高效顺序开关分流调节器研究

杨岳枫

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384)

高效顺序开关分流调节器研究

杨岳枫

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384)

论述了如何采用单功率二极管供电提高顺序开关分流调节器的效率。功耗降低使得系统热耗减少，减少了系统的散热压力。为防止单功率二极管单点失效，本系统采用高可靠性二极管短路保护电路。仿真结果验证了设计的合理性、可靠性。

顺序开关分流调节器；免单点故障；可靠性

随着顺序开关分流调节技术的广泛应用，针对其功率拓扑的改进也在不断进行。本文主要研究通过改变传统顺序开关分流调节电路功率拓扑来提升分流器效率，减少产品的热应力等问题，并解决了改变功率拓扑带来的单点故障问题。

1 工作原理及现状

顺序开关分流调节技术是欧洲航天局(ESA)在20世纪70年代伴随开关调节技术发展起来的，S3R分流调节器是电源控制器的核心组成部分[1]。系统拓扑如图1所示。

图1 S3R原理框图

S3R的特点是所有分流电路完全相同，受控于同一母线误差放大信号(MEA)。分流电路的逻辑状态(开或关)取决于MEA与每级分流电路的参考电压的比较结果。每级的参考电压由母线电压经电阻分压产生，并以同一增量有规则均匀分布。

调整级的工作状态与该级比较器回差的上限和下限电压有关，当分流开关管关断时，注入母线的太阳电池电流高于负载电流，此时母线滤波电容充电，母线电压升高，控制信号电压逐渐升高。当电压升高到该级的上限电压时，开关管导通，此时注入母线的太阳电池电流少于负载电流，母线滤波电容放电，母线电压降低，控制信号电压逐渐降低，直到电压降低到到该级的下限电压时，开关管关断，完成一个调整周期。

隔离二极管的作用是当分流开关管导通时，阻止母线电流反向注入到电源地。现在普遍使用两只功率二极管串联方式给母线供电。

2 单功率二极管S3R拓扑

为提高S3R效率指标，本文采用两个隔离二极管并联供电形式取代之前二极管串并联形式。单个分流二极管不仅减小功率损耗，更减少了功率器件数量，使功率组件小型化得以实现，同时减小了功率组件的热应力。

显然，去掉一个分流隔离二极管后，当发生二极管短路失效时，必须做出相应保护措施，防止分流电路分流时母线电容沿分流支路放电。且相应保护电路必须具有快速响应故障能力，迅速关断MOS器件，同时电路需要有较强的噪声抑制能力，即区分正常分流和故障情况。因此提出下述保护电路。

保护电路基于检测功率MOS管漏极和S3R比较器输出端同时出现高电压情况。保护电路由比较器构成。保护电路比较器同向输入端接在通过二极管接MOS管漏极的对地接电容，电容上电压由分压电阻决定。保护比较器另一输入端接参考电压。当MOS管分流时，二极管导通，电容开始放电，其上电压与一个参考电压进行比较。当S3R比较器电压以及MOS管漏极电压均为高时，保护电路比较器输出高电位[2]。

保护电路比较器输出端接电容，同时输出端上拉电阻通过二极管和电阻接S3R比较器输出端。电容在MOS管导通时充电，关断时放电，充放电电阻选取不同数量级，使得充电快、放电慢。当故障发生时，MOS管处于连续的开通和关断状态。连续的充电和放电使得电容上要达到一个给定电平，这个电平去触发存储单元，使得MOS管关断。

当MOS管开通瞬间，由方阵结电容引起正常导通时两者电压都高的情况。这是因为，保护电路比较器输出端对地电容上充电时间远远小于放电时间，每个周期内电容均完全放电。因此不会混淆正常分流和故障模式。

电路仿真结果如下：

电路模拟隔离二极管失效，设置二极管在0.2 m时短路失效，结电容10 μF情况下，瞬时电流可达到972 A，MOS管瞬间被击穿，导致该级方阵失效。仿真如图2所示。

图2 无保护开关管电流和母线纹波

加入保护电路后仿真结果如图3所示。仿真电路在100 ms处设置母线二极管短路，单点故障保护电路迅速起作用，约在3 ms内分流管断开。

在MOS管关断过程中，流过MOS管的电流值如图4所示。

图3 有保护开关管电流和母线纹波

图4 保护瞬间开关管电流和母线纹波

3 结论

单功率二极管S3R电源系统拓扑极大地提高了S3R系统的效率，同时降低了电源系统的热应力，功率器件的减少使得功率系统更加小型化。仿真结果显示该单点故障检测电路能有效鉴别故障模式和正常工作模式，使得电路可靠性大幅增加。

[1]韩波.S4R型功率调节系统技术简介[C]//中国宇航学会电源分会论文集.北京：中国宇航学会，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

杨岳枫(1984—)，女，河北省人，硕士，工程师，主要研究方向为航天电源系统设计及航天电源控制技术。