磁隔離技術(shù)在航天器二次電源系統(tǒng)中的應(yīng)用

陳昶文， 王少寧

(蘭州空間技術(shù)物理研究所，甘肅蘭州730000)

在衛(wèi)星供配電系統(tǒng)中，二次電源通常存在指令地、遙測(cè)地、一次母線地、二次供電地和機(jī)殼地。為了保證供配電安全性和系統(tǒng)電磁兼容，設(shè)備級(jí)或組件級(jí)開關(guān)電源產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需要滿足多個(gè)地之間隔離[1]。其中模擬量遙測(cè)的采集往往采用霍爾傳感器或磁通門傳感器，具有體積大、質(zhì)量大、失效率高和測(cè)量高壓時(shí)功耗大等問題；開關(guān)電源采樣反饋一般采用磁隔離設(shè)計(jì)，通常采用隔離供電和直接采樣反饋。

工業(yè)上大量采用光電耦合器隔離傳輸反饋或指令信號(hào)。然而光耦隨著工作時(shí)間的延長(zhǎng)和溫度的升高，電流傳輸比會(huì)下降；另一方面，光耦合器是電離總劑量和位移損傷敏感元器件，在空間輻照環(huán)境下長(zhǎng)期工作存在漏電流增加和電流傳輸比下降的現(xiàn)象。因此光耦在高可靠產(chǎn)品上的應(yīng)用受到了限制。

磁隔離是電源變換器的功率級(jí)最常用的隔離措施。采用磁隔離技術(shù)還可以設(shè)計(jì)磁隔離驅(qū)動(dòng)電路、磁隔離采樣電路、磁隔離信號(hào)輸入電路和磁隔離反饋等電路。磁隔離傳輸具有耐溫高、響應(yīng)快、對(duì)輻射不敏感的特征，在替代光耦及提高變換器抗輻照能力方面有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。采用磁隔離技術(shù)設(shè)計(jì)信號(hào)傳輸電路在高可靠二次電源產(chǎn)品上具有重要的應(yīng)用價(jià)值。本文主要討論宇航開關(guān)電源中控制信號(hào)的磁隔離傳輸問題。

1 開關(guān)電源中的隔離需求

圖1 航天器開關(guān)電源中需要隔離傳輸?shù)奈恢檬疽鈭D

在航天器二次電源設(shè)計(jì)中需要隔離傳輸?shù)牟课蝗鐖D1 所示。常見的部位有：類型1、2 用于功率隔離傳輸，要求傳輸損耗小、漏感小；類型3、4、5 隔離傳輸用于傳輸控制信號(hào)，位于控制環(huán)路內(nèi)部，傳輸誤差可以通過反饋抑制，主要性能要求是傳輸延遲小、帶寬高，對(duì)幅值精度要求不高；類型6、7 隔離傳輸用于傳輸模擬信號(hào)，使用開環(huán)傳輸，對(duì)傳輸帶寬要求降低，但是要求精度高、溫漂小和線性度好。

對(duì)各隔離部位的應(yīng)用場(chǎng)景及特征需求總結(jié)見表1。

表1 開關(guān)電源中隔離部位應(yīng)用場(chǎng)景及特征需求對(duì)比

2 磁隔離傳輸技術(shù)

磁隔離傳輸需要將模擬直流信號(hào)調(diào)制在高頻交流信號(hào)上才能實(shí)現(xiàn)磁耦合傳輸。按照調(diào)制方式的不同可以分為調(diào)頻、調(diào)幅和調(diào)寬。調(diào)頻在開關(guān)電源控制電路中應(yīng)用較少，下文討論幅度調(diào)制和脈寬調(diào)制磁隔離傳輸技術(shù)[2]。

2.1 調(diào)幅磁隔離技術(shù)

調(diào)幅隔離傳輸電路主要由模擬乘法電路對(duì)定頻載波脈沖進(jìn)行幅度調(diào)制，幅度調(diào)制完成以后的信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)級(jí)，驅(qū)動(dòng)級(jí)驅(qū)動(dòng)隔離變壓器，副邊通過二極管峰值檢波以后還原被傳輸信號(hào)，如圖2 所示。電壓幅值的傳輸容易受半導(dǎo)體結(jié)壓降溫度特性及負(fù)載電流的影響。為減小電壓傳輸誤差，調(diào)幅磁隔離控制器一般驅(qū)動(dòng)能力較弱。調(diào)幅控制器由于檢波環(huán)節(jié)簡(jiǎn)單可以提供更高的傳輸帶寬。

圖2 幅度調(diào)制磁隔離傳輸原理框圖

2.2 脈寬調(diào)制磁隔離傳輸技術(shù)

脈寬調(diào)制磁隔離信號(hào)傳輸是將模擬信號(hào)調(diào)制在一個(gè)高頻方波上，方波占空比與被傳輸信號(hào)成線性關(guān)系。主要由緩沖電路、基準(zhǔn)三角波、脈寬調(diào)制比較器、驅(qū)動(dòng)器、隔離變壓器、邊沿檢測(cè)電路、幅值整形電路和低通濾波器組成，如圖3 所示。由于驅(qū)動(dòng)級(jí)的幅值對(duì)信號(hào)傳輸沒有影響，因此可以提供較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，支持較低的傳輸頻率，具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力。脈寬調(diào)制信號(hào)傳輸模型包含了開關(guān)電源的各個(gè)要素，在幅值整形環(huán)節(jié)輸入功率，可以實(shí)現(xiàn)功率變換，因此脈寬調(diào)制磁隔離技術(shù)從小信號(hào)到大功率均可以傳遞。

圖3 脈寬調(diào)制磁隔離傳輸原理框圖

3 磁隔離傳輸技術(shù)的設(shè)計(jì)應(yīng)用

3.1 磁隔離反饋

磁隔離反饋是高可靠宇航DC-DC 中常用的隔離反饋技術(shù)。在反饋電路設(shè)計(jì)中，如果直接將采樣信號(hào)隔離傳輸至初級(jí)側(cè)，與初級(jí)側(cè)的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較時(shí)，傳輸過程中產(chǎn)生的誤差將直接導(dǎo)致輸出電壓的誤差。尤其是溫漂造成的輸出電壓偏移往往導(dǎo)致產(chǎn)品在溫度環(huán)境試驗(yàn)中工作異常。

采樣信號(hào)和基準(zhǔn)電壓完成比較后，將誤差信號(hào)磁隔離傳輸，傳輸過程中產(chǎn)生的誤差不會(huì)直接影響被控的電壓或電流的精度，會(huì)影響反饋環(huán)路的開環(huán)增益和相位余量。

UC1901 是宇航小功率DC-DC 上經(jīng)常應(yīng)用的調(diào)幅磁隔離傳輸控制器[3-4]。調(diào)幅的特性使得UC1901 驅(qū)動(dòng)級(jí)驅(qū)動(dòng)能力僅為500～700 μA。為減小隔離變壓器對(duì)驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載電流，要求載波頻率必須要高、輸出電壓幅值必須要小、隔離變壓器電感量要大。UC1901 調(diào)幅輸出電壓范圍為±1.6 V。由于調(diào)幅系統(tǒng)對(duì)電磁干擾的抵抗能力較差，在印制板布局時(shí)需要要重點(diǎn)關(guān)注信號(hào)完整性。采用UC1901 和UC1875 設(shè)計(jì)了一個(gè)350 W 的DC/DC 變換器，控制電路見圖4。UC1901 的輔助供電由原邊的UC1875 經(jīng)磁隔離變換輸出，載波頻率設(shè)計(jì)為1 MHz。設(shè)計(jì)了電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)雙環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓和恒流輸出功能。

圖4 UC1901在移相全橋變換器控制電路中的應(yīng)用

為驗(yàn)證磁隔離反饋電路的控制功能，在290 V/1.2 A 電源模塊上測(cè)試得到的伏安特性曲線如圖5 所示，結(jié)果顯示電源可以實(shí)現(xiàn)1.2 A 負(fù)載電流以下穩(wěn)壓、負(fù)載短路以后恒流的功能，表明采用UC1901 磁隔離反饋實(shí)現(xiàn)了輸出電壓和輸出電流的雙閉環(huán)控制。

圖5 伏安特性曲線

為驗(yàn)證磁隔離反饋功率變換器的穩(wěn)定性，在290 V/1.2 A電源模塊上測(cè)試得到的負(fù)載階躍波形如圖6 所示，圖中Vo為輸出電壓，Io為輸出電流。結(jié)果顯示，負(fù)載電流以50 Hz 在30%～100%額定負(fù)載下躍變時(shí)，輸出電壓整體穩(wěn)定，但沒有出現(xiàn)振鈴，表明磁隔離反饋?zhàn)儞Q器環(huán)路穩(wěn)定。負(fù)載電流由大向小階躍過程中輸出電壓存在過沖，輸出電壓調(diào)整時(shí)間約為10 ms；負(fù)載電流由小向大階躍過程中輸出電壓存在下陷沖，輸出電壓調(diào)整時(shí)間小于1 ms。輸出電壓過沖和下陷調(diào)整時(shí)間存在差異的原因?yàn)?，磁隔離傳輸檢波電路中濾波電容(圖4 中C45)的充放電時(shí)間常數(shù)不同。

圖6 30%～100%負(fù)載階躍波形

3.2 遙測(cè)信號(hào)隔離傳輸

在航天器二次電源設(shè)計(jì)中，經(jīng)常需要隔離采樣輸出電壓和電流信號(hào)。電壓和電流信號(hào)的隔離采樣一般需要采用霍爾傳感器或者磁通門傳感器實(shí)現(xiàn)。霍爾和磁通門均采用零磁通的原理實(shí)現(xiàn)磁隔離采樣電流，采樣電壓時(shí)需要將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)。由于對(duì)最小電流有一定的限制，對(duì)于幾百伏以上的高電壓應(yīng)用場(chǎng)合，采樣電流造成的功耗不容忽視。采用脈寬調(diào)制磁隔離技術(shù)可以解決以上問題。

脈寬調(diào)制器集成了誤差放大器、三角波發(fā)生器、時(shí)鐘振蕩器、PWM 調(diào)制器以及輸出驅(qū)動(dòng)器，包含脈寬調(diào)制磁隔離傳輸?shù)闹饕δ堋＠肬C1825 實(shí)現(xiàn)的磁隔離遙測(cè)采樣電路如圖7 所示。

圖7 利用UC1825實(shí)現(xiàn)的磁隔離遙測(cè)采樣電路

首先被測(cè)電壓或者電流轉(zhuǎn)換成低電平電壓以后，送入誤差放大器正向輸入端，正向輸入端的高阻抗減少了對(duì)前級(jí)采樣電路的影響。誤差信號(hào)經(jīng)過脈寬調(diào)制輸出一定占空比的方波信號(hào)，驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器。脈沖變壓器輸出2 個(gè)繞組，一個(gè)繞組整流以后用于輸出遙測(cè)，另一個(gè)繞組整流以后作為反饋電壓，送入誤差放大器的負(fù)端。以上電路要實(shí)現(xiàn)高精度和穩(wěn)定度的要點(diǎn)在于輸出繞組和反饋繞組：(1)繞組匝數(shù)相同，并通過并繞實(shí)現(xiàn)良好耦合；(2)繞組整流管采用相同型號(hào)，并且在印制板布局的時(shí)候，盡可能使其環(huán)境溫度相同，從而補(bǔ)償二極管壓降造成的溫漂；(3)繞組的負(fù)載電容和負(fù)載電阻匹配。

對(duì)實(shí)際電路效果進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見表2 和圖8 所示。結(jié)果顯示在1～5 V 范圍內(nèi)遙測(cè)精度能夠達(dá)到1%，滿足一般星載開關(guān)電源應(yīng)用需求。

表2 磁隔離遙測(cè)信號(hào)傳輸電路測(cè)試結(jié)果

圖8 磁隔離遙測(cè)信號(hào)傳輸電路實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線

3.3 基準(zhǔn)信號(hào)隔離傳輸

在設(shè)計(jì)輸出電壓或電流可調(diào)節(jié)的航天器DC-DC 電壓源或電流源時(shí)，數(shù)字系統(tǒng)會(huì)給出設(shè)定電源的基準(zhǔn)，通過調(diào)節(jié)基準(zhǔn)信號(hào)來實(shí)現(xiàn)輸出可調(diào)節(jié)。常規(guī)的做法是將數(shù)字信號(hào)通過光電耦合器、波形整形、串并轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換處理，輸出電壓基準(zhǔn)。在小型化設(shè)計(jì)中采用脈寬調(diào)制的磁隔離傳輸技術(shù)可以大幅度縮小布板面積。

采用比較器LM193 實(shí)現(xiàn)的模擬信號(hào)磁隔離傳輸電路見圖9 所示。首先數(shù)字系統(tǒng)輸出包含基準(zhǔn)電壓幅值信息的特定占空比方波，經(jīng)過隔離變壓器以后通過比較器識(shí)別邊沿，并通過比較器將電壓幅值轉(zhuǎn)換成副邊基準(zhǔn)電壓。幅值為基準(zhǔn)電壓的方波信號(hào)經(jīng)過低通濾波可以還原出電壓基準(zhǔn)。為抑制電壓紋波采用了2 階低通濾波器。

圖9 采用磁隔離給定模擬信號(hào)基準(zhǔn)

對(duì)實(shí)際電路效果進(jìn)行測(cè)試，輸入幅值為5 V、頻率為80 kHz、占空比0.1～0.9 的方波信號(hào)，測(cè)量輸出電壓。結(jié)果見表3和圖10 所示，占空比位于0.3～0.9 時(shí)，電壓傳輸精度能夠達(dá)到±0.5%，滿足一般星載開關(guān)電源應(yīng)用場(chǎng)合。

3.4 開關(guān)電源磁隔離驅(qū)動(dòng)

開關(guān)電源中全橋、半橋以及雙管變換器的開關(guān)管需要采用隔離驅(qū)動(dòng)；有些情況下單管變換器為了獲得更高的采樣精度和環(huán)路帶寬，將脈寬調(diào)制器放置在二次電源副邊，功率開關(guān)管也需要隔離驅(qū)動(dòng)。

在大功率電源設(shè)計(jì)中，功率MOSFET 輸入電容Ciss較大，直接采用變壓器隔離驅(qū)動(dòng)時(shí)，由于變壓器漏感的原因，柵源電壓上升沿和下降沿轉(zhuǎn)換時(shí)間太長(zhǎng)，影響功率變換效率。采用磁隔離提供邊沿信息和輔助供電，由驅(qū)動(dòng)器直接驅(qū)動(dòng)MOSFET，能獲得更好的驅(qū)動(dòng)效果。在全橋和半橋拓?fù)渲?，同橋臂的上位MOSFET 開通，會(huì)造成下位MOSFET 的漏源電壓以高dV/dt 上升，彌勒電容充電，引起MOSFET 誤開通，增加損耗。因此在柵源之間施加一定的負(fù)壓，能保證更可靠的關(guān)斷。又由于負(fù)壓越高，MOSFET 越容易發(fā)生單粒子?xùn)艙舸?，因此需要將?fù)壓控制在不小于-5 V。

表3 基準(zhǔn)信號(hào)隔離傳輸電路測(cè)試結(jié)果

圖10 采用磁隔離給定模擬信號(hào)基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線

采用磁隔離變壓器和集成MOSFET 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路如圖11 所示。該驅(qū)動(dòng)電路利用變壓器傳輸占空比邊沿信號(hào)，同時(shí)為驅(qū)動(dòng)器提供了正負(fù)供電，讓MOSFET 驅(qū)動(dòng)電壓范圍在-5～+10 V，同時(shí)滿足了大功率變換器高效率和高可靠的要求。實(shí)測(cè)驅(qū)動(dòng)波形如圖12 所示，圖中：VDR1和VDR2為脈寬調(diào)制器輸出的驅(qū)動(dòng)電壓，VGS1和VGS2為經(jīng)過隔離驅(qū)動(dòng)電路變換以后MOSFET 柵極的驅(qū)動(dòng)電壓。結(jié)果顯示，將0～11 V 的驅(qū)動(dòng)電壓經(jīng)過磁隔離變換為-5～ +10 V驅(qū)動(dòng)電壓，提高了大功率開關(guān)電源的驅(qū)動(dòng)效率和安全性。

圖11 采用隔離變壓器傳送邊沿和輔助供電的驅(qū)動(dòng)電路

圖12 磁隔離驅(qū)動(dòng)電路在1.6 kW 移相全橋變換器中的測(cè)試波形

4 總結(jié)

本文分析了航天器二次電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中信號(hào)隔離傳輸?shù)男枨?，針?duì)傳統(tǒng)應(yīng)用中光耦器件存在的抗輻照敏感及霍爾傳感器在高電壓測(cè)量時(shí)存在的功耗大的不足，提出了基于磁隔離的電路解決方案。采用開關(guān)電源中常用的器件分別設(shè)計(jì)了DC/DC 變換器中磁隔離反饋電路、磁隔離遙測(cè)采樣電路、磁隔離基準(zhǔn)電壓輸入電路、以及磁隔離驅(qū)動(dòng)電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明文本提出的電路均實(shí)現(xiàn)了其功能，在一定場(chǎng)合能替代霍爾傳感器、光耦合器等器件，簡(jiǎn)化航天器電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。