楊岳楓

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384)

高效順序開(kāi)關(guān)分流調(diào)節(jié)器研究

楊岳楓

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384)

論述了如何采用單功率二極管供電提高順序開(kāi)關(guān)分流調(diào)節(jié)器的效率。功耗降低使得系統(tǒng)熱耗減少，減少了系統(tǒng)的散熱壓力。為防止單功率二極管單點(diǎn)失效，本系統(tǒng)采用高可靠性二極管短路保護(hù)電路。仿真結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性、可靠性。

順序開(kāi)關(guān)分流調(diào)節(jié)器；免單點(diǎn)故障；可靠性

隨著順序開(kāi)關(guān)分流調(diào)節(jié)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，針對(duì)其功率拓?fù)涞母倪M(jìn)也在不斷進(jìn)行。本文主要研究通過(guò)改變傳統(tǒng)順序開(kāi)關(guān)分流調(diào)節(jié)電路功率拓?fù)鋪?lái)提升分流器效率，減少產(chǎn)品的熱應(yīng)力等問(wèn)題，并解決了改變功率拓?fù)鋷?lái)的單點(diǎn)故障問(wèn)題。

1 工作原理及現(xiàn)狀

順序開(kāi)關(guān)分流調(diào)節(jié)技術(shù)是歐洲航天局(ESA)在20世紀(jì)70年代伴隨開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)技術(shù)發(fā)展起來(lái)的，S3R分流調(diào)節(jié)器是電源控制器的核心組成部分[1]。系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 S3R原理框圖

S3R的特點(diǎn)是所有分流電路完全相同，受控于同一母線誤差放大信號(hào)(MEA)。分流電路的邏輯狀態(tài)(開(kāi)或關(guān))取決于MEA與每級(jí)分流電路的參考電壓的比較結(jié)果。每級(jí)的參考電壓由母線電壓經(jīng)電阻分壓產(chǎn)生，并以同一增量有規(guī)則均勻分布。

調(diào)整級(jí)的工作狀態(tài)與該級(jí)比較器回差的上限和下限電壓有關(guān)，當(dāng)分流開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，注入母線的太陽(yáng)電池電流高于負(fù)載電流，此時(shí)母線濾波電容充電，母線電壓升高，控制信號(hào)電壓逐漸升高。當(dāng)電壓升高到該級(jí)的上限電壓時(shí)，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，此時(shí)注入母線的太陽(yáng)電池電流少于負(fù)載電流，母線濾波電容放電，母線電壓降低，控制信號(hào)電壓逐漸降低，直到電壓降低到到該級(jí)的下限電壓時(shí)，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，完成一個(gè)調(diào)整周期。

隔離二極管的作用是當(dāng)分流開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，阻止母線電流反向注入到電源地?，F(xiàn)在普遍使用兩只功率二極管串聯(lián)方式給母線供電。

2 單功率二極管S3R拓?fù)?/h2>

為提高S3R效率指標(biāo)，本文采用兩個(gè)隔離二極管并聯(lián)供電形式取代之前二極管串并聯(lián)形式。單個(gè)分流二極管不僅減小功率損耗，更減少了功率器件數(shù)量，使功率組件小型化得以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)減小了功率組件的熱應(yīng)力。

顯然，去掉一個(gè)分流隔離二極管后，當(dāng)發(fā)生二極管短路失效時(shí)，必須做出相應(yīng)保護(hù)措施，防止分流電路分流時(shí)母線電容沿分流支路放電。且相應(yīng)保護(hù)電路必須具有快速響應(yīng)故障能力，迅速關(guān)斷MOS器件，同時(shí)電路需要有較強(qiáng)的噪聲抑制能力，即區(qū)分正常分流和故障情況。因此提出下述保護(hù)電路。

保護(hù)電路基于檢測(cè)功率MOS管漏極和S3R比較器輸出端同時(shí)出現(xiàn)高電壓情況。保護(hù)電路由比較器構(gòu)成。保護(hù)電路比較器同向輸入端接在通過(guò)二極管接MOS管漏極的對(duì)地接電容，電容上電壓由分壓電阻決定。保護(hù)比較器另一輸入端接參考電壓。當(dāng)MOS管分流時(shí)，二極管導(dǎo)通，電容開(kāi)始放電，其上電壓與一個(gè)參考電壓進(jìn)行比較。當(dāng)S3R比較器電壓以及MOS管漏極電壓均為高時(shí)，保護(hù)電路比較器輸出高電位[2]。

保護(hù)電路比較器輸出端接電容，同時(shí)輸出端上拉電阻通過(guò)二極管和電阻接S3R比較器輸出端。電容在MOS管導(dǎo)通時(shí)充電，關(guān)斷時(shí)放電，充放電電阻選取不同數(shù)量級(jí)，使得充電快、放電慢。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，MOS管處于連續(xù)的開(kāi)通和關(guān)斷狀態(tài)。連續(xù)的充電和放電使得電容上要達(dá)到一個(gè)給定電平，這個(gè)電平去觸發(fā)存儲(chǔ)單元，使得MOS管關(guān)斷。

當(dāng)MOS管開(kāi)通瞬間，由方陣結(jié)電容引起正常導(dǎo)通時(shí)兩者電壓都高的情況。這是因?yàn)?，保護(hù)電路比較器輸出端對(duì)地電容上充電時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于放電時(shí)間，每個(gè)周期內(nèi)電容均完全放電。因此不會(huì)混淆正常分流和故障模式。

電路仿真結(jié)果如下：

電路模擬隔離二極管失效，設(shè)置二極管在0.2 m時(shí)短路失效，結(jié)電容10 μF情況下，瞬時(shí)電流可達(dá)到972 A，MOS管瞬間被擊穿，導(dǎo)致該級(jí)方陣失效。仿真如圖2所示。

圖2 無(wú)保護(hù)開(kāi)關(guān)管電流和母線紋波

加入保護(hù)電路后仿真結(jié)果如圖3所示。仿真電路在100 ms處設(shè)置母線二極管短路，單點(diǎn)故障保護(hù)電路迅速起作用，約在3 ms內(nèi)分流管斷開(kāi)。

在MOS管關(guān)斷過(guò)程中，流過(guò)MOS管的電流值如圖4所示。

圖3 有保護(hù)開(kāi)關(guān)管電流和母線紋波

圖4 保護(hù)瞬間開(kāi)關(guān)管電流和母線紋波

3 結(jié)論

單功率二極管S3R電源系統(tǒng)拓?fù)錁O大地提高了S3R系統(tǒng)的效率，同時(shí)降低了電源系統(tǒng)的熱應(yīng)力，功率器件的減少使得功率系統(tǒng)更加小型化。仿真結(jié)果顯示該單點(diǎn)故障檢測(cè)電路能有效鑒別故障模式和正常工作模式，使得電路可靠性大幅增加。

[1]韓波.S4R型功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)技術(shù)簡(jiǎn)介[C]//中國(guó)宇航學(xué)會(huì)電源分會(huì)論文集.北京：中國(guó)宇航學(xué)會(huì)，2005：121-125.

[2]TONICELLO F,LLAVONA L B.Synchronous rectified,single diode sequential shunt switching regulator(S3R)[C]//Proceedings of 9th European Space Power Conference.France:Saint Raphael, 2011:1-8.

Research on efficient sequential shunt switching regulator

How to use a single power diode to improve the efficiency of the sequential shunt switching regulator was discussed.Lower power consumption resulted in lower heat loss.To prevent a single point failure of single power diode,the system used a high-reliability diode short-circuit protection.The simulation results show the rationality and reliability of design.

sequential shunt switching regulator(S3R);single point failure free(SPFF);reliability

TM 57

A

1002-087 X(2016)06-1284-02

2015-12-15

楊岳楓(1984—)，女，河北省人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)楹教祀娫聪到y(tǒng)設(shè)計(jì)及航天電源控制技術(shù)。