航天器固态功率控制技术研究

倪春晓，苏 筱，王 岑，孟 瑾，赵国清

(山东航天电子技术研究所，烟台 264003)

固态功率控制器(solid-state power controller，SSPC)[1]是集继电器的转换功能和断路器的电路保护功能于一体的功率开关器件，是航天器配电系统中控制负载通断的核心部件[2-3]。SSPC的主要功能是通过内部控制电路对功率MOS管的开通和关断控制，实现对配电系统电源到负载的开通和关断控制。具有无触点、无电弧、无噪声、响应快、电磁干扰小、寿命长、可靠性高以及便于计算机远程控制等优点[4-5]。

传统的航天器供配电系统中，出于可靠性的考虑，通常选用继电器来实现用电设备的配电控制。由于继电器不具备过流保护功能，往往需要进行冗余设计，重量和体积还需要成倍增加，相对减少了航天器有效载荷所占的空间和重量份额，导致关键载荷无法安装应用[6]。SSPC作为新型配电系统的核心部件广泛应用到航天、航空等领域的电子产品中，可以有效的减少航天器供配电系统的重量和体积，提高系统可靠性。

固态功率控制技术发展至今，通常具备以下3个特点：

1)使用无机械触点的固态半导体器件如晶闸管、双极型晶体管、场效应晶体管等作为开关元件；

2)通过内部的自动控制，对配电线路及用电负载实施快速保护；

3)具有外部控制接口(开关控制)及自身状态输出接口(开/关状态、负载轻/重、输出电流、输出电压、开关温度等)。

从上述3个特点可以看出，固态功率控制器以固态开关为基础，其内部的反馈控制保护功能与测控接口这两个特点使其与继电器、断路器等产品相比，技术更复杂，功能更强大，更适合于构建智能的配电管理系统，为实现航天器电源系统的自主运行提供更全面的保障[7]。

1 固态功率控制器工作原理

1.1 固态功率控制器分类

按照负载电源的不同，固态功率控制器分为直流固态功率控制器和交流固态功率控制器。直流固态功率控制器根据配电电压的不同又可分为28V直流固态功率控制器、42V直流固态功率控制器和100V直流固态功率控制器等；交流固态功率控制器根据交流电源类型的不同又可分为单相交流固态功率控制器和三相交流固态功率控制器。

按照输出电路组数的不同，固态功率控制器分为单路输出固态功率控制器和多路输出固态功率控制器[8]。多路输出固态功率控制器根据应用场合不同又可分为双路输出固态功率控制器、四路输出固态功率控制器和八路输出固态功率控制器等。

按照保护对象的不同，固态功率控制器分为基于I2t反时限保护特性的固态功率控制器和基于恒流限流延时关断保护特性的固态功率控制器。

1.2 固态功率控制器工作原理

固态功率控制器作为配电开关使用时，一个重要作用就是保护供电电源、供电线路和负载的安全。根据保护对象侧重点的不同，固态功率控制器产品主要分为基于I2t反时限保护特性的产品和基于恒流限流延时关断保护特性的产品两大类。

上述两类产品的技术实现复杂程度不同，在航天器中的应用范围也不尽相同。其中，基于I2t反时限保护特性的产品，技术相对较为复杂，一般用在大功率配电线路的保护中，无论是正常工作模式还是过流保护模式，其固态开关始终工作在饱和状态，不会由于承受大功率而损坏，因此这种产品主要是将供电线路以及负载作为保护对象；基于恒流限流延时关断保护特性的产品，设计原理比较简单，保护过程中的触发关断时间是以固态开关的结温上限作为限制，因此这种产品主要将过载发生时的固态开关作为保护对象。

1.2.1I2t反时限保护特性产品工作原理

基于I2t反时限保护特性的产品，当供电线路上发生过载或短路故障时，供电线路上存在大小为I2R的热功率累积，当热量无法通过环境散出，供电线路温度就会不断上升，且温度上升的速率与线路的比热容以及线径的大小呈线性关系。每一条特定的供电线路都有一个热能吸收极限值Qm，可以用I2t=Qm来表示，这个常数与线路允许上升的温度以及线径有关。此种保护方式就是基于I2t为常数来设计保护曲线的，固态开关保护动作的时间取决于流过开关的过载电流大小，如果电流较大，则保护时间越短；反之则保护时间延长。基于I2t的过流保护曲线原理如图1所示。

图1 I2t过流保护曲线Fig.1 The curve of overcurrent protection

采用I2t反时限保护特性的SSPC产品内部一般由固态开关、电流采样电路、 过流/短路保护电路、辅助供电电路以及遥测遥控接口电路等组成[9]。典型电路原理框图如图2所示。

图2 I2t反时限保护特性产品的原理框图Fig.2 The principle block diagram of I2t inverse time protection product

1.2.2 恒流限流延时关断特性产品工作原理

基于恒流限流延时关断特性的产品，当供电线路发生过载或短路故障且故障维持时间超过设计规定时间后，开关可自动触发关断。在开关关断前，供电线路上的电流被限制在设计规定的安全电流值。针对上述原理制成的固态功率控制产品(latching current limiter，LCL)，LCL产品工作在保护模式时，固态开关MOSFET在控制电路的控制下，其工作状态会由饱和区迅速进入线性区，MOSFET会瞬间承受大的功率，此时要保证设计的限流值不超过MOSFET的额定最大值，并且触发关断时间内，MOSFET的结温不超过器件手册上的极限温度。恒流限流延时关断特性曲线如图3所示。

图3 恒流限流延时关断曲线Fig.3 The curve of constant current limiting delay shutdown

采用恒流限流延时关断保护特性的SSPC产品内部一般由固态开关、电流采样电路、 限流延时电路、驱动电路、控制电路等组成[10-12]。典型电路原理框图如图4所示。

图4 恒流限流延时关断保护特性产品的原理框图Fig.4 The principle block diagram of constant current limiting delay shutdown characteristic product

2 固态功率控制器关键技术

2.1 固态功率开关技术

固态功率控制器的核心是采用MOSFET或IGBT实现开关特性[13]，近年来，国内半导体制造水平已取得长足发展，尤其是功率半导体器件，在抗辐照指标、导通电阻、功率极限等方面同国外产品的差距正在逐步缩小，高等级功率MOSFET国产化趋势明显，在航天器中开始广泛应用。

目前，以平面条栅VDMOS工艺为代表的国产化抗辐射MOSFET产品，最大击穿电压可以达到400V，最大电流能力可以达到75A，且伴随着半导体工艺水平的提高，其功率电压范围和输出电流能力还在不断提高，基本可以覆盖所有航天器的供配电母线。

2.2 小型化技术

固态功率控制器的不断发展，逐步形成了金属密封结构、板卡式结构、模块式封装结构和控制盒式结构4类封装，各类封装结构各有其优缺点，但在航天器小型化、轻量化趋势的推动下，将SSPC模块进行厚膜混合集成，甚至是开展专用集成电路ASIC研制已经被国内外的业界人士达成共识。因此，开展固态功率控制技术的小型化技术研究，对于提高产品散热能力，提升产品可靠性具有重要意义。

2.3 过载保护技术

目前，国内航天器的功率控制系统虽已开始普遍采用固态功率器件作为控制开关，但因缺少必要的保护措施，导致设备在过载情况下不能进行有效防护。过载情况下，峰值电流持续时间长会引起母线供电电压的较大跌落，从而影响母线上其他负载的正常工作。因此，开展固态功率控制器过载保护技术的研究，尤其是缩短固态功率控制器的过载保护时间，对于保护航天器的安全具有重要意义。国外的SSPC产品，一般保护时间都小于10μs，有的甚至能达到小于1μs；国内的SSPC产品，保护时间在微秒级到毫秒级之间，最小的保护时间可以达到小于100μs。

2.4 抗干扰技术

固态功率控制器作为航天器供配电系统的功率控制开关，主要作用就是保护供电电源和负载设备的安全，因此，如何提高产品的抗干扰能力，确保整个供电线路的稳定工作，也是SSPC产品设计的关键。尤其在负载状况复杂(如容性负载、感性负载)的情况下，对SSPC产品反馈控制电路的设计要求更高。抗干扰技术的研究，除了保护配电网络和负载设备安全，具备过载保护功能外，还要对固态功率控制器自身进行防护，确保在各类复杂工况下不会产生误动作，因此，提高抗干扰能力，对于扩展产品应用范围，保护系统安全具有重要意义。

2.5 并联应用技术

通常情况下，固态功率开关的承载电流能力直接决定了SSPC产品的输出能力。为提高产品的输出电流能力，可以将功率MOSFET进行并联应用，但并联应用时，如何考虑产品的均流控制，规避MOS管并联使用时的寄生振荡现象，也是SSPC产品设计的一项关键技术。

防止并联MOSFET发生寄生振荡，一是选择合适的MOS器件，可以选择MOS管寄生电容CDS与CGS比值小，或是跨导gm比较小的MOSFET；二是通过增加外部电路的方式防止寄生振荡现象的发生，可以在MOSFET的栅极插入一个栅极电阻或一个铁氧体磁珠，也可以在MOSFET的栅极和源极之间添加一个瓷介电容。但要注意，增加电阻会影响MOSFET的开关速度，且增大开关损耗；增加电容会导致MOSFET的开关性能下降，因此，SSPC产品设计时需要综合考虑。

3 固态功率控制器设计

3.1 固态功率控制器电路设计

固态功率控制器通常由功率电路、辅助供电电路、驱动控制电路、电流电压采集电路、保护电路和状态检测电路等组成[14]。

功率电路作为SSPC的开关元件，可以采用晶闸管、双极型晶体管、场效应晶体管等。辅助供电电路主要为SSPC电路提供工作电源；驱动控制电路主要负责SSPC的开关控制和驱动控制；电流电压采集电路主要负责采集功率母线的电流电压信号，反馈给保护电路，实现对SSPC的实时监测；保护电路主要对电流电压采集电路输出的信号进行判断，在过载情况下触发关断信号，保护系统安全；状态检测电路主要负责对SSPC的开关状态进行实时检测，有助于用户对产品的工作状态做出准确判断。

3.1.1 功率电路

航天器固态功率控制技术主要采用国产化抗辐照MOSFET，作为功率器件，设计时需要进行合理的热设计，对于厚膜混合集成工艺的SSPC产品，功率芯片通常设计在高导热率的覆铜基板上，以降低芯片的工作热阻。目前，常用的高导热基板主要有氧化铍基板、氮化铝基板和氮化硅基板等，其主要特点是具有良好的散热效果和绝缘性能，而且可靠性高。

3.1.2 电流电压采集电路

电流电压采集电路可以采用分立器件搭建电流镜电路实现采集功能，也可以采用单片电流采集芯片实现采集功能，两种采集方式的工作原理不同，优缺点也不尽相同。

采用分立器件搭建电流镜拓扑的电流电压采集电路，如图5所示，优点是内部元器件可以完全国产化，具有抗辐射指标，且采集精度可调；缺点是零偏较大，线性度和三温一致性差。

图5 电流电压采集电路Fig.5 Current and voltage acquisition circuit

采用单片电流采集芯片，优点是零偏小，线性度高，三温一致性好；缺点是无抗辐射指标，可靠性差。此外，无论何种电流电压采集方式，均需要通过高精密功率电阻来实现对母线电流的电压采集。高精密功率型电阻的主要特点是阻值低，精度高，温度系数小，功率大，体积小和安装牢固性好。

3.1.3 保护电路

保护电路包括I2t反时限保护电路和恒流限流延时关断保护电路两种，其中I2t反时限保护电路因其功率承载能力大，在航天器固态功率控制领域应用广泛。图6为反时限保护特性的典型电路，通过调整电路中电阻和电容的参数值，使过流保护电路的功能与反时限保护方程相互吻合，达到反时限保护的目的。

图6 反时限保护电路Fig.6 Inverse time protection product

基于I2t反时限特性的保护方式在供电线路上发生过载时，允许过载电流流过供电回路并存在一定的时间，这对供电电源的供电能力提出了一定的要求，尤其是在供电线路上存在短路故障时，供电电源应能够在短暂大电流存在的条件下，维持供电电压在正常的范围内，避免故障向该母线上的其他负载扩散。在发生过载及短路故障时，尽管此时大的电流流过固态开关自身，但I2t反时限保护特性并不改变固态开关的饱和工作状态，因此，开关此时的功耗并不会出现大幅上升而威胁SSPC的可靠性，此时开关上的功耗仅由P=IV决定，I为过载电流，V为开关两端的压降。

3.2 固态功率控制器电路特点

1)尺寸小、重量轻

采用厚膜混合集成工艺的固态功率控制器在产品小型化、轻量化设计方面优势明显，封装尺寸和重量与其他封装结构的SSPC相比均有大幅度缩减。

2)智能化程度高

SSPC产品与继电器相比，既可以拓展出过流保护、短路保护和过温保护功能；又可以拓展出状态指示、电流遥测和远程通信功能，智能化程度高，更适合于构建智能的自主管理配电系统。

3)技术领先、可靠性高

固态功率控制器是实现航天器在轨自主管理与故障隔离的唯一途径，具有技术领先、可靠性高的特点；此外，通过辐照加固的SSPC产品在满足宇航应用的同时，还具有功耗低，热阻小，散热好等特点。

4 未来发展方向

固态功率控制技术相较传统的配电控制方式具有许多不可替代的优势，正逐步取代传统的继电器和断路器，成为实现航天器配电自动化的关键技术。未来完全取代传统的配电控制方式，固态功率控制技术还需要在大功率集成、系统可靠性和面向初级配电系统应用等方面开展大量工作。

近年来，固态功率控制器已呈现出由一组输出向多组输出，由直流输出向交流输出，由小电流、小电压向大电流、大电压，由标准引线封装向无引线封装方向发展的趋势。将来，固态功率控制器以其不可替代的技术优势，还将向以下3个方向发展。

1)大功率化

在航空航天领域，一方面，随着系统复杂度的不断提升，对航天器的额定功率和承载能力提出了更高的要求[15]；另一方面，随着电源管理技术的发展，航天器二次配电技术不断向初级配电系统靠拢，这些都将促使固态功率控制技术向大功率方向发展。

2)小型化

在航天器减重降耗趋势的推动下，为了减小航天器供电控制系统的重量和体积，固态功率控制技术将不断向小型化和高密度的方向发展。电路拓扑的多路集成，以及系统级封装技术的工艺保证，将大幅度缩小SSPC产品的重量和体积。

3)智能化

SSPC以其独特的智能化控制优势，在航天器自主管理系统应用前景广阔。未来，固态功率控制技术还将向如何提升供电系统的智能化分配与管理，拓展状态监测功能等方向发展。根据不同的应用环境，远程控制SSPC的电流输出范围和过载保护时间，将大幅提升系统的可靠性和智能化程度。

5 结论

本文通过对固态功率控制器工作原理和主要关键技术的研究，阐述了固态功率控制器的系统架构和电路特点，介绍了航天器固态功率控制技术在高可靠、小尺寸和高智能化程度方面的优势，并对其未来发展方向进行了展望。