摘要：
“超大功率电源系统控制、管理及配电技术”项目作为“十三五”民用航天项目，以新一代航天装备的迫切需求为背景，给出了超大功率航天器发展方向。针对未来航天器发展需求，基于传统控制配电技术，提出高压直流固态功率控制器设计方案。高压直流固态功率控制器以SiCMOSFET为开关元件，采用反时限延时保护和短路保护设计实现400V高压控制配电、电路保护和故障隔离，突破多通道大功率电源系统能源智能管理技术的关键问题，为超大功率航天器在轨应用奠定了基础。
随着航天事业的快速发展，航天器功能越来越复杂，相应功能设备数量增多，对供配电系统的智能化、集成化和负载能力需求更高。传统供配电系统普遍采用低压配电技术，采用SiMOSFET或者继电器作为开关元件，实现了小功率控制配电，功率不足限制了航天器的整体功能，影响了航天事业的发展进程。传统供配电系统中缺少可靠性高的电路保护功能的设计，出现过流、短路情况时，会对设备造成不可逆的损伤。随着航天技术的发展，安全、可靠、智能、简单的大功率供配电技术成为新一代航天装备的发展目标，固态功率控制器作为一种智能控制配电技术在超大功率航天器未来发展中具有明显优势。
固态功率控制器属于智能配电领域，是由半导体器件组成的集电路保护、状态采集于一体的具有控制功率通断能力的无触点开关系统，具有无电弧、无触点、无噪声、响应快、电磁干扰小、可靠性高、寿命和便于控制的特点。固态功率控制器在设计时考虑与各种负载的兼容性，实现电路控制功能。固态功率控制器最早被美国应用在航空飞机中，随着技术发展，逐渐应用于我国航天器供配电系统中。
针对超大功率电源系统控制、管理及配电技术项目中高压大功率配电技术研制需求，基于高压大功率配电单元设备研制情况，介绍了高压直流固态控制器设计方案，方案以SiCMOSFET为开关元件，实现了400V／8KW控制配电，采用反时限延时保护和短路保护设计实现电路过流、短路保护。设计方案经过高压大功率配电单元设备验证，实现了400V高压控制配电、电路保护和故障隔离，满足高压大功率配电技术发展需求，为超大功率航天器在轨应用奠定了基础。
１、设计原理
1.1高压直流固态功率控制器
传统航天器配电技术一般采用继电器或者SiMOSFET作为功率输出器件，由于继电器和SiMOSFET不具备过流保护能力，通常需在配电通路放置熔断器实现配电保护。继电器触点易粘连、寿命短、体积大，SiMOSFET耐压值低、功率密度小、导通阻抗大、工作频率低，均不适用于超大功率航天器发展方向；熔断器保护功能单一，熔断后不具备自恢复能力，航天器配电通路熔断器发生熔断会导致单通路配电功能失效。高压直流固态功率控制器采用SiCMOSFET作为功率输出器件，具有可靠性高、耐压值高、功率密度大、导通阻抗小和工作频率高的特点，适用于超大功率航天器发展方向；高压直流固态功率控制器采用反时限延时保护和短路保护设计，配电通路存在过流时可以根据过流程度采用不同保护方案，完成电路保护及故障隔离，故障剔除后可复位高压直流固态功率控制器。
高压直流固态功率控制技术在超大功率航天器有良好的应用前景，在大功率化、集成化和智能化方面具有独特优势，是超大功率控制配电的必然选择，是实现超大功率航天器配电控制的关键。
高压直流固态功率控制器硬件主要由供电部分、内部控制部分、驱动控制部分、功率输出部分、保护电路部分和遥测采集部分组成，其框图如图１所示。
内部隔离电源实现隔离电压变换，输入端为控制信号地和42Ｖ电源，输出端为浮地和参考浮地的+15Ｖ电压；隔离控制和隔离采集通过光耦实现控制信号、遥测采集和高压电路的隔离；内部控制电路实现开／关指令信号、短路保护信号和反时限延时保护信号对驱动电路的控制；驱动控制电路接收内部控制电路的开关指令，通过图腾柱提高驱动能力，进而控制SiCMOSFET开通／关断；功率通路通过参考浮地的电流霍尔采集通路电流，若通路存在过流和短路情况，反时限延时保护电路或短路保护电路产生作用于内部控制电路的信号，进而控制SiCMOSFET；功率通路通过参考控制信号地的电流霍尔采集通路电流，通过电压采集电路采集通路电压。
1.2、保护电路
反时限延时保护和短路保护是保障供配电安全的关键技术，配电通路发生过流和短路时可及时切开配电通路，避免故障的扩大。同时，过流与短路保护所要求的时限与动作阈值不同，实现保护功能的电路也不同，为实现故障的快速切断，同时减少器件的使用，过流保护电路采用反时限延时保护电路来实现，电流越大，关断时间越短，当电流达到短路阈值时直接关断功率通路。
功率通路上发生过流或短路故障时，供电线路上存在大小为I²R的热功率累积，当热量无法通过环境散出时，供电线路温度就会不断上升，且温度上升的速率与线路的比热容和线径的大小呈线性关系。每一条特定的供电线路都有一个热能吸收极限值Ｑｍ，可用I²t＝Ｑｍ表示。这个常数与线路允许上升的温度和线径有关。如果高压直流固态功率控制器在过流保护动作过程中在供电线路上产生的I²t小于该线路的Ｑｍ，则供电线路不会出现故障。否则，将可能由于过热造成线路绝缘度下降，引起二次故障。此种保护方式基于I²t常数来设计保护曲线，固态开关保护动作的时间取决于流过开关的过载电流大小，如果电流较大，则保护时间越短；反之，保护时间延长。反时限延时保护曲线如图２所示。
反时限延时保护电路根据过流程度来确定延时保护时间，反时限延时保护曲线的模型表达式
式中：ｔ为反时限延时保护时间；Ｂ为固定常数；Ｍ为整定系数；Ｉ为负载电流；Ｉｅ为额定电流；ｒ为曲线指数参数。
根据所带负载的差异对反时限延时保护曲线进行区分。一般情况下，选用一般反时限延时保护曲线；输入、输出电流变化较大时，选用非常反时限延时保护曲线；对过热负载进行保护时，选用极度反时限延时保护曲线。根据反时限延时保护曲线的划分，整定系数和曲线指数参数选择存在差异，如表１所示。
２、硬件电路设计方案
2.1、电源电路
高压大功率配电单元设备母线电压为400V，一级DC/DC电源变换将400V母线电压转换为42Ｖ电压，二级DC/DC电源变换将42Ｖ电压转换为＋15Ｖ电压，＋15Ｖ电压通过LM117得到＋5Ｖ电压，＋15Ｖ电压通过精密基准电压源器件AD584得到反时限延时保护电路和短路保护电路的＋5Ｖ电压基准。供电电源原理框图如图３所示。
2.2、控制电路
内部控制电路、短路保护电路和反时限延时保护电路是高压直流固态功率控制器设计的重点，内部控制电路通过两级RS触发器实现对SiCMOSFET的控制，一级RS触发器输入信号为开／关指令信号和反时限延时保护信号。初始化时，反时限延时保护信号通过上拉电阻将引脚１钳制为高电平；上位机控制信号通过下拉电阻将引脚２钳制为低电平；此时引脚３输出为高电平，引脚５为低电平，一级RS触发器控制号为低电平。上位机发送控制配电指令时，一级RS触发器引脚２和引脚５翻转为高电平，此时引脚３输出锁定为高电平，一级RS触发器控制信号输出为高电平。一级RS触发电路原理如图４所示。
二级RS触发器输入为一级RS触发电路信号和短路控制信号，其电路原理如图５所示。
初始化时，一级RS触发器控制信号为低电平，三极管V1不导通，三极管V2导通，RS触发器引脚２和引脚４为低电平，引脚１为低电平，二级RS触发器控制信号为低电平。上位机发送控制配电信号时，一级RS触发器控制信号为高电平；三极管V1导通，三极管V2基极电压为低电平；三极管V2关断，RS触发器引脚２、引脚４翻转为高电平；二级RS触发器控制信号保持低电平状态。
两级RS触发器控制信号实现对驱动电路的控制，驱动控制电路原理如图６所示。
初始化时，一级RS触发器控制信号为低电平，二级RS触发器控制信号为低电平，驱动控制信号为低电平；发送开通指令时，一级RS触发器控制信号翻转为高电平，二级RS触发器控制信号为低电平，驱动控制信号为高电平，SiCMOSFET导通。功率通路过流时，一级RS触发器控制信号在延时一定时间后翻转为低电平，二级RS触发器控制信号为低电平，驱动控制信号为低电平，SiCMOSFET关断。功率通路短路时，一级RS触发器控制信号为高电平，二级RS触发器控制信号翻转为高电平，驱动控制信号为低电平，SiCMOSFET关断。
电流霍尔采集功率通路电流信号，采集到的电流信号经运放电路和电压比较器进行状态判断，当功率通路存在过流情况时，反时限延时保护信号在延时一定时间后翻转为低电平，产生作用于一级RS触发器电路的信号，进而关断SiCMOSFET；当功率通路存在短路情况时，短路保护信号立即翻转为高电平，产生作用于二级RS触发器电路的信号，进而关断SiCMOSFET。反时限延时保护电路及短路保护电路原理如图７所示。
３、.结果及分析
系统联试现场图如图８所示。
高压大功率配电单元设备内共设计５路高压直流固态功率控制器配电通路，配电母线电压为400Ｖ，母线额定电流Ie为20Ａ，反时限延时保护及短路保护指标如表２所示。
经联试测试，反时限延时保护及短路保护测试结果如表３所示。
高压大功率配电单元联试测试过程中对５路高压直流固态功率控制器配电进行测试，各配电通道功能、性能均符合要求。高压直流固态功率控制器第１路反时限延时保护及短路保护测试结果波形如图９～图12所示。
测试结论如下：
①负载电流小于1.4倍额定电流时，必不保护。
②负载电流大于1.6倍额定电流且小于2.5倍额定电流时，按照反时限延时保护曲线进行保护。
③负载电流大于2.5倍额定电流时，短路保护电路动作，立即进行保护。
④对高压直流固态功率控制器单通道进行多次测试，保护时间稳定可靠。
⑤对高压直流固态功率控制器各通道进行测试，由于运算放大器输出电流范围较宽，延时保护电路中电容充满时间不一致，高压直流固态功率控制器各通道保护时间存在一定差异。
４、结束语
通过联试测试，验证了高压直流固态功率控制器方案在高压大功率工况中的可靠性。高压直流固态功率控制器采用反时限延时保护及短路保护设计可以实现高压大功率控制配电、电路保护及故障隔离，负载通路出现过流、短路情况时，可根据通路过流程度执行不同动作，有效地保障了电路安全。高压大功率配电单元设备完成了高压大功率配电的任务需求，突破了多通道大功率电源系统管理技术的关键问题，为超大功率航天器在轨应用奠定了基础。
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