS觸發(fā)器電路的信號(hào)，進(jìn)而關(guān)斷SiC MOSFET；當(dāng)功率通路存在短路情況時(shí)，短路保護(hù)信號(hào)立即翻轉(zhuǎn)為高電平，產(chǎn)生作用于二級(jí)RS觸發(fā)器電路的信號(hào)，進(jìn)而關(guān)斷SiC MOSFET。反時(shí)限延時(shí)保護(hù)電路及短路保護(hù)電路原理如圖7所示。

圖7 反時(shí)限延時(shí)保護(hù)電路及短路保護(hù)電路原理

3 結(jié)果及分析

系統(tǒng)聯(lián)試現(xiàn)場(chǎng)圖如圖8所示。高壓大功率配電單元設(shè)備內(nèi)共設(shè)計(jì)5路高壓直流固態(tài)功率控制器配電通路，配電母線電壓為400 V，母線額定電流Ie為20 A，反時(shí)限延時(shí)保護(hù)及短路保護(hù)指標(biāo)如表2所示。

表2 反時(shí)限延時(shí)保護(hù)及短路保護(hù)指標(biāo)

經(jīng)聯(lián)試測(cè)試，反時(shí)限延時(shí)保護(hù)及短路保護(hù)測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 反時(shí)限延時(shí)保護(hù)及短路保護(hù)測(cè)試結(jié)果

高壓大功率配電單元聯(lián)試測(cè)試過(guò)程中對(duì)5路高壓直流固態(tài)功率控制器配電進(jìn)行測(cè)試，各配電通道功能、性能均符合要求。高壓直流固態(tài)功率控制器第1路反時(shí)限延時(shí)保護(hù)及短路保護(hù)測(cè)試結(jié)果波形如圖9～圖12所示。

圖9 1.6倍過(guò)流保護(hù)曲線

圖10 1.8倍過(guò)流保護(hù)曲線

圖11 2.0倍過(guò)流保護(hù)曲線

圖12 2.5倍短路保護(hù)曲線

測(cè)試結(jié)論如下：

① 負(fù)載電流小于1.4倍額定電流時(shí)，必不保護(hù)。

② 負(fù)載電流大于1.6倍額定電流且小于2.5倍額定電流時(shí)，按照反時(shí)限延時(shí)保護(hù)曲線進(jìn)行保護(hù)。

③ 負(fù)載電流大于2.5倍額定電流時(shí)，短路保護(hù)電路動(dòng)作，立即進(jìn)行保護(hù)。

④ 對(duì)高壓直流固態(tài)功率控制器單通道進(jìn)行多次測(cè)試，保護(hù)時(shí)間穩(wěn)定可靠。

⑤ 對(duì)高壓直流固態(tài)功率控制器各通道進(jìn)行測(cè)試，由于運(yùn)算放大器輸出電流范圍較寬，延時(shí)保護(hù)電路中電容充滿時(shí)間不一致，高壓直流固態(tài)功率控制器各通道保護(hù)時(shí)間存在一定差異。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)聯(lián)試測(cè)試，驗(yàn)證了高壓直流固態(tài)功率控制器方案在高壓大功率工況中的可靠性。高壓直流固態(tài)功率控制器采用反時(shí)限延時(shí)保護(hù)及短路保護(hù)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)高壓大功率控制配電、電路保護(hù)及故障隔離，負(fù)載通路出現(xiàn)過(guò)流、短路情況時(shí)，可根據(jù)通路過(guò)流程度執(zhí)行不同動(dòng)作，有效地保障了電路安全。高壓大功率配電單元設(shè)備完成了高壓大功率配電的任務(wù)需求，突破了多通道大功率電源系統(tǒng)管理技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題，為超大功率航天器在軌應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。