固態(tài)功率控制器感性負載下的續(xù)流特性分析

李輝耀，萬成安，陳永剛，李心歆，李 麗

（1.北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100080；2.北京市空間電源變換與控制工程研究中心，北京 100080）

固態(tài)功率控制器SSPC（solid-state power controller）以其高可靠、高安全、具備故障隔離與恢復、易于實現(xiàn)配電的智能化等優(yōu)勢，廣泛應用于我國航天、航空等高可靠領(lǐng)域。在我國空間站各大艙段的配電上得到了大量的裝機應用，為整器設備高可靠配電、航天員用電高安全性等方面提供了有效的保障。

SSPC 是一種基于過流保護特性的固態(tài)電子開關(guān)，主要用于配電鏈路的高壓大電流控制，由于其負載特性的復雜性和功能的多樣性，對其瞬態(tài)特性的研究一直是業(yè)內(nèi)難題。當前，我國關(guān)于SSPC 的研究依然處于比較初級的階段，大多停留在原理樣機階段，在保護曲線及算法、智能化配電等方面的研究較多[1-5]，而對其開關(guān)動作、保護動作下的瞬態(tài)特性工作機理的認識依然不夠深入，真正研制成功負載適應性強、具備高可靠應用的固態(tài)功率控制器的廠家為數(shù)不多。

隨著電壓電流等級的提升，SSPC 在分斷過程承受的電熱應力越來越大，尤其是感性負載下的過流保護關(guān)斷，對固態(tài)功率控制器的安全使用影響越來越大，極易造成浪涌電流與瞬時過電壓導致的熱失效現(xiàn)象，如對SSPC 內(nèi)部ESD 電路造成損壞，對SSPC 功率MOSFET 造成損壞，不正當使用續(xù)流二極管及錯誤選型導致二極管自身發(fā)生短路擊穿造成負載供電側(cè)短路故障等。本文結(jié)合前期我國空間站用高可靠固態(tài)功率控制器的安全性設計經(jīng)驗對固態(tài)功率控制器感性負載下的續(xù)流特性展開分析，為SSPC 的可靠性設計及使用提供指導借鑒。

1 SSPC 關(guān)斷模式下的續(xù)流特性分析

1.1 SSPC 關(guān)斷模式特性分析

SSPC 的續(xù)流過程主要表現(xiàn)在當SSPC 發(fā)生關(guān)斷動作且功率MOSFET 導電溝道夾斷之后。為了便于分析該過程的續(xù)流特性，需要對SSPC 的關(guān)斷模式有清晰的認識。SSPC 除了通過接收外部開關(guān)指令實現(xiàn)正常的開通關(guān)斷之外，其自身的保護特性也具有自主關(guān)斷功能，具體表現(xiàn)為：當負載電流高于SSPC 反時限過流保護起始保護點時，SSPC 觸發(fā)過流保護，按照如圖1 所示SSPC 保護關(guān)斷特性的反時限保護曲線進行延時保護關(guān)斷，圖1 中，I 為電流，Ie為額定電流；當負載電流高于SSPC 立即跳閘保護點時，SSPC 啟動立即跳閘保護并關(guān)斷，迅速實現(xiàn)功率回路電流回路切斷。不同的關(guān)斷特性表現(xiàn)出來的關(guān)斷速率也各不相同。

圖1 SSPC 保護關(guān)斷特性曲線Fig.1 Protection and shutdown characteristic curve of SSPC

總結(jié)起來，SSPC 實現(xiàn)關(guān)斷的方式有如下3 種情況：①通過接收關(guān)斷指令實現(xiàn)MOSFET 的正常關(guān)斷；②主功率回路發(fā)生過流引發(fā)I2t 反時限跳閘保護關(guān)斷；③主功率回路發(fā)生短路引發(fā)短路跳閘立即保護關(guān)斷。圖2 分別給出了3 種關(guān)斷模式工況的SSPC 電流特性曲線。

從圖2 曲線中可以發(fā)現(xiàn)：SSPC 正常關(guān)斷動作較為緩慢，關(guān)斷特性遵循的是SSPC 的緩關(guān)斷特性，關(guān)斷過程通常在ms 量級；I2t 反時限跳閘保護引發(fā)的關(guān)斷過程速度較正常關(guān)斷過程略快，區(qū)別在于該過程SSPC 產(chǎn)品已工作在大電流工況下，電路的熱效應較為明顯，關(guān)斷的時間與電流過流值大小息息相關(guān)，電流越大，關(guān)斷斜率也更陡峭，關(guān)斷時間通常約為百μs～ms 量級。圖2（c）為短路模式下的關(guān)斷過程，可見，短路模式下流過SSPC 功率回路的電流高達數(shù)百A 甚至幾十kA，為了避免SSPC設備被大電流擊穿，該過程的關(guān)斷設計通常會選擇以最快的動作速度關(guān)斷，時間為幾μs 到幾十μs。由公式U=Ldi/dt 可知，dt 通常會疊加在功率回路上，引起功率回路的高壓擊穿，尤其在感性負載較大的情況下通常會引發(fā)功率MOSFET 的氧化層和介質(zhì)層擊穿。

圖2 不同SSPC 關(guān)斷模式下的電流特性曲線Fig.2 Current characteristic curves in different SSPC shutdown modes

1.2 續(xù)流二極管在SSPC 工作原理及特性分析

為了避免SSPC 關(guān)斷過程中較高的di/dt 沖擊，通常在SSPC 輸出回路上設計續(xù)流電路或吸收電路，如圖3 所示。當SSPC 功率回路斷開時，由于電流突然中斷，負載電感線圈兩端將產(chǎn)生感生電動勢，其方向與原電流方向保持一致。

圖3 SSPC 中續(xù)流二級管工作原理Fig.3 Working principle for free-wheeling diode in SSPC

對該過程建立KVL 方程，即

式中：Ud為電源電壓；Uds和Ids分別為功率MOSFET漏源電壓和漏源電流；Rs、r 和LD分別為采樣電阻、負載電阻和負載電感。對式（1）進行求解[6]可得，關(guān)斷過程中疊加到功率MOSFET 源漏兩端的電壓為

式中：I0≈U1/r；Gm為MOSFET 放大系數(shù)；UT和Ug2分別為MOSFET 柵壓關(guān)斷閾值和最小值。感性負載下的MOSFET 關(guān)斷波形曲線如圖4 所示。

圖4 關(guān)斷過程SSPC 功率回路MOSFET 電壓電流波形Fig.4 Voltage and current waveforms during MOSFET shutdown in SSPC

結(jié)合式（2）及圖4 可知，此時感生反電動勢將疊加在SSPC 功率回路上，造成功率MOSFET 過電壓，嚴重時將引發(fā)功率MOSFET 器件過電壓擊穿。為了避免該問題發(fā)生，通過在負載兩側(cè)并聯(lián)二極管進行電壓釋放，由于該二極管承擔了功率回路斷續(xù)電流的續(xù)流過程，因而又稱之為續(xù)流二極管。

當SSPC 功率回路斷開后，二極管PN 結(jié)兩端電壓由負電壓快速切換為回路電感感生的正向電壓，當該電壓達到PN 結(jié)導通電壓時，二極管由反偏截止狀態(tài)切換為正向?qū)顟B(tài)。由于二極管開通過程并非理想的開關(guān)過程，其開通過程是由載流子的擴散運動形成正向電流，因此，開通過程存在延遲現(xiàn)象。為方便分析，開通延時用tr表示，則在0～tr過程對功率回路的分析依然滿足式（1）。二極管導通后，對該過程建立KVL 方程，即

假設SSPC 關(guān)斷時間為tf，則二極管導通瞬間為續(xù)流過程的電流峰值點，此時續(xù)流二極管承受最大的浪涌電流，此后的時間為續(xù)流二極管瞬態(tài)電流持續(xù)下降的過程，該期間，續(xù)流二極管承擔的最大應力為功率沖擊，表現(xiàn)為熱累計現(xiàn)象。

2 感性負載下的SSPC 續(xù)流特性建模及仿真分析

由于續(xù)流過程為瞬態(tài)過程，且電壓電流非線性變化，為進一步評估SSPC 關(guān)斷后續(xù)流期間對二極管電流和功率的沖擊，對SSPC 不同關(guān)斷模式在不同感性負載下的二極管電應力沖擊進行建模仿真。

2.1 感性負載下的續(xù)流特性建模

結(jié)合式（3）可知，流過續(xù)流二極管的電流IVD為

續(xù)流二級管兩端的熱積累QVD可表示為

結(jié)合SSPC 關(guān)斷特性，建立SSPC 關(guān)斷后的感性負載下的續(xù)流特性模型，在SSPC 模型的選取上本文采用我國空間站用厚膜SSPC 作為本次續(xù)流特性的分析模型，SSPC 額定電流為15 A，工作母線為100 V，功率MOSFET 擊穿電壓約為230 V，如圖5所示。圖中，IVD為續(xù)流二極管VD 的電流；ID為負載電流；V2為負載電源模型。

圖5 SSPC 關(guān)斷后的感性負載下的續(xù)流特性模型Fig.5 Model of continuous current characteristics under inductive load after SSPC shutdown

2.2 感性負載關(guān)斷對功率MOSFET 的應力仿真分析

通過以上理論分析可知，感性負載關(guān)斷造成的反電動勢在無續(xù)流回路時將疊加在功率MOSFE 漏源兩端，仿真結(jié)果表明，對于耐壓標稱200 V 的功率MOSFET，隨著感性負載電感增加，MOSFET 漏源兩端承受的電壓越高，最終達到器件擊穿電壓的鉗位值（仿真值約為230 V）。由此可見，在無續(xù)流回路存在時，當疊加的反電動勢高于功率MOSFET的耐壓值時，持續(xù)時間超過器件最大極限，將可能造成功率MOSFET 過電壓擊穿。為了進一步評估感性負載大小對SSPC 過壓影響，通過仿真模擬了不同電感下有無續(xù)流回路時功率MOSFET 的過電壓波形，如圖6 所示。仿真結(jié)果表明，當有續(xù)流二極管存在時，關(guān)斷過程由感性負載帶來的反電動勢幾乎全被續(xù)流二極管回路吸收，功率MOSFET 在感性負載關(guān)斷下幾乎無過電壓應力；當無續(xù)流二極管時，隨著感性負載增大，功率MOSFET 兩端出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象，且電感越大，關(guān)斷速率越快功率MOSFET 過電壓現(xiàn)象越明顯，最終導致功率MOSFET 進入鉗位區(qū)，嚴重時將導致功率MOSFET 擊穿。

圖6 不同關(guān)斷模式下功率MOSFET 隨感性負載影響仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of influences on power MOSFET under different inductive loads and different shutdown modes

2.3 不同關(guān)斷模式對續(xù)流二極管應力仿真分析

結(jié)合SSPC 上述模型，分別在3 種不同關(guān)斷模式下，通過改變負載電阻阻值改變SSPC 功率回路電流，從而模擬SSPC 不同的保護關(guān)斷模式，圖7 給出了在感性負載電感為1 mH 下的SSPC 關(guān)斷曲線，分別提取了關(guān)斷過程中的續(xù)流二極管電流、功耗、熱耗信息。

從仿真波形觀察可知，SSPC 功率MOSFET 電流斷續(xù)時刻即為續(xù)流二極管峰值電流和峰值功耗的最高點。圖7 中，正常關(guān)斷時，SSPC 關(guān)斷電流約為15 A，續(xù)流期間在二極管上產(chǎn)生的峰值電流為1.2 A，峰值功率為1 W，持續(xù)時間約為450 μs；由I2t 反時限保護引發(fā)的關(guān)斷，當電流為30 A 時，在續(xù)流二極管器件上產(chǎn)生的峰值電流為5.5 A，峰值功率為6 W，持續(xù)時間約為960 μs，續(xù)流期間二極管產(chǎn)生的熱積累約為1.6 mJ；當SSPC 關(guān)斷模式為短路立即跳閘時，在40 A 關(guān)斷峰值電流下，續(xù)流二極管器件上產(chǎn)生的峰值功率高達93 W，續(xù)流持續(xù)時間約為3 ms，續(xù)流器件二極管產(chǎn)生的熱積累約為60 mJ，是正常關(guān)斷的400 倍以上，結(jié)合式（5）分析可知，盡管峰值電流僅提高了3 倍，然而由于續(xù)流時間的增加，在二極管上積累的熱效應將不可被忽視。

圖7 不同關(guān)斷模式下SSPC 的續(xù)流二極管應力仿真波形Fig.7 Simulation waveforms of free-wheeling diode stress in different SSPC shutdown modes

2.4 感性負載對續(xù)流二極管應力影響仿真

為了進一步分析續(xù)流期間感性負載關(guān)斷存儲的能量對二極管的影響，通過改變感性負載大小，對SSPC 在不同關(guān)斷電流下續(xù)流二極管承受的應力進行仿真分析，提取續(xù)流二極管峰值電流、峰值功率、熱積累進行曲線擬合，如圖8 所示。

圖8 續(xù)流二極管電流峰值隨電感及關(guān)斷電流變化曲線Fig.8 Curves of peak current of free-wheeling diode with inductance and shutdown current

從仿真結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，在相同關(guān)斷電流狀態(tài)下，負載電感越大，續(xù)流二極管續(xù)流期間承受的焦耳熱和功耗也越大；在相同感性負載狀態(tài)下，隨著關(guān)斷電流增大、關(guān)斷斜率變小，續(xù)流二極管續(xù)流期間承受的焦耳熱和功耗也更大。

2.5 實驗驗證

本文搭建了SSPC 感性負載下的測試電路，利用示波器電流探頭監(jiān)控續(xù)流二極管回路電流。工作母線設置為100 V，負載1 采用可調(diào)電阻箱，額定工作阻值約為6.67 Ω，短路阻值約為2 Ω，電感實測值約為1.08 mH，通過指令開通SSPC 后，分別在正常指令下進行關(guān)斷和短路阻值下進行關(guān)斷，實測波形如圖9 所示。

圖9 續(xù)流二極管峰值功率隨電感及關(guān)斷電流變化曲線Fig.9 Curve of peak power of free-wheeling diode with inductance and shutdown current

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，正常關(guān)斷時，流過續(xù)流二極管上的電流峰值約為1.25 A，持續(xù)時間約為450 μs；短路關(guān)斷時流過續(xù)流二極管上的電流峰值約為50 A，持續(xù)時間約為4.2 ms，與仿真結(jié)果基本吻合，進一步證實了仿真分析及模型的正確性。

圖10 續(xù)流二極管熱積累隨電感及關(guān)斷電流變化曲線Fig.10 Curve of thermal accumulation in free-wheeling diode with inductance and shutdown current

圖11 SSPC 不同關(guān)斷模式下的續(xù)流二極管電流實測波形Fig.11 Measured current waveforms of free-wheeling diode in different SSPC shutdown modes

2.6 續(xù)流二極管選型建議

續(xù)流二極管一般為P+NN+結(jié)構(gòu)，其中P+和N+分別為器件陽極和陰極，中間N 層為輕摻雜區(qū)，可以近似看作本征半導體。通過理論分析及仿真實驗可知SSPC 感性負載關(guān)斷過程中，由于負載電感儲能作用，MOSFET 關(guān)斷時，回路的電流并不會馬上消失，由于電感產(chǎn)生的感生電動勢將繼續(xù)維持電流的下降過程，當續(xù)流二極管未完全導通時，電感上產(chǎn)生的反電動勢將疊加在功率MOSFET上，嚴重時將導致功率MOSFET 過電壓擊穿。因此，從保護功率MOSFET 角度，對續(xù)流二極管的選擇要求其具備能夠?qū)崿F(xiàn)快速導通特性；另一方面，續(xù)流期間，二極管工作在正向?qū)顟B(tài)，通常情況下SSPC 關(guān)斷峰值電流較大，過大的峰值電流和負載電感能量均需通過續(xù)流二極管回路轉(zhuǎn)化為熱能消耗殆盡，因此，從續(xù)流二極管工作的安全性角度，要求續(xù)流二極管能夠抵抗大電流浪涌沖擊。此外，SSPC 關(guān)斷電路中，過快的電流變化容易引起電流振蕩和電磁干擾[7]。在續(xù)流二極管的選擇同時需要關(guān)注續(xù)流二極管反向恢復特性[8-10]，盡量選擇具有軟關(guān)斷特性的續(xù)流二極管，從而避免硬關(guān)斷在回路中產(chǎn)生振蕩，引起器件的損壞。

3 結(jié)語

本文通過對固態(tài)功率控制器感性負載下的關(guān)斷特性及續(xù)流特性進行理論分析并結(jié)合我國空間站用SSPC 進行了建模仿真，對有無續(xù)流二極管下的功率MOSFET 過電壓應力進行了對比，同時對SSPC 不同關(guān)斷模式、不同電感量下的續(xù)流二極管應力特性進行了仿真分析。仿真結(jié)果表明續(xù)流二極管對SSPC 功率器件的安全性具有至關(guān)重要的保護意義，最后結(jié)合仿真、測試及理論分析，給出了SSPC 電路下的續(xù)流二極管選型注意事項。對于固態(tài)功率控制器的設計以及我國空間站用SSPC 的安全性具有一定的指導意義。