一次母线高阻接地对航天器电性能影响分析

李海津 林文立 付林春 林海淼 张晓峰 刘治钢 朱立颖

(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

航天器的一次母线通常由电源控制器(PCU)提供。一次母线的安全直接关系到整个航天器的供电可靠性，而一次母线的接地又直接影响一次母线的安全。航天器接地系统是一个对高频多点接地和对低频单点接地的混合式接地系统。航天器的地包括结构地、一次地及二次地。其中：结构地是指整个航天器舱板结构的公共电位参考点。一次地是指一次电源设备(太阳电池阵、PCU、蓄电池组等)直流母线的公共电位参考点。二次地是指一次母线经过电压变换后电源的公共电位参考点，包括遥测地、遥控地、总线地等。航天器通常设立多个公共接地桩，以PCU附近的接地桩作为基准地，其他接地桩与基准地之间的电阻通常小于10 mΩ，通过接地桩实现整个航天器设备结构的等电位。一次母线回线(负线)通过接地桩直接接地，有利于航天器的电磁兼容(EMC)设计；美国军用标准、日本宇宙航空研究开发机构电气系统设计规范、泰雷兹-阿莱尼亚航天公司电磁兼容要求规范等，均要求一次母线回线直接连接航天器结构地[1-5]。“国际空间站”日本希望号试验舱(ISS/JEM)、NASA新一代对地观测系统“土地”(TERRA)卫星、印度空间研究组织的制图卫星-1(CARTOSAT-1)、意大利航天局的“地中海盆地观测”(CSG)卫星的一次母线回线，均采用在PCU或者电源控制与配电器(PCDU)处单点直接接地方案[6-9]。我国航天器目前主要采用电源控制电路地与机壳通过接地桩连接片连接，电源控制接地桩再与航天器整器接地桩连接。

对于传统的一次母线回线直接接地方案，一次母线短路故障是系统的单点故障。当一次母线正线与机壳发生短路时，一次母线回线与机壳直接搭接会造成一次母线正线与回线短路，进而造成航天器整器掉电失效。为了降低一次母线正线与回线的短路风险，阿莱尼亚航天公司将PCU、配电器的主功率线电连接器外壳高阻连接结构地防止静电放电(ESD)；连接器支架与机壳绝缘安装，再通过高阻接航天器结构地[10]。此接地方案可以防止母线正线对连接器搭接造成的一次母线短路，但无法防止一次母线正线对机壳搭接造成的一次母线短路。某些航天器采用了一次回线高阻接地方案，可防止一次母线正线对机壳搭接造成的母线短路。NASA的接地手册中强烈推荐一次母线采用合适的隔离阻抗将一次电源回线与航天器结构地隔离设计[11]。该设计方案中，发电和储能设备的电路地均不能与航天器结构地相连；一次母线地在PCU处采用合适的隔离阻抗与航天器结构连接。如果仅采用隔离电阻将一次母线地与航天器结构地相隔离，可能会导致母线上引入更大共模噪声。NASA伽利略号(Galileo)、卡西尼号(Cassini)等探测器均采用了高阻接地的方式。欧洲航天技术中心(ESTEC)也提出了电推进电源的高阻接地方案[12]。为避免电推进供电回线对结构地的泄露电流，对电推进的供电回线做高阻接地设计。目前，高阻接地方案存在以下问题：采用连接器壳高阻接地方案保护范围有限，无法避免一次母线对机壳短路；采用一次回线高阻接地方案，对现有方案机电热特性产生较大影响，如电气隔离、EMC、散热设计、力学设计等，需要对现有方案进行很大的改动并通过整器级分析验证。

针对目前对高阻接地影响分析的缺失，本文首先深入分析了高阻接地对航天器电性能各方面的影响。在分析的基础上，提出一种既能降低一次母线短路风险，又减小对现有设计方案影响的高阻接地方案，并对接地方案关键特性进行了仿真分析。本文的研究结果可用于未来载人、深空、遥感航天器高可靠电源系统的接地方案。

1 影响分析及应对措施

一次母线采用高阻接地后，会对航天器电性能产生较大影响。首先，接地阻抗的变化会对故障电流大小产生影响。高阻接地后，母线对机壳搭接会改变机壳的电位，对安全间距、电气隔离及人员安全产生影响。接地阻抗的变化也会影响设备EMC及ESD性能。本节将从高阻接地对短路电流、安全间距、电气隔离、EMC、ESD及对人员触电风险等方面进行详细分析，作为对高阻接地进行改进设计的基础。

1.1 高阻接地方案

一次母线回线通常在PCU、配电器(PDU)或者PCDU处接地，高阻接地的位置同样选在靠近原来位置。根据高阻接地位置的不同，现有方案主要分为2种：方案1，一次母线回线单点高阻接地，机壳直接接地；方案2，设备机壳高阻接地、一次母线回线直接接地。高阻接地方案可参考NASA采用电阻与电容并联的方案构成隔离阻抗网络，如图1所示，其中，C1，C2，C3，C4为高阻接地网络电容，R1，R2为并联电阻。在NASA-HDBK-4001手册中指出：高阻接地阻抗不能过小，以限制一次母线与结构短路时的电流；同时也不能过大，否则不能提供稳定的参考电位。因此，高阻接地电阻的选择需要考虑正线对机壳短路后的短路电流大小，以及静电电荷泄放。其中：短路电流与母线电压相关，具体的分析见第1.2.1节，通常故障电流限制在毫安级(最坏情况的功率损耗小于1 W)。Cassini探测器高阻接地采用2 kΩ电阻(母线电压30 V)；Galileo探测器采用10 kΩ电阻(母线电压30 V)；如果是100 V母线系统，通常需要大于10 kΩ。同时，千欧级的电阻可以避免ESD影响，静电泄放通常要求电阻不大于100 kΩ。电容设计主要从EMC角度考虑，一般建议选用0.1 μF的电容。为保证一次母线的可靠性，可考虑采用自愈电容。实际选用高阻阻抗时需要根据系统母线电压，以及EMC和ESD试验结果调整接地阻抗。

图1 高阻网络设计Fig.1 Design of high-impedance network

1.2 对航天器电性能影响分析及应对措施

1.2.1 对短路电流影响

故障情况主要分析一次母线正线与PCU/PCDU机壳短路后，不同高阻接地方案对故障电流大小的影响。

(1)方案1中的一次母线正线与PCU/PCDU机壳短路，故障通路如图2所示(红线部分)。一次母线正线对设备机壳短路后，不会引起母线正线与回线短路，不会导致整个航天器失电。短路电流大小可以根据母线电压和接地电阻求取，值为Udc/Zg。其中：Udc为一次母线电压，Zg为高阻接地阻抗。另外，母线正线在传输路径上与整个航天器结构短路，也不会造成母线正线与母线回线的短路，短路电流仍为Udc/Zg。

图2 方案1短路电流通路Fig.2 Short-circuit current loop of scheme 1

(2)方案2中一次母线正线与PCU/PCDU机壳短路后的故障通路，如图3所示(红线部分)。一次母线正线对设备机壳短路后，不会引起一次母线正线与母线回线短路，不会导致整个航天器失电。短路电流的大小为Udc/Zg。如果母线正线在传输路径上与航天器结构短路，仍然会造成母线正线与母线回线的短路。

图3 方案2短路电流通路Fig.3 Short-circuit current loop of scheme 2

综上所述，2种高阻接地方案都能避免一次母线正线对机壳短路后造成母线正负短路，均不会造成整器供电故障。相比而言，对于防止短路故障，方案1相对更优，在母线正对机壳短路、母线正在传输路径对结构短路后，均不会造成母线正线与回线的短路。方案2仅能避免母线正线对机壳短路后母线正线与回线的短路。从防止短路故障角度看，方案1优于方案2。

1.2.2 对安全间距设计影响

一次母线正线与机壳短路后，由于机壳带电，可能会出现机壳与PCB电路地、机壳与电连接器接地针脚绝缘距离不够的情况。需要注意的是，对于方案1(见图4)，一旦任意一个设备机壳与电源正线短路，所有机壳均会带电。因此，以下位置的安全间距需要重新核实。①PCU/PCDU或者一次电源供电的所有设备中的PCB电路地与机壳的安全间距。②PCU/PCDU及一次电源供电的所有设备的接插件如果存在接地针脚，需要核实其与电路地或者其他信号之间针脚的安全间距。对于方案2，某个设备机壳与母线正线短路后，其他设备的机壳不会带电，仅故障设备存在PCB存在安全距离风险。如果需要满足一次母线与机壳短路后安全距离的要求，需要对PCB安全距离进行检查，并对不符合安全距离要求的位置进行重新设计。PCB板的体积会增加，具体增加的量需要根据实际情况评估。

图4 方案1安全距离风险位置Fig.4 Risk position of safety distance for scheme 1

1.2.3 对电气隔离设计影响

(1)对于方案1，高阻接地会对电气隔离设计产生较大影响。为了保证PCU一次母线回线(地线)与整器完成高阻隔离设计，需要保证PCU所有电接口：功率地线(回线)、遥测地线(回线)、遥控地线(回线)、总线地线(回线)均不可与结构地及其他相关单机存在直接或间接(潜通路)连接关系。如果需要连接，应采用相应隔离方式。以某卫星为例，对于综合电子分系统数据接口单元(DIU)中遥测遥控部分、PCU/配电器内部遥测采集等，如果改为一次母线回线单点高阻接地，且某设备发生一次母线正对地短路情况，由于机壳带电，其电位等于一次母线正电位，如果部分设备未实现一次地与二次地的隔离，就会导致某些通路上整星遥测采集通道芯片因共模输入电压超限而损毁，采样运算放大器的供电电压与输入信号电压差达57 V，导致运算放大器损坏。

(2)如果采用方案2(一次回线直接接地、机壳高阻接地)，由于机壳高阻接地，部分设备的一次母线正线与机壳短路不会造成一次地、二次地电位偏移，不会出现机壳带电造成的器件过压损毁。但是，需要保证任何一次地、二次地均绝不出现与机壳的潜在通过，避免接地潜在通路，电流通过机壳形成回流。否则，机壳高阻接地会导致设备回路中阻抗变化，从而造成工作异常。

1.2.4 对EMC设计影响

在传统方案中，一次母线的回线直接接结构地。这种接地方式有利于降低负载端的共模噪声，以及从供电导线辐射出的噪声。目前，高阻接地后对整器EMC影响暂无定量分析，定性分析如下。

(1)对于低频设备，设备机壳应用高阻接地，未发现对整器EMC性能有明显的影响。尤其是对PCU/PCDU，一次母线只用于供电，未作为敏感设备的信号线，只要将高压回线与低压回线进行严格隔离，低压部分的敏感电路是不受影响的，高阻接地对PCU/PCDU等低频设备EMC的影响有限。

(2)对于高频设备，高阻接地后经常由于阻抗匹配带来信号问题。高频敏感设备最佳接地方式是直接接地，如果采用方案2机壳高阻接地的方式，会对高频设备影响较大。

(3)如果机壳采用高阻接地，总线屏蔽层的安装方式需要改动。1553B屏蔽层如果直接与高阻接地的机壳连接，等效图如图5(a)所示，会影响屏蔽性能。因此，需要将连接屏蔽层的连接器外壳与机壳绝缘安装后，重新设计屏蔽层与结构地连接的安装位置和安装方式，图5(b)提供了一种可能的更改方式。

图5 总线屏蔽层影响Fig.5 Effect on shielding layer of data bus

(4)PCU内部地线与结构之间有阻容(RC)网络(共模滤波电路)，其作用是消除PCU内部功率变换器(电池充电调节器(BCR)、电池放电调节器(BDR)、辅助电源(APS))工作时产生的高频共模噪声，RC网络影响整器接地高频接地阻抗。PCU母线回线高阻接地后，一次母线回线接地阻抗变大，机壳接地方式更改会影响电源控制与配电单元的EMC，供电导线辐射和传导到负载的噪声信号会增加。对高频敏感设备的影响需要通过鉴定件EMC试验进行评估，具体需要对正常情况及故障情况(一次母线正线对机壳短路情况)做相关验证项目。

1.2.5 对ESD放电设计影响

PCU，PDU，PCDU为了防止印制板、陶瓷板等的电荷积累，将其直接安装在结构体上，PCU，PDU，PCDU等机壳与电路地线及整器舱板直接连接有助于电荷泄放，可以避免电荷积累。PCDU设备内部的孤立导体(DCDC机壳、继电器、霍尔)外壳，采用了100 kΩ电阻接机壳处理方式。如果一次母线回线单点高阻接地或者机壳高阻接地，选择合适的接地阻抗可以避免电源控制与配电单元机壳上累积静电电荷。但是，需要对一次母线正线与机壳短路故障情况下(此时机壳带电)表面放电进行试验评估。

1.2.6 对地面测试人员安全设计影响

(1)方案1中(见图6)，在整器与地面地线接地良好的情况下，人体电阻大于接地电阻，故障电流汇入结构地，地面测试人员无触电风险。在短路回路中串有Zg阻抗，最大电流被限制。人体安全电流为10 mA，电阻为3.6 kΩ，母线电压通常为28 V，42 V，100 V，由于机壳接地，人体被旁路，人体流过电流很小，无触电风险。

图6 方案1测试人员触摸机壳情况Fig.6 Situation of tester touching chassis for scheme 1

(2)方案2中(见图7)，人体安全电流为10 mA，电阻为3.6 kΩ，如果母线电压为100 V，由于人体电阻与接地电阻大小相当，流过人体的电流为28 mA，当母线电压超过36 V时存在地面测试人员触电风险。

图7 方案2测试人员触摸机壳情况Fig.7 Situation of tester touching chassis for scheme 2

1.3 2种高阻接地方案对比

综合以上分析，高阻接地方案对航天器电性能影响的总结如表1所示。

表1 高阻接地方案比较分析Table 1 Comparison and analysis of high-impedance grounding schemes

续 表

2 改进方案及仿真验证

2.1 改进方案

通过以上分析，高阻接地后能防止一次正对设备机壳发生短路后正线与回线短路造成的整器断电，但会对现有设计产生较大影响。为了既能防止一次母线短路风险，同时将高阻接地的影响降到最低，可以采用一次回线直接接地、关键机壳高阻接地方案(见图8)，具体包括4点，分别对应图8中的序号(1)至序号(4)。

图8 一次回线直接接地、关键单机机壳高阻接地方案Fig.8 High-impedance grounding scheme for direct grounding of primary bus and high-impedance grounding of key equipment chassis

(1)关键单机机壳高阻接地。将PCU，PDU，PCDU等关键设备机壳高阻接地，防止一次正对设备机壳发生短路；高阻接地参照蓄电池组的绝缘安装方式；PCB和接插件安全间距作相应调整；关于散热方式影响、EMC影响根据具体试验结果进行相应更改。

(2)缩短未保护的一次母线。尽量通过熔断器等保护一次母线用电设备，缩短未加保护的一次母线正线及回线。

(3)传输路径上一次母线正线及回线双重绝缘。这样可以防止主功率链路传输路径上发生短路。

(4)与PCU，PDU，PCDU连接的总线屏蔽层接地方式更改。屏蔽层需要与机壳绝缘安装后，再通过其他方式接地。

关于短路故障影响，弥补了表1中方案2的劣势，通过对传输路径上的一次母线正线和回线进行双重绝缘，缩短了未加保护的一次母线，可避免一次母线与整器舱体短路的风险。关于安全间距，本文改进方案与方案1，2相同，需要对PCB、接插件安全距离进行检查，并对不符合安全距离要求的位置进行重新设计。关于电气隔离，改进方案中一次母线未与整器结构高阻接地，只是部分关键单机的机壳高阻接地，不存在一次正线与机壳短路时会发生遥测采集通道、热控通路的损毁。关于EMC的影响，相比于方案1和方案2，由于只对PCU，PDU，PCDU等关键设备机壳高阻接地，一次用电设备、高频设备的接地方式不变，仍采用直接接地，故对高频设备影响较小。此外，由于PCU等设备是低频设备，机壳高阻接地对其影响也不大。关于地面测试人员的安全，需要采取安全措施防止触电。关于ESD放电，改进方案的部分单机机壳高阻接地，积累的静电电荷可通过高阻接地电阻泄放。综上所述，本文提出的改进方案除故障情况下母线电压高于36 V时地面测试人员接触机壳存在风险外，其余方面无影响。地面测试人员的安全风险可以通过漏电保护等方式解决。

2.2 仿真验证

高阻接地会对航天器电性能产生较大影响，由于对短路故障电流、安全间距、测试人员安全等的影响可以通过理论分析得比较清楚，因此下文主要对电气隔离影响进行仿真分析。如果采用一次回线高阻接地、机壳直接接地的方案，需要保证PCU一次母线回线(地线)与整器完成高阻隔离设计，保证PCU所有电接口回线(功率回线、遥测回线、遥控回线、总线回线)均不可与结构地及其他相关单机存在直接或间接连接关系。如果需要连接，应采用相应隔离方式。以下分别对遥测遥控接口、加热片控制电路在高阻接地情况下发生正线与机壳短路时各单机的状态进行仿真。

2.2.1 高阻接地对遥测遥控接口影响

以某遥感卫星产品为例，对于综合电子分系统DIU中遥测遥控部分、PCU/配电器内部遥测采集等，如果改为一次母线回线单点高阻接地且某设备发生一次母线正对地短路，此时机壳带电，通过仿真观察整器遥测采集通道运算放大器芯片的输入电压。系统母线电压为42 V，接地电阻参考Cassini探测器选择了2 kΩ，故障后短路电流限制在21 mA，系统的电路原理见图9，载荷热控仪中一次地与二次地直接相连。仿真电路如图10所示，主要观察由正常工况到42 V母线对机壳短路时系统的响应。U1为结构地与一次地之间的电压差；U2为遥测电路正端输入电压；U3为遥测电路负端输入电压；电压参考点为机壳地。

图9 高阻接地导致的电压超限Fig.9 Overvoltage caused by high-impedance grounding

图10 仿真原理Fig.10 Simulation diagram

当采用高阻接地、接地电阻为2 kΩ时，仿真结果如图11所示。发生42 V母线对机壳短路之前，结构地与一次地之间的电压差U1为0.1 V，遥测电路正端输入电压U2为4.8 V，遥测电路负端输入电压U3为-0.1 V。当发生42 V母线对机壳短路后，机壳带电，此时，结构地与一次地之间的电压差U1为42 V，遥测电路正端输入电压U2为-37 V，遥测电路负端输入电压U3为-42 V。可见，高阻接地时，母线正线对机壳短路不会造成母线正回线之间的短路，会造成母线电压下降，如果存在一次地与二次地直接连接的情况，遥测电路的正负端输入电压达到了-37 V和-42 V，远超过±15 V的范围，会让遥测电路的芯片烧毁。

图11 高阻接地仿真结果(一次、二次共地)Fig.11 Simulation results of high-impedance grounding(common grounding between primary bus and secondary bus)

下面仿真本文提出的改进方案中PCU机壳高阻接地时的情况。同样观察结构地与一次地之间的电压差U1，遥测电路正端输入电压U2及遥测电路负端输入电压U3故障前后的值。高阻接地电阻为2 kΩ时的仿真结果如图12所示，当发生42 V母线对机壳短路后，机壳带电，此时，结构地与一次地之间的电压差U1由0 V变为42 V，U2遥测电路正端输入电压始终为4.9 V，遥测电路负端输入电压U3始终为0 V。由此可见，采用机壳高阻接地方案，当母线正线与机壳短路时，不会造成遥测电路的损坏。

图12 改进方案高阻接地电阻仿真结果Fig.12 Simulation results of high-impedance grounding of improved scheme

2.2.2 高阻接地对加热片控制电路影响

对于综合电子分系统DIU热控部分，如果一次母线改为单点高阻接地且某设备发生一次母线正对地短路，会发生所有热控通路上控制占空比的MOSFET管栅极损毁，工作异常，如图13所示，图中DIU热控部分存在地回路。通过仿真观察这种情况下的MOSFET栅压，仿真原理如图14所示。U4为驱动上拉电压，U5为控制信号电压，U6为结构地与一次地之间的电压差，I1为加热回路电流。

图13 高阻接地造成的MOSFET管栅极损毁Fig.13 Damage of gate of MOSFET caused by high-impedance grounding

图14 仿真原理Fig.14 Simulation diagram

高阻接地电阻为2 kΩ时的仿真结果如图15所示，当发生42 V母线对机壳短路后，机壳带电，MOS管驱动上拉电压U4由13.2 V上升为56.8 V，驱动控制信号电压U5由3.7 V上升为47.3 V。结构地与一次地之间的电压差U6由-1.7 V上升为42.0 V。由于驱动信号电压为高，MOS管导通，因此加热回路电流为4.2 A。由此可以看出：由于一次地与二次地之间存在通路，机壳带电后MOSFET的栅极电压会达到56.8 V，驱动电路三极管的电压也会达到47.3 V，从而导致功率器件损坏。

图15 高阻接地有潜通路仿真结果Fig.15 Simulation results of high-impedance grounding with sneak paths

本文提出的改进方案仿真结果，如图16所示。当发生42 V母线对机壳短路后，机壳带电，MOS管驱动上拉电压U4始终为14.8 V，驱动控制信号电压U5始终为5.3 V。发生短路设备结构地与一次地之间电压差U6由0 V上升为42.0 V。由于MOS驱动信号为高，加热回路的电流始终为4.2 A。

通过以上的仿真结果可以看出：改进方案无需对现有遥测电路和热控仪电路进行修改，在母线正线与机壳短路时，不会使一次、二次未隔离遥测采集通道运算放大器芯片的输入电压超过正常范围而造成芯片损坏(见图12)，也不会造成热控仪中功率管栅极过压损坏(见图16)。

图16 改进方案高阻接地电阻仿真结果Fig.16 Simulation results of high-impedance grounding of improled scheme

3 结束语

相比于传统接地方案，高阻接地方案可防止一次母线对结构短路时造成整器断电，提高整器的供电可靠性安全性，但是也会对航天器电性能带来负面影响。本文主要分析了高阻接地对电接口的影响，高阻接地会造成部分元件安全间距不足；对于一次、二次未完全隔离单机，高阻接地会造成遥测采集通道、热控通路的损毁。关于EMC的影响，本文只进行了定性分析，高阻接地后一次母线回线与整个航天器结构地之间接地高频阻抗发生很大变化，其潜在影响尤其是对于高频敏感设备的电磁兼容影响需要通过整器级分析及测试验证。基于以上的影响分析，本文逐一提出了应对措施。针对传统高阻接地方案需要对现有航天器设计作较大幅度更改，特别是对中大功率、复杂型航天器，本文提出了一种改进的高阻接地方案，即一次回线直接接地，关键单机机壳高阻接地，这样既能防止一次母线短路风险，又能使现有航天器设计改动最小，从而将高阻接地的影响降到最低，便于实施。

高阻接地还会对热接口、机械接口产生影响。采用机壳高阻接地方案会影响PCU的散热，因此需要对其进行专项的热设计及验证工作；此外，机壳高阻接地会影响设备的安装及固定方式，需要进行结构专项分析及设计。