CN106428589A - 一种基于固态功率控制技术的航天飞行器供配电器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于固态功率控制技术的航天飞行器供配电器，该供配电器包括控制模块、多个供配电模块、故障监测模块，每个配电模块对应连接不同伏值的供电电源，其中供配电模块包括多个基于固态功率控制技术的通路开关电路，控制模块接收外部输入的配电控制命令和应急配电控制信号，控制配电模块中的所有通路开关的接通、关断，为对应的被供电设备供电；故障监测模块接收测量综合控制器的检测指令，采集供配电模块的各通道开关电路状态信息、电压信息、电流信息，将检测结果上报至外部测量综合控制器。供配电器实现了供配电***的智能化管理，极大地提高了***的可靠性、维护性和可扩展性。
Description
技术领域
本发明涉及一种航天飞行器供配电器，特别是一种基于固态功率控制技术的航天飞行器的供配电器，属于供配电技术领域。
背景技术
航天飞行器供配电***为箭上用电设备提供稳定可靠的电源输出，完成箭/地电气设备的供电、配电控制和监测任务。随着航天任务***越来越复杂，用电设备数量越来越多，功率越来越大，对供电***的可靠性要求也越来越高，传统的机电式配电***已不能满足***配电需要，采用基于固态功率控制器的供配电技术是当前的发展趋势。
在传统的配电***中主要通过继电器、过载保护器等完成对用电设备的配电控制，但往往由于这些配电元件或某一用电负载的失效导致用电设备无法正常工作，又无法通过遥测或其他方式获得***的故障信息，难以对***进行故障诊断和修复。仅确定故障点，往往就需要很复杂的人工测试过程，既费时又费力。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于固态功率控制技术的航天飞行器供配电器，将固态配电技术运用于航天飞行器箭上和地面供配电***，通过设计控制模块、供配电模块和故障监测模块实现了供配电***的智能化管理，极大地提高了***的可靠性、维护性和可扩展性。
本发明的技术解决方案是：一种基于固态功率控制技术的航天飞行器供配电器，该供配电器包括控制模块、多个供配电模块、故障监测模块，每个配电模块对应连接不同伏值的供电电源，其中，
控制模块，接收外部输入的配电控制命令，解析配电控制命令，根据配电控制命令，向指定的供配电模块输出相应的配电开关控制指令；接收外部应急配电控制信号，对其进行隔离和判宽处理，向所有供配电模块输出统一的配电开关控制指令；
供配电模块，包括M个通路开关电路、EMI滤波单元和DC/DC单元，M为正整数，M≥1，所有通路开关电路的输入端均连接供电电源正极，输出端连接被供电设备的正极，被供电设备的电源负极连接至供电电源负极；根据控制模块输出的配电开关控制指令控制相应的通路开关电路接通、关断，为对应的被供电设备供电；同时，至少两路通道开关电路的输出与地面电源正端输入至EMI滤波单元，滤波后并联连接至DC/DC单元，在DC/DC单元中进行电压转换，为控制模块、故障监测模块供电；输出各通道开关电路状态信息、电压信息、电流信息至故障检测模块；所述输入至EMI滤波单元的通道开关电路的输出总的有效时间必须覆盖配电器工作的最长时间；
故障监测模块，接收外部测量综合控制器发送的检测指令，根据该检测指令，采集供配电模块的各通道开关电路状态信息、电压信息、电流信息，将检测结果上报至外部测量综合控制器。
所述配电模块的供电电源来自地面电源或者箭上供电电池。
所述EMI滤波器的各路输入信号经过串联连接的二极管之后再输出至EMI滤波器，所述二极管负极连接至EMI滤波器的输入端。
所述通道开关电路包括电阻R1、R2、R3、R4、电容C1、C2、二级管D1、隔离驱动芯片、功率MOSFET管、瞬态电压抑制二极管D，配电开关控制指令信号输入至隔离驱动芯片的信号输入端，同时，隔离驱动芯片的信号输入端通过电阻R1连接至隔离驱动芯片供电电压正极，通过电容C1连接至隔离驱动芯片供电电源地端，隔离驱动芯片差分输出负端和差分输出正端分别连接电阻R2、R3，电阻R2、R3的另一端共同连接瞬态电压抑制二极管D的负极，隔离驱动芯片隔离地端连接瞬态电压抑制二极管D的正极，电阻R2的另一端分为两路，一路通过串联联接的电容C2和电阻R4连接至隔离驱动芯片隔离地端，另一路连接功率MOSFET管栅极、功率MOSFET管的漏极和源极分别连接所在配电模块供电电源正极和被供电设备正极。
所述功率MOSFET管的型号为IPB017N10Ns。
所述各通道开关电路状态信息由隔离驱动芯片的状态反馈端提供，隔离驱动芯片的状态反馈端输出的信号通过磁隔离芯片隔离后输出至故障监测模块。
所述各通道开关电路电压信息由通路开关电路的输出提供，各通路开关电路的输出端电压信号均经过磁隔离器隔离、AD转换后输出至故障监测模块。
各通道开关电路输出端串联霍尔电路，霍尔电路采集通路电流值、经过磁隔离器隔离、AD转换，作为电流信息输出至故障监测模块。
所述配电模块供电电源与功率MOSFET管漏极之间串联理想二极管，防止电流反灌。
所述控制模块和供配电模块均可以采用双机热备份方式设计。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)、本发明避免了电磁继电器中电弧、氧化、腐蚀、焊接等问题影响。采用多路供配电单元集成设计、统一监控管理等方法，相比纯粹的多个独立继电器组合，采用余度和容错技术，可以使***在单点和多点故障的情况下仍能向负载供电，有效的提高了配电***可靠性，。
(2)、本发明通路开关电路利用可控上升下降沿技术，针对阻感性和阻容性的负载，设计适当的开通关断时间。这样可以在不增加配电***体积的情况下有效的减小电流、电压的抖动等干扰，提高EMI特性。
(3)、本发明按照标准化、模块化和通用化进行设计，维护方便，适应性强，在***改型，扩大功能和增加新设备时，只需对模块作一定的修改即可完成***的重构，从而降低了研制费用及改型费用。
(4)、本发明采用了自检测技术，可以快速、有效的判断内部各子模块的状态，从而得出整个配电器的工作状态。当发生故障时，除了可对故障设备进行余度转换以保证***正常工作外，还可将故障信息传输给上层***，便于判别出故障点，迅速更换故障设备，提高了配电***的维护性。
附图说明
图1为本发明实施例总体电路结构；
图2为本发明实施例配电模块原理框图；
图3为本发明实施例指令信号接收接口电路原理图；
图4为本发明实施例供电通路双冗余配电开关电路原理图。
具体实施方式
供配电控制器为航天飞行器箭上和地面实现配电控制和配电测量的关键部分，主要具有供配电控制驱动、电流电压及状态检测和故障隔离等功能。
如图1所示，航天飞行器配电器采用通用化设计思路，箭上和地面航天飞行器配电器硬件电路相同，根据配电控制功能不同，通过控制软件实现箭、地各自的配电控制和冗余设计。
箭上配电器实现负载配电功能，具有箭供电池通断控制，负载短路故障隔离，配电电流、电压、状态测量、自检等功能。
地面配电器实现测试状态下的负载地面配电功能，具有地面28V供电通断控制，配电电流、电压、状态测量、自检等功能。
如图2所示，一种航天飞行器配电器由控制模块、多个供配电模块、故障监测模块组成。
(一)、控制模块
控制模块通过1553B总线接收外部输入的配电控制命令，1553B总线传输的配电控制命令在CPLD中解析，得到供配电模块各通道需要配置的开关状态，向指定的供配电模块输出相应的配电开关控制指令，单独控制配电模块中的每个通路开关电路；同时还接收外部应急配电控制信号，采用控制隔离电路对其进行隔离和判宽处理，向所有供配电模块输出统一的配电开关控制指令，统一控制配电模块中的所有通路开关。
对于每个供配电模块而言，外部输入的应急配电外部应急配电控制信号有两根，每根信号的“0”或“1”两种状态分别代表了一个供配电模块所有通道的“开”或“关”两种状态。
如图3所示，控制隔离电路可以同时对两路配电控制信号进行隔离处理，其中，电阻R11、R12、R13、R7、R21、R22、R23、R8、电容C11、C21、C31、二级管D11、D21、隔离驱动芯片HCPL-6531。该电路同时对两路配电控制信号进行隔离处理。其中，第一路配电控制信号为CTL1_2+和CTL1_2-，第二路配电控制信号为CTL2_2+和CTL2_2-，第一路配电控制信号的差分正端串联连接电阻R11、R12，R12的另一端与第一路配电控制信号的差分负端分别接入到隔离芯片的差分输入正、负端，并且它们之间并联连接二级管D11、电容C11、电阻R13。该路差分输入的输出端串联电阻R7至3.3V的电源端。第二路配电控制信号的差分正端串联连接电阻R21、R22，R22的另一端与第二路配电控制信号的差分负端分别接入到隔离芯片的另一个差分输入正、负端，并且它们之间并联连接二级管D21、电容C21、电阻R23。该路差分输入的输出端串联电阻R8至3.3V的电源端。隔离芯片电源VCC1和VCC2端同时连接5V的电源，并且通过C31与5V地端连接。
控制隔离电路设置门限电阻R11、R12和R21、R22，提高接收信号的抗干扰性能。
(二)、供配电模块
从功能上，供配电模块具备三个功能：
(1)、为配电器外部飞行器中其他设备供电；
(2)、为配电器内部的控制模块、总线模块及故障监测模块等供电；
(3)、输出各通道开关电路状态信息、电压信息、电流信息至故障检测模块。
根据飞行器上设备用电的需要，供配电器上可以有多个供配电模块，各供配电模块对应连接不同伏值的供电电源。如有的设备需要28V供电，有的设备需要15V供电，有的设备需要5V供电，那么可以设置分别连接28V、15V、5V三个不同供电电源的供配电模块，产生三种不同伏值的供电信号为飞行器内其它设备和配电器中其他模块供电。
供配电模块可划分为两个部分，即配电执行部分和配电检测部分。
配电执行部分包括3个通路开关电路、EMI滤波单元和DC/DC单元，所有开关电路的输入端连接对应的供电电源正极，输出端连接被供电设备的正极，被供电设备的电源负极连接至供电电源负极；根据控制模块输出的配电开关控制指令控制各通路开关电路接通、关断，为对应的被供电设备供电；同时，至少两路通道开关电路的输出与地面电源正端输入至EMI滤波单元，滤波后并联连接至DC/DC单元，在DC/DC单元中进行电压转换得到相应伏值的供电电压，为控制模块及故障监测模块供电，所述输入至EMI滤波单元的通道开关电路的输出有效时间必须覆盖配电器工作的最长时间。为了提高配电输出可靠性，供配电模块配电执行部分均采用双机热备份的方式实现，避免单点失效，即所有配电开关均采用双冗余热备份的方式实现，且冗余的配电开关之间为完全独立，避免电路中的共因问题造成冗余配电开关的失效。
如图4所示，配电执行部分中的配电开关电路采用固态功率控制技术实现。通道开关电路包括电阻R1、R2、R3、R4、电容C1、C2、二级管D1、隔离驱动芯片、功率MOSFET管、瞬态电压抑制二极管，配电开关控制指令信号输入至隔离驱动芯片的信号输入端，同时，隔离驱动芯片的信号输入端通过电阻R1连接至隔离驱动芯片供电电压正极，通过电容C1连接至隔离驱动芯片供电电压负极，隔离驱动芯片差分输出负端和差分输出正端分别连接电阻R2、R3，电阻R2、R3的另一端共同连接瞬态电压抑制二极管的负极，隔离驱动芯片隔离地端连接瞬态电压抑制二极管的正极，电阻R2的另一端分为两路，一路通过串联联接的电容C2和电阻R4连接至隔离驱动芯片隔离地端，另一路连接功率MOSFET管栅极、功率MOSFET管的漏极和源极分别连接所在配电模块供电电源正极和被供电设备正极。其中，功率MOSFET管的型号为IPB017N10Ns。同时，在通路1、通路2和通路3支路上，在配电模块供电电源与功率MOSFET管漏极之间还串联理想二极管，理想二极管通过对功率MOSFET源极、漏极电压的检测比较，控制栅源电压驱动，形成正向电压导通、反向电压关断的二极管特性，防止地面电源和电池电源同时给同一支路供电时电源之间的电流反灌问题，以保护电池电源的安全使用。
供配电***中的负载一般为阻容性或阻感性，在这种情况下进行快速的开通和关断会产生较大的电流、电压的尖峰以及抖动。在传统设计中，通常是采用外部的吸波电路等措施去改善EMI特性。而在固态功率控制器的设计中，可以利用可控上升下降沿技术，针对阻感性和阻容性的负载，设计适当的开通关断时间。在电路设计方案中采用了MOSFET器件缓开通设计技术，供电通路开关电路原理图见图4，P_OUT和N_OUT管脚外接的电阻R2、R3和R4，电容C2构成阻容网络，保证负载接通和关断时间不能太快，使MOSFET器件工作在内阻可变区，通过增大的MOSFET器件内阻来限制整个配电支路上的电流激增，从而达到缓开通MOSFET器件的目的，这样可以在不增加配电***体积的情况下有效的减小电流、电压的抖动等干扰，避免MOSFET器件在阻容性负载情况下快速开通带来的对器件的损害，提高EMI特性。同时，阻容网络的设定也要保证负载接通时间不能太慢，过慢的接通时间会使MOSFET开通过程中的动态损耗加大，影响MOSFET的寿命。当电阻R2、R3、电容C2任一值增大时，MOSFET器件的开通时间变长，当电阻R2、R3、电容C2任一值减小时，MOSFET器件的开通时间变短，电阻R4为隔离驱动电路输出阻抗的匹配电阻，其阻值根据R2和R3的值的不同而不同。根据设计经验及MOSFET器件的工作安全区域要求，同时结合通路负载电容容值和电流的大小，选择阻容网络R2、R3、R4、C2的值分别为4.3kΩ、36kΩ、12kΩ、0.1μF，开通时间大约为1ms。
配电检测部分采用单独的5V供电，且与配电执行部分完全隔离，确保检测部分故障时，不影响配电功能。
配电检测部分主要完成通路1、通路2、通路3的电压检测，通路1、通路2、通路3支路电流的检测以及各配电开关状态检测。其中：
(1)、各通道开关电路状态信息由隔离驱动芯片的状态反馈端提供，隔离驱动芯片的状态反馈端输出的信号通过磁隔离芯片隔离后输出至故障监测模块。通过隔离驱动芯片的状态反馈端可以快速、有效的判断内部各子模块的状态，从而得出整个供配电模块的工作状态。当发生故障时，除了可对故障设备进行余度转换以保证***正常工作外，还可将故障信息传输给上层***，便于判别出故障点，迅速更换故障设备，提高了配电***的维护性。
(2)、各通道开关电路电压信息由通路开关电路的输出提供，各通路开关电路的输出端电压信号均经过磁隔离器隔离、AD转换后输出至故障监测模块。
(3)、各通道开关电路输出端串联精度高的侵入式的霍尔传感器进行电流检测，霍尔电路采集通路电流值、经过磁隔离器隔离、AD转换后输出至故障监测模块。
(三)故障监测模块
故障监测模块由FPGA实现，通过并行数据接口接收测量综合控制器发送的检测指令，根据该检测指令采集供配电模块的各通道开关电路状态信息、电压值、电流值，将检测结果上报至外部测量综合控制器。
电压检测部分采用FPGA的IO口模拟串行总线、信号隔离芯片和具有串行总线的模拟采集芯片实现，通过并行数据接口接收测量综合控制器的检测指令，对地面、箭上电池以及各配电通路电压供电电压进行隔离采集，并回传测量综合控制器。
供配电模块在不需连接外部负载的情况下即可完成配电开关的状态检测。配电开关状态双机热备份信号由MOSFET隔离驱动器产生，分别通过磁隔离芯片进行信号隔离后输入至FPGA。供配电模块进行单机自检时，可分别对各通路双机热备份配电开关中的每一个开关进行检测反馈状态，以确保各支路每个热备份配电开关的工作状态可检测。
FPGA将电流信息通过并行总线上报测量综合控制器。设置过流点，通路检测电流超过流点后关断输出，并定时检测，当短路状态消失后可继续输出。
基于航天飞行器的特点，往往对箭上设备的体积和有特殊要求。通过对体积结构的分析，供配电的布板面积<160mm×160mm。考虑到体积要求比较小，采用将通路开关电路分解，将功率器件从继电器单独在印制电路板两侧安装，再将剩下的隔离驱动部分做封装。这样，便于实现汇流条连接的同时，也实现了功率器件的单独散热，同时其发热又不会影响隔离驱动电路，提高了***的可靠性。这种方式相对于现有固体继电器的优点在于：第一，体积小，便于在结构空间限制的条件下满足***多路配电的需求；第二，便于大功率固体继电器中功率器件的散热。
为了提高可靠性，控制模块和供配电模块均可以采用双机热备设计。CPLD1和CPLD2接收到控制指令，分别控制通路1、通路2和通路3各冗余支路开关的接通，同一通路的一个配电支路发生故障时，不影响另一个配电支路的配电功能。
由于供配电模块内部需要两路完全隔离的配电执行部分，且与配电检测部分隔离，同时需要采集来自不同支路的电压、电流以及开关状态信号，其供配电模块内部需要多个隔离的电源***。
内部隔离电源包括：
(1)外部28V通过电源滤波器和DC/DC，产生内部5V，供指令隔离光耦、隔离驱动模块、接触式霍尔使用。
(2)内部5V通过线性集成稳压电源产生CPLD3.3V用电，供CPLD及其***电路使用。CPLD的控制信号通过电平转换为5V的控制信号给隔离驱动模块，控制各路开关的动作。接触式霍尔采集到的通路电流值通过AD转变为3.3V信号送CPLD和FPGA，用于供电状态监测和过流保护。CPLD用3.3V与内部5V共地。
(3)外部5V通过电源管理芯片产生3.3V和2.5V供FPGA使用，外部5V和FPGA用3.3V及2.5V共地。非过流保护电路采集的通路电流值送AD，经转换后送FPGA。
(4)隔离驱动模块反馈的状态信号都需经磁隔离器隔离，确保配电执行部分和配电检测部分完全隔离。
(5)各点电压值分压后送AD，经磁隔离器和电平转换后送FPGA。
综上所述，采用本发明实现的供配电器从技术上避免了电磁继电器中电弧、氧化、腐蚀、焊接等问题影响。多路配电模块集成设计、统一监控管理等方法，相比纯粹的多个独立继电器组合，有效的提高了可靠性，其MTBF时间比电磁继电器+断路器的组合高40％。基于固态功率控制技术的供配电***采用余度和容错技术，可以使***在单点和多点故障的情况下仍能向负载供电。同时，采用了自检测技术，可以及时发现故障和预测故障。
另外，多路供配电模块可以比传统同路数同功率的电磁继电器+断路器组合重量减轻60％，功率密度提高5倍，从而减小了供配电单机的重量与体积，提高了功率密度。由于总线控制、集成度高的特点，还可以减小配电***的功率线缆、简化连接，又减小了供配电***的整体重量。
使用此供配电方式，可按照标准化、模块化和通用化进行设计，维护方便，适应性强，在***改型，扩大功能和增加新设备时，只需对模块作较小的修改即可完成***的重构，从而降低了研制费用及改型费用。
本发明基于固态功率控制技术克服了传统的粗放式配电方式，多路传输配电***取消了众多的离散信号控制线，由计算机通过数据总线传递事先整定好的控制信号和状态信号，通过检测更多的配电***信息实现配电***的智能化管理。由于总线控制、集成度高的特点，可以减小供配电***的功率线缆、简化连接，减小了供配电***的重量与体积，提高了功率密度，提升了***的可靠性和智能化水平，极大地满足了航天飞行器***高度集成快速反应的发射需求。同时，集成化智能化通用化的设计，为航天飞行器供配电技术的发展奠定了良好的基础，具有极广阔的转化和推广应用前景。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种基于固态功率控制技术的航天飞行器供配电器，其特征在于：包括控制模块、多个供配电模块、故障监测模块，每个配电模块对应连接不同伏值的供电电源，其中，
控制模块，接收外部输入的配电控制命令，解析配电控制命令，根据配电控制命令，向指定的供配电模块输出相应的配电开关控制指令；接收外部应急配电控制信号，对其进行隔离和判宽处理，向所有供配电模块输出统一的配电开关控制指令；
供配电模块，包括M个通路开关电路、EMI滤波单元和DC/DC单元，M为正整数，M≥1，所有通路开关电路的输入端均连接供电电源正极，输出端连接被供电设备的正极，被供电设备的电源负极连接至供电电源负极；根据控制模块输出的配电开关控制指令控制相应的通路开关电路接通、关断，为对应的被供电设备供电；同时，至少两路通道开关电路的输出与地面电源正端输入至EMI滤波单元，滤波后并联连接至DC/DC单元，在DC/DC单元中进行电压转换，为控制模块、故障监测模块供电；输出各通道开关电路状态信息、电压信息、电流信息至故障检测模块；所述输入至EMI滤波单元的通道开关电路的输出总的有效时间必须覆盖配电器工作的最长时间；
故障监测模块，接收外部测量综合控制器发送的检测指令，根据该检测指令，采集供配电模块的各通道开关电路状态信息、电压信息、电流信息，将检测结果上报至外部测量综合控制器。
2.根据权利要求1所述的一种基于固态功率控制技术的航天飞行器供配电器，其特征在于：所述配电模块的供电电源来自地面电源或者箭上供电电池。
3.根据权利要求1所述的一种基于固态功率控制技术的航天飞行器供配电器，其特征在于：所述EMI滤波器的各路输入信号经过串联连接的二极管之后再输出至EMI滤波器，所述二极管负极连接至EMI滤波器的输入端。
4.根据权利要求1所述的一种基于固态功率控制技术的航天飞行器供配电器，其特征在于：所述通道开关电路包括电阻R1、R2、R3、R4、电容C1、C2、二级管D1、隔离驱动芯片、功率MOSFET管、瞬态电压抑制二极管D，配电开关控制指令信号输入至隔离驱动芯片的信号输入端，同时，隔离驱动芯片的信号输入端通过电阻R1连接至隔离驱动芯片供电电压正极，通过电容C1连接至隔离驱动芯片供电电源地端，隔离驱动芯片差分输出负端和差分输出正端分别连接电阻R2、R3，电阻R2、R3的另一端共同连接瞬态电压抑制二极管D的负极，隔离驱动芯片隔离地端连接瞬态电压抑制二极管D的正极，电阻R2的另一端分为两路，一路通过串联联接的电容C2和电阻R4连接至隔离驱动芯片隔离地端，另一路连接功率MOSFET管栅极、功率MOSFET管的漏极和源极分别连接所在配电模块供电电源正极和被供电设备正极。
5.根据权利要求4所述的一种基于固态功率控制技术的航天飞行器供配电器，其特征在于：所述功率MOSFET管的型号为IPB017N10Ns。
6.根据权利要求4所述的一种基于固态功率控制技术的航天飞行器供配电器，其特征在于：所述各通道开关电路状态信息由隔离驱动芯片的状态反馈端提供，隔离驱动芯片的状态反馈端输出的信号通过磁隔离芯片隔离后输出至故障监测模块。
7.根据权利要求1所述的一种基于固态功率控制技术的航天飞行器供配电器，其特征在于：所述各通道开关电路电压信息由通路开关电路的输出提供，各通路开关电路的输出端电压信号均经过磁隔离器隔离、AD转换后输出至故障监测模块。
8.根据权利要求1所述的一种基于固态功率控制技术的航天飞行器供配电器，其特征在于：各通道开关电路输出端串联霍尔电路，霍尔电路采集通路电流值、经过磁隔离器隔离、AD转换，作为电流信息输出至故障监测模块。
9.根据权利要求1所述的一种基于固态功率控制技术的航天飞行器供配电器，其特征在于：所述配电模块供电电源与功率MOSFET管漏极之间串联理想二极管，防止电流反灌。
10.根据权利要求1所述的一种基于固态功率控制技术的航天飞行器供配电器，其特征在于：所述控制模块和供配电模块均可以采用双机热备份方式设计。
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