基于固態(tài)功率控制器的器載配電器的BIT設(shè)計技術(shù)研究

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(中國運載火箭技術(shù)研究院 研發(fā)中心，北京 100076)

基于固態(tài)功率控制器的器載配電器的BIT設(shè)計技術(shù)研究

趙巖，歐連軍，姜爽，張翔，楊友超

(中國運載火箭技術(shù)研究院研發(fā)中心，北京100076)

航空航天飛行器發(fā)展迅速，用電設(shè)備數(shù)量增多，飛行任務(wù)復(fù)雜性增大，對飛行器配電系統(tǒng)的智能程度以及可靠性提出更高要求;配電器是配電系統(tǒng)的核心設(shè)備，為飛行器所有用電負(fù)載設(shè)備分配電能，其性能的優(yōu)劣直接影響到飛行任務(wù)的成敗，BIT(Built-In Test)技術(shù)是一種能夠顯著改善系統(tǒng)或設(shè)備測試性能和診斷能力的重要手段;研究了以固態(tài)功率控制器為核心器件的配電系統(tǒng)總體方案，對固態(tài)功率控制器的故障模式與測試方法進(jìn)行了分析，給出了測試點設(shè)計和優(yōu)選方法，通過故障診斷能力計算結(jié)果表明BIT設(shè)計技術(shù)可提高配電系統(tǒng)的可靠性和智能化程度。

飛行器；智能配電；固態(tài)功率控制器

0 引言

隨著航天航空技術(shù)的高速發(fā)展，飛行器性能得到大幅提升，飛行器上設(shè)備及用電量劇增，設(shè)備負(fù)載工作時序復(fù)雜，對飛行器配電系統(tǒng)的可靠性和智能化程度要求越來越高[1-2]。配電系統(tǒng)是飛行器電氣系統(tǒng)的重要組成部分，配電器是配電系統(tǒng)的核心設(shè)備，主要實現(xiàn)飛行器能源控制和分配，其性能的優(yōu)劣直接影響到飛行器任務(wù)成敗。

固態(tài)功率控制器(solid state power controller, SSPC) 是一種新型的智能固態(tài)開關(guān)，具有反時限過流保護(hù)、故障限流、短路故障保護(hù)等功能，是飛行器配電系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，將逐漸取代繼電器、接觸器以及保險絲的傳統(tǒng)配電模式，成為飛行器主流配電核心器件[3-4]。

機(jī)內(nèi)自檢測(built in test, BIT)是系統(tǒng)或設(shè)備內(nèi)部提供的檢測和隔離故障的自動測試能力，BIT技術(shù)是改善系統(tǒng)或設(shè)備的測試性和診斷能力的重要途徑。為了保證飛行器配電系統(tǒng)安全，而且能夠確定配電器和負(fù)載設(shè)備健康狀態(tài)，配電器需要具備BIT能力，滿足任務(wù)書可測試性要求[5]。

1 配電系統(tǒng)總體方案

配電系統(tǒng)是飛行器重要分系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)飛行器能源分配、故障監(jiān)測、隔離及恢復(fù)等。飛行器28 V低壓配電系統(tǒng)總體設(shè)計框圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

配電器的核心是直流固態(tài)功率控制器(Solid State Power Controller，以下簡稱SSPC)，它是以半導(dǎo)體功率管為核心構(gòu)成的智能固態(tài)開關(guān)電器，接通和斷開電路不產(chǎn)生電弧，因此可靠性高；體積重量相比接觸器、繼電器等機(jī)械式開關(guān)大大降低，功率密度高；并具有反時限過流保護(hù)、故障限流、短路故障保護(hù)功能等功能。圖2為典型固態(tài)功率控制器的功能組成框圖。

圖2 SSPC功能框圖

本文針對配電器中核心部件——固態(tài)功率控制器開展BIT設(shè)計技術(shù)研究。

2 BIT設(shè)計技術(shù)研究

2.1 SSPC故障模式與測試方法分析

在故障模式與影響分析基礎(chǔ)上，針對SSPC可能出現(xiàn)的每一種故障模式?jīng)Q定檢測方法、檢測參數(shù)、測試點以及決定是否隔離該故障和采取何種隔離措施。故障模式與測試方法分析結(jié)果表1所示。

2.2 SSPC測試點設(shè)計和優(yōu)選方法

2.2.1 SSPC內(nèi)部電路功能模塊劃分的原則

單個SSPC內(nèi)部電路功能模塊劃分的原則如下：

1)SSPC的每一項功能應(yīng)設(shè)計成獨立的可更換電路單元模塊，保證每一項功能可以單獨測試；如果一個可更換的電路單元模塊具有多項功能，應(yīng)保證每一項功能都可以單獨測試。在數(shù)字的SSPC中，每一項有軟件程序?qū)崿F(xiàn)功能應(yīng)設(shè)計成獨立可測試的程序模塊或供主程序調(diào)用的子程序。

2)功能電路模塊劃分應(yīng)有利于故障定位和隔離，功能不能明確劃分的一組電路應(yīng)盡可能放在同一個可更換單元中。在不影響功能劃分時，應(yīng)當(dāng)使數(shù)字電路和模擬電路分開，并可以單獨測試。

2.2.2 SSPC的功能劃分和相關(guān)性測試模型

按照上述SSPC內(nèi)部電路功能模塊劃分原則將SSPC功能模塊進(jìn)行劃分，并選擇測試點，圖3是根據(jù)典型SSPC的組成進(jìn)行功能模塊劃分和測試點初選的結(jié)果。其中每個功能模塊都是作為一個內(nèi)場可維修單元(SRU，Shop Replaceable Unit)，以方框表示，測試點初選覆蓋了所有SRU的輸出，以圓圈表示，箭頭表示信號的流向。

圖3共劃分了13個SRU單元(F1～F13)，初選出13個測試點(T1～T13)。

根據(jù)測試相關(guān)性理論，被測試的組成單元與測試點之間存在邏輯關(guān)系。例如，若測試點T1依賴于組成單元F1，那么當(dāng)F1發(fā)生故障，T1測試結(jié)果必定是不正常的，T1和F1是相關(guān)的。

表1 故障模式分析與相應(yīng)的測試方法

圖3 典型SSPC功能模塊劃分和測試點初選

根據(jù)測試相關(guān)性理論，做如下假設(shè)：

1)被測試SSPC僅有兩種狀態(tài)：正常狀態(tài)，無故障正常工作；故障狀態(tài)，不能正常工作。

2)SSPC故障的原因是其中的SRU單元發(fā)生了故障，并且認(rèn)為只有一個SRU單元發(fā)生故障，即單故障假設(shè)(認(rèn)為多個SRU同時發(fā)生故障的概率很小)。

3)某一個SRU單元發(fā)生故障時，在信號流向的各個測試點上，測試的有效性相同。

圖3中SRU單元與測試點之間的相關(guān)性數(shù)學(xué)模型可用下述矩陣(D矩陣)描述：

通過分析圖3中測試點與SRU故障的相關(guān)性，可以得到D矩陣如表2。

表2 相關(guān)性數(shù)學(xué)模型(D矩陣)

為簡化計算工作量，并識別冗余測試點和故障隔離模糊組，對D矩陣進(jìn)行簡化。

(1)比較D中各列：由于T1=T2,T3=T4=T5=T6=T7=T8，因此說明T1和T2達(dá)到的測試效果是相同的，T3～T8的測試效果也相同。所以T1和T2互為冗余測試點，T3～T8也互為冗余測試點。

(2)比較D中各行：F1=F2，F(xiàn)3=F4=F5=F6=F7=F8，說明F1和F2對應(yīng)的故障類不可區(qū)分，F(xiàn)3～F8對應(yīng)的故障類不可區(qū)分，可以作為故障隔離模糊組處理。

簡化的D矩陣模型如表3所示。

表3 簡化的相關(guān)性數(shù)學(xué)模型(簡化D矩陣)

2.2.3 測試點優(yōu)選與故障診斷能力計算

2.2.3.1 選擇故障檢測用測試點

首先從簡化D中優(yōu)選故障檢測的測試點。暫不考慮可靠性和測試費用影響。表3中T13這一列的總和最大，記為WFD13=5，所以選擇T13作為故障檢測的一個檢測點，可以檢測到除F10和F12以外所有的SRU。很明顯，只需再選擇T12就可以測試到所有的SRU單元了。

T12和T13分別是負(fù)載電流狀態(tài)和功率管狀態(tài)，只需選擇這兩個狀態(tài)作為測試點即可以測試出SSPC是否故障。這也解釋了為什么國內(nèi)外的模塊SSPC大都選擇這兩個狀態(tài)作為狀態(tài)反饋量。

2.2.3.2 選擇故障隔離用測試點

由于F12和F13已經(jīng)成為單行(只有一個1)，即T12和T13是故障隔離的必選測試點。

然后考慮其他測試點的選取。根據(jù)串聯(lián)系統(tǒng)對半分割的思想，認(rèn)為測試點的選取如果能將故障單元和非故障單元對半分割時，故障隔離的效率最高。所以選擇Tj中故障隔離權(quán)值WFI最高的那個測試點作為優(yōu)選測試點。其中，為第j列中除了F12和F13行以外0的個數(shù)，為第j列中除了F12和F13行以外1的個數(shù)。WFI的計算結(jié)果見表4。

T3～T8、T9、T10、T12的故障隔離權(quán)值均為6，但由于T12已經(jīng)選為故障隔離測試點，所以T12應(yīng)作為第一個故障隔離測試點。

T12選為測試點后，D矩陣中除了F12和F13以外的部分可劃分和 。其中中顯然應(yīng)選擇T9作為第二個優(yōu)先測試點。再次對采用上述故障隔離權(quán)值優(yōu)選測試點的方法，可以得到W’FI計算結(jié)果見表4。

T1～T2、T3～T8、T9、T11、T13的故障隔離權(quán)值均為2，但由于T13已經(jīng)選擇故障檢測測試點，可以判斷F10是否故障。所以T13作為第3個優(yōu)先測試點。下一步可任選T1～T8作為優(yōu)選測試點。其中T1的測試比較方便，選擇T1作為第4個優(yōu)選測試點。

最終剩下F10和F12，選擇T10作為第五個優(yōu)選測試點。

根據(jù)上述分析，選擇T12、T9、T13、T1、T10作為故障隔離優(yōu)選測試點。

表4 簡化的相關(guān)性數(shù)學(xué)模型(簡化D矩陣)

2.2.3.3 建立基層級測試診斷樹

根據(jù)故障隔離測試點的選取結(jié)果和相關(guān)性矩陣建立測試診斷樹如圖4所示。

3 總結(jié)

從圖4的測試診斷樹可以看出，所有故障都可以被檢測到；有5個組成單元可以被隔離到單個組成單元，即F9、F10、F11、F12、F13；有7個組成單元可以被隔離到兩個組成單元，即F1、F2、F9、F10、F11、F12、F13。故障診斷能力計算也可以由相關(guān)性矩陣中只包含優(yōu)選測試點的子矩陣計算得到。

故障檢測率γFD=100% 可以檢測到所有組成單元的功能故障；隔離到單個組成的單元故障隔離率γFI(1)=5/13=38.5%隔離到單個組成單元(模糊度=1)；隔離到2個組成單元的故障隔離率γFI(2)= (5+2)/13=53.8% (模糊度≤2)。

圖4 測試診斷樹

上述故障診斷能力計算結(jié)果表明BIT設(shè)計技術(shù)在配電系統(tǒng)中的應(yīng)用可提高其系統(tǒng)的可靠性和智能化程度。

[1] 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,2008,29(4):1430-1434.

[2] 姜東升, 陳 琦, 張 沛,等. 航天器供配電智能管理技術(shù)研究[J]. 航天器工程, 2012,21(4):100-105.

[3] 劉紅奎. 基于FPGA的固態(tài)功率控制器的設(shè)計與實現(xiàn)[D].西安:西安電子科技大學(xué),2013:1-3.

[4] 趙 雷,王 磊,董仲博,等.星載電子設(shè)備浪涌電流抑制以及浪涌電流的測試方法[J].計算機(jī)測量與控制,2014，22(9):2730-2732.

[5] 楊文濤,張小林,吳建軍.無人機(jī)電源機(jī)內(nèi)測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機(jī)測量與控制,2010,18(7):1509-1511.

ResearchonBITDesignTechnologyofPowerDistributionforSpacecraftBasedonSolidStatePowerController

Zhao Yan, Ou Lianjun, Jiang Shuang, Zhang Xiang, Yang Youchao

(R&D Center China Academy of Launch Vehicle Technology,Beijing 100076,China)

The aerospace craft is developing rapidly , with the increase of the number of electrical equipment and the complexity of flight mission , the intelligence level and reliability of the aircraft power distribution system are facing higher requirements . The distributor is the core equipment of the distribution system, which distributes electric energy for all electric load equipment of the aircraft, and its performance directly affects the success or failure of the mission, the BIT ( built - in test ) technology is an important method to improve the performance and diagnostic ability of system or equipment . The overall scheme of the power distribution system based on the solid state power controller is studied , the failure modes and testing methods of the solid state power controller are analyzed, the design and optimization methods of test points are proposed , the calculation results of fault diagnosis ability show that BIT design technology can improve the reliability and intelligence of distribution system.

spacecraft; intelligent power distribution; solid state power controller

2017-07-25；

2017-08-21。

趙 巖(1987-)，男，山西陽泉人，碩士，工程師，主要從事航天器供配電及綜合測試系統(tǒng)方向的研究。

1671-4598(2017)10-0251-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.10.064

V242

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