宇航用高可靠复合开关设计

2016-10-19 09:24:13孙清晓张倩倩
载人航天 2016年5期
关键词:浪涌触点继电器

王 儒,孙清晓,张倩倩

(北京卫星制造厂,北京100190)

宇航用高可靠复合开关设计

王 儒,孙清晓,张倩倩

(北京卫星制造厂,北京100190)

传统星载设备采用继电器对供电母线进行开关控制,继电器体积大,并且在大电流情况下,容易产生触点粘连故障,可靠性低。针对该问题提出一种高可靠复合开关电路,采用小型继电器对供电母线上的功率MOS管的栅源电压进行控制,实现了对供电母线的加断电控制;分析了该电路的工作过程,利用功率MOS管线性工作区的特性,可有效降低开机浪涌电流;在此基础上给出了各元器件的降额设计方法。对一款星载DCDC变换器前级增加该开关电路进行试验,结果表明,该开关电路能够可靠控制供电母线的加断电,通过改变缓启电容的大小,能够减小开关浪涌电流90%以上,体积小,可靠性高。

开关;可靠性;浪涌电流

1 引言

目前,我国卫星供配电系统中,供配电设备与负载设备主要采用继电器实现加断电控制[1-2],即在输入母线的正线上串联继电器,继电器通过对线包的通断电使其内部的触点接触或者断开来实现母线加断电;同时,为了提高供电质量,在负载设备输入端均设计有电容滤波电路[3],当继电器闭合时,输入母线对滤波电容充电,需要输入端提供瞬时的大电流脉冲,即“浪涌电流”[4-5],该峰值电流一般比设备的静态电流大几倍,如不加抑制,有可能导致输入电压波形改变,使供电质量变差,影响相邻其它用电设备工作,同时浪涌电流过大还有可能导致用于开关控制的继电器触点粘连而无法断开,失去开关切换功能[6-7]。针对输入浪涌电流带来的冲击,传统的解决方法有串联电阻法和预充电法[8]。串联电阻法是指在负载设备源输入端串联固定电阻,利用电阻的限流作用,在设备加电工作时将浪涌电流限制在一定范围内。由于流过电阻的电流为母线电流,若应用于功耗大的设备会因流过电阻的电流大造成压降大、发热大,同时影响单机效率,该方法只适用于功耗较小的设备[8]。预充电法是在串联电阻法的基础上,增加开关。当给后级电容充电完成后,串联电阻被开关旁路。这种方法虽然解决了串联电阻稳态工作时功率损耗的问题,但由于开关需要在电容充满电后闭合,需要增加检测电路来检测后级电容两端电压,不宜在工程项目上使用[8]。上述两种方法中,用于开关的继电器均放置于供电母线上,所用继电器的尺寸和重量依赖于工作电流,限制了其使用范围。针对此问题,本文利用功率MOS管的开关特性,用功率MOS管代替继电器,通过控制MOS管的栅源电压,实现对供电母线的加断电控制。

2 高可靠复合开关电路

2.1 电路的提出

图1是一个N沟道功率MOS管的漏极特性曲线[9-10],该曲线可分为截止区、恒流区和线性导电区三部分。当功率MOS管工作在线性导电区时,ID随UGS的增加成线性增大,因此在设备加电时,通过控制UGS电压,使其线性增大,从而控制输入电流ID线性增大,解决开机瞬间的浪涌电流问题。当对后级电容充满电后,使功率MOS管工作在恒流区,减小导通损耗。

图1 N沟道功率MOS管的漏极特性曲线[9]Fig.1 Graph of the drain character of N channnel power MOSFET[9]

同时,功率MOS管为压控型器件,通过控制栅极电压来控制漏极电流,驱动电流在mA量级,因此可以采用较小的开关控制功率MOS管栅源(GS)的开关来控制MOS管漏源(DS)的开关,从而间接控制母线的开通和关断。

基于功率MOS管的以上特性,提出高可靠复合开关电路如图2所示,包括一只功率MOS管、一只小功率磁保持继电器,以及电阻R1、R2,电容C1。

图2 高可靠复合开关电路图Fig.2 Schematic of high reliability compound switch circuit

根据该电路的工作原理,将启动过程划分为4个模态,如图3所示,具体分析如下:

1)模态0[t0之前],继电器K触点闭合,功率MOS管栅源电压UGS=0,所以关断,其两端电压为输入电压UIN,输入滤波电容C两端电压也为0;

2)模态1[t0~t1],开关电路在t0时刻接受外部指令,继电器K触点断开,功率MOS管UGS电压随R1与C1设定的时间常数按指数曲线上升,由于未到达功率MOS管的开启电压,所以功率MOS管工作在截止区;

3)模态2[t1~t2],在t1时刻,UGS电压上升到功率MOS管开启电压,此时功率MOS管进入线性导电区,ID随UGS的增加而增大,对输入滤波电容C充电,电容两端电压缓慢上升,功率MOS管两端UDS电压减小;

4)模态3[t2~t3],在t2时刻,输入滤波电容C完成充电,输入电流ID下降到0,功率MOS管两端电压也下降0;

5)模态4[t3之后],电容C1继续充电,UGS继续上升,最终按照电阻分压比稳定在UIN*R2/(R1+R2),功率MOS管进入饱和导通状态,流过其的电流为后级电路稳态工作时的电流。由于MOS管饱和导通电阻一般很小,因此具有较小的功率损耗。

图3 高可靠复合开关电路工作波形图Fig.3 Waveformsofhighreliabilitycompound switch circuit

2.2 电路设计

由图2可以看出,复合开关电路主要包括开关继电器、分压电阻、功率MOS管、缓启电容。

1)开关继电器

由于继电器对功率MOS管的栅源电流进行控制,流过继电器触点的电流很小,仅为mA量级;同时,在电路工作后,继电器触点须保持断开状态,以保证功率MOS管维持饱和导通的栅源电压,因此可选用触点电流在1A以下的小型磁保持继电器。

2)分压电阻

电阻R1主要考虑额定电压和功耗,由于电路在关闭状态下,电阻R1两端电压为输入电压,电阻功耗如式(1):

因此电阻耐压和功耗应满足式(1)的降额要求。

电路进入稳态后,需保证功率MOS管工作在饱和导通状态,一般功率MOS管在UGS电压为8~12 V时,其工作在饱和导通状态,因此在确定了R1后,R2根据式(2)确定。

电阻R3是为了在继电器触点闭合时,防止电容C1放电对触点造成损伤而设计的限流电阻,R3≪R1,工程中一般取R3=100~200 Ω。

3)功率MOS管

根据GJB/Z35-93,功率MOS管设计包括额定电流ID、额定电压UDSon和额定功耗PMOS的设计,须分别满足式(3)~(6)[11]。

式中:IINmax为流过功率MOS管的最大电流,取浪涌电流和稳态工作电流的最大值;式(5)为功率MOS管的稳态功耗,式(6)为功率MOS管的瞬态功耗,且需考虑不同温度下的功耗降额。

4)缓启电容

如何使功率MOS管有足够的时间(在完全导通前)工作在线性导电区,成为抑制浪涌的关键。为了降低开机浪涌电流,应使功率MOS管在线性导电区内就完成对输入滤波电容的充电。设继电器触点断开到功率MOS管栅源电压达到开启电压UTH的时间为t1,到浪涌电流达到最大值的时间为t2,则t1和t2满足式(7)和式(8)。

式中:UPTH为功率MOS管到达最大浪涌电流值时对应的栅源电压,t2-t1则为浪涌电流持续时间,通常该时间维持在1~5 ms,时间太短则浪涌电流太大,时间太长则影响后级电路正常工作,因此在确定了R1后,根据式(9)可确定C1的值。

3 试验验证

设计了一款星载DC/DC变换器,输入电压UIN=42 V,滤波器电容C=13.2 μF。前级开关电路中继电器采用871厂的JMW-270M-027M/1/K小型磁保持继电器,其触点额定电路为1 A;功率MOS管选用IR公司的高可靠功率MOS管IRHNJ67130,ID=22 A,VDSS=100 V,PD=75 W(TC=25℃);电阻R1=47 kΩ,R2=20 kΩ。

根据第二节分析,缓启电容越大,功率MOS管开通时间越长,浪涌电流峰值越小,持续时间也越长,工程中根据实际需求调整电容大小,满足浪涌电流峰值和持续时间的要求。图4为无缓启电容时的启动波形,其启动浪涌电流最高达30.1 A,瞬时功率达到389 W,超过了功率MOS管的额定值。图5为缓启电容为1 μF时的启动波形,其启动电流降低到1.28 A,降低了95.7%,瞬时功率为19.9 W,满足设计要求;同时从图中可以看出,功率MOS管在栅源电压为2 V左右时开始导通,开始对后级电容充电,到达5 V左右时,后级电容即充满电,浪涌电流持续时间约1 ms。

图4 无缓启电容时开机波形Fig.4 Wave form of starting up without soft capacity

图5 缓启电容C1=1 μF时开机波形Fig.5 Wave form of starting up with soft capacity C1=1 μF

4 结论

利用功率MOS管的开关特性,采用小型继电器控制功率MOS管开通和关断的复合开关电路简单、可靠。实验结果表明,该开关电路可降低开机浪涌电流90%以上,解决了传统开关电路中大电流冲击造成的继电器触点粘连问题,可以替代传统星载设备中的继电器,广泛应用于卫星平台和载荷电路中。

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Design of High Reliability Compound Switch for Aerospace Application

WANG Ru,SUN Qingxiao,ZHANG Qianqian
(Beijing Spacecrafts Manufacturing Factory,Beijing 100190,China)

In traditional aerospace equipment,relay is often used to control the power supply bus,but the relay is usually large in volume and the contact adhesion failure is easy to occur in the case of large current,so its reliability is low.Aiming at this problem,a high reliability compound switch circuit was proposed.The power supply bus was controlled to switch by controlling the power MOSFET's gate-to-source voltage with a small relay.Then the working process of the circuit was analyzed.The inrush current could be reduced effectively by using the power MOS tube in the linear region.Also the derating design method of the components was given.A switching circuit was added before a DCDC converter.The experiment results indicated that this switch circuit could control the power supply bus to switch reliably,and the inrush current could be reduced by more than 90% through changing the soft capacitor.The circuit has the advantage of small volume and high reliability.

switch;reliability;inrush current

TM571

A

1674-5825(2016)05-0641-04

2015-03-11;

2016-08-10

王儒(1982-),男,硕士,工程师,研究方向为星船电子产品设计。E-mail:wangru@nuaa.edu.cn

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