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(1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076； 2.北京航天測(cè)控技術(shù)有限公司，北京 100041)

0 引言

隨著航天事業(yè)的發(fā)展，新一代航天運(yùn)載器運(yùn)載能力大幅提高，型號(hào)規(guī)模越來(lái)越大，相應(yīng)的電子設(shè)備也隨之增多，設(shè)備用電需求變得更加復(fù)雜，供配電系統(tǒng)也在不斷地由傳統(tǒng)式向著智能化方向發(fā)展，同時(shí)為了進(jìn)一步提高運(yùn)載能力，設(shè)備進(jìn)行智能化、集成化、小型化、輕量化設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)基于繼電器的供配電系統(tǒng)在智能化、可靠性等方面已不能滿(mǎn)足智能供配電系統(tǒng)的需要[1-2]，采用固態(tài)配電技術(shù)是當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)。固態(tài)配電技術(shù)最早被廣泛地應(yīng)用于美國(guó)航空飛機(jī)上，隨著其技術(shù)越來(lái)越成熟，也被逐漸研究應(yīng)用于我國(guó)航天器上，尤其是供配電系統(tǒng)中[3]。本文結(jié)合固態(tài)配電技術(shù)(Solid-State Power Controller,簡(jiǎn)稱(chēng)SSPC)的原理，介紹了固態(tài)配電技術(shù)的特點(diǎn)、在工程應(yīng)用中的技術(shù)難點(diǎn)及解決途徑，并給出了設(shè)計(jì)案例，該技術(shù)經(jīng)航天器多次飛行試驗(yàn)考核驗(yàn)證，取得了良好的工程應(yīng)用效果。

1 固態(tài)配電技術(shù)

傳統(tǒng)的配電技術(shù)主要通過(guò)繼電器、熔斷器等完成對(duì)用電設(shè)備的配電保護(hù)控制，但繼電器存在體積大、觸點(diǎn)易粘連、故障率較高，可靠性較低、實(shí)現(xiàn)邏輯控制困難復(fù)雜等問(wèn)題，目前在飛在役的航天器因繼電器故障產(chǎn)生的問(wèn)題時(shí)有發(fā)生，隨著固態(tài)繼電器的研制發(fā)展，固態(tài)配電技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其具有無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)電弧、無(wú)噪聲、響應(yīng)快、電磁干擾小、壽命長(zhǎng)、可靠性高以及便于程控等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)檢測(cè)更多的配電系統(tǒng)信息可實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)的智能化管理，相對(duì)于傳統(tǒng)的粗放式配電，是一種新型智能配電方式。

近年來(lái)，固態(tài)配電技術(shù)被逐漸應(yīng)用于航天器上，利用固態(tài)繼電器實(shí)現(xiàn)各種功能復(fù)雜的配電控制要求，參數(shù)、狀態(tài)等檢測(cè)及故障隔離設(shè)計(jì)是其典型創(chuàng)新應(yīng)用，其中，對(duì)固態(tài)配電電路的設(shè)計(jì)是難點(diǎn)。另外，故障隔離的策略、隔離方法、參數(shù)設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，同時(shí)在設(shè)計(jì)中要注意降額設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)及冗余設(shè)計(jì)。

采用SSPC，可方便實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能配電，是實(shí)現(xiàn)航天器配電自動(dòng)化的關(guān)鍵。目前，在大功率化、集成化與小型化、智能化、電弧故障檢測(cè)等方面仍有大量研究工作需要開(kāi)展[4]，固態(tài)配電技術(shù)是未來(lái)航天器、武器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備能源管理的必然選擇。

2 固態(tài)功率控制器

固態(tài)配電技術(shù)的核心是固態(tài)功率控制器(solid-state power controller,簡(jiǎn)稱(chēng)SSPC)，固態(tài)功率控制器是集繼電器的轉(zhuǎn)換功能和斷路器的保護(hù)功能于一體的智能開(kāi)關(guān)裝置。

固態(tài)功率控制器通過(guò)MOSFET或IGBT實(shí)現(xiàn)對(duì)功率電路的通斷控制。通過(guò)串聯(lián)在功率電路中的電阻實(shí)現(xiàn)電流檢測(cè),大功率的SSPC通過(guò)檢測(cè)集電極和發(fā)射極之間的電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的檢測(cè)，這樣可避免檢測(cè)電阻造成的壓降和功耗問(wèn)題。調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)對(duì)采集的電流信號(hào)的放大及處理[3]。其原理框圖見(jiàn)圖1。

圖1 直流SSPC原理框圖

按照功能，一般將固態(tài)功率控制器的組成劃分成三部分：控制保護(hù)模塊、隔離電路模塊和電源模塊，如圖2所示?？刂票Ｗo(hù)電路模塊實(shí)現(xiàn)功率驅(qū)動(dòng)控制、I2t反時(shí)限過(guò)流保護(hù)及狀態(tài)檢測(cè)等功能；隔離電路是固態(tài)功率控制器與電氣負(fù)載的輸入輸出接口部分，實(shí)現(xiàn)與負(fù)載狀態(tài)信息的交換；電源模塊為固態(tài)功率控制器提供內(nèi)部供電電源[5]。

圖2 固態(tài)功率控制器組成圖

由于MOSFET具有導(dǎo)通電阻小、導(dǎo)通壓降低、功率損耗低、可并聯(lián)使用實(shí)現(xiàn)均流，提高帶載能力，同時(shí)并聯(lián)后導(dǎo)通電阻減小降低了功耗、無(wú)晶體管的二次擊穿現(xiàn)象、無(wú)IGBT的電流拖尾現(xiàn)象，并且為電壓型驅(qū)動(dòng)器件，功耗小，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，因此，在設(shè)計(jì)中多選擇MOSFET作為功率開(kāi)關(guān)管。文獻(xiàn)[4]介紹了SSPC的發(fā)展現(xiàn)狀及國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品研制情況，可供設(shè)計(jì)選型時(shí)參考使用。

根據(jù)GJB1515A《固體繼電器總規(guī)范》，固體繼電器的控制有兩種實(shí)現(xiàn)方式，第一種為標(biāo)準(zhǔn)型，有偏置電源端和控制端，如圖3；第二種為簡(jiǎn)化型，只有控制端，如圖4。

圖3 控制方式為標(biāo)準(zhǔn)型的固體繼電器

圖4 控制方式為簡(jiǎn)化型的固體繼電器

標(biāo)準(zhǔn)型的固體繼電器的輸出也有兩種方式，第一種為保護(hù)型，除開(kāi)關(guān)功能外，還具有過(guò)流保護(hù)和狀態(tài)檢測(cè)功能；第二種為普通型，只有開(kāi)關(guān)功能。輸出方式為保護(hù)型的固體繼電器國(guó)外又稱(chēng)為固態(tài)功率控制器(SSPC)。

圖5 固體繼電器的分類(lèi)

兩種固體繼電器的比較如下：

1)控制方式為簡(jiǎn)化型的固體繼電器在驅(qū)動(dòng)MOSFET功率器件時(shí)，都是通過(guò)隔離后側(cè)整形的電壓直接驅(qū)動(dòng)功率器件，這樣會(huì)導(dǎo)致其驅(qū)動(dòng)能力比較差，參見(jiàn)表1；尤其是對(duì)于大功率輸出的固體繼電器，會(huì)帶來(lái)較大的動(dòng)態(tài)損耗，影響繼電器的壽命。

2)具有開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測(cè)的固體繼電器在航天器長(zhǎng)期待機(jī)過(guò)程中或不配備地面測(cè)試設(shè)備的條件下，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)固體繼電器輸出開(kāi)關(guān)的故障。而控制方式為簡(jiǎn)化型的固體繼電器，要實(shí)現(xiàn)MOSFET開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測(cè)的電路較為復(fù)雜，因此，需要狀態(tài)檢測(cè)時(shí)，一般都采用控制方式為標(biāo)準(zhǔn)型的固體繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

表1 兩種方式驅(qū)動(dòng)能力對(duì)比表

3 航天器中的固態(tài)配電器設(shè)計(jì)

在航天器的供配電設(shè)計(jì)中，在確保滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)要求、性能穩(wěn)定、電磁兼容性好的前提下，要求做到體積小、重量輕、低功耗，同時(shí)往往需要進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，以提高可靠性，本節(jié)采用固態(tài)配電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了航天器中復(fù)雜的高可靠智能化供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3.1 設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)

固態(tài)配電技術(shù)在工程應(yīng)用中一般需要解決大電流配電，負(fù)載的開(kāi)通關(guān)斷，機(jī)內(nèi)檢測(cè)及過(guò)流保護(hù)這幾方面的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，針對(duì)這些問(wèn)題，本文提出以下的解決方法：

1)對(duì)于工程應(yīng)用中的大電流配電，原則是實(shí)現(xiàn)大電流低損耗的電路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)采用降額設(shè)計(jì)，考慮I級(jí)降額，MOSFET器件需具備導(dǎo)通大電流的能力，選用器件時(shí)關(guān)注正向允許最大電壓、最大導(dǎo)通電流、導(dǎo)通電阻。

圖7 SSPC配電原理框圖

2)緩開(kāi)通和緩關(guān)斷技術(shù)，對(duì)于容阻性負(fù)載在開(kāi)通瞬間會(huì)產(chǎn)生較大的激增電流，文獻(xiàn)[5]采用輔助功率管在電路中起到泄漏箝位和保護(hù)作用，但因輔助功率管串聯(lián)在主功率電路中，會(huì)降低配電可靠性。本文在電路設(shè)計(jì)中增加外接電阻、電容來(lái)構(gòu)成阻容網(wǎng)絡(luò)，使MOSFET器件工作在內(nèi)阻可變區(qū)，通過(guò)增大的MOSFET器件內(nèi)阻來(lái)限制整個(gè)配電支路上的電流激增，從而達(dá)到緩開(kāi)通MOSFET器件的目的，避免MOSFET器件在阻容性負(fù)載情況下快速開(kāi)通帶來(lái)的對(duì)器件的損害。另一方面，負(fù)載接通時(shí)間不能太慢，這樣會(huì)使MOSFET開(kāi)通大功率負(fù)載過(guò)程中的動(dòng)態(tài)損耗加大，影響MOSFET的壽命。采用MOSFET器件緩開(kāi)通緩關(guān)斷設(shè)計(jì)技術(shù)，保證固態(tài)功率控制器在應(yīng)用中的可靠性。

3)機(jī)內(nèi)檢測(cè)技術(shù)：通過(guò)內(nèi)部的自檢測(cè)(BIT)方式進(jìn)行故障診斷，快速定位故障點(diǎn)。

4)過(guò)流保護(hù)通常采用I2t功率保護(hù)，通過(guò)實(shí)時(shí)電流檢測(cè)和軟件計(jì)算，當(dāng)功率過(guò)大時(shí)，自動(dòng)關(guān)斷該路，延遲一段時(shí)間后再次嘗試開(kāi)啟該支路。最終需要根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用情況，合理地設(shè)計(jì)并驗(yàn)證關(guān)鍵保護(hù)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)正確可靠的功率保護(hù)。

3.2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法

本節(jié)以用于航天器的配電設(shè)備為例，介紹固態(tài)配電器的工程應(yīng)用。設(shè)計(jì)的固態(tài)配電器包括以下功能：(1)向航天器上的負(fù)載提供28 V一次電源供電轉(zhuǎn)接功能，提供2路供電通路，支路1和支路2，其中支路2為必保支路；(2)故障隔離功能；(3)配電狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能。

具體實(shí)現(xiàn)的功能為：配電器在接收到接通指令后，將支路1、2接通，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的接通控制。同時(shí)，將各支路電壓、電流等測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)422總線(xiàn)傳送至外設(shè)。

為了提高可靠性，設(shè)計(jì)中主供電電路、控制指令傳輸、供電通道均采用冗余設(shè)計(jì)，確保供配電指令的可靠執(zhí)行。該固態(tài)配電器由配電執(zhí)行部分和配電檢測(cè)部分構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)的供電控制功能見(jiàn)圖6。SSPC配電原理框圖見(jiàn)圖7。

圖6 固態(tài)配電器供電控制

該固態(tài)配電器執(zhí)行部分的配電輸出采用基于功率MOS管固態(tài)功率控制器，由圖7可以看出，配電部分采用雙冗余熱備份方式設(shè)計(jì)，即主、備CPLD分別控制主備支路1、2開(kāi)關(guān)的接通，一度故障時(shí)，不影響SSPC單元的配電功能，避免單點(diǎn)失效。地面電源母線(xiàn)和電池母線(xiàn)加入了防電流反灌電路，防止母線(xiàn)開(kāi)關(guān)在轉(zhuǎn)電時(shí)引起的電流反灌問(wèn)題。配電檢測(cè)部分與配電執(zhí)行部分完全隔離，確保檢測(cè)部分故障時(shí)，不影響配電功能。SSPC單元通過(guò)數(shù)字接口接收外設(shè)的檢測(cè)指令，對(duì)供電電壓、電流和工作狀態(tài)量等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并回傳給外設(shè)。配電器的CPLD軟件設(shè)計(jì)有過(guò)流保護(hù)功能，支路2為必保支路，當(dāng)支路1發(fā)生過(guò)流故障時(shí)，會(huì)斷開(kāi)支路1，保證支路2工作不受影響，實(shí)現(xiàn)故障隔離功能，具體見(jiàn)3.3章節(jié)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

在故障隔離功能中，根據(jù)I2t反時(shí)限保護(hù)算法計(jì)算，確定跳閘保護(hù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 I2t反時(shí)限保護(hù)算法計(jì)算的跳閘保護(hù)參數(shù)表

在實(shí)際應(yīng)用中系統(tǒng)電路呈現(xiàn)容性，在上電瞬間會(huì)出現(xiàn)浪涌電流，一般實(shí)測(cè)值會(huì)達(dá)到額定值的5～10倍，本案例中實(shí)測(cè)值為9倍左右，峰值持續(xù)時(shí)間為10～20 ms，電流穩(wěn)定時(shí)間為200～500 ms，在考慮一度故障的情況下，過(guò)流保護(hù)的起始電流應(yīng)設(shè)為額定電流的4倍及以上，因此支路1跳閘參數(shù)指標(biāo)為：支路1輸出電流大于4倍額定電流且維持了1 s以上的時(shí)間，配電器需要在1～1.7 s(該值為計(jì)算出的最大值)斷開(kāi)支路1供電。同時(shí)考慮了飛行過(guò)程中隨著航天器各級(jí)分離，可能存在故障消失的情況，因此，當(dāng)啟動(dòng)故障隔離后，需要再次嘗試接通支路1，嘗試接通時(shí)間間隔為10 s。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證故障隔離準(zhǔn)確、可靠，不會(huì)產(chǎn)生漏保護(hù)、誤保護(hù)。

在設(shè)計(jì)中通過(guò)對(duì)控制接口信號(hào)進(jìn)行防干擾判斷實(shí)現(xiàn)高可靠轉(zhuǎn)電控制，采集的參數(shù)通過(guò)數(shù)字總線(xiàn)組幀上傳給外設(shè)，該設(shè)計(jì)經(jīng)航天器飛行試驗(yàn)考核。通過(guò)對(duì)飛行數(shù)據(jù)分析，配電器通路控制功能正常，在收到轉(zhuǎn)電指令后接通支路1、2的電池供電通路，飛行過(guò)程中供電通路工作正常，狀態(tài)監(jiān)測(cè)采集參數(shù)正確、全面，故障隔離功能工作正常，設(shè)計(jì)的固態(tài)配電器圓滿(mǎn)完成了飛行試驗(yàn)任務(wù)。

4 結(jié)論

固態(tài)配電技術(shù)具有優(yōu)異的EMI特性，可靠性高，方便實(shí)現(xiàn)復(fù)雜邏輯控制，擁有組件級(jí)的機(jī)內(nèi)測(cè)試(BIT)功能，可以利用總線(xiàn)把BIT結(jié)果以及電流等測(cè)量參數(shù)上傳給上層系統(tǒng)，便于在上層系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)健康管理策略，本文介紹了固態(tài)功率控制器的原理及關(guān)鍵技術(shù)，采用固態(tài)配電技術(shù)實(shí)現(xiàn)了航天器中復(fù)

雜的供配電需求，實(shí)現(xiàn)高可靠智能化供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為固態(tài)配電技術(shù)在未來(lái)航天器中的工程應(yīng)用提供了寶貴的成功實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

[1] 祝 偉，張金剛，等.基于1553B 總線(xiàn)的運(yùn)載火箭供電測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2016，24(5)：21-24.

[2] 張佳寧,吳燕茹,等.新一代運(yùn)載火箭一體化供電測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2017，25(9)：39-42.

[3] 鄭先成，等.航天器新型固態(tài)配電技術(shù)研究[J].宇航學(xué)報(bào)，2008，29(4)：1430-1434.

[4] 葉雪榮，等.固態(tài)功率控制器國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀[J].電器與能效管理技術(shù)，2015(2)：1-5.

[5] 張 敏.直流固態(tài)功率控制器的研究[M].南京：南京航空航天大學(xué)，2008.