固态功率控制器感性负载下的续流特性分析

李辉耀，万成安，陈永刚，李心歆，李 丽

（1.北京卫星制造厂有限公司，北京 100080；2.北京市空间电源变换与控制工程研究中心，北京 100080）

固态功率控制器SSPC（solid-state power controller）以其高可靠、高安全、具备故障隔离与恢复、易于实现配电的智能化等优势，广泛应用于我国航天、航空等高可靠领域。在我国空间站各大舱段的配电上得到了大量的装机应用，为整器设备高可靠配电、航天员用电高安全性等方面提供了有效的保障。

SSPC 是一种基于过流保护特性的固态电子开关，主要用于配电链路的高压大电流控制，由于其负载特性的复杂性和功能的多样性，对其瞬态特性的研究一直是业内难题。当前，我国关于SSPC 的研究依然处于比较初级的阶段，大多停留在原理样机阶段，在保护曲线及算法、智能化配电等方面的研究较多[1-5]，而对其开关动作、保护动作下的瞬态特性工作机理的认识依然不够深入，真正研制成功负载适应性强、具备高可靠应用的固态功率控制器的厂家为数不多。

随着电压电流等级的提升，SSPC 在分断过程承受的电热应力越来越大，尤其是感性负载下的过流保护关断，对固态功率控制器的安全使用影响越来越大，极易造成浪涌电流与瞬时过电压导致的热失效现象，如对SSPC 内部ESD 电路造成损坏，对SSPC 功率MOSFET 造成损坏，不正当使用续流二极管及错误选型导致二极管自身发生短路击穿造成负载供电侧短路故障等。本文结合前期我国空间站用高可靠固态功率控制器的安全性设计经验对固态功率控制器感性负载下的续流特性展开分析，为SSPC 的可靠性设计及使用提供指导借鉴。

1 SSPC 关断模式下的续流特性分析

1.1 SSPC 关断模式特性分析

SSPC 的续流过程主要表现在当SSPC 发生关断动作且功率MOSFET 导电沟道夹断之后。为了便于分析该过程的续流特性，需要对SSPC 的关断模式有清晰的认识。SSPC 除了通过接收外部开关指令实现正常的开通关断之外，其自身的保护特性也具有自主关断功能，具体表现为：当负载电流高于SSPC 反时限过流保护起始保护点时，SSPC 触发过流保护，按照如图1 所示SSPC 保护关断特性的反时限保护曲线进行延时保护关断，图1 中，I 为电流，Ie为额定电流；当负载电流高于SSPC 立即跳闸保护点时，SSPC 启动立即跳闸保护并关断，迅速实现功率回路电流回路切断。不同的关断特性表现出来的关断速率也各不相同。

图1 SSPC 保护关断特性曲线Fig.1 Protection and shutdown characteristic curve of SSPC

总结起来，SSPC 实现关断的方式有如下3 种情况：①通过接收关断指令实现MOSFET 的正常关断；②主功率回路发生过流引发I2t 反时限跳闸保护关断；③主功率回路发生短路引发短路跳闸立即保护关断。图2 分别给出了3 种关断模式工况的SSPC 电流特性曲线。

从图2 曲线中可以发现：SSPC 正常关断动作较为缓慢，关断特性遵循的是SSPC 的缓关断特性，关断过程通常在ms 量级；I2t 反时限跳闸保护引发的关断过程速度较正常关断过程略快，区别在于该过程SSPC 产品已工作在大电流工况下，电路的热效应较为明显，关断的时间与电流过流值大小息息相关，电流越大，关断斜率也更陡峭，关断时间通常约为百μs～ms 量级。图2（c）为短路模式下的关断过程，可见，短路模式下流过SSPC 功率回路的电流高达数百A 甚至几十kA，为了避免SSPC设备被大电流击穿，该过程的关断设计通常会选择以最快的动作速度关断，时间为几μs 到几十μs。由公式U=Ldi/dt 可知，dt 通常会叠加在功率回路上，引起功率回路的高压击穿，尤其在感性负载较大的情况下通常会引发功率MOSFET 的氧化层和介质层击穿。

图2 不同SSPC 关断模式下的电流特性曲线Fig.2 Current characteristic curves in different SSPC shutdown modes

1.2 续流二极管在SSPC 工作原理及特性分析

为了避免SSPC 关断过程中较高的di/dt 冲击，通常在SSPC 输出回路上设计续流电路或吸收电路，如图3 所示。当SSPC 功率回路断开时，由于电流突然中断，负载电感线圈两端将产生感生电动势，其方向与原电流方向保持一致。

图3 SSPC 中续流二级管工作原理Fig.3 Working principle for free-wheeling diode in SSPC

对该过程建立KVL 方程，即

式中：Ud为电源电压；Uds和Ids分别为功率MOSFET漏源电压和漏源电流；Rs、r 和LD分别为采样电阻、负载电阻和负载电感。对式（1）进行求解[6]可得，关断过程中叠加到功率MOSFET 源漏两端的电压为

式中：I0≈U1/r；Gm为MOSFET 放大系数；UT和Ug2分别为MOSFET 栅压关断阈值和最小值。感性负载下的MOSFET 关断波形曲线如图4 所示。

图4 关断过程SSPC 功率回路MOSFET 电压电流波形Fig.4 Voltage and current waveforms during MOSFET shutdown in SSPC

结合式（2）及图4 可知，此时感生反电动势将叠加在SSPC 功率回路上，造成功率MOSFET 过电压，严重时将引发功率MOSFET 器件过电压击穿。为了避免该问题发生，通过在负载两侧并联二极管进行电压释放，由于该二极管承担了功率回路断续电流的续流过程，因而又称之为续流二极管。

当SSPC 功率回路断开后，二极管PN 结两端电压由负电压快速切换为回路电感感生的正向电压，当该电压达到PN 结导通电压时，二极管由反偏截止状态切换为正向导通状态。由于二极管开通过程并非理想的开关过程，其开通过程是由载流子的扩散运动形成正向电流，因此，开通过程存在延迟现象。为方便分析，开通延时用tr表示，则在0～tr过程对功率回路的分析依然满足式（1）。二极管导通后，对该过程建立KVL 方程，即

假设SSPC 关断时间为tf，则二极管导通瞬间为续流过程的电流峰值点，此时续流二极管承受最大的浪涌电流，此后的时间为续流二极管瞬态电流持续下降的过程，该期间，续流二极管承担的最大应力为功率冲击，表现为热累计现象。

2 感性负载下的SSPC 续流特性建模及仿真分析

由于续流过程为瞬态过程，且电压电流非线性变化，为进一步评估SSPC 关断后续流期间对二极管电流和功率的冲击，对SSPC 不同关断模式在不同感性负载下的二极管电应力冲击进行建模仿真。

2.1 感性负载下的续流特性建模

结合式（3）可知，流过续流二极管的电流IVD为

续流二级管两端的热积累QVD可表示为

结合SSPC 关断特性，建立SSPC 关断后的感性负载下的续流特性模型，在SSPC 模型的选取上本文采用我国空间站用厚膜SSPC 作为本次续流特性的分析模型，SSPC 额定电流为15 A，工作母线为100 V，功率MOSFET 击穿电压约为230 V，如图5所示。图中，IVD为续流二极管VD 的电流；ID为负载电流；V2为负载电源模型。

图5 SSPC 关断后的感性负载下的续流特性模型Fig.5 Model of continuous current characteristics under inductive load after SSPC shutdown

2.2 感性负载关断对功率MOSFET 的应力仿真分析

通过以上理论分析可知，感性负载关断造成的反电动势在无续流回路时将叠加在功率MOSFE 漏源两端，仿真结果表明，对于耐压标称200 V 的功率MOSFET，随着感性负载电感增加，MOSFET 漏源两端承受的电压越高，最终达到器件击穿电压的钳位值（仿真值约为230 V）。由此可见，在无续流回路存在时，当叠加的反电动势高于功率MOSFET的耐压值时，持续时间超过器件最大极限，将可能造成功率MOSFET 过电压击穿。为了进一步评估感性负载大小对SSPC 过压影响，通过仿真模拟了不同电感下有无续流回路时功率MOSFET 的过电压波形，如图6 所示。仿真结果表明，当有续流二极管存在时，关断过程由感性负载带来的反电动势几乎全被续流二极管回路吸收，功率MOSFET 在感性负载关断下几乎无过电压应力；当无续流二极管时，随着感性负载增大，功率MOSFET 两端出现过电压现象，且电感越大，关断速率越快功率MOSFET 过电压现象越明显，最终导致功率MOSFET 进入钳位区，严重时将导致功率MOSFET 击穿。

图6 不同关断模式下功率MOSFET 随感性负载影响仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of influences on power MOSFET under different inductive loads and different shutdown modes

2.3 不同关断模式对续流二极管应力仿真分析

结合SSPC 上述模型，分别在3 种不同关断模式下，通过改变负载电阻阻值改变SSPC 功率回路电流，从而模拟SSPC 不同的保护关断模式，图7 给出了在感性负载电感为1 mH 下的SSPC 关断曲线，分别提取了关断过程中的续流二极管电流、功耗、热耗信息。

从仿真波形观察可知，SSPC 功率MOSFET 电流断续时刻即为续流二极管峰值电流和峰值功耗的最高点。图7 中，正常关断时，SSPC 关断电流约为15 A，续流期间在二极管上产生的峰值电流为1.2 A，峰值功率为1 W，持续时间约为450 μs；由I2t 反时限保护引发的关断，当电流为30 A 时，在续流二极管器件上产生的峰值电流为5.5 A，峰值功率为6 W，持续时间约为960 μs，续流期间二极管产生的热积累约为1.6 mJ；当SSPC 关断模式为短路立即跳闸时，在40 A 关断峰值电流下，续流二极管器件上产生的峰值功率高达93 W，续流持续时间约为3 ms，续流器件二极管产生的热积累约为60 mJ，是正常关断的400 倍以上，结合式（5）分析可知，尽管峰值电流仅提高了3 倍，然而由于续流时间的增加，在二极管上积累的热效应将不可被忽视。

图7 不同关断模式下SSPC 的续流二极管应力仿真波形Fig.7 Simulation waveforms of free-wheeling diode stress in different SSPC shutdown modes

2.4 感性负载对续流二极管应力影响仿真

为了进一步分析续流期间感性负载关断存储的能量对二极管的影响，通过改变感性负载大小，对SSPC 在不同关断电流下续流二极管承受的应力进行仿真分析，提取续流二极管峰值电流、峰值功率、热积累进行曲线拟合，如图8 所示。

图8 续流二极管电流峰值随电感及关断电流变化曲线Fig.8 Curves of peak current of free-wheeling diode with inductance and shutdown current

从仿真结果不难发现，在相同关断电流状态下，负载电感越大，续流二极管续流期间承受的焦耳热和功耗也越大；在相同感性负载状态下，随着关断电流增大、关断斜率变小，续流二极管续流期间承受的焦耳热和功耗也更大。

2.5 实验验证

本文搭建了SSPC 感性负载下的测试电路，利用示波器电流探头监控续流二极管回路电流。工作母线设置为100 V，负载1 采用可调电阻箱，额定工作阻值约为6.67 Ω，短路阻值约为2 Ω，电感实测值约为1.08 mH，通过指令开通SSPC 后，分别在正常指令下进行关断和短路阻值下进行关断，实测波形如图9 所示。

图9 续流二极管峰值功率随电感及关断电流变化曲线Fig.9 Curve of peak power of free-wheeling diode with inductance and shutdown current

从图中可以发现，正常关断时，流过续流二极管上的电流峰值约为1.25 A，持续时间约为450 μs；短路关断时流过续流二极管上的电流峰值约为50 A，持续时间约为4.2 ms，与仿真结果基本吻合，进一步证实了仿真分析及模型的正确性。

图10 续流二极管热积累随电感及关断电流变化曲线Fig.10 Curve of thermal accumulation in free-wheeling diode with inductance and shutdown current

图11 SSPC 不同关断模式下的续流二极管电流实测波形Fig.11 Measured current waveforms of free-wheeling diode in different SSPC shutdown modes

2.6 续流二极管选型建议

续流二极管一般为P+NN+结构，其中P+和N+分别为器件阳极和阴极，中间N 层为轻掺杂区，可以近似看作本征半导体。通过理论分析及仿真实验可知SSPC 感性负载关断过程中，由于负载电感储能作用，MOSFET 关断时，回路的电流并不会马上消失，由于电感产生的感生电动势将继续维持电流的下降过程，当续流二极管未完全导通时，电感上产生的反电动势将叠加在功率MOSFET上，严重时将导致功率MOSFET 过电压击穿。因此，从保护功率MOSFET 角度，对续流二极管的选择要求其具备能够实现快速导通特性；另一方面，续流期间，二极管工作在正向导通状态，通常情况下SSPC 关断峰值电流较大，过大的峰值电流和负载电感能量均需通过续流二极管回路转化为热能消耗殆尽，因此，从续流二极管工作的安全性角度，要求续流二极管能够抵抗大电流浪涌冲击。此外，SSPC 关断电路中，过快的电流变化容易引起电流振荡和电磁干扰[7]。在续流二极管的选择同时需要关注续流二极管反向恢复特性[8-10]，尽量选择具有软关断特性的续流二极管，从而避免硬关断在回路中产生振荡，引起器件的损坏。

3 结语

本文通过对固态功率控制器感性负载下的关断特性及续流特性进行理论分析并结合我国空间站用SSPC 进行了建模仿真，对有无续流二极管下的功率MOSFET 过电压应力进行了对比，同时对SSPC 不同关断模式、不同电感量下的续流二极管应力特性进行了仿真分析。仿真结果表明续流二极管对SSPC 功率器件的安全性具有至关重要的保护意义，最后结合仿真、测试及理论分析，给出了SSPC 电路下的续流二极管选型注意事项。对于固态功率控制器的设计以及我国空间站用SSPC 的安全性具有一定的指导意义。