倪春曉，蘇 筱，王 岑，孟 瑾，趙國清

(山東航天電子技術(shù)研究所，煙臺 264003)

固態(tài)功率控制器(solid-state power controller，SSPC)[1]是集繼電器的轉(zhuǎn)換功能和斷路器的電路保護(hù)功能于一體的功率開關(guān)器件，是航天器配電系統(tǒng)中控制負(fù)載通斷的核心部件[2-3]。SSPC的主要功能是通過內(nèi)部控制電路對功率MOS管的開通和關(guān)斷控制，實(shí)現(xiàn)對配電系統(tǒng)電源到負(fù)載的開通和關(guān)斷控制。具有無觸點(diǎn)、無電弧、無噪聲、響應(yīng)快、電磁干擾小、壽命長、可靠性高以及便于計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制等優(yōu)點(diǎn)[4-5]。

傳統(tǒng)的航天器供配電系統(tǒng)中，出于可靠性的考慮，通常選用繼電器來實(shí)現(xiàn)用電設(shè)備的配電控制。由于繼電器不具備過流保護(hù)功能，往往需要進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，重量和體積還需要成倍增加，相對減少了航天器有效載荷所占的空間和重量份額，導(dǎo)致關(guān)鍵載荷無法安裝應(yīng)用[6]。SSPC作為新型配電系統(tǒng)的核心部件廣泛應(yīng)用到航天、航空等領(lǐng)域的電子產(chǎn)品中，可以有效的減少航天器供配電系統(tǒng)的重量和體積，提高系統(tǒng)可靠性。

固態(tài)功率控制技術(shù)發(fā)展至今，通常具備以下3個特點(diǎn)：

1)使用無機(jī)械觸點(diǎn)的固態(tài)半導(dǎo)體器件如晶閘管、雙極型晶體管、場效應(yīng)晶體管等作為開關(guān)元件；

2)通過內(nèi)部的自動控制，對配電線路及用電負(fù)載實(shí)施快速保護(hù)；

3)具有外部控制接口(開關(guān)控制)及自身狀態(tài)輸出接口(開/關(guān)狀態(tài)、負(fù)載輕/重、輸出電流、輸出電壓、開關(guān)溫度等)。

從上述3個特點(diǎn)可以看出，固態(tài)功率控制器以固態(tài)開關(guān)為基礎(chǔ)，其內(nèi)部的反饋控制保護(hù)功能與測控接口這兩個特點(diǎn)使其與繼電器、斷路器等產(chǎn)品相比，技術(shù)更復(fù)雜，功能更強(qiáng)大，更適合于構(gòu)建智能的配電管理系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)航天器電源系統(tǒng)的自主運(yùn)行提供更全面的保障[7]。

1 固態(tài)功率控制器工作原理

1.1 固態(tài)功率控制器分類

按照負(fù)載電源的不同，固態(tài)功率控制器分為直流固態(tài)功率控制器和交流固態(tài)功率控制器。直流固態(tài)功率控制器根據(jù)配電電壓的不同又可分為28V直流固態(tài)功率控制器、42V直流固態(tài)功率控制器和100V直流固態(tài)功率控制器等；交流固態(tài)功率控制器根據(jù)交流電源類型的不同又可分為單相交流固態(tài)功率控制器和三相交流固態(tài)功率控制器。

按照輸出電路組數(shù)的不同，固態(tài)功率控制器分為單路輸出固態(tài)功率控制器和多路輸出固態(tài)功率控制器[8]。多路輸出固態(tài)功率控制器根據(jù)應(yīng)用場合不同又可分為雙路輸出固態(tài)功率控制器、四路輸出固態(tài)功率控制器和八路輸出固態(tài)功率控制器等。

按照保護(hù)對象的不同，固態(tài)功率控制器分為基于I2t反時限保護(hù)特性的固態(tài)功率控制器和基于恒流限流延時關(guān)斷保護(hù)特性的固態(tài)功率控制器。

1.2 固態(tài)功率控制器工作原理

固態(tài)功率控制器作為配電開關(guān)使用時，一個重要作用就是保護(hù)供電電源、供電線路和負(fù)載的安全。根據(jù)保護(hù)對象側(cè)重點(diǎn)的不同，固態(tài)功率控制器產(chǎn)品主要分為基于I2t反時限保護(hù)特性的產(chǎn)品和基于恒流限流延時關(guān)斷保護(hù)特性的產(chǎn)品兩大類。

上述兩類產(chǎn)品的技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜程度不同，在航天器中的應(yīng)用范圍也不盡相同。其中，基于I2t反時限保護(hù)特性的產(chǎn)品，技術(shù)相對較為復(fù)雜，一般用在大功率配電線路的保護(hù)中，無論是正常工作模式還是過流保護(hù)模式，其固態(tài)開關(guān)始終工作在飽和狀態(tài)，不會由于承受大功率而損壞，因此這種產(chǎn)品主要是將供電線路以及負(fù)載作為保護(hù)對象；基于恒流限流延時關(guān)斷保護(hù)特性的產(chǎn)品，設(shè)計(jì)原理比較簡單，保護(hù)過程中的觸發(fā)關(guān)斷時間是以固態(tài)開關(guān)的結(jié)溫上限作為限制，因此這種產(chǎn)品主要將過載發(fā)生時的固態(tài)開關(guān)作為保護(hù)對象。

1.2.1I2t反時限保護(hù)特性產(chǎn)品工作原理

基于I2t反時限保護(hù)特性的產(chǎn)品，當(dāng)供電線路上發(fā)生過載或短路故障時，供電線路上存在大小為I2R的熱功率累積，當(dāng)熱量無法通過環(huán)境散出，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以及線徑的大小呈線性關(guān)系。每一條特定的供電線路都有一個熱能吸收極限值Qm，可以用I2t=Qm來表示，這個常數(shù)與線路允許上升的溫度以及線徑有關(guān)。此種保護(hù)方式就是基于I2t為常數(shù)來設(shè)計(jì)保護(hù)曲線的，固態(tài)開關(guān)保護(hù)動作的時間取決于流過開關(guān)的過載電流大小，如果電流較大，則保護(hù)時間越短；反之則保護(hù)時間延長?；贗2t的過流保護(hù)曲線原理如圖1所示。

圖1 I2t過流保護(hù)曲線Fig.1 The curve of overcurrent protection

采用I2t反時限保護(hù)特性的SSPC產(chǎn)品內(nèi)部一般由固態(tài)開關(guān)、電流采樣電路、 過流/短路保護(hù)電路、輔助供電電路以及遙測遙控接口電路等組成[9]。典型電路原理框圖如圖2所示。

圖2 I2t反時限保護(hù)特性產(chǎn)品的原理框圖Fig.2 The principle block diagram of I2t inverse time protection product

1.2.2 恒流限流延時關(guān)斷特性產(chǎn)品工作原理

基于恒流限流延時關(guān)斷特性的產(chǎn)品，當(dāng)供電線路發(fā)生過載或短路故障且故障維持時間超過設(shè)計(jì)規(guī)定時間后，開關(guān)可自動觸發(fā)關(guān)斷。在開關(guān)關(guān)斷前，供電線路上的電流被限制在設(shè)計(jì)規(guī)定的安全電流值。針對上述原理制成的固態(tài)功率控制產(chǎn)品(latching current limiter，LCL)，LCL產(chǎn)品工作在保護(hù)模式時，固態(tài)開關(guān)MOSFET在控制電路的控制下，其工作狀態(tài)會由飽和區(qū)迅速進(jìn)入線性區(qū)，MOSFET會瞬間承受大的功率，此時要保證設(shè)計(jì)的限流值不超過MOSFET的額定最大值，并且觸發(fā)關(guān)斷時間內(nèi)，MOSFET的結(jié)溫不超過器件手冊上的極限溫度。恒流限流延時關(guān)斷特性曲線如圖3所示。

圖3 恒流限流延時關(guān)斷曲線Fig.3 The curve of constant current limiting delay shutdown

采用恒流限流延時關(guān)斷保護(hù)特性的SSPC產(chǎn)品內(nèi)部一般由固態(tài)開關(guān)、電流采樣電路、 限流延時電路、驅(qū)動電路、控制電路等組成[10-12]。典型電路原理框圖如圖4所示。

圖4 恒流限流延時關(guān)斷保護(hù)特性產(chǎn)品的原理框圖Fig.4 The principle block diagram of constant current limiting delay shutdown characteristic product

2 固態(tài)功率控制器關(guān)鍵技術(shù)

2.1 固態(tài)功率開關(guān)技術(shù)

固態(tài)功率控制器的核心是采用MOSFET或IGBT實(shí)現(xiàn)開關(guān)特性[13]，近年來，國內(nèi)半導(dǎo)體制造水平已取得長足發(fā)展，尤其是功率半導(dǎo)體器件，在抗輻照指標(biāo)、導(dǎo)通電阻、功率極限等方面同國外產(chǎn)品的差距正在逐步縮小，高等級功率MOSFET國產(chǎn)化趨勢明顯，在航天器中開始廣泛應(yīng)用。

目前，以平面條柵VDMOS工藝為代表的國產(chǎn)化抗輻射MOSFET產(chǎn)品，最大擊穿電壓可以達(dá)到400V，最大電流能力可以達(dá)到75A，且伴隨著半導(dǎo)體工藝水平的提高，其功率電壓范圍和輸出電流能力還在不斷提高，基本可以覆蓋所有航天器的供配電母線。

2.2 小型化技術(shù)

固態(tài)功率控制器的不斷發(fā)展，逐步形成了金屬密封結(jié)構(gòu)、板卡式結(jié)構(gòu)、模塊式封裝結(jié)構(gòu)和控制盒式結(jié)構(gòu)4類封裝，各類封裝結(jié)構(gòu)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，但在航天器小型化、輕量化趨勢的推動下，將SSPC模塊進(jìn)行厚膜混合集成，甚至是開展專用集成電路ASIC研制已經(jīng)被國內(nèi)外的業(yè)界人士達(dá)成共識。因此，開展固態(tài)功率控制技術(shù)的小型化技術(shù)研究，對于提高產(chǎn)品散熱能力，提升產(chǎn)品可靠性具有重要意義。

2.3 過載保護(hù)技術(shù)

目前，國內(nèi)航天器的功率控制系統(tǒng)雖已開始普遍采用固態(tài)功率器件作為控制開關(guān)，但因缺少必要的保護(hù)措施，導(dǎo)致設(shè)備在過載情況下不能進(jìn)行有效防護(hù)。過載情況下，峰值電流持續(xù)時間長會引起母線供電電壓的較大跌落，從而影響母線上其他負(fù)載的正常工作。因此，開展固態(tài)功率控制器過載保護(hù)技術(shù)的研究，尤其是縮短固態(tài)功率控制器的過載保護(hù)時間，對于保護(hù)航天器的安全具有重要意義。國外的SSPC產(chǎn)品，一般保護(hù)時間都小于10μs，有的甚至能達(dá)到小于1μs；國內(nèi)的SSPC產(chǎn)品，保護(hù)時間在微秒級到毫秒級之間，最小的保護(hù)時間可以達(dá)到小于100μs。

2.4 抗干擾技術(shù)

固態(tài)功率控制器作為航天器供配電系統(tǒng)的功率控制開關(guān)，主要作用就是保護(hù)供電電源和負(fù)載設(shè)備的安全，因此，如何提高產(chǎn)品的抗干擾能力，確保整個供電線路的穩(wěn)定工作，也是SSPC產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。尤其在負(fù)載狀況復(fù)雜(如容性負(fù)載、感性負(fù)載)的情況下，對SSPC產(chǎn)品反饋控制電路的設(shè)計(jì)要求更高?？垢蓴_技術(shù)的研究，除了保護(hù)配電網(wǎng)絡(luò)和負(fù)載設(shè)備安全，具備過載保護(hù)功能外，還要對固態(tài)功率控制器自身進(jìn)行防護(hù)，確保在各類復(fù)雜工況下不會產(chǎn)生誤動作，因此，提高抗干擾能力，對于擴(kuò)展產(chǎn)品應(yīng)用范圍，保護(hù)系統(tǒng)安全具有重要意義。

2.5 并聯(lián)應(yīng)用技術(shù)

通常情況下，固態(tài)功率開關(guān)的承載電流能力直接決定了SSPC產(chǎn)品的輸出能力。為提高產(chǎn)品的輸出電流能力，可以將功率MOSFET進(jìn)行并聯(lián)應(yīng)用，但并聯(lián)應(yīng)用時，如何考慮產(chǎn)品的均流控制，規(guī)避MOS管并聯(lián)使用時的寄生振蕩現(xiàn)象，也是SSPC產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

防止并聯(lián)MOSFET發(fā)生寄生振蕩，一是選擇合適的MOS器件，可以選擇MOS管寄生電容CDS與CGS比值小，或是跨導(dǎo)gm比較小的MOSFET；二是通過增加外部電路的方式防止寄生振蕩現(xiàn)象的發(fā)生，可以在MOSFET的柵極插入一個柵極電阻或一個鐵氧體磁珠，也可以在MOSFET的柵極和源極之間添加一個瓷介電容。但要注意，增加電阻會影響MOSFET的開關(guān)速度，且增大開關(guān)損耗；增加電容會導(dǎo)致MOSFET的開關(guān)性能下降，因此，SSPC產(chǎn)品設(shè)計(jì)時需要綜合考慮。

3 固態(tài)功率控制器設(shè)計(jì)

3.1 固態(tài)功率控制器電路設(shè)計(jì)

固態(tài)功率控制器通常由功率電路、輔助供電電路、驅(qū)動控制電路、電流電壓采集電路、保護(hù)電路和狀態(tài)檢測電路等組成[14]。

功率電路作為SSPC的開關(guān)元件，可以采用晶閘管、雙極型晶體管、場效應(yīng)晶體管等。輔助供電電路主要為SSPC電路提供工作電源；驅(qū)動控制電路主要負(fù)責(zé)SSPC的開關(guān)控制和驅(qū)動控制；電流電壓采集電路主要負(fù)責(zé)采集功率母線的電流電壓信號，反饋給保護(hù)電路，實(shí)現(xiàn)對SSPC的實(shí)時監(jiān)測；保護(hù)電路主要對電流電壓采集電路輸出的信號進(jìn)行判斷，在過載情況下觸發(fā)關(guān)斷信號，保護(hù)系統(tǒng)安全；狀態(tài)檢測電路主要負(fù)責(zé)對SSPC的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時檢測，有助于用戶對產(chǎn)品的工作狀態(tài)做出準(zhǔn)確判斷。

3.1.1 功率電路

航天器固態(tài)功率控制技術(shù)主要采用國產(chǎn)化抗輻照MOSFET，作為功率器件，設(shè)計(jì)時需要進(jìn)行合理的熱設(shè)計(jì)，對于厚膜混合集成工藝的SSPC產(chǎn)品，功率芯片通常設(shè)計(jì)在高導(dǎo)熱率的覆銅基板上，以降低芯片的工作熱阻。目前，常用的高導(dǎo)熱基板主要有氧化鈹基板、氮化鋁基板和氮化硅基板等，其主要特點(diǎn)是具有良好的散熱效果和絕緣性能，而且可靠性高。

3.1.2 電流電壓采集電路

電流電壓采集電路可以采用分立器件搭建電流鏡電路實(shí)現(xiàn)采集功能，也可以采用單片電流采集芯片實(shí)現(xiàn)采集功能，兩種采集方式的工作原理不同，優(yōu)缺點(diǎn)也不盡相同。

采用分立器件搭建電流鏡拓?fù)涞碾娏麟妷翰杉娐?，如圖5所示，優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)部元器件可以完全國產(chǎn)化，具有抗輻射指標(biāo)，且采集精度可調(diào)；缺點(diǎn)是零偏較大，線性度和三溫一致性差。

圖5 電流電壓采集電路Fig.5 Current and voltage acquisition circuit

采用單片電流采集芯片，優(yōu)點(diǎn)是零偏小，線性度高，三溫一致性好；缺點(diǎn)是無抗輻射指標(biāo)，可靠性差。此外，無論何種電流電壓采集方式，均需要通過高精密功率電阻來實(shí)現(xiàn)對母線電流的電壓采集。高精密功率型電阻的主要特點(diǎn)是阻值低，精度高，溫度系數(shù)小，功率大，體積小和安裝牢固性好。

3.1.3 保護(hù)電路

保護(hù)電路包括I2t反時限保護(hù)電路和恒流限流延時關(guān)斷保護(hù)電路兩種，其中I2t反時限保護(hù)電路因其功率承載能力大，在航天器固態(tài)功率控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。圖6為反時限保護(hù)特性的典型電路，通過調(diào)整電路中電阻和電容的參數(shù)值，使過流保護(hù)電路的功能與反時限保護(hù)方程相互吻合，達(dá)到反時限保護(hù)的目的。

圖6 反時限保護(hù)電路Fig.6 Inverse time protection product

基于I2t反時限特性的保護(hù)方式在供電線路上發(fā)生過載時，允許過載電流流過供電回路并存在一定的時間，這對供電電源的供電能力提出了一定的要求，尤其是在供電線路上存在短路故障時，供電電源應(yīng)能夠在短暫大電流存在的條件下，維持供電電壓在正常的范圍內(nèi)，避免故障向該母線上的其他負(fù)載擴(kuò)散。在發(fā)生過載及短路故障時，盡管此時大的電流流過固態(tài)開關(guān)自身，但I(xiàn)2t反時限保護(hù)特性并不改變固態(tài)開關(guān)的飽和工作狀態(tài)，因此，開關(guān)此時的功耗并不會出現(xiàn)大幅上升而威脅SSPC的可靠性，此時開關(guān)上的功耗僅由P=IV決定，I為過載電流，V為開關(guān)兩端的壓降。

3.2 固態(tài)功率控制器電路特點(diǎn)

1)尺寸小、重量輕

采用厚膜混合集成工藝的固態(tài)功率控制器在產(chǎn)品小型化、輕量化設(shè)計(jì)方面優(yōu)勢明顯，封裝尺寸和重量與其他封裝結(jié)構(gòu)的SSPC相比均有大幅度縮減。

2)智能化程度高

SSPC產(chǎn)品與繼電器相比，既可以拓展出過流保護(hù)、短路保護(hù)和過溫保護(hù)功能；又可以拓展出狀態(tài)指示、電流遙測和遠(yuǎn)程通信功能，智能化程度高，更適合于構(gòu)建智能的自主管理配電系統(tǒng)。

3)技術(shù)領(lǐng)先、可靠性高

固態(tài)功率控制器是實(shí)現(xiàn)航天器在軌自主管理與故障隔離的唯一途徑，具有技術(shù)領(lǐng)先、可靠性高的特點(diǎn)；此外，通過輻照加固的SSPC產(chǎn)品在滿足宇航應(yīng)用的同時，還具有功耗低，熱阻小，散熱好等特點(diǎn)。

4 未來發(fā)展方向

固態(tài)功率控制技術(shù)相較傳統(tǒng)的配電控制方式具有許多不可替代的優(yōu)勢，正逐步取代傳統(tǒng)的繼電器和斷路器，成為實(shí)現(xiàn)航天器配電自動化的關(guān)鍵技術(shù)。未來完全取代傳統(tǒng)的配電控制方式，固態(tài)功率控制技術(shù)還需要在大功率集成、系統(tǒng)可靠性和面向初級配電系統(tǒng)應(yīng)用等方面開展大量工作。

近年來，固態(tài)功率控制器已呈現(xiàn)出由一組輸出向多組輸出，由直流輸出向交流輸出，由小電流、小電壓向大電流、大電壓，由標(biāo)準(zhǔn)引線封裝向無引線封裝方向發(fā)展的趨勢。將來，固態(tài)功率控制器以其不可替代的技術(shù)優(yōu)勢，還將向以下3個方向發(fā)展。

1)大功率化

在航空航天領(lǐng)域，一方面，隨著系統(tǒng)復(fù)雜度的不斷提升，對航天器的額定功率和承載能力提出了更高的要求[15]；另一方面，隨著電源管理技術(shù)的發(fā)展，航天器二次配電技術(shù)不斷向初級配電系統(tǒng)靠攏，這些都將促使固態(tài)功率控制技術(shù)向大功率方向發(fā)展。

2)小型化

在航天器減重降耗趨勢的推動下，為了減小航天器供電控制系統(tǒng)的重量和體積，固態(tài)功率控制技術(shù)將不斷向小型化和高密度的方向發(fā)展。電路拓?fù)涞亩嗦芳?，以及系統(tǒng)級封裝技術(shù)的工藝保證，將大幅度縮小SSPC產(chǎn)品的重量和體積。

3)智能化

SSPC以其獨(dú)特的智能化控制優(yōu)勢，在航天器自主管理系統(tǒng)應(yīng)用前景廣闊。未來，固態(tài)功率控制技術(shù)還將向如何提升供電系統(tǒng)的智能化分配與管理，拓展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測功能等方向發(fā)展。根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境，遠(yuǎn)程控制SSPC的電流輸出范圍和過載保護(hù)時間，將大幅提升系統(tǒng)的可靠性和智能化程度。

5 結(jié)論

本文通過對固態(tài)功率控制器工作原理和主要關(guān)鍵技術(shù)的研究，闡述了固態(tài)功率控制器的系統(tǒng)架構(gòu)和電路特點(diǎn)，介紹了航天器固態(tài)功率控制技術(shù)在高可靠、小尺寸和高智能化程度方面的優(yōu)勢，并對其未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望。