基于PMOS型固态功率电子开关的宇航智能配电系统研究

仪德英，陈恒智，于 磊，王林涛，武逸然

(中国空间技术研究院 载人航天总体部，北京 100094)

供配电系统是航天器重要的平台系统，在进行配电系统设计时首要考虑的是系统的可靠性和安全性，其次是系统的可控制性、智能性等。在供配电系统的方案设计阶段，很大一部分工作是供配电开关的选型设计，尤其是大型载人航天器的供配电开关选型将直接影响整个配电系统的架构。

从20世纪80年代开始，欧、美、日等国家的航天器配电系统逐渐采用以金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Filed Effect Transistor,MOSFET)作为配电开关器件的固态功率电子开关，以提高航天器配电的安全性。国内的新型宇航配电系统也逐渐开始基于固态功率电子开关进行研制(Solid-state Power Controller,SSPC)。对于当前广泛使用的基于NMOS(N沟道MOSFET)型SSPC的新型宇航配电器系统，由于NMOS器件的开关驱动特性， NMOS型SSPC的供电电源、隔离控制、隔离检测等外设电路占用大量硬件资源，大幅增加了配电器电路复杂程度，也降低了配电系统可靠性。另一方面，为了使配电系统更加智能化，且具有一定的自主管路和故障处理能力，需要尽可能全面的对配电系统工作状态进行监测，获得更多的遥测参数。这也意味着需要更多的硬件资源、系统重量和成本。因此，存在着功能需求与有限的系统资源的矛盾。

PMOS(P沟道MOSFET)器件的负栅源电压驱动特性，不需对每一路单独进行隔离控制和检测，在直流配电系统的正线电子开关应用上有着天然的优势，能够有效地简化电路结构，节约硬件资源。另一方面,非隔离控制的PMOS型SSPC用于宇航配电系统尤其是大型载人航天器的配电系统，对系统级设计要求更高，需要依靠更多的单机层面设计解决系统级设计需要考虑的问题。本文对基于PMOS型SSPC的分布式智能宇航配电系统设计方案进行了探索，并针对用电负载短路故障引起的母线掉电导致整个固态配电系统配电开关状态复位问题进行了研究，提出了配电辅助电路设计方案，提高了新型配电器的可靠性。

1 分布式智能配电系统

对于新型航天器配电器系统，用于负载设备供电控制的SSPC是构筑配电系统的核心器件。配电系统的智能控制、自主管理等功能主要是通过对负载层配电器及其核心供电控制器件SSPC的工作状态监测和集中控制来实现的。

图1是某大型载人航天器的分布式智能配电系统构成简图。母线层配电器接收一次电源系统的一次母线供电，通过大功率开关送到负载层配电器——100 V智能配电单元。智能配电单元以具有可恢复保护功能的SSPC作为配电控制核心器件来为用电设备直接供电。用电设备内部配置标准DC/DC模块在负载端进行二次DC/DC变换，为其内部电路供电。配电系统控制计算机通过1553B总线向各配电器发送控制指令，并通过1553B总线采集各配电器工作状态遥测参数，包括电压、电流、开关状态等。

对于智能化供配电系统，需要获得尽可能全面的工作状态遥测，包括各配电器的输入电压、输入电流、输出电压、输出电流、配电开关状态、可恢复保护电路工作状态等。控制计算机通过实时检测这些遥测参数的变化情况来判断各配电器工作状态、各负载设备的用电情况是否正常，进而实现故障自主识别/诊断、故障自主隔离处置等配电系统自主健康管理策略。自主管理需要更多的遥测信息,但这与有限的航天器硬件资源存在矛盾，在基于NMOS型SSPC的智能配电系统中尤其突出。

2 PMOS型配电器与NMOS型配电器设计对比

直流宇航配电系统大多以供电母线回线作为系统的地平面，采用正线配电开关控制负载供电。由于NMOS具有可选择型号总类多、导通电阻值低等优势。因此，当前的大型载人航天器配电系统大多是基于NMOS型SSPC构建的。NMOS的驱动控制电路必须以NMOS的S极为参考地，用于正线供电开关时，每一路SSPC的NMOS均需配置单独的隔离供电、隔离驱动和隔离检测电路，隔离电路占用大量的硬件资源，同时也增加了电路复杂性,降低了配电系统可靠性。

图2为某大型载人航天器供配电系统最初的100 V智能配电器设计方案。该方案使用NMOS型SSPC，正线配电开关，单机内部配置一套控制组件控制多路SSPC。因为使用NMOS开关管，SSPC的供电电源地与开关输出端(NMOS的S极，负载供电正线)连接，SSPC的驱动电路地相对一次母线电位随SSPC开关状态变化。因此，每路SSPC均需配置一个专用的隔离电源用于SSPC供电。因控制多路SSPC，智能控制组件不能和SSPC内部的驱动电路共地，SSPC的开关控制指令信号、开关状态/保护状态遥测信号与智能控制组件间必须进行隔离传输，负载电流/电压遥测信号使用霍尔传感器和专用线性隔离电路(如V/F-F/V变换)实现智能控制组件与SSPC中MOS驱动电路的隔离。

由于负载电流、电压的线性隔离采集电路需占用大量的硬件资源，与系统分配的重量、体积等硬件资源有限的矛盾，在最后的供配电系统设计方案中不得不简化配电系统的遥测参数配置，舍弃针对各配电通道的电流、电压检测功能。

与NMOS型SSPC的区别在于，PMOS型SSPC的控制电路的参考地是连接在输入母线正线上的，可以实现单机内部全部PMOS型SSPC的驱动电路共地，为新型智能配电器功率开关的供电、控制和遥测采集电路设计提供了便利条件。

图3为一种基于PMOS型SSPC的100 V智能配电器的电路框图。单机内部全部SSPC的驱动电路共用一路±12 V供电电源，单机智能控制组件地线与SSPC的±12 V电源地等电位。SSPC的开关控制指令信号由智能控制组件直接送到SSPC驱动电路，SSPC的开关状态、保护状态、负载电流/电压遥测信号经过运放调理后可以直接送到智能控制组件，不需要经过隔离变换。该设计简化了电路结构，有效精简了配电系统硬件资源。硬件资源占用比简化后的NMOS方案更少，能够满足配电系统自主管理对负载供电遥测信息的需求。同时，由于减少了硬件资源，也提高了系统的可靠性预计值。

3 PMOS用于SSPC的可行性分析

对于SSPC的MOS管选用设计，主要器件参数依次是MOS的耐压VDS、额定电流、导通电阻RDS(on)、热阻及瞬态热阻。MOS的耐压、导通电阻是衡量功率开关稳态工作条件的重要指标。开关管的耐压能力决定于MOS的选型，在满足SSPC导通压降要求的条件下，选用的MOS的导通电流降额设计通常也是满足要求。

SSPC对负载过流故障具有可恢复保护功能，负载过流时MOS需要承受较大的热应力，MOS的热阻及瞬态热阻则是决定的SSPC可靠性的最关键的指标。在带短路负载开通——关断保护动作瞬间， SSPC的MOS承受的瞬间应力最大，MOS承受全部的母线电压、导通电流峰值达到设定的跳闸保护电流值，持续时间在1～3 ms级间。如图3所示，此时，MOS器件的热耗最大,结温迅速升高。若MOS器件设计不合理，很容易导致SSPC烧毁。解决这一问题也是SSPC可靠性设计的最重要环节，为了分摊应力，通常需要并联足够的MOS管。

从某公司的PMOS器件手册，耐压200 V的PMOS器件单管导通电阻达到0.1～0.16 Ω，热阻指标不低于同类的NMOS器件。能够满足100 V及以下直流母线的SSPC使用需求，尤其对于小功率的SSPC与NMOS相比性能差异可忽略。同时，鉴于在一定范围内多并联MOS管对提高功率开关可靠性及对瞬态应力耐受能力有利，在5 A/10 A级别的较大功率的SSPC的应用上也具有一定优势。

基于上述原因，虽然PMOS相对于NMOS可选择性较差、导通电阻指标相对较差，但是在用于航天器供配电开关控制方面，PMOS相对NMOS的不足可以忽略。与图3方案类似使用PMOS的智能配电器已经应用于某新型卫星平台。

4 固态配电器的可靠性设计

由于SSPC的开关驱动控制信号为电平信号，当配电器的输入母线电压低于单机内部供电电源的最小输入电压时，会发生配电器的所有固态功率开关全部断开的故障，这对宇航配电系统的影响是致命的。负载突然短路故障及SSPC的跳闸保护延迟是造成输入母线电压瞬间跌落的一个诱因。

使用PMOS型SSPC的智能配电器，单机内的全部SSPC是由同一组电源集中供电，并且开关驱动和控制电路的地线是与输入母线正线直连的，更希望输入母线稳定，尤其希望母线上没有剧烈的异常突变。因此，在配电器设计中提高母线电压稳定性的辅助电路是非常必要的。

图5为一种用于抑制SSPC瞬态保护特性引起的直流配电器输入母线电压异常突变的配电器辅助电路设计，由单通道的续流二极管、瞬态吸收电路和配电器输入端的储能电容构成。储能电容C2通过串联的二极管和电阻具有慢充电快放电能力，在负载短路到保护电路动作的(≤100 μs)时间内，提供放电电流，保证智能配电器的输入母线电压不会掉到安全电压以下，能够保证配电器内二次DC/DC输出电压稳定。电容C1吸收开关跳闸瞬间的输入母线电缆电动势，与配电输出端的续流二极管共同作用保证开关跳闸瞬间MOS管DS电压不会过高(超过VDS击穿电压)。

图6给出了具有负载短路立即跳闸保护功能的SSPC，在负载短路——SSPC跳闸保护瞬间的开关电流、母线电压、SSPC开关压降的仿真分析结果。负载短路瞬间配电器输入母线电压跌落到37 V(短路通路供电电缆分压值)，开关断开瞬间SSPC开关电压上冲到MOS的DS击穿电压值。

图7(a)为增加辅助电路后，额定10 A SSPC开通后负载短路瞬间配电器输入母线电压、SSPC开关压降和开关电流变化仿真分析结果。增加辅助电路后，输入母线电压稳定性有所提高。负载短路瞬间储能电容放电，使得配电器的输入母线电压跌落较小，最小值为82.8 V，高于100 V母线安全电压，不会影响配电器及其负载的工作状态。由于吸收电路与续流二极管的作用，抑制了输入、输出电缆的产生的感生电动势，有效地抑制了SSPC开关压降的瞬态峰值，使其降至160 V，远低于MOS的DS击穿电压，能够有效提高SSPC开关电路在配电系统中的可靠性。图7(b)为某配置了辅助电路的新型智能配电器10 A通道的开通后负载短路保护特性测试结果，负载短路——SSPC保护瞬间配电器的100 V输入母线电压跌落和上冲均不超过15 V。

5 结束语

本文提出了一种基于PMOS型SSPC的智能配电系统设计方案，由于PMOS天然的正线开关应用优势，能够以更精简的电路提供更多的遥测信息资源，满足了智能配电系统自主健康管理的遥测信息需求。精简电路结构还能够提高系统的可靠性预计值，解决了当前常用的NMOS型SSPC隔离电路占用大量硬件资源问题。对负载短路保护特性引起的智能配电器输入母线电压跌落问题进行了讨论，介绍了一种辅助电路设计。该设计可以保证负载短路故障时配电系统的母线电压处于安全电压范围内。