一种基于快速可恢复电机驱动电路的单粒子锁定防护设计方法及应用验证

陈朝基，南洪涛，于世强，张 政

（1. 中国空间技术研究院 载人航天总体部，北京 100094；2. 上海航天电子有限公司，上海 201800）

一种基于快速可恢复电机驱动电路的单粒子锁定防护设计方法及应用验证

陈朝基1，南洪涛1，于世强1，张 政2

（1. 中国空间技术研究院 载人航天总体部，北京 100094；2. 上海航天电子有限公司，上海 201800）

随着航天器负载对功率需求的不断增大，产品设计中对电机驱动电路的可靠性提出了更高的要求，而选用一体化集成电路是电机驱动电路设计的一种成熟方案。文章针对商用现货器件MSK4351的空间应用需求，提出了一种应用快速、可恢复电机驱动电路的单粒子锁定防护设计方法，通过模拟试验验证了该防护电路能够自动探测和迅速解除单粒子锁定现象；并结合设备的在轨工况开展了器件空间应用的单粒子风险分析，结果表明器件的使用风险可接受。目前已应用的电机驱动电路在轨工作稳定，表明该防护设计方法具有一定的工程应用价值。

电机驱动电路；单粒子锁定；防护设计；商用现货器件；MSK4351

0 引言

随着航天技术的发展，航天器任务系统越来越复杂，用电设备数量越来越多，对系统功率需求越来越大，需要配置相应的大功率电机等执行机构。考虑重量等限制因素，通常情况下这些大功率电机为非冗余设计，因此对电机驱动电路的可靠性提出了更高的要求，即需要具备更高效率、更小体积、更高的功率密度和集成度[1]。针对大功率电机驱动系统，若选用传统的分立功率器件设计驱动电路，存在技术难度大、可靠性较低的缺点，而选用一体化的高压集成电路是一种可靠、成熟的方案。

空间辐射环境使得航天电子器件面临单粒子事件影响的风险，尤其是随着半导体器件集成度的不断提高，单粒子效应越来越严重，已经成为影响航天器可靠性和运行寿命的重要因素之一[2]。其中单粒子锁定（single event latch-up, SEL）能在极短时间内对硬件造成永久性的破坏，危害性极大。

航天电子器件的设计对减小质量、缩小尺寸、降低功耗、模块化和提高性能的要求越来越迫切，使得商用现货（commercial off-the-shelf, COTS）器件逐渐成为设计中的首选对象[3]。但 COTS器件普遍存在抗辐射能力低的问题，使用不当会影响正常的飞行任务，因此如何提高COTS器件的可靠性和使用寿命成为其在航天器应用中必须解决的问题。

MSK4351器件是一款新型混合集成电机驱动模块，额定电压500 V、电流50 A，器件由控制电路和功率驱动电路2部分构成，其控制电路供电电源为+15 V，额定电流 0.2 A[4-5]。该器件的最大特点为内部功率管及其后级输出部分与前端功率管控制电路完全电气隔离，模块内部自带DC/DC变换器和保护电路，避免了功率部分对前级电路的损害，保证了系统可靠性，且外围电路简单，因此成为驱动系统设计中的良好选择。

出于技术性能和指标需求，某型号航天器选用了COTS器件MSK4351作为电机驱动功率器件。该器件没有抗单粒子效应能力指标，需要考虑其空间单粒子效应防护设计。为此，本文通过分析COTS器件的SEL防护方法，基于MSK4351的单粒子效应试验结果，提出一种快速、可恢复电机驱动电路的 SEL防护设计方法，并进行地面模拟测试以验证该防护电路的有效性。

1 SEL防护原理

COTS器件在空间应用前，需要采取必要措施提高其可靠性，常用方法有应用前筛选、抗辐射加固设计、限额使用和冗余设计等[3]。当COTS器件发生SEL时，其SEL敏感区的电流将大幅增加，因此电源输入端电流是器件发生 SEL的标志性指标；而保持电流和保持电压是 SEL现象的关键参数：当 SEL发生时，若电源输入满足保持电压和保持电流条件，电路将形成锁定电流。理论上采用适当的电阻能够防止 SEL的发生，但实际应用中借助在电源输入端外加电阻来限制电流进而防止SEL的发生并不可行，因为电阻值需要与每一个可能发生SEL的电流脉冲相匹配[6]。因此，在检测到SEL之后最好的办法是将电源输入端电压迅速降低到保持电压以下[7-8]，并快速关闭供电输入端电源，以保护电路不被烧毁。

基于对SEL机理的分析以及COTS器件本身的特点，加固防护需要在尽可能快地监测出大电流（发生SEL）后重启电源，因此需要设计过流监视电路以及具备对电源重启、恢复功能的开关电路。

2 MSK4351器件的单粒子效应试验

航天器电子元器件的单粒子效应地面模拟试验使用等效能谱法，利用重离子、质子、脉冲激光等作为模拟源，采用敏感度-LET值响应曲线开展模拟[9]。为了获取MSK4351器件的辐射敏感参数，利用重离子加速器模拟辐射源分别针对器件内部的功率驱动和控制电路部分开展单粒子效应试验，结果如下：

1）针对功率驱动部分。对器件施加100 V负载供电，输出阻性负载为12.5 Ω、PWM的占空比为20%的条件下，辐照器件内部的4片IGBT芯片，在辐照至注量1×107ion/cm2的过程中，未检测到单粒子烧毁效应发生。

2）针对控制电路部分。对器件内部控制电路施加15 V电压，输出阻性负载为12.5 Ω、PWM的占空比为20%的条件下，辐照过程中实时监测输出的10 V三相交流电压信号，结果见表1。

表1 MSK4351控制电路单粒子效应试验结果Table 1 Result of single event effect experiment for MSK4351’s logical circuit

试验过程中发现：利用LET值为13.9 MeV·cm2/mg的重离子辐照器件内部控制电路，在辐照至注量1×107ion/cm2的过程中，未监测到SEL效应发生；但辐照至2.40×106ion/cm2时，共监测到5次单粒子功能中断现象。表现为：器件控制电路的+15 V供电电流由230 mA下降至203 mA，器件输出保持常通状态，但不受PWM控制信号控制，即器件功能“死机”；断电后再上电即可解除异常状态，器件功能恢复正常。

试验表明，该器件内部控制电路的抗 SEL的LET阈值高于37.4 MeV·cm2/mg，抗单粒子功能中断的 LET阈值范围为 9.3～13.9 MeV·cm2/mg。由于该器件为 CMOS工艺器件，其控制电路可能在更高LET阈值下发生SEL现象，表现为因逻辑电路失控导致功率驱动电路输出常通或常断。

3 SEL防护设计方法

针对MSK4351存在的SEL风险，需从器件的控制电路和功率驱动电路2个方面加强SEL防护。MSK4351器件的组成框图如图1所示。

图1 MSK4351器件组成框图Fig. 1 Block diagram of MSK4351

3.1 控制电路防护

MSK4351发生SEL后会导致器件供电功耗增大，器件内部的隔离型DC/DC具有一定的限流能力，控制电路的+15 V输出端额定功率为5 W，上限为6.5 W，可以防止危害进一步扩大；但无法在器件供电前端增加限流电阻。防护设计中令MSK4351供电的输入端DC/DC具备输出功率限制能力，以保证在控制电路的DC/DC处于最大功率输出状态时，不会影响输入端电源和熔断器，避免危害进一步扩大。

3.2 功率驱动电路防护

3.2.1 SEL防护电路设计

MSK4351发生 SEL后可能导致功率输出常断（无功率输出）或常通。无功率输出时会导致电机无法运转，单机通过堵转保护机制可识别并处理，不会产生更大的危害；而功率输出常通时，可能导致输入端供电电流增大、烧毁输入端熔断器。针对这一故障模式，设计了在电机驱动电路电源回线处增加供电过流保护电路的防护措施，原理如图2所示。

图2 电机驱动电路供电输入端过流保护原理Fig. 2 The principle of the overcurrent protection for the power input of motor driver circuit

过流保护电路由电流采样电路、控制电路和功率开关构成：电流采样电路由霍尔电流传感器、高速运算放大器和比较器构成，控制电路由单片机和 FPGA电路组成，功率开关采用 N沟道功率MOSFET器件，电流传感器位于驱动器一次电源供电入口处。

根据负载功率大小，为比较器设置一个初始数值。当FPGA检测到电流采样电路中比较器输出的过流信号后，立即输出一个脉冲信号，关断供电回线上的功率开关，同时通过中断方式通知单片机；单片机响应中断后通过复位信号关断MSK4351内的所有功率管，并遥测输出过流故障信息。

该保护电路具备以下特点：

1）响应速度快：采用高速运算放大器和FPGA控制电路，可在几十µs内响应供电电流的变化。

2）大功率控制：电路可实现对100 V供电电源、至少30 A电流的负载通断自动监测和控制。

3）系统可恢复：传统设计中采用熔断器实现对功率电路的过流保护，熔断器熔断后电路不可恢复；本防护设计中可保证一旦发生SEL，系统断电再重新加电后，功能可恢复正常。

4）供电回线端配置功率开关：降低了功率开关的选型难度，相较在供电正线端进行开关控制更易实现。

3.2.2 防护电路验证

将MSK4351的输出端A相与B相用粗导体短接，控制输入PWM信号使桥臂AH、BL导通，即将MSK4351的100 V供电通过2个IGBT单元对地短路，模拟器件锁定造成负载供电输入端短路的情况。

地面模拟测试表明，MSK4351功率端在承受高达440 A短路电流冲击时，单片机可控制功率开关在25 µs内切断供电回路而不失效，器件内部功率开关功能正常，性能参数无明显变化，说明器件功率端具有承受瞬间过流的能力，可以避免危害的进一步扩大，保证其他单机或分系统正常工作。

该过流保护电路可保证在负载大电流烧毁供电输入端熔断器前及时切断供电回路，用于MSK4351发生SEL情况下的供电端保护及锁定恢复，避免造成不可修复的故障。

4 防护电路的空间应用风险分析

由于MSK4351器件没有空间飞行经历，所以除进行地面模拟验证外，还需要对该器件的空间应用进行技术风险分析，具体分析结果如下：

1）发生SEL会引起单机功耗增加。器件内部DC/DC和为器件供电的DC/DC均具有输出功率限制能力，若发生 SEL导致器件电流增大，其供电端的DC/DC将首先启动过流保护措施，对系统供电输入端没有影响。

2）当发生由单粒子效应引起器件锁定或功能中断时，设备将会暂停工作；而该设备在轨工作过程允许暂停或中断，发生SEL或功能中断后可通过断电再加电的方法恢复正常，不会造成永久性失效。

3）当器件功率电路发生单粒子烧毁或单粒子栅击穿时，单机功能将丧失；但限流保护措施可将风险限制在单机内，不会危害器件供电输入端电源的安全。

5 结束语

通过分析COTS器件的SEL防护原理，基于混合集成电路MSK4351提出了一种电机驱动电路的 SEL防护设计方法，可实现大功率负载供电的快速通断控制且系统可恢复。即使器件烧毁，其危害也不会扩大至其他单机或分系统。通过地面模拟测试验证了单机功率电路电流监测和防护措施的有效性。

目前，采用了上述 SEL防护设计的、基于MSK4351器件构成的大功率电机驱动系统在轨工作稳定，进一步说明本方法具有工程应用价值。

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[1] 柳新军, 刘治钢, 陈琦. 我国航天器供配电技术现状与发展研究综述[C]//中国电工技术学会电力电子学会第十四届学术年会. 福州, 2014: 596-598

[2] 刘必鎏, 杨平会, 蒋孟虎. 航天器单粒子效应的防护研究[J]. 航天器环境工程, 2010, 27(6): 696-697 LIU B L, YANG P H, JIANG M H. The protection against single event effects for spacecraft[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2010, 27(6): 696-697

[3] 王峰, 郭金生, 李晖. 商用现货器件在卫星中的应用[J].航天器工程, 2013, 22(4): 87-93 WANG F, GUO J S, LI H. Overview of COTS in application of satellites[J]. Spacecraft Engineering, 2013,22(4): 87-93

[4] M S Kennedy Corp. 50 AMP, 500VOLT IGBT plus diode fully isolated smart power 3-phase motor drive power hybrid MSK4351[EB/OL]. [2015-11-01]. http://www.mskennedy.com/products/Bridges-with-Gate-Drive/MSK4351-1

[5] 李小璐. 基于 MSK4351的无刷直流电机驱动系统设计[J]. 信息化研究, 2010, 36(8): 40-41 LI X L. Design of BLDC motor driving system based on MSK4351[J]. Informatization Research, 2010, 36(8):40-41

[6] 杨世宇, 曹洲, 薛玉雄. 空间单粒子锁定及防护技术研究[J]. 核电子学与探测技术, 2007, 27(3): 568-569 YANG S Y, CAO Z, XUE Y X. Research on the single event latchup in the space and it’s protection technology[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 2007, 27(3): 568-569

[7] SCHWANK J R, SHANEYFELT M R, BAGGIO J,et al. Effects of particle energy on proton-induced singleevent latchup[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science,2005, 52(6): 2622-2629

[8] 王跃科, 邢克飞, 杨俊, 等. 空间电子仪器单粒子效应防护技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 2010: 60-61

[9] 沈自才, 闫德葵. 空间辐射环境工程的现状及发展趋势[J]. 航天器环境工程, 2014, 31(3): 232-233 SHEN Z C, YAN D K. Present status and prospects of space radiation environmental engineering[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2014, 31(3): 232-233

A design method for single event latch-up protection based on rapid and reparable motor driver circuit with application validation

CHEN Chaoji1, NAN Hongtao1, YU Shiqiang1, ZHANG Zheng2
(1. Institute of Manned Space System Engineering, China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China;2. Shanghai Space Electronics Corporation, Shanghai 201800, China)

With the increasing demand for the power of the spacecraft load, the reliability of the motor driver circuit becomes a more and more important issue in the product design. Using the integrated component in the motor driver circuit is considered as a mature method. In this paper, a method for the single event latch-up protection by using high speed and reparable motor driver circuit based on the MSK4351 is proposed, and the simulation test verifies that the protection circuit can make automatic detection of the latch-up and rapid release from the state of latch-up. The product’s risk of single event effect is analyzed based on its working state in the outer space, and the result indicates that the risk is acceptable and this motor driver circuit works well until now,which further proves that the method proposed in this paper has a value for the future engineering application.

motor driver circuit; single event latch-up (SEL); protection design; commercial-off-the-shelf(COTS) device; MSK4351

V417.6

B

1673-1379(2017)05-0528-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.05.013

2017-06-16；

2017-08-23

国家重大科技专项工程

陈朝基, 南洪涛, 于世强, 等. 一种基于快速可恢复电机驱动电路的单粒子锁定防护设计方法及应用验证[J].航天器环境工程, 2017, 34(5): 528-532

CHEN C J, NAN H T, YU S Q, et al. A design method for single event latch-upprotection based on rapid and reparable motor driver circuit with application validation[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(5): 528-532

（编辑：张艳艳）

陈朝基（1982—），男，硕士学位，主要从事航天器信息总体设计和元器件产品保证工作。E-mail: shelfer@163.com。