宇航用高可靠復(fù)合開關(guān)設(shè)計(jì)

王 儒，孫清曉，張倩倩

（北京衛(wèi)星制造廠，北京100190）

宇航用高可靠復(fù)合開關(guān)設(shè)計(jì)

王 儒，孫清曉，張倩倩

（北京衛(wèi)星制造廠，北京100190）

傳統(tǒng)星載設(shè)備采用繼電器對供電母線進(jìn)行開關(guān)控制，繼電器體積大，并且在大電流情況下，容易產(chǎn)生觸點(diǎn)粘連故障，可靠性低。針對該問題提出一種高可靠復(fù)合開關(guān)電路，采用小型繼電器對供電母線上的功率MOS管的柵源電壓進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了對供電母線的加斷電控制；分析了該電路的工作過程，利用功率MOS管線性工作區(qū)的特性，可有效降低開機(jī)浪涌電流；在此基礎(chǔ)上給出了各元器件的降額設(shè)計(jì)方法。對一款星載DCDC變換器前級增加該開關(guān)電路進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，該開關(guān)電路能夠可靠控制供電母線的加斷電，通過改變緩啟電容的大小，能夠減小開關(guān)浪涌電流90%以上，體積小，可靠性高。

開關(guān)；可靠性；浪涌電流

1　引言

目前，我國衛(wèi)星供配電系統(tǒng)中，供配電設(shè)備與負(fù)載設(shè)備主要采用繼電器實(shí)現(xiàn)加斷電控制［1-2］，即在輸入母線的正線上串聯(lián)繼電器，繼電器通過對線包的通斷電使其內(nèi)部的觸點(diǎn)接觸或者斷開來實(shí)現(xiàn)母線加斷電；同時，為了提高供電質(zhì)量，在負(fù)載設(shè)備輸入端均設(shè)計(jì)有電容濾波電路［3］，當(dāng)繼電器閉合時，輸入母線對濾波電容充電，需要輸入端提供瞬時的大電流脈沖，即“浪涌電流”［4-5］，該峰值電流一般比設(shè)備的靜態(tài)電流大幾倍，如不加抑制，有可能導(dǎo)致輸入電壓波形改變，使供電質(zhì)量變差，影響相鄰其它用電設(shè)備工作，同時浪涌電流過大還有可能導(dǎo)致用于開關(guān)控制的繼電器觸點(diǎn)粘連而無法斷開，失去開關(guān)切換功能［6-7］。針對輸入浪涌電流帶來的沖擊，傳統(tǒng)的解決方法有串聯(lián)電阻法和預(yù)充電法［8］。串聯(lián)電阻法是指在負(fù)載設(shè)備源輸入端串聯(lián)固定電阻，利用電阻的限流作用，在設(shè)備加電工作時將浪涌電流限制在一定范圍內(nèi)。由于流過電阻的電流為母線電流，若應(yīng)用于功耗大的設(shè)備會因流過電阻的電流大造成壓降大、發(fā)熱大，同時影響單機(jī)效率，該方法只適用于功耗較小的設(shè)備［8］。預(yù)充電法是在串聯(lián)電阻法的基礎(chǔ)上，增加開關(guān)。當(dāng)給后級電容充電完成后，串聯(lián)電阻被開關(guān)旁路。這種方法雖然解決了串聯(lián)電阻穩(wěn)態(tài)工作時功率損耗的問題，但由于開關(guān)需要在電容充滿電后閉合，需要增加檢測電路來檢測后級電容兩端電壓，不宜在工程項(xiàng)目上使用［8］。上述兩種方法中，用于開關(guān)的繼電器均放置于供電母線上，所用繼電器的尺寸和重量依賴于工作電流，限制了其使用范圍。針對此問題，本文利用功率MOS管的開關(guān)特性，用功率MOS管代替繼電器，通過控制MOS管的柵源電壓，實(shí)現(xiàn)對供電母線的加斷電控制。

2　高可靠復(fù)合開關(guān)電路

2.1 電路的提出

圖1是一個N溝道功率MOS管的漏極特性曲線［9-10］，該曲線可分為截止區(qū)、恒流區(qū)和線性導(dǎo)電區(qū)三部分。當(dāng)功率MOS管工作在線性導(dǎo)電區(qū)時，ID隨UGS的增加成線性增大，因此在設(shè)備加電時，通過控制UGS電壓，使其線性增大，從而控制輸入電流ID線性增大，解決開機(jī)瞬間的浪涌電流問題。當(dāng)對后級電容充滿電后，使功率MOS管工作在恒流區(qū)，減小導(dǎo)通損耗。

圖1　N溝道功率MOS管的漏極特性曲線［9］Fig.1 Graph of the drain character of N channnel power MOSFET［9］

同時，功率MOS管為壓控型器件，通過控制柵極電壓來控制漏極電流，驅(qū)動電流在mA量級，因此可以采用較小的開關(guān)控制功率MOS管柵源（GS）的開關(guān)來控制MOS管漏源（DS）的開關(guān)，從而間接控制母線的開通和關(guān)斷。

基于功率MOS管的以上特性，提出高可靠復(fù)合開關(guān)電路如圖2所示，包括一只功率MOS管、一只小功率磁保持繼電器，以及電阻R1、R2，電容C1。

圖2　高可靠復(fù)合開關(guān)電路圖Fig.2 Schematic of high reliability compound switch circuit

根據(jù)該電路的工作原理，將啟動過程劃分為4個模態(tài)，如圖3所示，具體分析如下：

1）模態(tài)0［t0之前］，繼電器K觸點(diǎn)閉合，功率MOS管柵源電壓UGS=0，所以關(guān)斷，其兩端電壓為輸入電壓UIN，輸入濾波電容C兩端電壓也為0；

2）模態(tài)1［t0～t1］，開關(guān)電路在t0時刻接受外部指令，繼電器K觸點(diǎn)斷開，功率MOS管UGS電壓隨R1與C1設(shè)定的時間常數(shù)按指數(shù)曲線上升，由于未到達(dá)功率MOS管的開啟電壓，所以功率MOS管工作在截止區(qū)；

3）模態(tài)2［t1～t2］，在t1時刻，UGS電壓上升到功率MOS管開啟電壓，此時功率MOS管進(jìn)入線性導(dǎo)電區(qū)，ID隨UGS的增加而增大，對輸入濾波電容C充電，電容兩端電壓緩慢上升，功率MOS管兩端UDS電壓減??；

4）模態(tài)3［t2～t3］，在t2時刻，輸入濾波電容C完成充電，輸入電流ID下降到0，功率MOS管兩端電壓也下降0；

5）模態(tài)4［t3之后］，電容C1繼續(xù)充電，UGS繼續(xù)上升，最終按照電阻分壓比穩(wěn)定在UIN*R2/（R1+R2），功率MOS管進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài)，流過其的電流為后級電路穩(wěn)態(tài)工作時的電流。由于MOS管飽和導(dǎo)通電阻一般很小，因此具有較小的功率損耗。

圖3　高可靠復(fù)合開關(guān)電路工作波形圖Fig.3 Waveformsofhighreliabilitycompound switch circuit

2.2 電路設(shè)計(jì)

由圖2可以看出，復(fù)合開關(guān)電路主要包括開關(guān)繼電器、分壓電阻、功率MOS管、緩啟電容。

1）開關(guān)繼電器

由于繼電器對功率MOS管的柵源電流進(jìn)行控制，流過繼電器觸點(diǎn)的電流很小，僅為mA量級；同時，在電路工作后，繼電器觸點(diǎn)須保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，以保證功率MOS管維持飽和導(dǎo)通的柵源電壓，因此可選用觸點(diǎn)電流在1A以下的小型磁保持繼電器。

2）分壓電阻

電阻R1主要考慮額定電壓和功耗，由于電路在關(guān)閉狀態(tài)下，電阻R1兩端電壓為輸入電壓，電阻功耗如式（1）：

因此電阻耐壓和功耗應(yīng)滿足式（1）的降額要求。

電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，需保證功率MOS管工作在飽和導(dǎo)通狀態(tài)，一般功率MOS管在UGS電壓為8～12 V時，其工作在飽和導(dǎo)通狀態(tài)，因此在確定了R1后，R2根據(jù)式（2）確定。

電阻R3是為了在繼電器觸點(diǎn)閉合時，防止電容C1放電對觸點(diǎn)造成損傷而設(shè)計(jì)的限流電阻，R3?R1，工程中一般取R3=100～200 Ω。

3）功率MOS管

根據(jù)GJB/Z35-93，功率MOS管設(shè)計(jì)包括額定電流ID、額定電壓UDSon和額定功耗PMOS的設(shè)計(jì)，須分別滿足式（3）～（6）［11］。

式中：IINmax為流過功率MOS管的最大電流，取浪涌電流和穩(wěn)態(tài)工作電流的最大值；式（5）為功率MOS管的穩(wěn)態(tài)功耗，式（6）為功率MOS管的瞬態(tài)功耗，且需考慮不同溫度下的功耗降額。

4）緩啟電容

如何使功率MOS管有足夠的時間（在完全導(dǎo)通前）工作在線性導(dǎo)電區(qū)，成為抑制浪涌的關(guān)鍵。為了降低開機(jī)浪涌電流，應(yīng)使功率MOS管在線性導(dǎo)電區(qū)內(nèi)就完成對輸入濾波電容的充電。設(shè)繼電器觸點(diǎn)斷開到功率MOS管柵源電壓達(dá)到開啟電壓UTH的時間為t1，到浪涌電流達(dá)到最大值的時間為t2，則t1和t2滿足式（7）和式（8）。

式中：UPTH為功率MOS管到達(dá)最大浪涌電流值時對應(yīng)的柵源電壓，t2-t1則為浪涌電流持續(xù)時間，通常該時間維持在1～5 ms，時間太短則浪涌電流太大，時間太長則影響后級電路正常工作，因此在確定了R1后，根據(jù)式（9）可確定C1的值。

3　試驗(yàn)驗(yàn)證

設(shè)計(jì)了一款星載DC/DC變換器，輸入電壓UIN=42 V，濾波器電容C=13.2 μF。前級開關(guān)電路中繼電器采用871廠的JMW-270M-027M/1/K小型磁保持繼電器，其觸點(diǎn)額定電路為1 A；功率MOS管選用IR公司的高可靠功率MOS管IRHNJ67130，ID=22 A，VDSS=100 V，PD=75 W（TC=25℃）；電阻R1=47 kΩ，R2=20 kΩ。

根據(jù)第二節(jié)分析，緩啟電容越大，功率MOS管開通時間越長，浪涌電流峰值越小，持續(xù)時間也越長，工程中根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整電容大小，滿足浪涌電流峰值和持續(xù)時間的要求。圖4為無緩啟電容時的啟動波形，其啟動浪涌電流最高達(dá)30.1 A，瞬時功率達(dá)到389 W，超過了功率MOS管的額定值。圖5為緩啟電容為1 μF時的啟動波形，其啟動電流降低到1.28 A，降低了95.7%，瞬時功率為19.9 W，滿足設(shè)計(jì)要求；同時從圖中可以看出，功率MOS管在柵源電壓為2 V左右時開始導(dǎo)通，開始對后級電容充電，到達(dá)5 V左右時，后級電容即充滿電，浪涌電流持續(xù)時間約1 ms。

圖4　無緩啟電容時開機(jī)波形Fig.4 Wave form of starting up without soft capacity

圖5　緩啟電容C1=1 μF時開機(jī)波形Fig.5 Wave form of starting up with soft capacity C1=1 μF

4　結(jié)論

利用功率MOS管的開關(guān)特性，采用小型繼電器控制功率MOS管開通和關(guān)斷的復(fù)合開關(guān)電路簡單、可靠。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該開關(guān)電路可降低開機(jī)浪涌電流90%以上，解決了傳統(tǒng)開關(guān)電路中大電流沖擊造成的繼電器觸點(diǎn)粘連問題，可以替代傳統(tǒng)星載設(shè)備中的繼電器，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星平臺和載荷電路中。

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Design of High Reliability Compound Switch for Aerospace Application

WANG Ru，SUN Qingxiao，ZHANG Qianqian
（Beijing Spacecrafts Manufacturing Factory，Beijing 100190，China）

In traditional aerospace equipment，relay is often used to control the power supply bus，but the relay is usually large in volume and the contact adhesion failure is easy to occur in the case of large current，so its reliability is low.Aiming at this problem，a high reliability compound switch circuit was proposed.The power supply bus was controlled to switch by controlling the power MOSFET's gate-to-source voltage with a small relay.Then the working process of the circuit was analyzed.The inrush current could be reduced effectively by using the power MOS tube in the linear region.Also the derating design method of the components was given.A switching circuit was added before a DCDC converter.The experiment results indicated that this switch circuit could control the power supply bus to switch reliably，and the inrush current could be reduced by more than 90% through changing the soft capacitor.The circuit has the advantage of small volume and high reliability.

switch；reliability；inrush current

TM571

A

1674-5825（2016）05-0641-04

2015-03-11；

2016-08-10

王儒（1982-），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)樾谴娮赢a(chǎn)品設(shè)計(jì)。E-mail：wangru@nuaa.edu.cn