儀德英，陳恒智，于 磊，王林濤，武逸然

(中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094)

供配電系統(tǒng)是航天器重要的平臺系統(tǒng)，在進行配電系統(tǒng)設(shè)計時首要考慮的是系統(tǒng)的可靠性和安全性，其次是系統(tǒng)的可控制性、智能性等。在供配電系統(tǒng)的方案設(shè)計階段，很大一部分工作是供配電開關(guān)的選型設(shè)計，尤其是大型載人航天器的供配電開關(guān)選型將直接影響整個配電系統(tǒng)的架構(gòu)。

從20世紀80年代開始，歐、美、日等國家的航天器配電系統(tǒng)逐漸采用以金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(Metal Oxide Semiconductor Filed Effect Transistor,MOSFET)作為配電開關(guān)器件的固態(tài)功率電子開關(guān)，以提高航天器配電的安全性。國內(nèi)的新型宇航配電系統(tǒng)也逐漸開始基于固態(tài)功率電子開關(guān)進行研制(Solid-state Power Controller,SSPC)。對于當(dāng)前廣泛使用的基于NMOS(N溝道MOSFET)型SSPC的新型宇航配電器系統(tǒng)，由于NMOS器件的開關(guān)驅(qū)動特性， NMOS型SSPC的供電電源、隔離控制、隔離檢測等外設(shè)電路占用大量硬件資源，大幅增加了配電器電路復(fù)雜程度，也降低了配電系統(tǒng)可靠性。另一方面，為了使配電系統(tǒng)更加智能化，且具有一定的自主管路和故障處理能力，需要盡可能全面的對配電系統(tǒng)工作狀態(tài)進行監(jiān)測，獲得更多的遙測參數(shù)。這也意味著需要更多的硬件資源、系統(tǒng)重量和成本。因此，存在著功能需求與有限的系統(tǒng)資源的矛盾。

PMOS(P溝道MOSFET)器件的負柵源電壓驅(qū)動特性，不需對每一路單獨進行隔離控制和檢測，在直流配電系統(tǒng)的正線電子開關(guān)應(yīng)用上有著天然的優(yōu)勢，能夠有效地簡化電路結(jié)構(gòu)，節(jié)約硬件資源。另一方面,非隔離控制的PMOS型SSPC用于宇航配電系統(tǒng)尤其是大型載人航天器的配電系統(tǒng)，對系統(tǒng)級設(shè)計要求更高，需要依靠更多的單機層面設(shè)計解決系統(tǒng)級設(shè)計需要考慮的問題。本文對基于PMOS型SSPC的分布式智能宇航配電系統(tǒng)設(shè)計方案進行了探索，并針對用電負載短路故障引起的母線掉電導(dǎo)致整個固態(tài)配電系統(tǒng)配電開關(guān)狀態(tài)復(fù)位問題進行了研究，提出了配電輔助電路設(shè)計方案，提高了新型配電器的可靠性。

1 分布式智能配電系統(tǒng)

對于新型航天器配電器系統(tǒng)，用于負載設(shè)備供電控制的SSPC是構(gòu)筑配電系統(tǒng)的核心器件。配電系統(tǒng)的智能控制、自主管理等功能主要是通過對負載層配電器及其核心供電控制器件SSPC的工作狀態(tài)監(jiān)測和集中控制來實現(xiàn)的。

圖1是某大型載人航天器的分布式智能配電系統(tǒng)構(gòu)成簡圖。母線層配電器接收一次電源系統(tǒng)的一次母線供電，通過大功率開關(guān)送到負載層配電器——100 V智能配電單元。智能配電單元以具有可恢復(fù)保護功能的SSPC作為配電控制核心器件來為用電設(shè)備直接供電。用電設(shè)備內(nèi)部配置標準DC/DC模塊在負載端進行二次DC/DC變換，為其內(nèi)部電路供電。配電系統(tǒng)控制計算機通過1553B總線向各配電器發(fā)送控制指令，并通過1553B總線采集各配電器工作狀態(tài)遙測參數(shù)，包括電壓、電流、開關(guān)狀態(tài)等。

對于智能化供配電系統(tǒng)，需要獲得盡可能全面的工作狀態(tài)遙測，包括各配電器的輸入電壓、輸入電流、輸出電壓、輸出電流、配電開關(guān)狀態(tài)、可恢復(fù)保護電路工作狀態(tài)等?？刂朴嬎銠C通過實時檢測這些遙測參數(shù)的變化情況來判斷各配電器工作狀態(tài)、各負載設(shè)備的用電情況是否正常，進而實現(xiàn)故障自主識別/診斷、故障自主隔離處置等配電系統(tǒng)自主健康管理策略。自主管理需要更多的遙測信息,但這與有限的航天器硬件資源存在矛盾，在基于NMOS型SSPC的智能配電系統(tǒng)中尤其突出。

2 PMOS型配電器與NMOS型配電器設(shè)計對比

直流宇航配電系統(tǒng)大多以供電母線回線作為系統(tǒng)的地平面，采用正線配電開關(guān)控制負載供電。由于NMOS具有可選擇型號總類多、導(dǎo)通電阻值低等優(yōu)勢。因此，當(dāng)前的大型載人航天器配電系統(tǒng)大多是基于NMOS型SSPC構(gòu)建的。NMOS的驅(qū)動控制電路必須以NMOS的S極為參考地，用于正線供電開關(guān)時，每一路SSPC的NMOS均需配置單獨的隔離供電、隔離驅(qū)動和隔離檢測電路，隔離電路占用大量的硬件資源，同時也增加了電路復(fù)雜性,降低了配電系統(tǒng)可靠性。

圖2為某大型載人航天器供配電系統(tǒng)最初的100 V智能配電器設(shè)計方案。該方案使用NMOS型SSPC，正線配電開關(guān)，單機內(nèi)部配置一套控制組件控制多路SSPC。因為使用NMOS開關(guān)管，SSPC的供電電源地與開關(guān)輸出端(NMOS的S極，負載供電正線)連接，SSPC的驅(qū)動電路地相對一次母線電位隨SSPC開關(guān)狀態(tài)變化。因此，每路SSPC均需配置一個專用的隔離電源用于SSPC供電。因控制多路SSPC，智能控制組件不能和SSPC內(nèi)部的驅(qū)動電路共地，SSPC的開關(guān)控制指令信號、開關(guān)狀態(tài)/保護狀態(tài)遙測信號與智能控制組件間必須進行隔離傳輸，負載電流/電壓遙測信號使用霍爾傳感器和專用線性隔離電路(如V/F-F/V變換)實現(xiàn)智能控制組件與SSPC中MOS驅(qū)動電路的隔離。

由于負載電流、電壓的線性隔離采集電路需占用大量的硬件資源，與系統(tǒng)分配的重量、體積等硬件資源有限的矛盾，在最后的供配電系統(tǒng)設(shè)計方案中不得不簡化配電系統(tǒng)的遙測參數(shù)配置，舍棄針對各配電通道的電流、電壓檢測功能。

與NMOS型SSPC的區(qū)別在于，PMOS型SSPC的控制電路的參考地是連接在輸入母線正線上的，可以實現(xiàn)單機內(nèi)部全部PMOS型SSPC的驅(qū)動電路共地，為新型智能配電器功率開關(guān)的供電、控制和遙測采集電路設(shè)計提供了便利條件。

圖3為一種基于PMOS型SSPC的100 V智能配電器的電路框圖。單機內(nèi)部全部SSPC的驅(qū)動電路共用一路±12 V供電電源，單機智能控制組件地線與SSPC的±12 V電源地等電位。SSPC的開關(guān)控制指令信號由智能控制組件直接送到SSPC驅(qū)動電路，SSPC的開關(guān)狀態(tài)、保護狀態(tài)、負載電流/電壓遙測信號經(jīng)過運放調(diào)理后可以直接送到智能控制組件，不需要經(jīng)過隔離變換。該設(shè)計簡化了電路結(jié)構(gòu)，有效精簡了配電系統(tǒng)硬件資源。硬件資源占用比簡化后的NMOS方案更少，能夠滿足配電系統(tǒng)自主管理對負載供電遙測信息的需求。同時，由于減少了硬件資源，也提高了系統(tǒng)的可靠性預(yù)計值。

3 PMOS用于SSPC的可行性分析

對于SSPC的MOS管選用設(shè)計，主要器件參數(shù)依次是MOS的耐壓VDS、額定電流、導(dǎo)通電阻RDS(on)、熱阻及瞬態(tài)熱阻。MOS的耐壓、導(dǎo)通電阻是衡量功率開關(guān)穩(wěn)態(tài)工作條件的重要指標。開關(guān)管的耐壓能力決定于MOS的選型，在滿足SSPC導(dǎo)通壓降要求的條件下，選用的MOS的導(dǎo)通電流降額設(shè)計通常也是滿足要求。

SSPC對負載過流故障具有可恢復(fù)保護功能，負載過流時MOS需要承受較大的熱應(yīng)力，MOS的熱阻及瞬態(tài)熱阻則是決定的SSPC可靠性的最關(guān)鍵的指標。在帶短路負載開通——關(guān)斷保護動作瞬間， SSPC的MOS承受的瞬間應(yīng)力最大，MOS承受全部的母線電壓、導(dǎo)通電流峰值達到設(shè)定的跳閘保護電流值，持續(xù)時間在1～3 ms級間。如圖3所示，此時，MOS器件的熱耗最大,結(jié)溫迅速升高。若MOS器件設(shè)計不合理，很容易導(dǎo)致SSPC燒毀。解決這一問題也是SSPC可靠性設(shè)計的最重要環(huán)節(jié)，為了分攤應(yīng)力，通常需要并聯(lián)足夠的MOS管。

從某公司的PMOS器件手冊，耐壓200 V的PMOS器件單管導(dǎo)通電阻達到0.1～0.16 Ω，熱阻指標不低于同類的NMOS器件。能夠滿足100 V及以下直流母線的SSPC使用需求，尤其對于小功率的SSPC與NMOS相比性能差異可忽略。同時，鑒于在一定范圍內(nèi)多并聯(lián)MOS管對提高功率開關(guān)可靠性及對瞬態(tài)應(yīng)力耐受能力有利，在5 A/10 A級別的較大功率的SSPC的應(yīng)用上也具有一定優(yōu)勢。

基于上述原因，雖然PMOS相對于NMOS可選擇性較差、導(dǎo)通電阻指標相對較差，但是在用于航天器供配電開關(guān)控制方面，PMOS相對NMOS的不足可以忽略。與圖3方案類似使用PMOS的智能配電器已經(jīng)應(yīng)用于某新型衛(wèi)星平臺。

4 固態(tài)配電器的可靠性設(shè)計

由于SSPC的開關(guān)驅(qū)動控制信號為電平信號，當(dāng)配電器的輸入母線電壓低于單機內(nèi)部供電電源的最小輸入電壓時，會發(fā)生配電器的所有固態(tài)功率開關(guān)全部斷開的故障，這對宇航配電系統(tǒng)的影響是致命的。負載突然短路故障及SSPC的跳閘保護延遲是造成輸入母線電壓瞬間跌落的一個誘因。

使用PMOS型SSPC的智能配電器，單機內(nèi)的全部SSPC是由同一組電源集中供電，并且開關(guān)驅(qū)動和控制電路的地線是與輸入母線正線直連的，更希望輸入母線穩(wěn)定，尤其希望母線上沒有劇烈的異常突變。因此，在配電器設(shè)計中提高母線電壓穩(wěn)定性的輔助電路是非常必要的。

圖5為一種用于抑制SSPC瞬態(tài)保護特性引起的直流配電器輸入母線電壓異常突變的配電器輔助電路設(shè)計，由單通道的續(xù)流二極管、瞬態(tài)吸收電路和配電器輸入端的儲能電容構(gòu)成。儲能電容C2通過串聯(lián)的二極管和電阻具有慢充電快放電能力，在負載短路到保護電路動作的(≤100 μs)時間內(nèi)，提供放電電流，保證智能配電器的輸入母線電壓不會掉到安全電壓以下，能夠保證配電器內(nèi)二次DC/DC輸出電壓穩(wěn)定。電容C1吸收開關(guān)跳閘瞬間的輸入母線電纜電動勢，與配電輸出端的續(xù)流二極管共同作用保證開關(guān)跳閘瞬間MOS管DS電壓不會過高(超過VDS擊穿電壓)。

圖6給出了具有負載短路立即跳閘保護功能的SSPC，在負載短路——SSPC跳閘保護瞬間的開關(guān)電流、母線電壓、SSPC開關(guān)壓降的仿真分析結(jié)果。負載短路瞬間配電器輸入母線電壓跌落到37 V(短路通路供電電纜分壓值)，開關(guān)斷開瞬間SSPC開關(guān)電壓上沖到MOS的DS擊穿電壓值。

圖7(a)為增加輔助電路后，額定10 A SSPC開通后負載短路瞬間配電器輸入母線電壓、SSPC開關(guān)壓降和開關(guān)電流變化仿真分析結(jié)果。增加輔助電路后，輸入母線電壓穩(wěn)定性有所提高。負載短路瞬間儲能電容放電，使得配電器的輸入母線電壓跌落較小，最小值為82.8 V，高于100 V母線安全電壓，不會影響配電器及其負載的工作狀態(tài)。由于吸收電路與續(xù)流二極管的作用，抑制了輸入、輸出電纜的產(chǎn)生的感生電動勢，有效地抑制了SSPC開關(guān)壓降的瞬態(tài)峰值，使其降至160 V，遠低于MOS的DS擊穿電壓，能夠有效提高SSPC開關(guān)電路在配電系統(tǒng)中的可靠性。圖7(b)為某配置了輔助電路的新型智能配電器10 A通道的開通后負載短路保護特性測試結(jié)果，負載短路——SSPC保護瞬間配電器的100 V輸入母線電壓跌落和上沖均不超過15 V。

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于PMOS型SSPC的智能配電系統(tǒng)設(shè)計方案，由于PMOS天然的正線開關(guān)應(yīng)用優(yōu)勢，能夠以更精簡的電路提供更多的遙測信息資源，滿足了智能配電系統(tǒng)自主健康管理的遙測信息需求。精簡電路結(jié)構(gòu)還能夠提高系統(tǒng)的可靠性預(yù)計值，解決了當(dāng)前常用的NMOS型SSPC隔離電路占用大量硬件資源問題。對負載短路保護特性引起的智能配電器輸入母線電壓跌落問題進行了討論，介紹了一種輔助電路設(shè)計。該設(shè)計可以保證負載短路故障時配電系統(tǒng)的母線電壓處于安全電壓范圍內(nèi)。