CN108258736A - 一种用于运载火箭的数字配电器 - Google Patents

Abstract

一种用于运载火箭的数字配电器，包括防反灌电路、母线开关电路、配电开关电路和瞬态抑制电路、主控电路FPGA、开关驱动电路、采样电路，母线电流进入防反灌电路、母线开关电路、配电开关电路依次连接的电路，并通过瞬态抑制电路保护配电器；同时，主控电路FPGA将外部总线命令转化为PWM信号，并将PWM信号发送至开关驱动电路控制母线开关电路及配电开关电路的通断，同时通过采样电路采集功率电路模块各部分产生的电压、电流、温度参数送入主控电路FPGA与外部总线进行交互，数字配电器可以根据需要实现飞行器不同拓扑负载的配电，具有控制灵活、调试方便、智能程度高等特点，在电路设计上有较高的集成度，硬件电路简洁。

Description

一种用于运载火箭的数字配电器

技术领域

本发明涉及一种用于运载火箭的数字配电器，为飞行器上电子设备及火工品等在地面测试及飞行过程中进行配电操作，属于运载火箭、导弹武器***的供配电***。

背景技术

配电器是运载火箭、导弹武器***的关键单机设备，用于实现箭(弹)上电子设备的配电、转电、断电以及火工品点火等功能。

传统的配电器由电磁继电器组成，整体体积较大、测量简单，主要包括配电控制电路、转电控制电路、断电控制电路以及火工品点火电路等几部分。由于流过大电流的电磁继电器体积较大，导致传统的配电器体积、重量也受到限制。随着飞行器综合电子的发展，急需将配电器集成到综合电子中去。采用通用的数字接口和可扩展式设计，成为降低成本、提高飞行任务可靠性的必然选择。

在传统的配电器技术中，电磁继电器体积较大，导致配电器体积、重量也受到限制，难以集成到综合电子设备中；同时，电磁继电器需要模拟信号控制，由于信号经过设备较多，抗干扰能力较差。另外由于控制信号较多，控制线缆较粗导致线缆在舱内布线难度提高、***整体重量较大；电磁继电器由于自身有敏感方向，在配电器中布局安装时需要避开飞行方向，给继电器的安装带来一定难度；传统的配电器中没有专门的测试电路，配电器的测试性较弱，一旦出现故障，无法及时发现配电器自身的故障，对排故以及故障定位带来困扰。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服传统飞行器配电器对电路功率的控制仅仅依靠多个继电器连接的问题，提供一种用于运载火箭的数字配电器，通过研究配电拓扑形式、配电控制逻辑，实现配电器状态参数实时监测，达到配电器安全可靠为电子设备配电的目的。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种用于运载火箭的数字配电器，包括功率电路模块、控制电路模块，所述功率电路模块包括防反灌电路、母线开关电路、配电开关电路和瞬态抑制电路，其中：

防反灌电路：输入端接收母线电流，并将母线电流作为母线开关电路的输入，当母线输出电压过高产生过冲并超过设定的限定值时，通过二极管进行电流定向输出防止电压反灌损坏母线；

母线开关电路：接收防反灌电路的输出电流，同时接收控制电路模块发送的时序控制命令并控制母线开关通断，当母线开关导通时，将接收到的输出电流送入配电开关电路作为输入；

配电开关电路：接收母线开关电路的输出电流，同时控制电路模块发送的时序控制命令并控制配电分路通断，当配电开关导通时，控制该配电分路连接的外部装置导通；

瞬态抑制电路：连接于防反灌电路输入端及配电开关电路输出端，防止因母线电压过高产生尖峰电压；

所述控制电路模块包括主控电路FPGA、开关驱动电路、采样电路，其中：

采样电路：对功率电路模块各部分电路的电压、电流、温度信息进行采集并传回至主控电路FPGA；

主控电路FPGA：接收来自外部的时序控制指令，转化为PWM脉冲信号并发送至开关驱动电路，同时接收来自采样电路输入的功率电路模块各部分电路的电压、电流、温度信息并发送至外部；

开关驱动电路：接收来自主控电路FPGA发送的PWM脉冲信号并对母线开关电路及配电开关电路进行开关通断控制。

所述母线开关电路包括四个并联的开关电路单元，所述开关电路单元包括MOS管、限流电阻和保护电阻，开关驱动电路输出端与限流电阻输入端相连，限流电阻输出端与MOS管的G极相连，防反灌电路输出端与MOS管的D极相连同时MOS管的S极与配电开关电路的输入端相连，保护电阻的两端分别与MOS管的G极、MOS管的S极相连，其中，MOS管的G极、S极分别作为开关电路单元之间并联时的输入端、输出端。

所述配电开关电路包括2个并联的开关电路单元，所述开关电路单元包括MOS管、限流电阻和保护电阻，开关驱动电路输出端与限流电阻输入端相连，限流电阻输出端与MOS管的G极相连，防反灌电路输出端与MOS管的D极相连同时MOS管的S极与外部装置的输入端相连，保护电阻的两端分别与MOS管的G极、MOS管的S极相连，其中，MOS管的G极、S极分别作为开关电路单元之间并联时的输入端、输出端。

所述限流电阻阻值为10欧，保护电阻阻值为10K欧。

所述开关驱动电路包括电平转换驱动器，电平转换驱动器、三极管Q1、三极管Q2、驱动变压器T1、整流二极管D1、滤波电阻R1、滤波电容C3、隔直电容C1、隔直电容C2，电平转换驱动器输入端与主控电路FPGA输出端连接，电平转换驱动器输出端与三极管Q1、三极管Q2组成的推挽电路的输入端连接，三极管Q1、三极管Q2组成的推挽电路的输出端通过隔直电容C1与驱动变压器T1的原边相连，驱动变压器T1副边与隔直电容C2、整流二极管D1组成的整流电路输入端相连，隔直电容C2、整流二极管D1组成的整流电路输出端与滤波电阻R1、滤波电容C3组成的滤波电路输入端相连，滤波电阻R1、滤波电容C3组成的滤波电路输出端输出时序控制信号对母线开关电路及配电开关电路进行开关通断控制。

所述母线开关电路配电过程中的适用总电流为20A～60A。

所述配电开关电路配电过程中的适用总电流为10A～20A。

所述瞬态抑制电路内保护管为TVS管。

所述电平转换驱动器输出电压范围为3.3V～5V。

所述瞬态抑制电路包含有二极管控制器，所述二极管控制器为LTC4357。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提供的一种用于运载火箭的数字配电器，采用MOS管作为功率输出器件，MOS管无触点的特点可以让数字配电器不用考虑飞行器的飞行方向，应用于振动强烈的场合。缓开通、慢关断功能可以适用于容性和感性负载，功率质量比出色，同时具有故障隔离、浪涌抑制等功能，能量密度远远大于传统配电器使用的继电器。可以有效的减少航天器供配电***的重量体积，提高了工作可靠性；

(2)本发明通过使用外部数据总线代替传统的硬线进行配电控制，大大减少了线缆数目，减少了电缆重量和舱内布线难度，提高了信号传输的可靠性和数据传输速率，全面优化了飞行器供配电***的设计工作；

(3)本发明通过增加了采样电路模块，可以对负载电流及母线电压进行实时检测，发现故障后自动隔离，并将故障信息上报控制***，根据主控电路的时序控制指令及时实现电路的通断，提高了自主管理的能力。

附图说明

图1为本发明提供的配电器结构示意图；

图2为数字配电器的拓扑功率电路框图；

图3为母线开关电路示意图；

图4为配电开关电路示意图；

图5为开关驱动电路示意图；

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对根据本发明的数字配电器做进一步详细的说明。

数字配电器的主要功能是通过配电控制逻辑，实现一种用数据总线控制配电器输出电能的装置，具有尺寸小、重量轻、过流能力强、电磁辐射小的特点，具备自检测、状态实时监控等智能功能，并且通过总线可以和箭(弹)上其它电子设备进行信息交互。

一种用于运载火箭的数字配电器，如图1所示，包括防反灌电路、母线开关电路、配电开关电路和瞬态抑制电路、主控电路FPGA、开关驱动电路、采样电路，所述防反灌电路、母线开关电路、配电开关电路和瞬态抑制电路组成功率电路模块，所述主控电路FPGA、开关驱动电路、采样电路组成控制电路模块，其中：

在功率电路模块中，母线电流进入防止高电压电源反灌的防反灌电路，通过防反灌电路进入控制飞行器工作姿态的母线开关电路，电流通过母线开关电路进入控制飞行器设备工作状态的配电开关电路，并通过瞬态抑制电路防止尖峰电压产生同时保护配电器；

在控制电路模块中，时序控制命令通过外部总线进入主控电路FPGA，主控电路FPGA将外部时序控制命令转化为PWM信号，并将PWM信号发送至开关驱动电路，通过开关驱动电路转换为脉冲信号并控制母线开关电路及配电开关电路的通断，同时通过采样电路采集功率电路模块各部分产生的电压、电流、温度参数，并将采集到的参数送入主控电路FPGA与外部总线进行信息交互。

各部分电路的具体功能如下：

防反灌电路：输入端接收母线电流，当电源输出电压过高产生过冲并超过设定的限定值时，通过电路中的MOS管防止高压电源反灌，并将母线电流作为母线开关电路的输入；

母线开关电路：接收防反灌电路的输出电流及控制电路模块发送的时序控制命令对母线开关进行切换并控制母线开关通断，将接收到的输出电流送入配电开关电路作为输入；

配电开关电路：接收母线开关电路的输出电流及控制电路模块发送的时序控制命令对配电分开关进行切换并控制配电分路通断，实现对该配电分路连接的外部器件、控制电路模块的工作状态的控制；

瞬态抑制电路：以TSV管为主体，通过于功率电路模块输入端及输出端安装保护配电电路防止因输入电压过高产生尖峰电压；

主控电路FPGA：接收来自外部总线***的时序控制指令，转化为PWM脉冲信号并发送至开关驱动电路，同时接收来自采样的电路输入的功率电路模块各部分电路的电压、电流、温度信息并发送至外部总线***；

开关驱动电路：通过配电开关电路输送的电流作为输入，接收来自主控电路FPGA发送的PWM脉冲信号并对母线开关电路及配电开关电路进行开关通断控制；

采样电路：接收来自配电开关电路的电流作为输入，同时对功率电路模块各部分电路的电压、电流、温度信息进行采集并传回至主控电路FPGA。

其中，母线开关电路与所述配电开关电路电路组成单元相同，如图3、图4所示，包括MOS管、限流电阻和保护电阻，通过开关驱动电路后的电平信号送入限流电阻进入MOS管的G极，同时母线电流进入MOS管的D极并由S极输出，其中电平信号通过保护电阻对MOS管进行保护；配电开关电路配电过程中的适用总电流为10A～20A，配电开关电路中MOS管、限流电阻和保护电阻数量均为两个。

所述驱动开关电路如图5所示，包括电平转换驱动器、三极管Q1、三极管Q2、驱动变压器T1、整流二极管D1、滤波电阻R1、滤波电容C3、隔直电容C1、隔直电容C2，电平转换驱动器接收来自主控电路FPGA发送的PWM信号激励脉冲，并将PWM信号同时发送至三极管Q1、三极管Q2组成的推挽电路，三极管Q1、三极管Q2组成的推挽电路将PWM信号转换为脉冲信号并发送至隔直电容C1进行直流电流隔离，隔离后脉冲信号进入驱动变压器T1进行变压，驱动变压器T1将变压后的脉冲信号发送至隔直电容C2及整流二极管D1并输出电平信号，电平信号经由滤波电阻R1、滤波电容C3组成的滤波电路转换为驱动MOS管工作的电平信号。

如图2所示，为本发明提供的功率配电拓扑电路示意图，其中，所述放反灌电路包括MOS管和理想二极管控制器，防反灌电路，对于其输入的母线电流防止反灌回电源，防反灌电路的输出电流送入母线开关电路，母线开关电路对输入到其中的电源母线进行初级开关控制，经过母线开关电路的电源母线电流输出给配电开关电路，经过配电开关电路二次开关控制后用于运载火箭弹上设备的供电电源，瞬态抑制电路起到保护数字配电器的作用。

主控电路主要由FPGA核心处理器及***电路组成，是数字配电器的控制中枢，主控电路接收总线控制命令进行运算处理后送入开关驱动电路，同时接收采样电路信号进行处理后通过总线送给外部设备，开关驱动电路接收主控电路的控制信号驱动母线开关电路和配电开关电路，采样电路由采样开关及AD芯片组成，采样电路采集功率电路中的电压、电流、温度信号送入主控电路。

FPGA发出频率和占空比可变的PWM激励脉冲信号，经电平转换驱动器之后推动电流推挽电路，该推挽电路经过变压器进行升压变换，再经过半波整流电路和滤波电路，整形得到母线开关电路、配电开关电路所需的驱动信号。

具体实施例如下：

下面具体阐述数字配电器各部分电路元件的选择及详细设计。

如图1所示，防反灌电路由功率MOS管和理想二极管控制器构成，功率MOS管选用Infineon公司的IPB017N10N5，该MOS管的耐压为100V、最大工作电流为180A、最大结电阻为1.7mΩ。理想二极管控制器选用LINEAR公司的LTC4357。配电电流较大且为长时间工作，防反灌电路采用4个MOS管并联冗余形式。

母线开关电路及配电开关电路选用的功率MOS管同样为Infineon公司的IPB017N10N5。因为配电电流较大且为长时间工作，因此配电开关均采用冗余设计，将电流由多个MOS管分担，以降低总发热量。开关冗余框图见图3、图4，前者为4个MOS管双冗余用于母线开关电路、后者为2个MOS管双冗余用于配电开关电路。

在供电母线和地之间设计大功率TVS管，防止电源线浪涌电压和尖峰电压对配电模块内部MOS管造成击穿，TVS管选择873厂的SY5645A。

主控电路FPGA选用Actel的FPGA芯片A3P1000-PQ208YM。该FPGA为配电模块的控制中心，实现总线通讯控制、输出MOS开关控制信号、配电模块状态测量。

数字配电器上电之后，当接收到配电指令后，控制对应配电母线的功率MOS管进行开关动作。因为功率MOS管的控制回路需要与配电的一次、二次母线进行隔离，因此采用变压器进行开关驱动设计。MOS管的开关驱动电路设计如图4。FPGA发出频率和占空比可变的激励脉冲，经驱动器SM164245(国微公司)之后推动由NPN管BT2222AS(873厂)和PNP管BT2907AS(873厂)构成的电流推挽电路，该推挽电路经过变压器进行升压变换，再经过半波整流电路和滤波电路，整形为功率MOS管G极和S极之间的控制电压VGS，该电压可控制MOS管的开启和关断。为了抑制容性负载上电瞬间的大电流现象，可通过控制VGS的上升速度来控制MOS管的开通时间，以达到上电瞬间限流的作用。

采样电路主要由AD转换芯片、采样开关及隔离滤波电路组成。模数转换器选用AD8509，采样开关用光MOS继电器JGW-5219MA进行隔离，继电器的通断由FPGA控制，采样参数送入运算放大器滤波以及线性光耦GH1150进行隔离，由A/D转换器AD8509进行转换，由FPGA读取数据并进行判断。

本发明的设计实例已经应用于某运载火箭电气***中，本发明可以应用于导弹武器电气***中，亦可应用于其他工业控制***或基础科学研究的配电器中。

在此，需要说明的是，本说明书中未详细描述的内容，是本领域技术人员通过本说明书中的描述以及现有技术能够实现的，因此，不做赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非用来限制本发明的保护范围。对于本领域的技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，可以对本发明做出若干的修改和替换，所有这些修改和替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于运载火箭的数字配电器，其特征在于：包括功率电路模块、控制电路模块，所述功率电路模块包括防反灌电路、母线开关电路、配电开关电路和瞬态抑制电路，其中：

防反灌电路：输入端接收母线电流，并将母线电流作为母线开关电路的输入，当母线输出电压过高产生过冲并超过设定的限定值时，通过二极管进行电流定向输出防止电压反灌损坏母线；

母线开关电路：接收防反灌电路的输出电流，同时接收控制电路模块发送的时序控制命令并控制母线开关通断，当母线开关导通时，将接收到的输出电流送入配电开关电路作为输入；

配电开关电路：接收母线开关电路的输出电流，同时控制电路模块发送的时序控制命令并控制配电分路通断，当配电开关导通时，控制该配电分路连接的外部装置导通；

瞬态抑制电路：连接于防反灌电路输入端及配电开关电路输出端，防止因母线电压过高产生尖峰电压；

所述控制电路模块包括主控电路FPGA、开关驱动电路、采样电路，其中：

采样电路：对功率电路模块各部分电路的电压、电流、温度信息进行采集并传回至主控电路FPGA；

主控电路FPGA：接收来自外部的时序控制指令，转化为PWM脉冲信号并发送至开关驱动电路，同时接收来自采样电路输入的功率电路模块各部分电路的电压、电流、温度信息并发送至外部；

开关驱动电路：接收来自主控电路FPGA发送的PWM脉冲信号并对母线开关电路及配电开关电路进行开关通断控制。

2.根据权利要求1所述的一种用于运载火箭的数字配电器，其特征在于：所述母线开关电路包括四个并联的开关电路单元，所述开关电路单元包括MOS管、限流电阻和保护电阻，开关驱动电路输出端与限流电阻输入端相连，限流电阻输出端与MOS管的G极相连，防反灌电路输出端与MOS管的D极相连同时MOS管的S极与配电开关电路的输入端相连，保护电阻的两端分别与MOS管的G极、MOS管的S极相连，其中，MOS管的G极、S极分别作为开关电路单元之间并联时的输入端、输出端。

3.根据权利要求1所述的一种用于运载火箭的数字配电器，其特征在于：所述配电开关电路包括2个并联的开关电路单元，所述开关电路单元包括MOS管、限流电阻和保护电阻，开关驱动电路输出端与限流电阻输入端相连，限流电阻输出端与MOS管的G极相连，防反灌电路输出端与MOS管的D极相连同时MOS管的S极与外部装置的输入端相连，保护电阻的两端分别与MOS管的G极、MOS管的S极相连，其中，MOS管的G极、S极分别作为开关电路单元之间并联时的输入端、输出端。

4.根据权利要求2或3所述的一种用于运载火箭的数字配电器，其特征在于：所述限流电阻阻值为10欧，保护电阻阻值为10K欧。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种用于运载火箭的数字配电器，其特征在于：所述开关驱动电路包括电平转换驱动器，电平转换驱动器、三极管Q1、三极管Q2、驱动变压器T1、整流二极管D1、滤波电阻R1、滤波电容C3、隔直电容C1、隔直电容C2，电平转换驱动器输入端与主控电路FPGA输出端连接，电平转换驱动器输出端与三极管Q1、三极管Q2组成的推挽电路的输入端连接，三极管Q1、三极管Q2组成的推挽电路的输出端通过隔直电容C1与驱动变压器T1的原边相连，驱动变压器T1副边与隔直电容C2、整流二极管D1组成的整流电路输入端相连，隔直电容C2、整流二极管D1组成的整流电路输出端与滤波电阻R1、滤波电容C3组成的滤波电路输入端相连，滤波电阻R1、滤波电容C3组成的滤波电路输出端输出时序控制信号对母线开关电路及配电开关电路进行开关通断控制。

6.根据权利要求1或2所述的一种用于运载火箭的数字配电器，其特征在于：所述母线开关电路配电过程中的适用总电流为20A～60A。

7.根据权利要求1或3所述的一种用于运载火箭的数字配电器，其特征在于：所述配电开关电路配电过程中的适用总电流为10A～20A。

8.根据权利要求1所述的一种用于运载火箭的数字配电器，其特征在于：所述瞬态抑制电路内保护管为TVS管。

9.根据权利要求5所述的一种用于运载火箭的数字配电器，其特征在于：所述电平转换驱动器输出电压范围为3.3V～5V。

10.根据权利要求1所述的一种用于运载火箭的数字配电器，其特征在于：所述瞬态抑制电路包含有二极管控制器，所述二极管控制器为LTC4357。