CN107181295A

CN107181295A - 一种空间用一体化蓄电池放电开关电路

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Publication number: CN107181295A
Application number: CN201710325971.7A
Authority: CN
Inventors: 王腾; 李旭评; 徐伟; 王胜佳; 覃思明
Original assignee: Shanghai Institute of Space Power Sources
Current assignee: Shanghai Institute of Space Power Sources
Priority date: 2017-05-10
Filing date: 2017-05-10
Publication date: 2017-09-19

Abstract

一种空间用一体化蓄电池放电开关电路，包含：开关电路，其串联在蓄电池组和放电电路之间，该开关电路包含并联的第一放电开关、第二放电开关和第三放电开关，每一个放电开关的源极连接蓄电池组，漏极连接放电电路；信号控制电路，其输入端连接开关控制信号，输出端连接开关电路中第一放电开关的栅极，用于控制开关电路中第一放电开关的通断；浪涌电流控制电路，其输入端连接放电电路，输出端连接开关电路中第二放电开关的栅极和第三放电开关的栅极，用于控制开关电路中第二放电开关和第三放电开关的通断，消除浪涌电流。本发明不仅提高了蓄电池组放电开关电路的可靠性和功率质量比，减小了系统的体积和重量，还提高了电源分系统的集成化设计水平。

Description

一种空间用一体化蓄电池放电开关电路

技术领域

本发明涉及航天电源控制领域，尤其涉及一种空间用一体化蓄电池放电开关电路。

背景技术

电源控制器是卫星及其他航天飞行器电源子系统的重要组成部分，为整星提供稳定的一次母线，主要功能为：太阳电池S3R开关分流控制；蓄电池组充电及放电控制；一次母线、蓄电池及太阳电池电压、电流、温度等参数的采集与测量；电源测试接口；蓄电池均衡管理。卫星电源的重量一般占整个卫星重量的30％－40％，严重制约着卫星平台的承载能力，无法满足大载荷需求。为了支持新载荷技术和产品的应用，减少平台重量、体积、功耗等方面对载荷的束缚，星上电源系统需采取轻小型化设计方法，一方面对于现有的系统进行功能优化、重组及整合，以减少电源模块数量，减轻设备重量；另一方面，需要通过ASIC、SoC等高集成技术来提高设备功率密度。电源系统的轻小型化从某种意义上而言也意味着提升了卫星的载荷能力，降低了发射成本。

卫星电源分系统主要由电源控制器、蓄电池组和太阳帆板组成。光照期太阳帆板将太阳能转换成电能并通过电源控制器为星上负载提供能量并对蓄电池组进行充电。阴影期蓄电池组通过电源控制器将化学能转换成电能为星上负载提供能量。在整星地面测试、试验和发射阶段考虑到整星工作的安全性并且保证在整星出现故障情况下，电源分系统能够及时断电。

如图1所示，电源分系统传统的功率连接方式是在蓄电池组和电源控制器中串接有蓄电池连接继电器盒(BCRB)，使用BCRB控制蓄电池组和电源控制器的通断存在如下问题：

1、由于继电器的固有机械属性，在力学环境下可能会产生触点断开、触点粘结、线圈开路、线圈短路等失效模式，从而降低了系统的可靠性。

2、随着整星功率需求不断增加，流过BCRB继电器触点两端的电流也不断的提高，从而造成很难选到满足可靠性设计要求的继电器。

3、功率继电器的体积和重量相对较大，不利于电源分系统小型化和集成化的设计。

发明内容

本发明提供一种空间用一体化蓄电池放电开关电路，不仅提高了蓄电池组放电开关电路的可靠性和功率质量比，减小了系统的体积和重量，还大大提高了电源分系统的集成化设计水平。

为了达到上述目的，本发明提供一种空间用一体化蓄电池放电开关电路，包含：

开关电路，其串联在蓄电池组和放电电路之间，该开关电路包含并联的第一放电开关、第二放电开关和第三放电开关，每一个放电开关的源极连接蓄电池组，漏极连接放电电路；

信号控制电路，其输入端连接开关控制信号，输出端连接开关电路中第一放电开关的栅极，用于控制开关电路中第一放电开关的通断；

浪涌电流控制电路，其输入端连接放电电路，输出端连接开关电路中第二放电开关的栅极和第三放电开关的栅极，用于控制开关电路中第二放电开关和第三放电开关的通断，消除浪涌电流。

所述的信号控制电路包含：

或门，其输入端分别输入“蓄电池电压欠压信号”、“单路放电电路过流保护信号”和“单路放电电路过压信号”，其输出端连接第一与门的输入端；

第一与门，其输入端分别输入“蓄电池放电开关使能信号”、“放电电路使能信号”和或门的输出信号，其输出端连接第一放电开关的栅极。

所述的浪涌电流控制电路包含：

功率电阻，其串联第一放电开关；

比较器，其正极输入端采集母线滤波电容两端电压值，其负极输入端接地，其输出端连接第二与门的输入端；

第二与门，其输入端分别输入比较器的输出信号和信号控制电路中第一与门的输出信号，其输出端连接第二放电开关的栅极和第三放电开关的栅极。

所述的放电开关电路还包含：

串联在第一与门输出端的第一驱动执行电路，用于驱动第一放电开关；

串联在第二与门输出端的第二驱动执行电路)，用于驱动第二放电开关和第三放电开关。

所述的放电开关电路还包含：并联在开关电路输入端上的电容，用于抑制输入端的电压幅度。

所述的放电开关电路还包含：串联在电容上的电阻，用于抑制浪涌电流。

所述的放电开关电路还包含：并联在放电电路输入滤波电容上的功率二极管，用于抑制放电电路中功率电感的反电动势电压。

本发明采用MOS半导体器件替代传统的继电器元器件，并且将放电电路的各项保护功能通过逻辑关系集成于放电开关中，实现放电开关电路的一体化设计，并抑制了浪涌电流和电压，不仅提高了蓄电池组放电开关电路的可靠性和功率质量比，减小了系统的体积和重量，还大大提高了电源分系统的集成化设计水平，研究成果将满足我国未来卫星高比功率电源系统领域的发展需求，可以广泛应用于军事侦察、军事通讯以及卫星星座等。

附图说明

图1是背景技术中电源分系统的电路框图。

图2是放电开关电路的电路连接图。

图3是放电开关电路开关控制信号的逻辑关系图。

图4是放电电路的电路图。

图5是图4中放电电路的电流流向图。

图6是放电电路中无抑制措施时放电开关导通瞬间MOS管浪涌电流波形。

图7是放电开关电路浪涌电流抑制电路的电路图。

图8A和图8B是放电开关电路导通瞬间的电流流向图。

图9是放电电路中有抑制措施时放电开关导通瞬间MOS管浪涌电流波形。

图10是放电开关关断过程电位示意图。

图11是放电开关关断过程中MOS管漏极和源极两端电压实测波形图。

图12是放电开关关断瞬间电压抑制电路的电路图。

图13是改进后的MOS管漏极和源极两端电压实测波形图。

图14是本发明提供的一种空间用一体化蓄电池放电开关电路的电路图。

图15是本发明提供的放电开关电路接通时放电开关Vsd和蓄电池放电电流Ibat的波形图。

图16是本发明提供的放电开关电路关断时放电开关Vsd和蓄电池放电电流Ibat的波形图。

具体实施方式

以下根据图2～图16，具体说明本发明的较佳实施例。

电源控制器连接蓄电池组，其包含多个并联的放电电路，且在每个放电电路和蓄电池组之间串联有放电开关电路。

如图2所示，放电电路是电源控制器的重要组成部分之一，其主要功能是当太阳电池阵不能为整星负载提供所需的能量时，蓄电池组放电电流通过放电电路为整星提供所需的能量。电源控制器根据整星功率的要求会配置不同数量的放电电路。每路放电电路(BDR)的输入口正端均串接有独立的放电开关电路，放电开关电路对放电电路起开关作用。

如图3所示，单路放电开关电路开关控制信号由“蓄电池放电开关使能信号”、“蓄电池电压欠压信号”、“单路放电电路过流保护信号”、“单路放电电路过压信号”和“单路放电电路使能信号”组成，这些信号都来自电源控制器中的电池误差放大电路(BEA)。当单路放电开关电路执行逻辑输出为高电平“1”时，单路放电开关处于导通状态，当单路放电开关电路执行逻辑输出为低电平“0”时，单路放电开关处于截止状态。电源控制器将蓄电池组放电开关功能与放电电路中各项保护功能相结合，实现蓄电池组放电开关和放电保护功能的一体化设计。

放电开关电路串接在电源控制器中的放电电路的输入端，因电源控制器回路中存在电感、电容等寄生参数和功率元器件，因此在放电开关导通和关断的瞬间必须对放电开关MOS管两端的瞬态电流和瞬态电压进行相应的控制和处理，防止放电开关MOS管在导通和关断的瞬间超过MOS器件的SOA安全工作区。以典型的电源控制中采用的BOOST升压型放电电路为例，当放电开关电路串接在其输入口正端时的电路模型如图4所示，L_H为蓄电池组与电源控制器连接导线所产生的寄生电感，Cin为放电电路的输入滤波电容，Cout为电源控制器母线滤波电容阵，V_D为放电电路调制开关管。当放电开关无任何电流抑制措施时，当放电开关导通瞬间蓄电池组放电电流瞬间将对输入电容Cin、调制开关管V_D、母线滤波电容Cout和母线负载进行充和供电，其电流流向如图5所示。

流过放电开关的浪涌总电流为：Iz＝I_Cin+I_Cout+I_D+I_Load，其中：I_Cin是输入电容的充电电流；I_Cout:是母线电容的充电电流；I_D是流过开关管的电流；I_LOAD是母线负载电流。

若不对流过放电开关的瞬态总电流进行控制，其流过放电开关电路MOS管两端的浪涌电流将高于MOS管承受电流的额定值，并可能对开关MOS管造成损害。

在母线负载为10A，放电开关无任何抑制措施的条件下，流过放电开关MOS管两端的浪涌电流为85A，其浪涌电流波形如图6所示，可见流过MOS管的浪涌电流峰值电流为100A。

如图7所示，针对放电开关电路MOS管两端浪涌电流形成机理，设置放电开关电路浪涌电流抑制电路。

其工作原理是当外部电路发送放电开关接通指令时，放电开关电路中串接有功率电阻R的MOS管V1首先导通，此时蓄电池组通过功率电阻R对输入电容Cin和母线滤波电容Cout进行充电，放电电路中的MOS开关管V_D处于截止状态，无任何电流流过。回路中的功率电阻R对蓄电池组接通瞬间所产生的浪涌电流起到抑制作用。此时的电流流向如图8A所示，当母线滤波电容Cout两端电压与蓄电池组电压差小于10V后，比较器C输出高电平，此时放电开关电路中的低阻抗回路MOS管V2和V3导通，放电电路调制开关管V_D也同时进入工作状态。蓄电池组放电电流通过放电开关电路中的MOS管V2和V3进行导通。此时的电流流向如图8B所示。

在母线负载为10A，放电开关电路使用电流抑制措施的条件下，流过放电开关的浪涌电流实测波形如图9所示，图9中上半部分为MOS管DS两端电压波形，下半部分为电流波形，从图9可知放电开关MOS管浪涌电流最大值为45.6A。

因放电电路中电感元器件存在反电势效应，如图10所示，当放电开关关断过程中，寄生电感L_H两端电压反向，回路中A点电位上升，储能电感Ld两端电压反向，回路中B点电压下降。此时放电开关MOS管漏极和源极两端瞬间将承受高电压值。

在蓄电池电压为30V，母线电压为42V的条件下，放电开关关断过程中MOS管漏源两端电压实测波形如图11所示。在放电开关关断瞬间漏源电压Vsd发生谐振，且谐振电压峰值为84.4V，谐振时间为700us。如果瞬间浪涌电压大于MOS开关管可承受的耐压值，则可能对MOS管造成过电压应力损伤。

如图12所示，为抑制放寄生电感L_H瞬间所产生的反电动势电压，在放电开关输入端A点并连一个电容C1，对回路中A点电压幅度进行抑制，为防止蓄电池组接入瞬间对C1充电而所引起浪涌电流，在电容C1中串接一个低阻值电阻R1。为抑制功率电感L_d反电动势电压，在输入滤波电容Cin两端并联一个功率二极管D1，使功率电感L_d在B的瞬间电压始终被嵌位于-0.7V(二极管压降)。

放电开关电路增加了放电开电压抑制电路后，在蓄电池电压为30V，母线电压为42V的条件下，放电开关关断过程中MOS管漏源两端电压实测波形如图13所示，可以看出，漏源电压Vsd峰值电压为32.1V，抑制放电开关关断瞬时电压作用明显。

如图14所示，本发明提供的一种空间用一体化蓄电池放电开关电路具体包含：

开关电路，其串联在蓄电池组和放电电路之间，该开关电路包含并联的第一放电开关V1、第二放电开关V2和第三放电开关V3，每一个放电开关的源极连接蓄电池组，漏极连接放电电路；

信号控制电路，其输入端连接电池误差放大电路(BEA)，输出端连接开关电路中第一放电开关V1的栅极，用于控制开关电路中第一放电开关V1的通断；

浪涌电流控制电路，其输入端连接放电电路，输出端连接开关电路中第二放电开关V2的栅极和第三放电开关V3的栅极，用于控制开关电路中第二放电开关V2和第三放电开关V3的通断，消除浪涌电流。

所述的信号控制电路包含：

或门O，其输入端分别输入“蓄电池电压欠压信号”、“单路放电电路过流保护信号”和“单路放电电路过压信号”，其输出端连接第一与门A1的输入端；

第一与门A1，其输入端分别输入“蓄电池放电开关使能信号”、“放电电路使能信号”和或门O的输出信号，其输出端连接第一放电开关V1的栅极。

所述的浪涌电流控制电路包含：

功率电阻R，其串联第一放电开关V1；

比较器C，其正极输入端采集母线滤波电容Cout两端电压值，其负极输入端接地，其输出端连接第二与门A2的输入端；

第二与门A2，其输入端分别输入比较器C的输出信号和信号控制电路中第一与门A1的输出信号，其输出端连接第二放电开关V2的栅极和第三放电开关V3的栅极。

所述的放电开关电路还包含：

串联在第一与门A1输出端的第一驱动执行电路1，用于驱动第一放电开关V1；

串联在第二与门A2输出端的第二驱动执行电路2，用于驱动第二放电开关V2和第三放电开关V3。

所述的放电开关电路还包含：

并联在开关电路输入端A点上的电容C1，用于抑制A点电压幅度；

串联在电容C1上的电阻R1，用于抑制浪涌电流；

并联在放电电路输入滤波电容Cin上的功率二极管D1，用于抑制功率电感L_d的反电动势电压。

在集成化实物验证中，太阳阵和分流电路已经将母线调节至42V，设置蓄电池模拟器电压为32V，放电开关V1～V3选用IR公司生产的P型MOS管JANSR2N7425，它的DS耐压为100V，最大直流电流为35A。测试接通时放电开关的漏源电压Vsd和蓄电池放电电流Ibat波形如图15所示。其中，上面的为Vsd波形，下面为Ibat波形。从图15中可以看出，在放电开关接通瞬间Vsd无浪涌电压出现。在实物验证中，设置蓄电池模拟器电压为32V，母线负载10A，测试关断时放电开关的漏源电压Vsd和蓄电池放电电流Ibat波形如图16所示。从图16中可以看出，发送断电指令后，MOS管V1～V3同时关断，无浪涌电压和浪涌电流出现。

为了提高电源分系统的可靠性和功率质量比，减小系统的体积和重量。本发明采用MOS半导体器件替代传统的继电器元器件，并将继电器连接盒(BCRB)内部总开关，通过化整为零的设计方式集成于电源控制器各路放电电路的内部。集成于各路放电电路内部的放电开关保护电路不仅拥有传统继电器连接盒的全部功能，并且将放电电路的各项保护功能通过逻辑关系集成于放电开关中，通过放电开关电路执行工作逻辑关系，综合放电开关的瞬态浪涌电流、电压抑制电路，实现放电开关电路的一体化设计功能。本发明不仅提高了蓄电池组放电开关电路的可靠性，还大大提高了电源分系统的集成化设计水平，研究成果将满足我国未来卫星高比功率电源系统领域的发展需求，可以广泛应用于军事侦察、军事通讯以及卫星星座等。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims

1.一种空间用一体化蓄电池放电开关电路，其特征在于，包含：

开关电路，其串联在蓄电池组和放电电路之间，该开关电路包含并联的第一放电开关（V1）、第二放电开关（V2）和第三放电开关（V3），每一个放电开关的源极连接蓄电池组，漏极连接放电电路；

信号控制电路，其输入端连接开关控制信号，输出端连接开关电路中第一放电开关（V1）的栅极，用于控制开关电路中第一放电开关（V1）的通断；

浪涌电流控制电路，其输入端连接放电电路，输出端连接开关电路中第二放电开关（V2）的栅极和第三放电开关（V3）的栅极，用于控制开关电路中第二放电开关（V2）和第三放电开关（V3）的通断，消除浪涌电流。

2.如权利要求1所述的空间用一体化蓄电池放电开关电路，其特征在于，所述的信号控制电路包含：

或门（O），其输入端分别输入“蓄电池电压欠压信号”、“单路放电电路过流保护信号”和“单路放电电路过压信号”，其输出端连接第一与门（A1）的输入端；

第一与门（A1），其输入端分别输入“蓄电池放电开关使能信号”、“放电电路使能信号”和或门（O）的输出信号，其输出端连接第一放电开关（V1）的栅极。

3.如权利要求2所述的空间用一体化蓄电池放电开关电路，其特征在于，所述的浪涌电流控制电路包含：

功率电阻（R），其串联第一放电开关（V1）；

比较器（C），其正极输入端采集放电电路中母线滤波电容（Cout）两端电压值，其负极输入端接地，其输出端连接第二与门（A2）的输入端；

第二与门（A2），其输入端分别输入比较器（C）的输出信号和信号控制电路中第一与门（A1）的输出信号，其输出端连接第二放电开关（V2）的栅极和第三放电开关（V3）的栅极。

4.如权利要求3所述的空间用一体化蓄电池放电开关电路，其特征在于，所述的放电开关电路还包含：

串联在第一与门（A1）输出端的第一驱动执行电路（1），用于驱动第一放电开关（V1）；

串联在第二与门（A2）输出端的第二驱动执行电路（2），用于驱动第二放电开关（V2）和第三放电开关（V3）。

5.如权利要求4所述的空间用一体化蓄电池放电开关电路，其特征在于，所述的放电开关电路还包含：并联在开关电路输入端上的电容（C1），用于抑制输入端的电压幅度。

6.如权利要求5所述的空间用一体化蓄电池放电开关电路，其特征在于，所述的放电开关电路还包含：串联在电容（C1）上的电阻（R1），用于抑制浪涌电流。

7.如权利要求6所述的空间用一体化蓄电池放电开关电路，其特征在于，所述的放电开关电路还包含：并联在放电电路输入滤波电容（Cin）上的功率二极管（D1），用于抑制放电电路中功率电感（L_d）的反电动势电压。