一種基于快速可恢復電機驅動電路的單粒子鎖定防護設計方法及應用驗證

陳朝基，南洪濤，于世強，張 政

（1. 中國空間技術研究院 載人航天總體部，北京 100094；2. 上海航天電子有限公司，上海 201800）

一種基于快速可恢復電機驅動電路的單粒子鎖定防護設計方法及應用驗證

陳朝基1，南洪濤1，于世強1，張 政2

（1. 中國空間技術研究院 載人航天總體部，北京 100094；2. 上海航天電子有限公司，上海 201800）

隨著航天器負載對功率需求的不斷增大，產(chǎn)品設計中對電機驅動電路的可靠性提出了更高的要求，而選用一體化集成電路是電機驅動電路設計的一種成熟方案。文章針對商用現(xiàn)貨器件MSK4351的空間應用需求，提出了一種應用快速、可恢復電機驅動電路的單粒子鎖定防護設計方法，通過模擬試驗驗證了該防護電路能夠自動探測和迅速解除單粒子鎖定現(xiàn)象；并結合設備的在軌工況開展了器件空間應用的單粒子風險分析，結果表明器件的使用風險可接受。目前已應用的電機驅動電路在軌工作穩(wěn)定，表明該防護設計方法具有一定的工程應用價值。

電機驅動電路；單粒子鎖定；防護設計；商用現(xiàn)貨器件；MSK4351

0 引言

隨著航天技術的發(fā)展，航天器任務系統(tǒng)越來越復雜，用電設備數(shù)量越來越多，對系統(tǒng)功率需求越來越大，需要配置相應的大功率電機等執(zhí)行機構?？紤]重量等限制因素，通常情況下這些大功率電機為非冗余設計，因此對電機驅動電路的可靠性提出了更高的要求，即需要具備更高效率、更小體積、更高的功率密度和集成度[1]。針對大功率電機驅動系統(tǒng)，若選用傳統(tǒng)的分立功率器件設計驅動電路，存在技術難度大、可靠性較低的缺點，而選用一體化的高壓集成電路是一種可靠、成熟的方案。

空間輻射環(huán)境使得航天電子器件面臨單粒子事件影響的風險，尤其是隨著半導體器件集成度的不斷提高，單粒子效應越來越嚴重，已經(jīng)成為影響航天器可靠性和運行壽命的重要因素之一[2]。其中單粒子鎖定（single event latch-up, SEL）能在極短時間內對硬件造成永久性的破壞，危害性極大。

航天電子器件的設計對減小質量、縮小尺寸、降低功耗、模塊化和提高性能的要求越來越迫切，使得商用現(xiàn)貨（commercial off-the-shelf, COTS）器件逐漸成為設計中的首選對象[3]。但 COTS器件普遍存在抗輻射能力低的問題，使用不當會影響正常的飛行任務，因此如何提高COTS器件的可靠性和使用壽命成為其在航天器應用中必須解決的問題。

MSK4351器件是一款新型混合集成電機驅動模塊，額定電壓500 V、電流50 A，器件由控制電路和功率驅動電路2部分構成，其控制電路供電電源為+15 V，額定電流 0.2 A[4-5]。該器件的最大特點為內部功率管及其后級輸出部分與前端功率管控制電路完全電氣隔離，模塊內部自帶DC/DC變換器和保護電路，避免了功率部分對前級電路的損害，保證了系統(tǒng)可靠性，且外圍電路簡單，因此成為驅動系統(tǒng)設計中的良好選擇。

出于技術性能和指標需求，某型號航天器選用了COTS器件MSK4351作為電機驅動功率器件。該器件沒有抗單粒子效應能力指標，需要考慮其空間單粒子效應防護設計。為此，本文通過分析COTS器件的SEL防護方法，基于MSK4351的單粒子效應試驗結果，提出一種快速、可恢復電機驅動電路的 SEL防護設計方法，并進行地面模擬測試以驗證該防護電路的有效性。

1 SEL防護原理

COTS器件在空間應用前，需要采取必要措施提高其可靠性，常用方法有應用前篩選、抗輻射加固設計、限額使用和冗余設計等[3]。當COTS器件發(fā)生SEL時，其SEL敏感區(qū)的電流將大幅增加，因此電源輸入端電流是器件發(fā)生 SEL的標志性指標；而保持電流和保持電壓是 SEL現(xiàn)象的關鍵參數(shù)：當 SEL發(fā)生時，若電源輸入滿足保持電壓和保持電流條件，電路將形成鎖定電流。理論上采用適當?shù)碾娮枘軌蚍乐?SEL的發(fā)生，但實際應用中借助在電源輸入端外加電阻來限制電流進而防止SEL的發(fā)生并不可行，因為電阻值需要與每一個可能發(fā)生SEL的電流脈沖相匹配[6]。因此，在檢測到SEL之后最好的辦法是將電源輸入端電壓迅速降低到保持電壓以下[7-8]，并快速關閉供電輸入端電源，以保護電路不被燒毀。

基于對SEL機理的分析以及COTS器件本身的特點，加固防護需要在盡可能快地監(jiān)測出大電流（發(fā)生SEL）后重啟電源，因此需要設計過流監(jiān)視電路以及具備對電源重啟、恢復功能的開關電路。

2 MSK4351器件的單粒子效應試驗

航天器電子元器件的單粒子效應地面模擬試驗使用等效能譜法，利用重離子、質子、脈沖激光等作為模擬源，采用敏感度-LET值響應曲線開展模擬[9]。為了獲取MSK4351器件的輻射敏感參數(shù)，利用重離子加速器模擬輻射源分別針對器件內部的功率驅動和控制電路部分開展單粒子效應試驗，結果如下：

1）針對功率驅動部分。對器件施加100 V負載供電，輸出阻性負載為12.5 ?、PWM的占空比為20%的條件下，輻照器件內部的4片IGBT芯片，在輻照至注量1×107ion/cm2的過程中，未檢測到單粒子燒毀效應發(fā)生。

2）針對控制電路部分。對器件內部控制電路施加15 V電壓，輸出阻性負載為12.5 ?、PWM的占空比為20%的條件下，輻照過程中實時監(jiān)測輸出的10 V三相交流電壓信號，結果見表1。

表1 MSK4351控制電路單粒子效應試驗結果Table 1 Result of single event effect experiment for MSK4351’s logical circuit

試驗過程中發(fā)現(xiàn)：利用LET值為13.9 MeV·cm2/mg的重離子輻照器件內部控制電路，在輻照至注量1×107ion/cm2的過程中，未監(jiān)測到SEL效應發(fā)生；但輻照至2.40×106ion/cm2時，共監(jiān)測到5次單粒子功能中斷現(xiàn)象。表現(xiàn)為：器件控制電路的+15 V供電電流由230 mA下降至203 mA，器件輸出保持常通狀態(tài)，但不受PWM控制信號控制，即器件功能“死機”；斷電后再上電即可解除異常狀態(tài)，器件功能恢復正常。

試驗表明，該器件內部控制電路的抗 SEL的LET閾值高于37.4 MeV·cm2/mg，抗單粒子功能中斷的 LET閾值范圍為 9.3～13.9 MeV·cm2/mg。由于該器件為 CMOS工藝器件，其控制電路可能在更高LET閾值下發(fā)生SEL現(xiàn)象，表現(xiàn)為因邏輯電路失控導致功率驅動電路輸出常通或常斷。

3 SEL防護設計方法

針對MSK4351存在的SEL風險，需從器件的控制電路和功率驅動電路2個方面加強SEL防護。MSK4351器件的組成框圖如圖1所示。

圖1 MSK4351器件組成框圖Fig. 1 Block diagram of MSK4351

3.1 控制電路防護

MSK4351發(fā)生SEL后會導致器件供電功耗增大，器件內部的隔離型DC/DC具有一定的限流能力，控制電路的+15 V輸出端額定功率為5 W，上限為6.5 W，可以防止危害進一步擴大；但無法在器件供電前端增加限流電阻。防護設計中令MSK4351供電的輸入端DC/DC具備輸出功率限制能力，以保證在控制電路的DC/DC處于最大功率輸出狀態(tài)時，不會影響輸入端電源和熔斷器，避免危害進一步擴大。

3.2 功率驅動電路防護

3.2.1 SEL防護電路設計

MSK4351發(fā)生 SEL后可能導致功率輸出常斷（無功率輸出）或常通。無功率輸出時會導致電機無法運轉，單機通過堵轉保護機制可識別并處理，不會產(chǎn)生更大的危害；而功率輸出常通時，可能導致輸入端供電電流增大、燒毀輸入端熔斷器。針對這一故障模式，設計了在電機驅動電路電源回線處增加供電過流保護電路的防護措施，原理如圖2所示。

圖2 電機驅動電路供電輸入端過流保護原理Fig. 2 The principle of the overcurrent protection for the power input of motor driver circuit

過流保護電路由電流采樣電路、控制電路和功率開關構成：電流采樣電路由霍爾電流傳感器、高速運算放大器和比較器構成，控制電路由單片機和 FPGA電路組成，功率開關采用 N溝道功率MOSFET器件，電流傳感器位于驅動器一次電源供電入口處。

根據(jù)負載功率大小，為比較器設置一個初始數(shù)值。當FPGA檢測到電流采樣電路中比較器輸出的過流信號后，立即輸出一個脈沖信號，關斷供電回線上的功率開關，同時通過中斷方式通知單片機；單片機響應中斷后通過復位信號關斷MSK4351內的所有功率管，并遙測輸出過流故障信息。

該保護電路具備以下特點：

1）響應速度快：采用高速運算放大器和FPGA控制電路，可在幾十μs內響應供電電流的變化。

2）大功率控制：電路可實現(xiàn)對100 V供電電源、至少30 A電流的負載通斷自動監(jiān)測和控制。

3）系統(tǒng)可恢復：傳統(tǒng)設計中采用熔斷器實現(xiàn)對功率電路的過流保護，熔斷器熔斷后電路不可恢復；本防護設計中可保證一旦發(fā)生SEL，系統(tǒng)斷電再重新加電后，功能可恢復正常。

4）供電回線端配置功率開關：降低了功率開關的選型難度，相較在供電正線端進行開關控制更易實現(xiàn)。

3.2.2 防護電路驗證

將MSK4351的輸出端A相與B相用粗導體短接，控制輸入PWM信號使橋臂AH、BL導通，即將MSK4351的100 V供電通過2個IGBT單元對地短路，模擬器件鎖定造成負載供電輸入端短路的情況。

地面模擬測試表明，MSK4351功率端在承受高達440 A短路電流沖擊時，單片機可控制功率開關在25 μs內切斷供電回路而不失效，器件內部功率開關功能正常，性能參數(shù)無明顯變化，說明器件功率端具有承受瞬間過流的能力，可以避免危害的進一步擴大，保證其他單機或分系統(tǒng)正常工作。

該過流保護電路可保證在負載大電流燒毀供電輸入端熔斷器前及時切斷供電回路，用于MSK4351發(fā)生SEL情況下的供電端保護及鎖定恢復，避免造成不可修復的故障。

4 防護電路的空間應用風險分析

由于MSK4351器件沒有空間飛行經(jīng)歷，所以除進行地面模擬驗證外，還需要對該器件的空間應用進行技術風險分析，具體分析結果如下：

1）發(fā)生SEL會引起單機功耗增加。器件內部DC/DC和為器件供電的DC/DC均具有輸出功率限制能力，若發(fā)生 SEL導致器件電流增大，其供電端的DC/DC將首先啟動過流保護措施，對系統(tǒng)供電輸入端沒有影響。

2）當發(fā)生由單粒子效應引起器件鎖定或功能中斷時，設備將會暫停工作；而該設備在軌工作過程允許暫停或中斷，發(fā)生SEL或功能中斷后可通過斷電再加電的方法恢復正常，不會造成永久性失效。

3）當器件功率電路發(fā)生單粒子燒毀或單粒子柵擊穿時，單機功能將喪失；但限流保護措施可將風險限制在單機內，不會危害器件供電輸入端電源的安全。

5 結束語

通過分析COTS器件的SEL防護原理，基于混合集成電路MSK4351提出了一種電機驅動電路的 SEL防護設計方法，可實現(xiàn)大功率負載供電的快速通斷控制且系統(tǒng)可恢復。即使器件燒毀，其危害也不會擴大至其他單機或分系統(tǒng)。通過地面模擬測試驗證了單機功率電路電流監(jiān)測和防護措施的有效性。

目前，采用了上述 SEL防護設計的、基于MSK4351器件構成的大功率電機驅動系統(tǒng)在軌工作穩(wěn)定，進一步說明本方法具有工程應用價值。

（

）

[1] 柳新軍, 劉治鋼, 陳琦. 我國航天器供配電技術現(xiàn)狀與發(fā)展研究綜述[C]//中國電工技術學會電力電子學會第十四屆學術年會. 福州, 2014: 596-598

[2] 劉必鎏, 楊平會, 蔣孟虎. 航天器單粒子效應的防護研究[J]. 航天器環(huán)境工程, 2010, 27(6): 696-697 LIU B L, YANG P H, JIANG M H. The protection against single event effects for spacecraft[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2010, 27(6): 696-697

[3] 王峰, 郭金生, 李暉. 商用現(xiàn)貨器件在衛(wèi)星中的應用[J].航天器工程, 2013, 22(4): 87-93 WANG F, GUO J S, LI H. Overview of COTS in application of satellites[J]. Spacecraft Engineering, 2013,22(4): 87-93

[4] M S Kennedy Corp. 50 AMP, 500VOLT IGBT plus diode fully isolated smart power 3-phase motor drive power hybrid MSK4351[EB/OL]. [2015-11-01]. http://www.mskennedy.com/products/Bridges-with-Gate-Drive/MSK4351-1

[5] 李小璐. 基于 MSK4351的無刷直流電機驅動系統(tǒng)設計[J]. 信息化研究, 2010, 36(8): 40-41 LI X L. Design of BLDC motor driving system based on MSK4351[J]. Informatization Research, 2010, 36(8):40-41

[6] 楊世宇, 曹洲, 薛玉雄. 空間單粒子鎖定及防護技術研究[J]. 核電子學與探測技術, 2007, 27(3): 568-569 YANG S Y, CAO Z, XUE Y X. Research on the single event latchup in the space and it’s protection technology[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 2007, 27(3): 568-569

[7] SCHWANK J R, SHANEYFELT M R, BAGGIO J,et al. Effects of particle energy on proton-induced singleevent latchup[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science,2005, 52(6): 2622-2629

[8] 王躍科, 邢克飛, 楊俊, 等. 空間電子儀器單粒子效應防護技術[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2010: 60-61

[9] 沈自才, 閆德葵. 空間輻射環(huán)境工程的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 航天器環(huán)境工程, 2014, 31(3): 232-233 SHEN Z C, YAN D K. Present status and prospects of space radiation environmental engineering[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2014, 31(3): 232-233

A design method for single event latch-up protection based on rapid and reparable motor driver circuit with application validation

CHEN Chaoji1, NAN Hongtao1, YU Shiqiang1, ZHANG Zheng2
(1. Institute of Manned Space System Engineering, China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China;2. Shanghai Space Electronics Corporation, Shanghai 201800, China)

With the increasing demand for the power of the spacecraft load, the reliability of the motor driver circuit becomes a more and more important issue in the product design. Using the integrated component in the motor driver circuit is considered as a mature method. In this paper, a method for the single event latch-up protection by using high speed and reparable motor driver circuit based on the MSK4351 is proposed, and the simulation test verifies that the protection circuit can make automatic detection of the latch-up and rapid release from the state of latch-up. The product’s risk of single event effect is analyzed based on its working state in the outer space, and the result indicates that the risk is acceptable and this motor driver circuit works well until now,which further proves that the method proposed in this paper has a value for the future engineering application.

motor driver circuit; single event latch-up (SEL); protection design; commercial-off-the-shelf(COTS) device; MSK4351

V417.6

B

1673-1379(2017)05-0528-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.05.013

2017-06-16；

2017-08-23

國家重大科技專項工程

陳朝基, 南洪濤, 于世強, 等. 一種基于快速可恢復電機驅動電路的單粒子鎖定防護設計方法及應用驗證[J].航天器環(huán)境工程, 2017, 34(5): 528-532

CHEN C J, NAN H T, YU S Q, et al. A design method for single event latch-upprotection based on rapid and reparable motor driver circuit with application validation[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(5): 528-532

（編輯：張艷艷）

陳朝基（1982—），男，碩士學位，主要從事航天器信息總體設計和元器件產(chǎn)品保證工作。E-mail: shelfer@163.com。