高壓直流固態(tài)功率控制器設計

劉俊堯，張 明，趙建偉，劉奕宏，黃 雷，宗 巖

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

隨著航天事業(yè)的快速發(fā)展，航天器功能越來越復雜，相應功能設備數(shù)量增多，對供配電系統(tǒng)的智能化、集成化和負載能力需求更高[1-2]。傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)普遍采用低壓配電技術，采用Si MOSFET或者繼電器作為開關元件[3]，實現(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)展進程。傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)中缺少可靠性高的電路保護功能的設計，出現(xiàn)過流、短路情況時，會對設備造成不可逆的損傷。隨著航天技術的發(fā)展，安全、可靠、智能、簡單的大功率供配電技術成為新一代航天裝備的發(fā)展目標，固態(tài)功率控制器作為一種智能控制配電技術在超大功率航天器未來發(fā)展中具有明顯優(yōu)勢。

固態(tài)功率控制器屬于智能配電領域,是由半導體器件組成的集電路保護、狀態(tài)采集于一體的具有控制功率通斷能力的無觸點開關系統(tǒng)[4-6]，具有無電弧、無觸點、無噪聲、響應快、電磁干擾小、可靠性高、壽命長和便于控制的特點[7-8]。固態(tài)功率控制器在設計時考慮與各種負載的兼容性，實現(xiàn)電路控制功能。固態(tài)功率控制器最早被美國應用在航空飛機中，隨著技術發(fā)展，逐漸應用于我國航天器供配電系統(tǒng)中[9]。

針對超大功率電源系統(tǒng)控制、管理及配電技術項目中高壓大功率配電技術研制需求，基于高壓大功率配電單元設備研制情況，介紹了高壓直流固態(tài)控制器設計方案，方案以SiC MOSFET為開關元件，實現(xiàn)了400 V/8 kW控制配電，采用反時限延時保護和短路保護設計實現(xiàn)電路過流、短路保護。設計方案經(jīng)過高壓大功率配電單元設備驗證，實現(xiàn)了400 V高壓控制配電、電路保護和故障隔離，滿足高壓大功率配電技術發(fā)展需求，為超大功率航天器在軌應用奠定了基礎。

1 設計原理

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不具備過流保護能力，通常需在配電通路放置熔斷器實現(xiàn)配電保護[10]。繼電器觸點易粘連、壽命短、體積大，Si MOSFET耐壓值低、功率密度小、導通阻抗大、工作頻率低[11]，均不適用于超大功率航天器發(fā)展方向；熔斷器保護功能單一，熔斷后不具備自恢復能力，航天器配電通路熔斷器發(fā)生熔斷會導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、導通阻抗小和工作頻率高的特點[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限延時保護和短路保護設計，配電通路存在過流時可以根據(jù)過流程度采用不同保護方案，完成電路保護及故障隔離，故障剔除后可復位高壓直流固態(tài)功率控制器。

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

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、驅動控制部分、功率輸出部分、保護電路部分和遙測采集部分組成，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)部隔離電源實現(xiàn)隔離電壓變換，輸入端為控制信號地和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光耦實現(xiàn)控制信號、遙測采集和高壓電路的隔離；內(nèi)部控制電路實現(xiàn)開/關指令信號、短路保護信號和反時限延時保護信號對驅動電路的控制；驅動控制電路接收內(nèi)部控制電路的開關指令，通過圖騰柱提高驅動能力，進而控制SiC MOSFET開通/關斷；功率通路通過參考浮地的電流霍爾采集通路電流，若通路存在過流和短路情況，反時限延時保護電路或短路保護電路產(chǎn)生作用于內(nèi)部控制電路的信號，進而控制SiC MOSFET；功率通路通過參考控制信號地的電流霍爾采集通路電流，通過電壓采集電路采集通路電壓。

1.2 保護電路

反時限延時保護和短路保護是保障供配電安全的關鍵技術，配電通路發(fā)生過流和短路時可及時切開配電通路，避免故障的擴大。同時，過流與短路保護所要求的時限與動作閾值不同，實現(xiàn)保護功能的電路也不同，為實現(xiàn)故障的快速切斷，同時減少器件的使用，過流保護電路采用反時限延時保護電路來實現(xiàn)，電流越大，關斷時間越短，當電流達到短路閾值時直接關斷功率通路。

功率通路上發(fā)生過流或短路故障時，供電線路上存在大小為I2R的熱功率累積，當熱量無法通過環(huán)境散出時，供電線路溫度就會不斷上升，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系。每一條特定的供電線路都有一個熱能吸收極限值Qm，可用I2t=Qm表示。這個常數(shù)與線路允許上升的溫度和線徑有關。如果高壓直流固態(tài)功率控制器在過流保護動作過程中在供電線路上產(chǎn)生的I2t小于該線路的Qm，則供電線路不會出現(xiàn)故障。否則，將可能由于過熱造成線路絕緣度下降，引起二次故障。此種保護方式基于I2t常數(shù)來設計保護曲線，固態(tài)開關保護動作的時間取決于流過開關的過載電流大小，如果電流較大，則保護時間越短；反之，保護時間延長。反時限延時保護曲線如圖2所示。

圖2 反時限延時保護曲線

反時限延時保護電路根據(jù)過流程度來確定延時保護時間，反時限延時保護曲線的模型表達式為

(1)

式中：t為反時限延時保護時間；B為固定常數(shù)；M為整定系數(shù)；I為負載電流；Ie為額定電流；r為曲線指數(shù)參數(shù)。

根據(jù)所帶負載的差異對反時限延時保護曲線進行區(qū)分。一般情況下，選用一般反時限延時保護曲線；輸入、輸出電流變化較大時，選用非常反時限延時保護曲線；對過熱負載進行保護時，選用極度反時限延時保護曲線。根據(jù)反時限延時保護曲線的劃分，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 反時限延時保護參數(shù)

2 硬件電路設計方案

2.1 電源電路

高壓大功率配電單元設備母線電壓為400 V，一級DC/DC電源變換將400 V母線電壓轉換為42 V電壓，二級DC/DC電源變換將42 V電壓轉換為+15 V電壓，+15 V電壓通過LM117得到+5 V電壓，+15 V電壓通過精密基準電壓源器件AD584得到反時限延時保護電路和短路保護電路的+5 V電壓基準。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、短路保護電路和反時限延時保護電路是高壓直流固態(tài)功率控制器設計的重點，內(nèi)部控制電路通過兩級RS觸發(fā)器實現(xiàn)對SiC MOSFET的控制，一級RS觸發(fā)器輸入信號為開/關指令信號和反時限延時保護信號。初始化時，反時限延時保護信號通過上拉電阻將引腳1鉗制為高電平；上位機控制信號通過下拉電阻將引腳2鉗制為低電平；此時引腳3輸出為高電平，引腳5為低電平，一級RS觸發(fā)器控制信號為低電平。上位機發(fā)送控制配電指令時，一級RS觸發(fā)器引腳2和引腳5翻轉為高電平，此時引腳3輸出鎖定為高電平，一級RS觸發(fā)器控制信號輸出為高電平。一級RS觸發(fā)電路原理如圖4所示。

圖4 一級RS觸發(fā)電路原理

二級RS觸發(fā)器輸入為一級RS觸發(fā)電路信號和短路控制信號，其電路原理如圖5所示。初始化時，一級RS觸發(fā)器控制信號為低電平，三極管V1不導通，三極管V2導通，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RS觸發(fā)器控制信號為低電平。上位機發(fā)送控制配電信號時，一級RS觸發(fā)器控制信號為高電平；三極管V1導通，三極管V2基極電壓為低電平；三極管V2關斷，RS觸發(fā)器引腳2、引腳4翻轉為高電平；二級RS觸發(fā)器控制信號保持低電平狀態(tài)。

圖5 二級RS觸發(fā)器電路原理

兩級RS觸發(fā)器控制信號實現(xiàn)對驅動電路的控制，驅動控制電路原理如圖6所示。初始化時，一級RS觸發(fā)器控制信號為低電平，二級RS觸發(fā)器控制信號為低電平，驅動控制信號為低電平；發(fā)送開通指令時，一級RS觸發(fā)器控制信號翻轉為高電平，二級RS觸發(fā)器控制信號為低電平，驅動控制信號為高電平，SiC MOSFET導通。功率通路過流時，一級RS觸發(fā)器控制信號在延時一定時間后翻轉為低電平，二級RS觸發(fā)器控制信號為低電平，驅動控制信號為低電平，SiC MOSFET關斷。功率通路短路時，一級RS觸發(fā)器控制信號為高電平，二級RS觸發(fā)器控制信號翻轉為高電平，驅動控制信號為低電平，SiC MOSFET關斷。

圖6 驅動控制電路原理

電流霍爾采集功率通路電流信號，采集到的電流信號經(jīng)運放電路和電壓比較器進行狀態(tài)判斷，當功率通路存在過流情況時，反時限延時保護信號在延時一定時間后翻轉為低電平，產(chǎn)生作用于一級RS觸發(fā)器電路的信號，進而關斷SiC MOSFET；當功率通路存在短路情況時，短路保護信號立即翻轉為高電平，產(chǎn)生作用于二級RS觸發(fā)器電路的信號，進而關斷SiC MOSFET。反時限延時保護電路及短路保護電路原理如圖7所示。

圖7 反時限延時保護電路及短路保護電路原理

3 結果及分析

系統(tǒng)聯(lián)試現(xiàn)場圖如圖8所示。高壓大功率配電單元設備內(nèi)共設計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，反時限延時保護及短路保護指標如表2所示。

表2 反時限延時保護及短路保護指標

經(jīng)聯(lián)試測試，反時限延時保護及短路保護測試結果如表3所示。

表3 反時限延時保護及短路保護測試結果

高壓大功率配電單元聯(lián)試測試過程中對5路高壓直流固態(tài)功率控制器配電進行測試，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路反時限延時保護及短路保護測試結果波形如圖9～圖12所示。

圖9 1.6倍過流保護曲線

圖10 1.8倍過流保護曲線

圖11 2.0倍過流保護曲線

圖12 2.5倍短路保護曲線

測試結論如下：

① 負載電流小于1.4倍額定電流時，必不保護。

② 負載電流大于1.6倍額定電流且小于2.5倍額定電流時，按照反時限延時保護曲線進行保護。

③ 負載電流大于2.5倍額定電流時，短路保護電路動作，立即進行保護。

④ 對高壓直流固態(tài)功率控制器單通道進行多次測試，保護時間穩(wěn)定可靠。

⑤ 對高壓直流固態(tài)功率控制器各通道進行測試，由于運算放大器輸出電流范圍較寬，延時保護電路中電容充滿時間不一致，高壓直流固態(tài)功率控制器各通道保護時間存在一定差異。

4 結束語

通過聯(lián)試測試，驗證了高壓直流固態(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限延時保護及短路保護設計可以實現(xiàn)高壓大功率控制配電、電路保護及故障隔離，負載通路出現(xiàn)過流、短路情況時，可根據(jù)通路過流程度執(zhí)行不同動作，有效地保障了電路安全。高壓大功率配電單元設備完成了高壓大功率配電的任務需求，突破了多通道大功率電源系統(tǒng)管理技術的關鍵問題，為超大功率航天器在軌應用奠定了基礎。