一種基于固態(tài)功率控制器的過(guò)流保護(hù)方法研究

梁曉鋒 武逸然 儀德英

（中國(guó)空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094）

1 引言

供配電系統(tǒng)作為重要的平臺(tái)子系統(tǒng)，其可靠性很大程度上決定了航天器的可靠性，為確保航天器用電設(shè)備發(fā)生過(guò)流故障時(shí)對(duì)整個(gè)供電系統(tǒng)造成影響，國(guó)內(nèi)外一直在研究航天器供配電系統(tǒng)的過(guò)流保護(hù)技術(shù)，在發(fā)生故障時(shí)以最快的速度將故障隔離，防止故障進(jìn)一步蔓延影響到其它的系統(tǒng)，同時(shí)還需要確保故障隔離的準(zhǔn)確性，以避免造成非正常的保護(hù)動(dòng)作。

功率電子器件制造水平的快速提高，使基于過(guò)流保護(hù)的固態(tài)供電控制技術(shù)得到廣泛采用。從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，歐、美、日等國(guó)家的航天器逐漸采用以金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（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［1］。美國(guó)馬歇爾航天飛行中心為“國(guó)際空間站”設(shè)計(jì)了一種遠(yuǎn)程供電控制器（RPC）［2］。美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)研制了可編程斷路器，應(yīng)用于空間飛行器［3］。日本研制了用于“國(guó)際空間站”的日本實(shí)驗(yàn)艙（JEM）的電流限流開(kāi)關(guān)（CLS）［4］。美國(guó)南卡羅來(lái)納大學(xué)設(shè)計(jì)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(guò)，該產(chǎn)品沒(méi)有利用MOSFET 器件的恒流特性，而是通過(guò)調(diào)節(jié)MOSFET 器件導(dǎo)通的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)限流。這種限流的原理類似具有限流功能的直流-直流變換器［6］?；冖?t（其中Ⅰ為負(fù)載電流，t為跳閘延遲時(shí)間）的固態(tài)供電控制技術(shù)研究比較成熟，其產(chǎn)品使用主要以美國(guó)、加拿大兩國(guó)的航天器為代表，技術(shù)較為復(fù)雜，一般用在大功率配電線路的保護(hù)。

目前，國(guó)內(nèi)航天器在負(fù)載輸入端采用的過(guò)流保護(hù)多為在設(shè)備的輸入端串入熔斷器，屬于一種被動(dòng)的過(guò)流保護(hù)手段［1］。由于熔斷器過(guò)流保護(hù)方式對(duì)設(shè)備而言是不可恢復(fù)的，同時(shí)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(guò)渡過(guò)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［7］。因此應(yīng)盡量避免采用熔斷器作為過(guò)流保護(hù)器件，而應(yīng)優(yōu)先采用過(guò)流保護(hù)故障排除后可恢復(fù)的過(guò)流保護(hù)線路。而國(guó)內(nèi)尚未有在軌飛行的航天器采用固態(tài)供電控制技術(shù)，未來(lái)的遙感系列衛(wèi)星擬采用電流限流開(kāi)關(guān)作為過(guò)流保護(hù)手段，部分載人航天器擬采用基于Ⅰ2t的固態(tài)功率控制技術(shù)作為過(guò)流保護(hù)手段。

2 基于固態(tài)功率控制器的過(guò)流保護(hù)方法

固態(tài)功率控制器（SSPC）一般由MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路及保護(hù)控制電路、隔離的測(cè)控電路和輔助電源組成，此為可恢復(fù)式過(guò)流保護(hù)器件。在通路發(fā)生短路后，可恢復(fù)式過(guò)流保護(hù)器件進(jìn)行過(guò)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［8］。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(guò)流報(bào)警信號(hào)時(shí)，斷開(kāi)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(guò)流報(bào)警超過(guò)累計(jì)次數(shù)時(shí)，則徹底斷開(kāi)負(fù)載，以剔除偶發(fā)故障和可排除的軟故障［9］。可見(jiàn)，固態(tài)功率控制器為可恢復(fù)式的過(guò)流保護(hù)器件，它的使用提高了供配電系統(tǒng)的智能化。

2．1 過(guò)流保護(hù)體系設(shè)計(jì)

從上述調(diào)研及分析可見(jiàn)，固態(tài)功率控制器因其具有過(guò)流保護(hù)后的可恢復(fù)功能，提升供配電系統(tǒng)智能化等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。但固態(tài)功率控制器功能組成模塊多，設(shè)計(jì)復(fù)雜，自身出現(xiàn)故障的概率增大。隨著后續(xù)航天器規(guī)模增大，每個(gè)供電母線可能為上百臺(tái)設(shè)備提供供電，若一個(gè)過(guò)流情況下固態(tài)功率控制器因故障未動(dòng)作，則會(huì)導(dǎo)致整條供電母線斷電，造成航天器失去供電的嚴(yán)重后果。固態(tài)功率控制器均采用緩啟動(dòng)、慢關(guān)斷的策略，減小了設(shè)備啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流，克服了熔斷器因?yàn)槔擞康人查g應(yīng)力而失效的缺點(diǎn)，可有效提高熔斷器使用的可靠性。綜上所述，為提高供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)可靠性，實(shí)現(xiàn)“一重故障工作，二重故障安全”，考慮采用固態(tài)功率控制器＋熔斷器的模式，其可克服單獨(dú)使用熔斷器的缺點(diǎn)，兼具了熔斷器及固態(tài)功率控制器兩者的優(yōu)點(diǎn)，在不增加較多系統(tǒng)資源的同時(shí)極大地提高了系統(tǒng)應(yīng)對(duì)故障的能力。配電模式示意圖如圖1所示。

圖1 配電模式示意圖Fig．1 Schematic diagram of distribution model

2．2 過(guò)流保護(hù)參數(shù)整定

采用SSPC＋熔斷器模式后，當(dāng)用電設(shè)備發(fā)生過(guò)流故障時(shí)，SSPC 和熔斷器均可能因?yàn)檫^(guò)流而發(fā)生保護(hù)動(dòng)作，此時(shí)考慮到SSPC為可恢復(fù)保護(hù)器件，因此SSPC應(yīng)在熔斷器動(dòng)作之前動(dòng)作，則故障排除后可再次為用電設(shè)備加電。若熔斷器先動(dòng)作，則SSPC的自恢復(fù)保護(hù)功能未能起到作用，喪失了使用SSPC的意義。

從上述分析可見(jiàn)，使用SSPC＋熔斷器后，過(guò)流體系為二重的過(guò)流保護(hù)設(shè)計(jì)，因此必須對(duì)SSPC 過(guò)流保護(hù)曲線與熔斷器的過(guò)流保護(hù)曲線進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，即保護(hù)參數(shù)整定后，方可達(dá)到使用目的。

2．2．1 熔斷器保護(hù)曲線

以當(dāng)前航天器使用最為廣泛的Schulte公司的MGA-S系列熔斷器為例，其熔斷時(shí)間如表1和圖2所示）。

表1 MGA-S熔斷器熔斷時(shí)間Table 1 MGA-S fusing time

圖2 Schulte公司熔斷器熔斷曲線圖Fig．2 MGA-S fusing curve

2．2．2 SSPC保護(hù)曲線

國(guó)外SSPC產(chǎn)品的過(guò)流保護(hù)跳閘時(shí)間如表2所示。

表2 過(guò)流SSPC產(chǎn)品過(guò)流保護(hù)時(shí)間Table 2 SSPC response time

可見(jiàn)，SSPC 的過(guò)流跳閘時(shí)間各產(chǎn)品之間均不相同，同時(shí)從SSPC原理分析，其過(guò)流保護(hù)參數(shù)的設(shè)定主要與應(yīng)用場(chǎng)合相關(guān)，若供電電源短時(shí)輸出能力大且負(fù)載耐過(guò)流能力較強(qiáng)，則可以適當(dāng)?shù)匮娱L(zhǎng)過(guò)流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，時(shí)間的延長(zhǎng)有利于SSPC 的抗干擾設(shè)計(jì)，若供電電源輸出能力較小且負(fù)載耐過(guò)流能力較弱，則需要縮短過(guò)流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，以避免過(guò)流時(shí)影響供電母線為其它負(fù)載的供電。

以某廠商的SSPC為例，其產(chǎn)品包括0．5A、1A、3A 及10A 四種規(guī)格，前3種規(guī)格產(chǎn)品在電流小于8倍額定電流時(shí)，采用Ⅰ2t保護(hù)策略，隨著負(fù)載電流的增加跳閘時(shí)間減小，當(dāng)過(guò)流電流大于8倍額定電流時(shí)產(chǎn)品立即跳閘，跳閘時(shí)間小于500μs。10A 產(chǎn)品由于過(guò)流保護(hù)時(shí)電源需要提供的電流值較大，因此立即跳閘的過(guò)流倍數(shù)定義為額定電流的4倍。保護(hù)曲線如圖3所示。

2．2．3 過(guò)流保護(hù)參數(shù)匹配

為保證發(fā)生過(guò)流故障時(shí)，SSPC 先于熔斷器動(dòng)作，需要根據(jù)SSPC 及熔斷器的保護(hù)曲線進(jìn)行匹配的設(shè)計(jì)。即對(duì)于每個(gè)規(guī)格的SSPC，為其配置一個(gè)固定規(guī)格的熔斷器，使其兩者在保護(hù)參數(shù)上協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)SSPC 先于熔斷器動(dòng)作。由圖2可見(jiàn)，熔斷器的熔斷時(shí)間隨過(guò)流電流的增大而減小，同時(shí)由圖3可見(jiàn)，SSPC的跳閘時(shí)間同樣隨過(guò)流電流的增大而減小。因此若用電設(shè)備發(fā)生過(guò)流，在每個(gè)固定的過(guò)流值時(shí)，SSPC的跳閘時(shí)間小于熔斷器的熔斷時(shí)間，并留有一定的時(shí)間余量，即可保證SSPC 先于熔斷器動(dòng)作，使兩者保護(hù)時(shí)序滿足要求。反映在過(guò)流保護(hù)曲線中時(shí)，即將熔斷器的過(guò)流保護(hù)曲線位于SSPC過(guò)流保護(hù)曲線的上方。

圖3 SSPC產(chǎn)品過(guò)流保護(hù)曲線Fig．3 SSPC over-curren prevention curve

以10A 的SSPC 為 例，可為其配置20A 的熔斷器，當(dāng)過(guò)流值為20 A 時(shí)，SSPC 的過(guò)流倍數(shù)為2倍，熔斷器未過(guò)流，因此SSPC 跳閘而熔斷器未跳閘；當(dāng)過(guò)流值為30A 時(shí)，SSPC 的過(guò)流倍數(shù)為3倍，熔斷器的過(guò)流倍數(shù)為1．5倍，熔斷器熔斷時(shí)間大于10s，此時(shí)SSPC的跳閘時(shí)間小于1s即可（留有9s的時(shí)間余量）；當(dāng)過(guò)流值為40A 時(shí)，SSPC的過(guò)流倍數(shù)為4倍，熔斷器的過(guò)流倍數(shù)為2倍，熔斷器熔斷時(shí)間大于2s，此時(shí)SSPC立即跳閘，跳閘時(shí)間小于500μs，確保了在過(guò)流時(shí)SSPC先于熔斷器動(dòng)作。從兩者匹配的角度看，對(duì)于固定規(guī)格的SSPC，與其對(duì)應(yīng)的熔斷器規(guī)格越大，則發(fā)生過(guò)流時(shí)熔斷器熔斷所用的時(shí)間越長(zhǎng)，但熔斷器規(guī)格不宜過(guò)大，因?yàn)檫^(guò)大的熔斷器可能導(dǎo)致供電電源無(wú)法提供足夠的能量將其熔斷。熔斷器的選擇同樣需要滿足以下要求。

式中：Ⅰp為電源母線（一次電源為電源分系統(tǒng)，二次電源為電源變換器）的保護(hù)電流；Ⅰn為熔斷器額定工作電流；Ⅰs為該母線上總負(fù)載的最大額定工作電流；Ⅰe為此臺(tái)設(shè)備的最大額定工作電流；α為熔斷器的電流降額因子。

3 過(guò)流保護(hù)方案仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證

從上述理論分析可見(jiàn)，通過(guò)合理的選用熔斷器及SSPC的過(guò)流保護(hù)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在通路過(guò)流時(shí)SSPC先于熔斷器動(dòng)作，達(dá)到兩者合理的保護(hù)動(dòng)作時(shí)序。在理論分析的基礎(chǔ)上，對(duì)過(guò)流設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，以進(jìn)一步證實(shí)過(guò)流體系設(shè)計(jì)及保護(hù)參數(shù)整定方法的正確性。

3．1 仿真分析

首先建立熔斷器及SSPC 的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了系統(tǒng)仿真。

3．1．1 熔斷器模型建立

以20A 熔斷器為例，在Saber電路仿真軟件中選取已有熔斷器模型，根據(jù)Schulte公司熔斷器的參數(shù)確定仿真模型參數(shù)。測(cè)試波形如圖4所示。

圖4 熔斷器測(cè)試波形Fig．4 Fuse waveform

由圖4可以看出，所搭建熔斷器模型滿足過(guò)流0．8～1．25倍不熔斷，1．5倍熔斷時(shí)間大于10s，1．7和2倍熔斷時(shí)間大于2s，與圖2中熔斷器的時(shí)間相符。

3．1．2 SSPC模型建立

以10ASSPC 為例，SSPC 模型的測(cè)試波形如圖5所示。

圖5 SSPC測(cè)試波形Fig．5 SSPC waveform

負(fù)載兩端電壓從0V 到100V 的上升時(shí)間為45μs，從100V 到0V 的下降時(shí)間為15μs，與實(shí)際SSPC數(shù)據(jù)基本吻合，所搭建模型滿足要求。

3．1．3 過(guò)流保護(hù)仿真

使用Saber仿真軟件中的電壓比較器、理想電壓源、電阻和電容模塊，根據(jù)前文中SSPC與熔斷器過(guò)流保護(hù)參數(shù)匹配設(shè)計(jì)，應(yīng)用點(diǎn)擬合法搭建Ⅰ2t過(guò)流保護(hù)模塊。將各模塊連接，搭建包括直流電源、熔斷器、SSPC、過(guò)流保護(hù)電路、負(fù)載的完整仿真驗(yàn)證模型。模型的過(guò)流保護(hù)特性如圖6所示。

圖6為10A 規(guī)格的SSPC 在負(fù)載電流由額定值突變?yōu)?0A 時(shí)的保護(hù)特性曲線，從曲線中可見(jiàn)正常狀態(tài)時(shí)，負(fù)載電流為10A，當(dāng)負(fù)載電流在0．5s突變至20A 時(shí)，SSPC過(guò)流保護(hù)，在1．38s斷開(kāi)，過(guò)流保護(hù)時(shí)間為0．88s，負(fù)載電流降為0A。

圖6 10ASSPC過(guò)流約2倍波形Fig．6 2times over current flow waveform of 10ASSPC

圖7為10A 規(guī)格的SSPC在負(fù)載電流由額定值突變?yōu)?6．8A 時(shí)（模擬用電設(shè)備過(guò)流）的保護(hù)特性曲線，從曲線中可見(jiàn)正常狀態(tài)時(shí)，負(fù)載電流為10A，當(dāng)負(fù)載電流突變至36．8A 時(shí)，SSPC 過(guò)流保護(hù)，在502．36ms斷開(kāi)，過(guò)流保護(hù)時(shí)間為1．41ms，負(fù)載電流降為0A。

圖7 SSPC過(guò)流約4倍波形Fig．7 4times over current flow waveform of 10ASSPC

從上述保護(hù)特性仿真可見(jiàn)，使用SSPC＋熔斷器配電模式，通過(guò)對(duì)SSPC、熔斷器過(guò)流保護(hù)特性匹配設(shè)計(jì)后，當(dāng)用電設(shè)備過(guò)流故障時(shí)，SSPC 動(dòng)作進(jìn)行過(guò)流保護(hù)，對(duì)故障起到有效的隔離作用，同時(shí)熔斷器未發(fā)生熔斷。

3．2 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)于SSPC與熔斷器的匹配性能進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)由穩(wěn)壓直流電源、接觸器及驅(qū)動(dòng)電路、SSPC及驅(qū)動(dòng)電路、熔斷器、負(fù)載、測(cè)試電纜及測(cè)試儀表組成。內(nèi)部組成及連接關(guān)系如圖8所示。其中SSPC 選用0．5A、1A、3A、10A4種規(guī)格，在SSPC之前配置熔斷器。直流電源電壓為100 V，SSPC 偏置電壓12V，控制信號(hào)為0．5V，負(fù)載電流可調(diào)整，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制SSPC的開(kāi)通與關(guān)斷。

圖8 試驗(yàn)驗(yàn)證框圖Fig．8 Diagram of the test

測(cè)試中，將系統(tǒng)連接到位后通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路首先接通K1、K2開(kāi)關(guān)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路開(kāi)通SSPC，然后將負(fù)載電流逐步增大，測(cè)試SSPC 的保護(hù)特性。當(dāng)SSPC過(guò)流保護(hù)后，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路將SSPC 斷開(kāi)，然后調(diào)整負(fù)載到額定狀態(tài)，再次開(kāi)通SSPC后，調(diào)整負(fù)載到一定過(guò)流值，繼續(xù)測(cè)試SSPC 保護(hù)特性。試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)SSPC 的保護(hù)動(dòng)作曲線進(jìn)行了測(cè)試，部分測(cè)試波形如圖9所示。

圖9 SSPC過(guò)流波形Fig．9 Over current flow waveform of SSPC

圖9中綠色曲線為SSPC（模擬用電設(shè)備過(guò)流）的保護(hù)特性曲線，紅色曲線為SSPC 開(kāi)通指令信號(hào)。圖9（a）中正常狀態(tài)時(shí)，負(fù)載電流為10A，當(dāng)負(fù)載電流突變至20A 時(shí)，SSPC 過(guò)流保護(hù)約0．8s，負(fù)載電流降為0。圖9（b）中正常狀態(tài)時(shí)，負(fù)載電流為10A，當(dāng)負(fù)載電流突變至37．3A 時(shí)，SSPC 過(guò)流保護(hù)約1．3ms，負(fù)載電流降為0。圖9（c）中正常狀態(tài)時(shí)，負(fù)載電流為3A，當(dāng)負(fù)載電流突變至25．1A 時(shí)，SSPC過(guò)流保護(hù)約37μs，負(fù)載電流降為0。實(shí)現(xiàn)了用電負(fù)載短路下的立即跳閘。

從圖9保護(hù)特性測(cè)試可見(jiàn)，使用SSPC＋熔斷器配電模式，通過(guò)對(duì)SSPC、熔斷器過(guò)流保護(hù)特性匹配設(shè)計(jì)后，當(dāng)用電設(shè)備過(guò)流故障時(shí)，由于SSPC的過(guò)流跳閘時(shí)間小于熔斷器的熔斷時(shí)間，SSPI先于熔斷器實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)，對(duì)故障起到有效的隔離作用，同時(shí)熔斷器未發(fā)生熔斷。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在調(diào)研分析當(dāng)前國(guó)內(nèi)外配電過(guò)流保護(hù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出了一種SSPC＋熔斷器的配電過(guò)流保護(hù)體系。對(duì)這種過(guò)流保護(hù)體系的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析。提出了過(guò)流保護(hù)參數(shù)整定的要求并進(jìn)行了仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證。SSPC＋熔斷器的過(guò)流保護(hù)體系在增加很小系統(tǒng)資源的情況下實(shí)現(xiàn)了對(duì)負(fù)載過(guò)流的二重保護(hù)，通過(guò)合理的保護(hù)參數(shù)整定實(shí)現(xiàn)了當(dāng)負(fù)載過(guò)流時(shí)SSPC先于熔斷器動(dòng)作，在提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了自恢復(fù)式的過(guò)流保護(hù)?？梢詾楹罄m(xù)航天器型號(hào)進(jìn)行過(guò)流保護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

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