張沛 柳新軍 姜東升

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

1 引言

多年來，航天器在軌故障的統(tǒng)計(jì)研究表明，影響航天器功能甚至整個(gè)航天器安全的故障多為航天器上設(shè)備或功率傳輸通路上的局部短路故障。這種局部短路會(huì)引起功率通路溫度迅速升高，若過流發(fā)生點(diǎn)為電纜的匯聚位置，那么短路電纜在過流高溫后有可能損壞相鄰電纜，引起局部短路故障的迅速蔓延，最終造成整個(gè)航天器損失的災(zāi)難性后果。由于故障蔓延的速度很快，傳統(tǒng)的過流保護(hù)方法使用電磁繼電器來通斷功率通路，無法及時(shí)隔離故障源；或者由于短路電流很大，繼電器斷開時(shí)會(huì)產(chǎn)生拉弧甚至無法斷開。為避免局部短路帶來的危害，須要對(duì)配電設(shè)備采取過流保護(hù)措施。

過流保護(hù)就其裝置所處位置來說，分為配電端輸出保護(hù)和負(fù)載輸入端過流保護(hù)。配電端輸出保護(hù)的保護(hù)裝置一般位于配電器內(nèi)，對(duì)配電功率通路發(fā)生的短路故障可起到防護(hù)作用；由于在配電器的源端配置，因此一般采用可恢復(fù)式的過流保護(hù)方式，例如配電器內(nèi)二次電源模塊的輸出過流保護(hù)。負(fù)載輸入端保護(hù)主要針對(duì)負(fù)載設(shè)備內(nèi)部短路，一般采取熔斷器、限流電阻或恒流過流保護(hù)等手段。目前，國(guó)內(nèi)航天器在負(fù)載輸入端采用的過流保護(hù)多為在設(shè)備的輸入端串入熔斷器或限流電阻，屬于一種被動(dòng)的過流保護(hù)手段。使用限流電阻降低了負(fù)載輸入電壓，因此負(fù)載的功耗會(huì)有所增加；當(dāng)短路發(fā)生后，限流電阻不能關(guān)斷通路，在電阻上持續(xù)消耗電能，引起熱量聚集，設(shè)備溫度升高。對(duì)于負(fù)載電流較大的場(chǎng)合，通常無法選擇合適阻值及功率的限流電阻。使用熔斷器雖能隔離故障，不會(huì)引起明顯壓降，但是熔斷器熔斷后不能恢復(fù)對(duì)被保護(hù)設(shè)備的供電，等同于被保護(hù)設(shè)備失效。此外，熔斷器不可靠因素較多，存在因浪涌電流等瞬間應(yīng)力導(dǎo)致失效的可能，尤其對(duì)于存在電感、電容的濾波電路，在過渡過程中可能產(chǎn)生幅值和頻率較高的沖擊電流，電流熱積累會(huì)造成熔斷器的異常熔斷［1］。熔斷器的熔斷時(shí)間為毫秒級(jí)，熔斷過程中會(huì)拉低輸入電壓，影響對(duì)其余設(shè)備的供電。反觀國(guó)外航天器，其負(fù)載設(shè)備已經(jīng)普遍采用基于固態(tài)繼電器的過流保護(hù)技術(shù)。當(dāng)負(fù)載功率通路上發(fā)生短路故障時(shí)，固態(tài)繼電器可在數(shù)微秒內(nèi)作出響應(yīng)，通過限流或截流的方式避免通路故障的蔓延；當(dāng)故障消失后，固態(tài)繼電器能自動(dòng)恢復(fù)設(shè)備的供電，從而大大提高了配電系統(tǒng)的可靠性。因此，迫切需要研究負(fù)載供電輸入端的可恢復(fù)式過流保護(hù)方法，防止個(gè)別負(fù)載發(fā)生短路后對(duì)其余設(shè)備產(chǎn)生影響，以提高國(guó)內(nèi)航天器配電系統(tǒng)的可靠性。過流保護(hù)措施應(yīng)與整個(gè)航天器的配電管理有機(jī)結(jié)合，以適應(yīng)未來航天器供配電的智能化發(fā)展趨勢(shì)。

本文對(duì)目前國(guó)外航天器采用的可恢復(fù)式過流保護(hù)方法進(jìn)行了介紹，對(duì)反時(shí)限過流保護(hù)和恒流限流保護(hù)進(jìn)行了分析和仿真，設(shè)計(jì)了一種具有較快動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的恒流限流保護(hù)電路，最后提出了一種航天器可恢復(fù)式過流保護(hù)方案，可為中國(guó)航天器過流保護(hù)設(shè)計(jì)及智能配電管理提供參考。

2 航天器可恢復(fù)式過流保護(hù)

國(guó)外航天器對(duì)負(fù)載的過流保護(hù)主要采用基于固態(tài)配電技術(shù)的可恢復(fù)式過流保護(hù)。從20世紀(jì)80年代開始，歐、美、日等地區(qū)或國(guó)家的航天器逐漸采用以MOSFET 器件為基礎(chǔ)的固態(tài)供電控制技術(shù)，以提高航天器配電的安全性。經(jīng)過30多年的不斷研究與工藝的持續(xù)改進(jìn)，技術(shù)逐漸成熟，產(chǎn)品功能不斷完善。美國(guó)波音公司研制了基于電纜溫度升高原理、具有反時(shí)限保護(hù)特性的遠(yuǎn)置電源控制單元（RPCM）。美國(guó)馬歇爾空間飛行中心為“國(guó)際空間站”（ISS）設(shè)計(jì)了一種遠(yuǎn)程供電控制器（RPC）［2］。該控制器具有允許初始電流尖峰、電流限制以及反時(shí)限關(guān)斷的功能，控制器響應(yīng)時(shí)間達(dá)到了1μs。美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)研制了可編程斷路器［3］，應(yīng)用于空間飛行器。日本研制了用于ISS“日本實(shí)驗(yàn)艙”（JEM）的電流限流開關(guān)（CLS）［4］。美國(guó)南卡羅來納大學(xué)設(shè)計(jì)了基于占空比調(diào)制（PWM）方法控制MOSFET器件導(dǎo)通關(guān)斷、具有限流功能的固態(tài)供電控制器［5］。這些產(chǎn)品根據(jù)工作原理不同，可分為基于反時(shí)限特性的過流保護(hù)和基于恒流限流的過流保護(hù)。恒流限流保護(hù)從實(shí)現(xiàn)方式上又可分為占空比調(diào)節(jié)限流和基于MOSFET 器件的恒流區(qū)特性限流2種。從應(yīng)用情況來看，美國(guó)多采用基于反時(shí)限的過流保護(hù)技術(shù)，而歐洲和日本多采用恒流限流保護(hù)技術(shù)。不同的過流保護(hù)方法適用于不同的保護(hù)對(duì)象，保護(hù)過程的瞬態(tài)特性也不同。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)不同保護(hù)方法的對(duì)比研究較少，對(duì)航天器所采用的保護(hù)手段也較單一，還沒有將不同的過流保護(hù)措施根據(jù)被保護(hù)對(duì)象的特點(diǎn)進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合。

2．1 反時(shí)限保護(hù)

美國(guó)波音公司為ISS開發(fā)了基于電纜溫度升高原理、具有反時(shí)限保護(hù)特性的固態(tài)供電控制器，用于與一次電源接口的較大功率負(fù)載。該產(chǎn)品使用MOSFET 作為固態(tài)開關(guān)，采用厚膜混合工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的小型化、低功耗及高可靠性。它主要由3個(gè)電路部分構(gòu)成，分別是MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路及保護(hù)控制電路，隔離的測(cè)控電路，以及輔助電源，其外觀見圖1。

圖1 波音公司的遠(yuǎn)置電源控制單元Fig．1 RPCM of Boeing

反時(shí)限保護(hù)對(duì)象是功率電纜，其原理是：當(dāng)供電線路上發(fā)生過載或短路故障時(shí)，熱量會(huì)迅速積累；當(dāng)熱量無法通過環(huán)境散出時(shí)，供電線路溫度就會(huì)不斷升高，且溫度上升的速度與線路的比熱容及線徑的大小呈線性關(guān)系；在電纜溫度升高到安全限值之前切斷通路，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜的保護(hù)。反時(shí)限過流保護(hù)在地面電力系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，其計(jì)算方法也得到了不斷改進(jìn)［6-8］。文獻(xiàn)［6］和［8］的研究對(duì)象是地面電機(jī)的轉(zhuǎn)子線圈，對(duì)轉(zhuǎn)子線圈的熱模型進(jìn)行了分析，對(duì)溫度升高公式進(jìn)行了離散化。文獻(xiàn)［7］對(duì)地面電纜已有的反時(shí)限保護(hù)曲線進(jìn)行了改進(jìn)，考慮了電纜長(zhǎng)期散熱對(duì)溫度升高的影響。隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與反時(shí)限保護(hù)技術(shù)相結(jié)合，可以獲得更為精確的保護(hù)曲線［9］；但是計(jì)算復(fù)雜程度大大增加，只能應(yīng)用于地面電力網(wǎng)絡(luò)中。從調(diào)研的文獻(xiàn)來看，已有的研究成果主要關(guān)注地面電力系統(tǒng)的電纜，地面電纜的散熱方式是對(duì)流，而航天器的電纜處在真空環(huán)境中，其熱傳導(dǎo)方式基于輻射散熱，熱環(huán)境較地面更為惡劣。目前，國(guó)內(nèi)還缺少對(duì)真空環(huán)境下電纜熱輻射特性的反時(shí)限保護(hù)算法研究。此外，保護(hù)過程中母線瞬態(tài)電壓的變化也需要特別關(guān)注，而國(guó)外文獻(xiàn)中缺少對(duì)瞬態(tài)保護(hù)過程中母線電壓變化情況的分析。為此，本文分析了航天器電纜的反時(shí)限保護(hù)算法，并以42V 母線上功率電纜為保護(hù)對(duì)象，利用Matlab軟件分析了反時(shí)限保護(hù)過程中母線電壓的瞬態(tài)變化情況。由于真空下電纜的溫度升高受捆扎方式、敷設(shè)方式和端接方式等影響，模型非常復(fù)雜，為了便于分析，本文采用了簡(jiǎn)化的電纜輻射散熱模型［見式（1）］，忽略了電纜捆扎、敷設(shè)等帶來的影響。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)開展模擬電纜溫度升高試驗(yàn)，通過大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行修正，以獲得較為精確的工程模型。

根據(jù)真空下的輻射散熱方程［10］，電纜的溫度計(jì)算公式如下。

式中：Ⅰ為導(dǎo)線電流；R為單位長(zhǎng)度的導(dǎo)線電阻；εh為導(dǎo)線絕緣皮外表面的半球紅外發(fā)射率（無量綱），對(duì)于白色絕緣皮，一般取0．8；斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)σ＝5．67×10-8；A為導(dǎo)線單位長(zhǎng)度上的表面積；T為導(dǎo)線溫度；TE為真空環(huán)境溫度；Cp為導(dǎo)線材料的比熱容；m為單位長(zhǎng)度的導(dǎo)線質(zhì)量；t為電纜的通電時(shí)間。

根據(jù)式（1），當(dāng)溫度停止升高時(shí)（即dT＝0），導(dǎo)線溫度T1滿足

由式（2）可得

反時(shí)限保護(hù)的啟動(dòng)條件是導(dǎo)線的流經(jīng)電流使導(dǎo)線溫度升高能最終達(dá)到導(dǎo)線的保護(hù)溫度。設(shè)定反時(shí)限保護(hù)溫度后，根據(jù)式（3）可以計(jì)算相應(yīng)的反時(shí)限啟動(dòng)電流。一般情況下，啟動(dòng)電流為導(dǎo)線額定電流的1．3～1．5倍。

對(duì)式（1）進(jìn)行離散化，設(shè)計(jì)算間隔為Δt，離散化后的公式如下。

式中：ΔT為Δt時(shí)間間隔內(nèi)的電纜溫度升高量。

由于導(dǎo)線輻射熱量較小，可以認(rèn)為導(dǎo)線溫度升高過程中環(huán)境溫度恒定，則nΔT時(shí)刻的導(dǎo)線溫度Tn為

式中：n為計(jì)算的步數(shù)。

負(fù)載通路電流大于反時(shí)限啟動(dòng)電流時(shí)，開始計(jì)算Tn。設(shè)反時(shí)限保護(hù)溫度為Tp，當(dāng)Tn＞Tp時(shí)，反時(shí)限保護(hù)電路中的MOSFET 器件被關(guān)斷，反時(shí)限保護(hù)電路在關(guān)斷后可通過發(fā)指令恢復(fù)接通。

當(dāng)通路發(fā)生短路后，過流引起的熱量積累使導(dǎo)線溫度升高，當(dāng)溫度升高到保護(hù)溫度時(shí)，通路被切斷。在通路切斷前，由于并未限制通路電流，因此會(huì)出現(xiàn)母線電壓的跌落，需要對(duì)此瞬態(tài)過程進(jìn)行分析。以下利用Matlab軟件仿真分析反時(shí)限保護(hù)過程中的瞬態(tài)電壓、電流。仿真參數(shù)設(shè)定如下：反時(shí)限保護(hù)對(duì)象為一次母線上電阻負(fù)載的供電輸入電纜，一次母線電壓為42V，母線端的并聯(lián)電容為1×104μF；在母線電壓為42 V 時(shí)，設(shè)太陽(yáng)電池陣最大輸出電流為30A，恒功率負(fù)載為500 W，電阻負(fù)載為30Ω；設(shè)仿真0．01s后，電阻負(fù)載通路發(fā)生短路，通路電阻減小到0．6Ω。設(shè)定電纜允許的最高溫度為150 ℃，當(dāng)溫度高于此值時(shí)，關(guān)斷反時(shí)限保護(hù)的MOSFET 器件。阻性負(fù)載電流約為1．5A，選擇額定電流為4．5A 的瑞侃22號(hào)線，設(shè)環(huán)境溫度為35℃，根據(jù)電纜的散熱面積、電阻和最高溫度，得到反時(shí)限保護(hù)的啟動(dòng)電流為1．9 A。仿真波形見圖2。由于反時(shí)限保護(hù)對(duì)通路電流不進(jìn)行限制，短路電流遠(yuǎn)大于太陽(yáng)電池陣所能提供的最大電流；因此母線電容放電，母線電壓迅速降低，通路斷開后母線電壓恢復(fù)。

圖2 反時(shí)限保護(hù)仿真波形Fig．2 Simulation of inverse-time prevention

通過仿真可以看到，反時(shí)限保護(hù)的一個(gè)缺點(diǎn)是保護(hù)過程中輸入電壓會(huì)降低，如果短路電流較大，發(fā)生短路的電纜散熱面積較大，那么母線電容放電時(shí)間更長(zhǎng)，電壓降低會(huì)更明顯，這會(huì)影響對(duì)其余設(shè)備的供電。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，除了考慮電纜允許升高的溫度，還應(yīng)分析母線電壓的跌落對(duì)各負(fù)載的影響，綜合確定反時(shí)限保護(hù)溫度。

反時(shí)限保護(hù)過程中須要計(jì)算導(dǎo)線升高的溫度，可以使用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）等數(shù)字器件編程實(shí)現(xiàn)。這是國(guó)外航天器通常采用的方法，優(yōu)點(diǎn)是易于改變曲線的參數(shù)。如果將保護(hù)曲線近似線性化，也可以使用電阻、運(yùn)算放大器等器件搭建電路來實(shí)現(xiàn)［11］。若用硬件電路實(shí)現(xiàn)，則存在器件參數(shù)漂移影響控制精度的問題，因此建議使用DSP或單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)。

反時(shí)限保護(hù)電路復(fù)雜，功耗較大，若航天器所有負(fù)載都采用這種保護(hù)手段，是不經(jīng)濟(jì)也不現(xiàn)實(shí)的。因此，在進(jìn)行過流保護(hù)方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將反時(shí)限保護(hù)應(yīng)用在對(duì)主要功率通路電纜的保護(hù)上。此外，大部分設(shè)備的電源輸入端口都有濾波電容，在負(fù)載接通的瞬間會(huì)有浪涌電流，反時(shí)限保護(hù)必須要保證不會(huì)被浪涌電流誤啟動(dòng)。

2．2 恒流限流保護(hù)

恒流限流保護(hù)電路除可限制短路電流外，還可限制啟動(dòng)浪涌電流、峰值電流，因此更適合于對(duì)一般負(fù)載的過流保護(hù)。恒流限流保護(hù)的目的是：當(dāng)設(shè)備內(nèi)因多余物或單個(gè)元器件局部短路引起過流時(shí)，恒流限流電路將短路電流限制在恒定值，從而避免輸入電壓降低；同時(shí)，為發(fā)生短路的通路提供能量，使其溫度升高，直至最終斷開，從而消除故障。在進(jìn)行恒流限流保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首先確定可能發(fā)生短路的通路，然后確定該通路上的薄弱點(diǎn)。一般來說，設(shè)備內(nèi)供電通路上的印制板敷銅在溫度升高時(shí)易于開路，可將其作為薄弱點(diǎn)。將薄弱點(diǎn)高溫開路所需電流和源端所能提供的最大電流進(jìn)行比較，取兩者中的較小值作為限流值。

恒流限流保護(hù)包括利用MOSFET 器件的恒流區(qū)特性限流和占空比調(diào)節(jié)限流2種方式。

1）MOSFET 器件恒流區(qū)特性限流

ISS的JEM 所采用的固態(tài)供電控制器（即CLS），利用MOSFET 器件的恒流區(qū)特性進(jìn)行限流保護(hù)，其原理框圖見圖3。為了提供主動(dòng)限流功能，CLS通過分流電阻持續(xù)監(jiān)視負(fù)載電流。在正常運(yùn)行期間，負(fù)載的阻抗限定了通路電流，該電流值小于主動(dòng)限流的閾值，CLS不啟控。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，負(fù)載電流高于限流閾值，CLS 迅速驅(qū)動(dòng)MOSFET 器件，升高漏源（DS）電壓，使其工作在恒流區(qū)，以限制短路電流到設(shè)定值。CLS的最大優(yōu)點(diǎn)是避免了繁瑣的電纜升高溫度計(jì)算，不必使用DSP等數(shù)字電路，電路實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單。但是，CLS的電路仍不夠完善，因?yàn)镸OSFET 器件的驅(qū)動(dòng)電路采用了運(yùn)算放大器，由于運(yùn)算放大器的動(dòng)態(tài)特性較慢，在保護(hù)的瞬間會(huì)出現(xiàn)電流尖峰［4］。文獻(xiàn)［4］中的測(cè)試數(shù)據(jù)表明，此電流尖峰約占限流值的40%，可能對(duì)負(fù)載造成損傷。此外，由于MOSFET 器件工作在恒流區(qū)時(shí)功耗很大，溫度會(huì)迅速升高，因此對(duì)恒流限流保護(hù)電路的MOSFET器件還應(yīng)設(shè)計(jì)過溫保護(hù)電路。當(dāng)MOSFET 器件溫度高于其允許最高溫度時(shí)，通路關(guān)斷；當(dāng)其溫度降低到最高溫度以下，通路自動(dòng)開啟。針對(duì)CLS的不足，本文設(shè)計(jì)了一種基于PNP三極管進(jìn)行電流采樣，利用簡(jiǎn)單的分壓電阻驅(qū)動(dòng)P 溝道MOSFET 器件的恒流限流電路，避免保護(hù)過程中的電流尖峰；同時(shí)設(shè)計(jì)了過溫保護(hù)電路，以提高保護(hù)電路的安全性。電路原理框圖見圖4。

如圖4所示，當(dāng)采樣電阻上流經(jīng)的電流超過限流值時(shí)，PNP三極管導(dǎo)通，分壓門極驅(qū)動(dòng)電路的輸出電壓升高，該輸出電壓為P 溝道MOSFET 器件的門極電壓。隨著P溝道MOSFET 器件門極電壓升高，MOSFET 器件工作在恒流區(qū)，達(dá)到了限流的目的。指令通斷電路實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載通路的遙控通斷功能。溫度控制電路中的熱敏電阻測(cè)量MOSFET 器件的溫度。當(dāng)MOSFET 器件溫度過高時(shí)，溫度控制電路輸出一個(gè)高電平，該電平高于比較電路的基準(zhǔn)電平時(shí)，比較電路的輸出電平翻轉(zhuǎn)，控制門極驅(qū)動(dòng)電路將MOSFET 器件關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)MOSFET 器件的過溫保護(hù)。

圖3 “日本實(shí)驗(yàn)艙”上的電流限流開關(guān)原理框圖Fig．3 Block diagram of CLS in JEM

圖4 恒流限流保護(hù)電路原理框圖Fig．4 Circuit block diagram of current-limiting prevention

對(duì)所設(shè)計(jì)的電路利用Saber軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，分析其瞬態(tài)性能。設(shè)供電輸入端電壓為28V，負(fù)載為阻性負(fù)載，額定電流為2．2A，短路后通路電阻設(shè)為1Ω，恒流限流值設(shè)為5A。短路瞬間電流和電壓的波形，見圖5。短路發(fā)生后，采樣電阻電壓上升，PNP 三級(jí)管導(dǎo)通，MOSFET 器件門極電壓升高，MOSFET 器件迅速?gòu)木€性區(qū)過渡到恒流區(qū)。由于這個(gè)過程中存在門極寄生電容的充電，因此有一定的時(shí)間延遲。從圖5 可以看到，通路電流在上沖后穩(wěn)定在設(shè)定的限流電流5 A。短路發(fā)生后，輸入端電壓下降約0．4V，不會(huì)對(duì)其余負(fù)載的供電造成影響。保護(hù)瞬間，由于三極管的響應(yīng)速度很快，因此電流尖峰很小，約占到限流值的2 0%。整個(gè)響應(yīng)時(shí)間小于0．1ms，表明該電路的動(dòng)態(tài)性能良好。

圖5 恒流限流保護(hù)瞬間仿真波形Fig．5 Simulation waveform at current-limiting prevention transient

2）占空比調(diào)節(jié)限流

美國(guó)南卡羅來納大學(xué)設(shè)計(jì)了一種固態(tài)供電控制器［5］，功能類似日本的CLS，具有恒流限流功能。不過，該產(chǎn)品沒有利用MOSFET 器件的恒流特性，而是用PWM 驅(qū)動(dòng)MOSFET 器件，通過調(diào)節(jié)MOSFET 器件導(dǎo)通的占空比來實(shí)現(xiàn)限流。這種電路的原理類似具有限流功能的DC-DC［12］。當(dāng)負(fù)載通路電流大于限流閾值時(shí)，控制電路調(diào)節(jié)占空比，使占空比從1減小到所需值，從而減小通路電流。這種保護(hù)可以實(shí)現(xiàn)任意電流的恒定限流，但是缺點(diǎn)也很明顯：一方面，須要使用PWM 器件進(jìn)行占空比控制，電路實(shí)現(xiàn)復(fù)雜；另一方面，開關(guān)限流會(huì)使輸入母線電壓紋波增大，影響供電品質(zhì)［5］。

2．3 幾種過流保護(hù)手段對(duì)比

綜合上文的分析可以看到：反時(shí)限保護(hù)的特點(diǎn)是響應(yīng)精確，適合保護(hù)功率電纜；恒流限流保護(hù)適合工作電流較為恒定的單機(jī)負(fù)載，其電路可以利用MOSFET 器件的恒流區(qū)工作特性來實(shí)現(xiàn)，也可以通過調(diào)節(jié)MOSFET 器件的導(dǎo)通占空比來實(shí)現(xiàn)。調(diào)節(jié)占空比來實(shí)現(xiàn)恒流限流的缺點(diǎn)很明顯，因此在過流保護(hù)方案設(shè)計(jì)中不建議采用這種方式。對(duì)傳統(tǒng)過流保護(hù)和反時(shí)限、恒流限流保護(hù)手段的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，見表1。

為了實(shí)現(xiàn)高性能、高可靠的過流保護(hù)，并兼顧成本和質(zhì)量的因素，建議在航天器可恢復(fù)式過流保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)采用反時(shí)限過流保護(hù)和基于MOSFET 器件恒流特性的限流保護(hù)，根據(jù)被保護(hù)設(shè)備的特性以及過流保護(hù)的位置再進(jìn)行具體選擇。

表1 幾種過流保護(hù)手段對(duì)比Table 1 Contrast between several over-current protection measures

3 航天器可恢復(fù)式過流保護(hù)方案

目前，中國(guó)的航天器多采用集中配電的方式，由配電器實(shí)現(xiàn)一次電壓到二次電壓的轉(zhuǎn)換，一般由一個(gè)配電器內(nèi)的DC-DC對(duì)多個(gè)負(fù)載供電，若某個(gè)負(fù)載發(fā)生短路，則會(huì)導(dǎo)致采用該DC-DC供電的其余負(fù)載設(shè)備無輸入；因此須要在各負(fù)載設(shè)備內(nèi)的供電輸入端采用過流保護(hù)措施。配電器到電源控制器（PCU）之間的功率電纜較長(zhǎng)，熱環(huán)境較為復(fù)雜，并且存在與結(jié)構(gòu)板發(fā)生干涉、磨損電纜導(dǎo)致短路的可能性，所以還應(yīng)對(duì)主功率電纜進(jìn)行保護(hù)。

為了提高航天器供配電的智能化程度，建議將航天器可恢復(fù)式過流保護(hù)與航天器的智能管理單元有機(jī)結(jié)合。在通路發(fā)生短路后，可恢復(fù)式過流保護(hù)電路進(jìn)行過流保護(hù)，并將保護(hù)狀態(tài)信息傳送至智能管理單元；智能管理單元預(yù)測(cè)故障保護(hù)后衛(wèi)星任務(wù)受到的影響，并作出故障處理的決策［13］。例如美國(guó)深空系統(tǒng)技術(shù)項(xiàng)目（DSSTP，即X2000）電源系統(tǒng)的故障處理方案，當(dāng)通路產(chǎn)生過流報(bào)警信號(hào)時(shí)，斷開相應(yīng)的通路，延遲相應(yīng)時(shí)間后再次接通該通路。在一定時(shí)間內(nèi)過流報(bào)警超過累計(jì)次數(shù)時(shí)，徹底斷開負(fù)載，以剔除偶發(fā)故障和可排除的軟故障［14］。航天器可恢復(fù)式過流保護(hù)方案的原理框圖見圖6。

航天器的一次電源包括太陽(yáng)電池陣和蓄電池組，產(chǎn)生的電能經(jīng)PCU 調(diào)節(jié)后通過一次母線送入配電器，配電器或者將一次母線直接連接負(fù)載，或者通過DC-DC將一次母線電壓變換后送至負(fù)載。PCU 的一次母線到配電器的電纜較長(zhǎng)，流經(jīng)電流較大，為防止電纜由于機(jī)械損傷破裂短路，應(yīng)在PCU 設(shè)備內(nèi)對(duì)一次母線的主功率電纜采用反時(shí)限過流保護(hù)。

圖6 航天器可恢復(fù)式過流保護(hù)方案原理框圖Fig．6 Block diagram of spacecraft recoverable over-current protection scheme

各單機(jī)設(shè)備從配電器獲得的輸入電流相對(duì)較小，因此單機(jī)設(shè)備的供電電纜已不是薄弱點(diǎn)，而單機(jī)設(shè)備接口電路中的電容較容易出現(xiàn)損傷而短路，須要進(jìn)行保護(hù)。此外，某些單機(jī)設(shè)備不能掉電，因此對(duì)各單機(jī)設(shè)備采用恒流限流保護(hù)，可消除局部短路故障，不影響其余設(shè)備的輸入電壓。

在地影期，太陽(yáng)電池陣無功率輸出，航天器依賴蓄電池組提供電能。由于蓄電池組短路瞬間會(huì)產(chǎn)生極高的電流，若不進(jìn)行限制，不僅會(huì)燒毀電纜，還可能損傷電流通路上的其他設(shè)備；因此，蓄電池組和PCU 之間采用恒流限流保護(hù)，MOSFET 器件要選擇大功率器件，避免瞬間大電流燒毀器件。

4 結(jié)束語(yǔ)

航天器過流保護(hù)是航天器配電管理的重要組成部分，對(duì)提高航天器配電安全具有重要意義。國(guó)內(nèi)目前仍然以熔斷器、限流電阻作為過流保護(hù)手段，具有保護(hù)后不可恢復(fù)的缺點(diǎn)，而國(guó)外則大量采用了以固態(tài)供電控制器為基礎(chǔ)的反時(shí)限過流保護(hù)和恒流限流保護(hù)。結(jié)合中國(guó)航天器配電體制的現(xiàn)狀，建議在PCU 內(nèi)對(duì)主功率電纜采用反時(shí)限保護(hù)，在負(fù)載供電輸入端進(jìn)行恒流限流保護(hù)，并對(duì)過流保護(hù)控制器的遙測(cè)信息進(jìn)行自主判斷，以適應(yīng)供配電智能化的發(fā)展趨勢(shì)。

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