CN111416331B - 一种用于直流电源浪涌电流抑制的预充电电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于空间飞行器供配电***直流电源浪涌电流抑制的高可靠预充电电路，即用于直流电源浪涌电流抑制的预充电电路，属于空间飞行器直流电源供配电***设计技术领域，包括预充电继电器及其指令接口电路、继电器状态遥测接口电路、预充电缓起电路；本发明通过低压28V指令母线控制MOS开关管的缓慢导通实现高压100V母线对容性设备进行预充电，待母线电压建立且电容充电完成后接通供电开关，关断预充电供电开关，能有效地抑制上电瞬间浪涌电流，保护供电开关继电器触点和熔断器；而且通过电容、电阻、二极管、MOS管和继电器的冗余设计，该预充电电路不存在单点故障模式，大幅提高了直流电源浪涌电流抑制电路的可靠性。

Description

一种用于直流电源浪涌电流抑制的预充电电路

技术领域

本发明涉及一种用于直流电源浪涌电流抑制的预充电电路，即一种用于高可靠空间飞行器供配电***直流电源浪涌电流抑制的预充电电路，特别用于空间飞行器直流电源供配电***中容性用电设备上电瞬间浪涌电流的抑制，属于空间飞行器直流电源供配电***设计技术领域。

背景技术

空间飞行器供配电***为实现电磁兼容、保证母线电压品质以及阻抗匹配，通常在负载输入前端设置由电感、电容和电阻构成的滤波器，并联大电容阵。根据电容特性，会在上电瞬间形成很大的浪涌电流，可能导致的常见故障有：熔断器的保险丝熔断或过流保护电路反复动作，***无法上电；供电开关继电器触点粘连，通断控制失效。

根据继电器或熔断器的使用要求，其工作电流不得超过额定电流，因此选用额定电流满足使用要求的器件，或减小***上电瞬间的浪涌电流。而选用额定电流大的器件，器件重量和本体尺寸较大，则会增加飞行器重量，且器件安装尺寸大，因此需要可行且有效的减小浪涌电流的措施。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用于空间飞行器供配电***直流电源浪涌电流抑制的高可靠预充电电路，即用于直流电源浪涌电流抑制的预充电电路，包括预充电继电器及其指令接口电路、继电器状态遥测接口电路、预充电缓起电路；本发明通过低压28V指令母线控制MOS开关管的缓慢导通实现高压100V母线对容性设备进行预充电，待母线电压建立且电容充电完成后接通供电开关，关断预充电供电开关，能有效地抑制上电瞬间浪涌电流，保护供电开关继电器触点和熔断器；而且通过电容、电阻、二极管、MOS管和继电器的冗余设计，该预充电电路不存在单点故障模式，大幅提高了直流电源浪涌电流抑制电路的可靠性。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种用于直流电源浪涌电流抑制的预充电电路，包括预充电继电器、预充电继电器指令接口电路、继电器状态遥测接口电路、预充电缓起电路；

外部指令母线通过预充电继电器指令接口电路控制所述预充电继电器；所述预充电继电器用于控制预充电缓起电路；外部供电母线通过预充电缓起电路对容性负载设备进行预充电；所述继电器状态遥测接口电路用于检测预充电继电器的状态；

所述预充电缓起电路包括RC网络和MOS开关管，RC网络用于控制MOS开关管的栅源电压；外部供电母线通过预充电缓起电路对容性负载设备进行预充电时，首先对RC网络进行充电，随着RC网络中的电容电压升高，MOS开关管从截止区进入线性区；然后容性负载设备进行预充电。

上述用于直流电源浪涌电流抑制的预充电电路，优选的，所述预充电继电器包括继电器K1和继电器K2；当外部指令母线给继电器K1和继电器K2的线圈供电时，继电器K1和继电器K2在接通或断开之间切换操作。

上述用于直流电源浪涌电流抑制的预充电电路，优选的，所述继电器K1和继电器K2的前激励线圈和后激励线圈分别并联连接，继电器K1的两个触点串联连接，继电器K2的两个触点串联连接，继电器K1的两个串触点和K2的两个串触点并联使用。

上述用于直流电源浪涌电流抑制的预充电电路，优选的，所述预充电继电器指令接口电路还包括两组第一消反电动势二极管；其中一组第一消反电动势二极管连接在所述继电器K1和继电器K2的前激励线圈的正负两端；另一组第一消反电动势二极管连接在所述继电器K1和继电器K2的后激励线圈的正负两端。

上述用于直流电源浪涌电流抑制的预充电电路，优选的，所述预充电继电器指令接口电路还包括两组隔离二极管；其中一组隔离二极管的阳极与外部指令母线连接，阴极与继电器K1和继电器K2的前激励线圈的正端连接；另一组隔离二极管的阳极与外部指令母线连接，阴极与继电器K1和继电器K2的后激励线圈的正端连接。

上述用于直流电源浪涌电流抑制的预充电电路，优选的，所述预充电缓起电路共包括4个MOS开关管，还包括4个消振电阻，每个MOS开关管的栅极分别串联一只消振电阻；4个MOS开关管分为两组，采用先并联后串联方式连接。

上述用于直流电源浪涌电流抑制的预充电电路，优选的，所述RC网络包括4个钽电容和4个电阻；4个钽电容分为两组，采用先串联后并联方式连接；其中两个电阻并联在每组钽电容的两端，另外两个电阻并联后连接在两组钽电容的负端和预充电继电器的输出端之间。

上述用于直流电源浪涌电流抑制的预充电电路，优选的，所述继电器状态遥测接口电路包括电阻分压式测量电路、继电器K3；

所述电阻分压式测量电路用于测量表征预充电继电器状态的电压；所述继电器K3与预充电继电器并联，且同步动作，继电器K3输出的遥测参数表征预充电继电器的状态。

上述用于直流电源浪涌电流抑制的预充电电路，优选的，所述继电器状态遥测接口电路还包括两组第二消反电动势二极管；其中一组第二消反电动势二极管连接在所述继电器K3的前激励线圈的正负两端；另一组第二消反电动势二极管连接在所述继电器K3的后激励线圈的正负两端。

一种用于直流电源浪涌电流抑制的预充电方法，采用上述用于直流电源浪涌电流抑制的预充电电路，包括如下步骤：

S1、首先通过指令母线发送预充电继电器接通指令，对容性负载设备进行预充电，并对预充电继电器状态进行遥测；

S2、待容性负载设备母线电压建立且负载电容充电完成后接通供电开关；

S3、发送预充电继电器断开指令，并对预充电继电器状态进行遥测。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)由于空间飞行器供配电***存在容性用电设备，采用本发明的预充电电路可有效地减小供配电***上电瞬间的浪涌电流，保护供电开关继电器和熔断器；

(2)合理利用场效应管的栅极控制特点，通过接通或断开指令控制预充电继电器的接通或者断开，进而控制P沟道场效应管缓慢导通或关断，实现低压28V指令母线控制高压100V母线供电的导通和关断，提高供电安全性的同时，使用微型化、轻量化的继电器，有效地减小电路重量和安装尺寸；

(3)由于空间飞行器供配电***的安全性至关重要，而且可靠性要求极高。本发明的预充电电路中电容、电阻、二极管、MOS管和继电器均进行冗余设计，增强了该电路的安全性和可靠性，且电路中不存在单点故障模式；

(4)由于空间飞行器用电子产品工作时存在空间高能粒子影响，为避免空间应用时单粒子撞击造成的MOS管烧毁异常，本发明的预充电电路选用具备大于等于75MeV.cm²/mg指标的P沟道MOS管作为核心器件。

附图说明

图1为本发明预充电电路的原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

一种用于直流电源浪涌电流抑制的预充电电路，包括预充电继电器、预充电继电器指令接口电路、继电器状态遥测接口电路、预充电缓起电路；

外部指令母线通过预充电继电器指令接口电路控制所述预充电继电器；所述预充电继电器用于控制预充电缓起电路；外部供电母线通过预充电缓起电路对容性负载设备进行预充电；所述继电器状态遥测接口电路用于检测预充电继电器的状态。

所述预充电缓起电路包括RC网络和MOS开关管，RC网络用于控制MOS开关管的栅源电压；外部供电母线通过预充电缓起电路对容性负载设备进行预充电时，首先对RC网络进行充电，随着RC网络中的电容电压升高，MOS开关管从截止区进入线性区；然后容性负载设备进行预充电。

所述预充电继电器包括继电器K1和继电器K2；当外部指令母线给继电器K1和继电器K2的线圈供电时，继电器K1和继电器K2在接通或断开之间切换操作。所述继电器K1和继电器K2的前激励线圈和后激励线圈分别并联连接，继电器K1的两个触点串联连接，继电器K2的两个触点串联连接，继电器K1的两个串触点和K2的两个串触点并联使用。

所述继电器状态遥测接口电路包括电阻分压式测量电路、继电器K3；所述电阻分压式测量电路用于测量表征预充电继电器状态的电压；所述继电器K3与预充电继电器并联，且同步动作，继电器K3输出的遥测参数表征预充电继电器的状态。

一种用于直流电源浪涌电流抑制的预充电方法，采用上述的预充电电路，包括如下步骤：

S1、首先通过指令母线发送预充电继电器接通指令，对容性负载设备进行预充电，并对预充电继电器状态进行遥测；

S2、待容性负载设备母线电压建立且负载电容充电完成后接通供电开关；

S3、发送预充电继电器断开指令，并对预充电继电器状态进行遥测。

实施例：

针对空间飞行器供配电***中供电开关和电容阵使用磁保持继电器和熔断器过程中出现继电器触点烧蚀粘连、熔断器保险丝熔断的问题；从而提供一种适用于空间飞行器上供配电***直流电源浪涌电流抑制电路。该电路使用轻量化、微型化的元器件，采用低压控制高压，并且进行冗余设计，提供安全可靠的预充电功能，有效地减小浪涌电流的同时保护供配电***关键器件磁保持继电器和熔断器。

一种用于空间飞行器供配电***直流电源浪涌电流抑制的高可靠预充电电路，包括预充电继电器及其指令接口电路、继电器状态遥测接口电路、预充电缓起电路；

在发送预充电继电器接通或断开指令时，通过28V指令母线给继电器K1、K2、K3的线圈供电，执行继电器接通或断开的切换操作；

在预充电继电器K1和K2断开时，功率MOS管T1、T2、T3、T4处于截止区，无预充电电流；

在预充电继电器K1和K2接通时，100V母线对电阻R5、R6、R7、R8和电容C1、C2、C3、C4构成的RC网络充电，使功率MOS管T1、T2、T3、T4的栅源电压缓慢升高，MOS管从截止区进入线性区，其源漏电流较小，随着电容C1、C2、C3、C4电压的升高，MOS管源漏电流缓慢增大，对负载设备电容进行充电；

在预充电继电器K1和K2接通或者断开的同时，状态测量继电器K3同步动作，通过电阻R9和R10、R11进行分压，继电器K3输出的遥测参数表征预充电继电器K1和K2状态。

所述预充电继电器及其指令接口电路包含隔离二极管、继电器和消反电动势二极管。

所述隔离二极管包括二极管D1、D2、D3、D4，二极管D1和D2并联，其阳极接28V指令母线，其阴极接继电器K1和K2的前激励线圈的正端；二极管D3和D4并联，阳极接28V指令母线，阴极接继电器K1和K2后激励线圈的正端；

所述预充电继电器包括继电器K1和K2，继电器K1和K2的前激励线圈和后激励线圈分别并联连接，继电器K1的两个触点串联连接，继电器K2的两个触点串联连接，继电器K1的两串触点和K2的两串触点并联使用，一端接100V母线的地，另一端接电阻R7和R8；

所述消反电动势二极管包括二极管D5、D6、D7、D8，二极管D5和D6串联，二极管D5阴极接继电器K1和K2前激励线圈的正端，二极管D6阳极接继电器K1和K2前激励线圈的负端；二极管D7和D8串联，二极管D7阴极接继电器K1和K2后激励线圈的正端，二极管D8阳极接继电器K1和K2后激励线圈的负端。

所述继电器状态遥测接口电路包括电阻分压式测量电路、继电器和消反电动势二极管；

所述电阻分压式测量电路包括电阻R9、R10、R11和电容C5、C6，电阻R9的一端和并联连接的电阻R10、R11串联连接，另一端接+12V电源，电容C5、C6串联连接后并联在R10的两端，电阻R10的另一端接+12V的地；

所述继电器包括继电器K3，继电器K3的前激励线圈和后激励线圈的正端并联后接28V指令母线，前激励线圈和后激励线圈的负端分别接预充电继电器接通和断开指令；继电器K3的两组触点并联使用，输出遥测参数以表征预充电继电器K1和K2的状态；

所述消反电动势二极管包括二极管D9、D10、D11、D12，二极管D9和D10串联，二极管D9阴极接继电器K3前激励线圈的正端，二极管D10阳极接继电器K3前激励线圈的负端；二极管D11和D12串联，二极管D11阴极接继电器K3后激励线圈的正端，二极管D12阳极接继电器K3后激励线圈的负端。

所述预充电缓起电路包括控制预充电时间的电容电阻、MOS开关管及其栅极消振电阻；

所述控制预充电时间的电容电阻包括钽电容C1、C2、C3、C4和电阻R5、R6、R7、R8，串联的钽电容C1、C2与串联的钽电容C3、C4并联，C1、C3正端接100V母线，C2、C4负端接电阻R7、R8；

所述钽电容C1、C2、C3、C4可取C1＝C2＝C3＝C4，电阻R5、R6、R7、R8可取R5＝R6、R7＝R8，且需满足-2(R5/(R5+R7))U_i＞V_GS(th)，其中U_i为100V母线电压，V_GS(th)为P沟道MOS管开启电压阈值；

所述MOS开关管及其栅极消振电阻包括P沟道场效应管T1、T2、T3、T4和消振电阻R1、R2、R3、R4，MOS开关管T1、T2、T3、T4两并两串连接，其栅极分别串联一只消振电阻；通过使用MOS管两并两串连接，有效地解决由MOS管开路或者短路引起预充电功能丧失的问题。

一种利用上述空间飞行器供配电***直流电源浪涌电流抑制的预充电电路对容性负载设备进行预充电，其特征在于步骤如下：

1)空间飞行器供配电***的容性负载设备进行上电操作时，发送预充电继电器接通指令，对容性负载设备进行预充电，并对预充电继电器状态进行遥测；

2)待容性负载设备母线电压建立且电容充电完成后接通供电开关；

3)发送预充电继电器断开指令，并对预充电继电器状态进行遥测。

以下结合附图，进一步说明本实施例。

如图1所示，为用于空间飞行器供配电***直流电源浪涌电流抑制的高可靠预充电电路，包括预充电继电器及其指令接口电路、继电器状态遥测接口电路、预充电缓起电路。

预充电继电器及其指令接口电路，在发送预充电继电器接通或断开指令时，通过28V指令母线给继电器K1、K2的线圈供电，执行继电器闭合或断开的切换操作。继电器K1、K2为微型磁保持继电器2JB0.5-1，具有体积小、功耗低、可靠性高等优点。该实例中继电器K1、K2并联使用，接通线圈和断开线圈的28V指令母线供电均使用两并二极管进行隔离，有效地避免潜通路的存在。

继电器状态遥测接口电路，继电器K3输出经电阻R9与R10、R11分压的状态量，表征预充电继电器K1和K2闭合或者断开的状态。继电器K3为微型磁保持继电器2JB0.5-1。

预充电缓起电路，在预充电继电器K1和K2接通时，100V母线对电阻R5、R6、R7、R8和电容C1、C2、C3、C4构成的RC网络充电，使功率MOS管T1、T2、T3、T4的栅源电压缓慢升高，MOS管从截止区进入线性区，其源漏电流较小，随着电容C1、C2、C3、C4电压的升高，MOS管源漏电流缓慢增大，对负载设备电容进行充电。该实例中电阻、电容、MOS管均进行冗余设计，任一器件失效不会影响浪涌电流抑制的预充电功能，提高供配电***的可靠度。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于直流电源浪涌电流抑制的预充电电路，其特征在于，包括预充电继电器、预充电继电器指令接口电路、继电器状态遥测接口电路、预充电缓起电路；

外部指令母线通过预充电继电器指令接口电路控制所述预充电继电器；所述预充电继电器用于控制预充电缓起电路；外部供电母线通过预充电缓起电路对容性负载设备进行预充电；所述继电器状态遥测接口电路用于检测预充电继电器的状态；

所述预充电缓起电路包括RC网络和MOS开关管，RC网络用于控制MOS开关管的栅源电压；外部供电母线通过预充电缓起电路对容性负载设备进行预充电时，首先对RC网络进行充电，随着RC网络中的电容电压升高，MOS开关管从截止区进入线性区；然后容性负载设备进行预充电；

所述预充电缓起电路共包括4个MOS开关管，还包括4个消振电阻，每个MOS开关管的栅极分别串联一只消振电阻；4个MOS开关管分为两组，采用先并联后串联方式连接；

所述RC网络包括4个钽电容和4个电阻；4个钽电容分为两组，采用先串联后并联方式连接；其中两个电阻并联在每组钽电容的两端，另外两个电阻并联后连接在两组钽电容的负端和预充电继电器的输出端之间；

所述继电器状态遥测接口电路包括电阻分压式测量电路、继电器K3；

所述电阻分压式测量电路用于测量表征预充电继电器状态的电压；所述继电器K3与预充电继电器并联，且同步动作，继电器K3输出的遥测参数表征预充电继电器的状态；

所述继电器状态遥测接口电路还包括两组第二消反电动势二极管；其中一组第二消反电动势二极管连接在所述继电器K3的前激励线圈的正负两端；另一组第二消反电动势二极管连接在所述继电器K3的后激励线圈的正负两端。

2.根据权利要求1所述的一种用于直流电源浪涌电流抑制的预充电电路，其特征在于，所述预充电继电器包括继电器K1和继电器K2；当外部指令母线给继电器K1和继电器K2的线圈供电时，继电器K1和继电器K2在接通或断开之间切换操作。

3.根据权利要求2所述的一种用于直流电源浪涌电流抑制的预充电电路，其特征在于，所述继电器K1和继电器K2的前激励线圈和后激励线圈分别并联连接，继电器K1的两个触点串联连接，继电器K2的两个触点串联连接，继电器K1的两个串触点和K2的两个串触点并联使用。

4.根据权利要求2所述的一种用于直流电源浪涌电流抑制的预充电电路，其特征在于，所述预充电继电器指令接口电路还包括两组第一消反电动势二极管；其中一组第一消反电动势二极管连接在所述继电器K1和继电器K2的前激励线圈的正负两端；另一组第一消反电动势二极管连接在所述继电器K1和继电器K2的后激励线圈的正负两端。

5.根据权利要求2所述的一种用于直流电源浪涌电流抑制的预充电电路，其特征在于，所述预充电继电器指令接口电路还包括两组隔离二极管；其中一组隔离二极管的阳极与外部指令母线连接，阴极与继电器K1和继电器K2的前激励线圈的正端连接；另一组隔离二极管的阳极与外部指令母线连接，阴极与继电器K1和继电器K2的后激励线圈的正端连接。

6.一种用于直流电源浪涌电流抑制的预充电方法，其特征在于，采用权利要求1～5之一所述的预充电电路，包括如下步骤：

S1、首先通过指令母线发送预充电继电器接通指令，对容性负载设备进行预充电，并对预充电继电器状态进行遥测；

S2、待容性负载设备母线电压建立且负载电容充电完成后接通供电开关；

S3、发送预充电继电器断开指令，并对预充电继电器状态进行遥测。

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