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電路過流、短路保護。設計方案經過高壓大功率配電單元設備驗證，實現了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

內部隔離電源實現隔離電壓變換，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控制信號、遙測采集和高壓電路的隔離；內部控制電路實現開/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生作用于內部控制電路的信號，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，實現保護功能的電路也不同，為實現故障的快速切斷，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，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生的I2t小于該線路的Qm，則供電線路不會出現故障。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；M為整定系數；I為負載電流；Ie為額定電流；r為曲線指數參數。

根據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。根據反時限延時保護曲線的劃分，整定系數和曲線指數參數選擇存在差異，如表1所示。

表1 反時限延時保護參數

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，內部控制電路通過兩級RS觸發(fā)器實現對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)試現場圖如圖8所示。高壓大功率配電單元設備內共設計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高壓大功率控制配電、電路保護及故障隔離，負載通路出現過流、短路情況時，可根據通路過流程度執(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。