CN109450064B - 一种基于双冗余电路的智能固态配电控制器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双冗余电路的智能固态配电控制器及控制方法，配电执行部分均采用双机热备份的方式实现，避免单点失效；配电检测部分采用单独的5V供电，且与配电执行部分完全隔离，确保检测部分故障时，不影响配电功能。配电执行部分中的配电开关采用固体继电器的实现方案，同时在遥测支路、外安支路加入了防电流反灌电路，防止配电开关在采用固态输出形式下引起的电流反灌问题。为了提高配电输出可靠性，SSPC所有配电开关均采用双冗余热备份的方式实现，且冗余的配电开关之间为完全隔离，避免电路中的共因问题造成冗余配电开关的失效。

Description

一种基于双冗余电路的智能固态配电控制器及控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于双冗余电路的智能固态配电控制器及控制方法，属于供配电技术领域。

背景技术

固态功率控制器(Solid State Power Controller,简称为SSPC)一种新型的智能固态开关，具有反时限过流保护、故障限流、短路故障保护等功能，是飞行器配电系统发展的趋势，将逐渐取代继电器、接触器以及保险丝的传统配电模式，成为飞行器主流配电核心器件。它不仅可以根据任务的需求实现对负载的通断控制，而且在负载或配电线路出现过流或短路等故障时可以迅速断开发生故障的负载电路部分，以实现电源的不中断供电，并为电源和配电系统提供全面保护。它是以半导体功率管为核心构成的智能固态开关电器，接通和断开电路不产生电弧，因此可靠性高；体积重量相比接触器、继电器等机械式开关大大降低，功率密度高；并具有反时限过流保护、故障限流、短路故障保护功能等功能。因此，在配电器的设计研发中具有很大的优势。

配电模块作为弹上配电器和地面配电控制组合中实现配电控制和配电测量的关键部分，主要具有供配电控制驱动、电流电压及状态检测等功能，对测量系统稳定、可靠进行数据获取起着非常重要的作用。但是，之前使用的配电器缺乏冗余模块，存在单点故障风险，可靠性不够高；同时，存在设计复杂、体积、重量和功耗都偏大的情况，不利于型号在未来发展中长期使用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于双冗余电路的智能固态配电控制器及控制方法，解决了原有基于接触器、继电器等机械式开关等配电设备功耗高、体积重量大、设计复杂，质量可靠性低等诸多问题。采用通用化、成熟化的思路，进一步缩短了设计和研制的周期，还优化了结构与布局设计，更适应型号装配和使用的需求。

本发明目的通过如下技术方案予以实现：

提供一种基于双冗余电路的智能固态配电控制器，包括控制模块、多个隔离驱动模块和固态配电执行模块；

固态配电执行模块包括三路控制开关，对应控制三路配电支路；

隔离驱动模块用于隔离控制信号，并基于控制信号驱动一个控制开关；

控制模块接收到外部发送的电池激活信号后，输出控制信号，控制第三路控制开关导通保持设定时间，接通第三路配电支路，激活测量系统电池；一段时间后，控制模块输出控制信号，控制第一路控制开关导通，接通第一配电支路为遥测负载提供电流，控制第二路控制开关导通，接通第二配电支路为外测安全负载提供电流。

优选的，隔离驱动模块检测输出的驱动电压，进行隔离后，反馈至控制模块，进行驱动状态监控。

优选的，控制开关采用MOS功率器件。

优选的，每个隔离驱动模块包括信号隔离模块、MOSFET驱动模块、隔离电源、第一电阻、第一二极管；隔离电源提供驱动MOS功率器件的第一驱动电压及经支路输出的第二驱动电压；第一驱动电压经MOSFET驱动模块输出端连接MOS功率器件的栅极，MOS功率器件的源极接地，第二驱动电压经第一电阻和第一二极管连接MOS功率器件的漏极；控制模块输出的控制信号经信号隔离模块隔离后连接隔离模块的输入端；第一电阻与第一二极管正极的连接端作为检测端，反馈检测电压，经隔离模块隔离后反馈至控制模块。

优选的，当MOS功率器件关断时，检测端反馈检测电压为5V，当MOS功率器件导通时，检测端反馈检测电压为0.3V，检测电压隔离后的输入控制模块，控制模块设置输入电压高电平阈值为3.5V，低电平阈值为1.5V，通过输入电压的高低电平，判断MOS功率器件是否导通。

优选的，所述控制模块、隔离驱动模块和固态配电执行模块均为冗余设置。

优选的，三路配电支路均为冗余设置，三路主、备支路中均有非接触式霍尔传感器采集支路电流，采集支路电压，进行状态监控。

优选的，外部发送的电池激活信号经电池激活信号接口模块连接控制模块，电池激活信号接口模块包括第一限流电阻，第二限流电阻，第三限流电阻，并联电阻，二极管，电容及光耦；二极管的正极连接光耦的负输入端，二极管的负极连接光耦的正输入端，并联电阻和电容与二极管并联，光耦的正输入端经第一限流电阻和第二限流电阻连接电源电压；光耦的负输入端经第三限流电阻接入外部发送的电池激活信号，电池激活信号为低电平有效。

优选的，信号隔离模块采用空心磁隔离芯片，MOSFET驱动模块采用MAX5048，隔离驱动模块采用继电器的封装形式进行封装。

同时提供一种基于双冗余电路的智能固态配电控制器的弹上供配电控制方法，包括如下步骤：

(1)主、备控制模块接收到外部发送的电池激活信号后，均输出控制信号至第三路主、备控制开关，控制第三路主、备控制开关导通保持设定时间，第三路主控制开关接通第三路主配电支路，第三路备控制开关接通第三路备配电支路，第三路主配电支路和第三路备配电支路均接通地面电源激活测量系统电池；

(2)电池激活开始1s±50ms，主、备控制模块均输出控制信号至第一路主、备控制开关，均控制第一路主、备控制开关导通，第一路主控制开关接通第一主配电支路，第一路备控制开关接通第一备配电支路，第一主配电支路和第一备配电支路均为遥测负载接入测量系统电池提供的电流；主、备控制模块均输出控制信号至第二路主、备控制开关，均控制第二路主、备控制开关导通，第二路主控制开关接通第二主配电支路，第二路备控制开关接通第二备配电支路，第二主配电支路和第二备配电支路均为外测安全负载接入测量系统电池提供的电流，完成地面电源至测量系统电池的转电。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明基于SSPC技术的配电器设计方法及产品研发是在未来型号对质量可靠性需求不断提高的大背景下开展研究，采用SSPC固态功率控制器设计，解决了原有基于接触器、继电器等机械式开关等配电设备功耗高、体积重量大、设计复杂，质量可靠性低等诸多问题。

(2)本发明全部电路采用双冗余设计，主备支路互相独立，任何一路出现故障都不影响另一路的使用，提高了配电系统的可靠性。

(3)本发明同时监测电路电流通过422和1553B同时送至箭上和地面进行监控，同时还具备自检功能，监控SSPC模块工作的有效性。

(4)基于SSPC技术的配电器设计方案适应未来型号发展，可以为后续各个型号配电器的设计和生产提供重要的依据。该方案已经通过单机测试验证了可行性，并通过了飞行试验的考核。

附图说明

图1为本发明基于双冗余电路的智能固态配电控制器电路结构示意图；

图2为本发明基于双冗余电路的智能固态配电控制器原理框图；

图3为本发明电池激活信号接口电路；

图4为本发明开关状态检测原理框图；

图5为本发明信号隔离驱动原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

基于双冗余电路的智能固态配电控制器(以下简称SSPC)电路结构如图1所示，原理框图如图2所示，可划分为两个部分，即配电执行部分和配电检测部分。其中配电执行部分均采用双机热备份的方式实现，避免单点失效；配电检测部分采用单独的5V供电，且与配电执行部分完全隔离，确保检测部分故障时，不影响配电功能。

配电执行部分中的配电开关采用固体继电器(MOS功率器件)的实现方案，同时在遥测支路、外安支路加入了防电流反灌电路(二极管)，防止配电开关在采用固态输出形式下引起的电流反灌问题。为了提高配电输出可靠性，SSPC所有配电开关均采用双冗余热备份的方式实现，且冗余的配电开关之间为完全隔离，避免电路中的共因问题造成冗余配电开关的失效。

并将电池激活指令信号输出至配电检测部分的处理芯片FPGA，由FPGA将该信号通过422总线上报至弹上测量综合控制器。CPLD上电后进行自检，可分别对遥测支路、外安支路和激活支路双机热备份配电开关中的每一个开关进行驱动控制并检测反馈状态，以确保SSPC单元各支路每个热备份配电开关的工作状态可检测。即CPLD控制各开关导通，各支路导通后反馈到CPLD的引脚，判断个开关状态是否正常。当CPLD检测到电池激活指令后控制电池激活支路的负载接通，并按照时序要求依次接通遥测支路和外安支路，同时，CPLD屏蔽单机自检功能，避免检测部分对配电执行部分进行非预期的控制。参见图4之路中接入隔离电源提供5V偏置电源接入支路，提供10V电源驱动固态继电器，CPLD的控制端输出导通信号，监测到5V电压后通过状态端反馈到CPLD。R1取值为4.7KΩ，D1为反向耐压600V的二极管。当MOSFET关断时，检测端为5V，当MOSFET开通时，检测端为0.3V。利用此特性可以判断出MOSFET通断。而检测端进入信号隔离电路，此信号隔离芯片的输入高电平阈值为3.5V，输入低电平阈值为1.5V。

SSPC单元各支路每个热备份配电开关状态检测表如下表所示：

表1 SSPC单元各支路每个热备份配电开关状态检测表

配电检测部分与配电执行部分完全隔离，确保检测部分故障时，不影响配电功能。配电检测部分主要完成电池电压、地面电源电压、遥测支路电压、外安支路电压的检测，遥测支路电流、外安支路电流和总电流的检测以及各配电开关状态检测，将检测结果通过422总线上报至弹上测量综合控制器。

结合图2，本发明各模块均为双备份，两个CPLD互为备份，每个CPLD均控制所有的固态开关，二者执行操作相同。

SSPC配电模块需要在接收，到指令信号后，分别进行通路1、通路2和通路3的配电控制。同时，将各支路电压、电流测量数据通过并行数据总线传送至弹上测量综合控制器。SSPC配电模块原理框图如下图2所示。

从功能上，SSPC配电模块可划分为两个部分，即配电执行部分和配电检测部分。其中配电执行部分采用双冗余的方式实现，避免单点失效；配电检测部分采用单独的5V供电，且与配电执行部分完全隔离，确保检测部分故障时，不影响配电功能。

由于SSPC配电模块内部需要两路完全隔离的配电执行部分，且与配电检测部分隔离，同时需要采集来自不同支路的电压、电流以及开关状态信号，其SSPC配电模块内部需要多个隔离的电源系统。

配电执行部分中的配电开关采用固体继电器的实现方案，同时在通路1、通路2和通路3支路加入了防电流反灌电路，防止配电开关在采用固态输出形式下引起的电流反灌问题。为了提高配电输出可靠性，SSPC配电模块所有配电开关均采用双冗余的方式实现，且冗余的配电开关之间为完全隔离，避免电路中的共因问题造成冗余配电开关的失效。配电执行部分中的通路1、通路2和通路3配电开关控制指令输入采用光耦隔离，当CPLD检测到指令后控制各路负载接通、关断。配电检测部分与配电执行部分完全隔离，确保检测部分故障时，不影响配电功能。配电检测部分主要完成双冗余的供电电池、通路1、通路2、通路3的电压检测，通路1、通路2、通路3支路电流的检测以及各配电开关状态检测，将检测结果通过并行总线上报至弹上测量综合控制器。

SSPC电源接收500ms±50ms的“电池激活”脉冲信号。在收到“电池激活”信号后，立即接通电池激活通路(支路3)，电池激活通路接通时间为200ms。在电池激活开始后1s±50ms接通弹供通路(支路1和支路2)，完成转电。

电池激活通路的电只允许使用地供通路的电，不能将电池的电与电池激活支路用电接通，避免对电池供电输出造成影响。

如图2、3所示，CPLD通过光耦在收到“电池激活”信号后，控制电池激活主、备开关导通，地面提供的28V直流电经支路3为电池激活负载提供15A的电流，激活测量系统电池，电池激活通路接通时间为200ms，CPLD计时200ms后断开电池激活主、备开关。测量系统电池被激活后提供弹上28V直流电，在测量系统电池激活开始1s±50ms CPLD接通主、备遥测开关，接通支路1为遥测负载提供12.5A电流，接通主备外侧安全开关，接通支路2为外安负载提供2.5A电流，完成转电。三路主、备支路中均有非接触式霍尔传感器采集支路电流，采集三路主、备支路电压，进行状态监控。

参见图5，信号隔离采用ADI公司的空心磁隔离芯片，该磁隔离芯片具有体积小、功耗低和可靠性高等特点。驱动电路采用专有驱动芯片MAX5048，它相对传统的直接驱动功率场效应管的形式，具有驱动能力大(以本产品用的MOSFET IRLS3036-7PPbF为例，它直接控制的开关速度在20个微秒内)，体积小，驱动结构简单(外围电路简单)，驱动性能稳定等特点。同时，此驱动芯片可配合阻容网络，适当调节栅源电压的变化时间，从而适应不同功率输出的负载接通时间和负载关断时间。CPLD输出的控制信号接入空心磁隔离芯片U1的3脚，经隔离后，经6脚输出至驱动芯片U2的6脚，驱动芯片U2驱动固态开关。信号隔离驱动电路采用继电器的封装形式。利用检测端采集固态开关的供电电压，进行固态开关的状态监控。

基于双冗余电路的智能固态配电控制器技术是在未来型号对质量可靠性需求不断提高的大背景下开展研究的。采用SSPC固态功率控制器设计，解决了原有基于接触器、继电器等机械式开关等配电设备功耗高、体积重量大、设计复杂，质量可靠性低等诸多问题。在设计中采用采用通用化、成熟化的思路，进一步缩短了设计和研制的周期。此外，还优化了结构与布局设计，更适应型号装配和使用的需求。基于双冗余电路的智能固态配电控制器技术适应未来型号发展，可以为后续各个型号配电器的设计和生产提供重要的依据。该技术已经通过单机测试验证了可行性，并在某型号中首次进行并通过了飞行试验的考核。

MOS功率器件作为控制开关，MOS管采用Infineon公司的BSC035N10NS5。

表2功率器件选型及主要技术指标

性能指标	BSC035N10NS5
		漏源击穿电压BVdss	100V
连续漏极电流Id	100A
		导通电阻Rds	3.5mΩ

根据技术要求，单路电流10A，功率采用5管表决输出。每个管子通过的电流为5A，单管功耗为：0.0875W。发生一度故障时，单管通过最大电流为10A，单管功耗为0.35W。

基于双冗余电路的智能固态配电控制器技术是在未来型号对质量可靠性需求不断提高的大背景下开展研究的。采用SSPC固态功率控制器设计，解决了原有基于接触器、继电器等机械式开关等配电设备功耗高、体积重量大、设计复杂，质量可靠性低等诸多问题。在设计中采用采用通用化、成熟化的思路，进一步缩短了设计和研制的周期。此外，还优化了结构与布局设计，更适应型号装配和使用的需求。基于双冗余电路的智能固态配电控制器技术适应未来型号发展，可以为配电器的设计和生产提供重要的依据。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种基于双冗余电路的智能固态配电控制器，其特征在于，包括控制模块、多个隔离驱动模块和固态配电执行模块；

固态配电执行模块包括三路控制开关，对应控制三路配电支路；

隔离驱动模块用于隔离控制信号，并基于控制信号驱动一个控制开关；

控制模块接收到外部发送的电池激活信号后，输出控制信号，控制第三路控制开关导通保持设定时间，接通第三路配电支路，激活测量系统电池；一段时间后，控制模块输出控制信号，控制第一路控制开关导通，接通第一配电支路为遥测负载提供电流，控制第二路控制开关导通，接通第二配电支路为外测安全负载提供电流；

隔离驱动模块检测输出的驱动电压，进行隔离后，反馈至控制模块，进行驱动状态监控；

控制开关采用MOS功率器件；固态配电执行模块采用5个MOS功率器件表决输出；每个隔离驱动模块包括信号隔离模块、MOSFET驱动模块、隔离电源、第一电阻、第一二极管；隔离电源提供驱动MOS功率器件的第一驱动电压及经支路输出的第二驱动电压；第一驱动电压经MOSFET驱动模块输出端连接MOS功率器件的栅极，MOS功率器件的源极接地，第二驱动电压经第一电阻和第一二极管连接MOS功率器件的漏极；控制模块输出的控制信号经信号隔离模块隔离后连接隔离模块的输入端；第一电阻与第一二极管正极的连接端作为检测端，反馈检测电压，经隔离模块隔离后反馈至控制模块；

当MOS功率器件关断时，检测端反馈检测电压为5V，当MOS功率器件导通时，检测端反馈检测电压为0.3V，检测电压隔离后的输入控制模块，控制模块设置输入电压高电平阈值为3.5V，低电平阈值为1.5V，通过输入电压的高低电平，判断MOS功率器件是否导通；

三路配电支路均为冗余设置，三路主、备支路中均有非接触式霍尔传感器采集支路电流，采集支路电压，进行固态开关的状态监控。

2.如权利要求1所述的基于双冗余电路的智能固态配电控制器，其特征在于，所述控制模块、隔离驱动模块和固态配电执行模块均为冗余设置。

3.如权利要求1所述的基于双冗余电路的智能固态配电控制器，其特征在于，外部发送的电池激活信号经电池激活信号接口模块连接控制模块，电池激活信号接口模块包括第一限流电阻，第二限流电阻，第三限流电阻，并联电阻，二极管，电容及光耦；二极管的正极连接光耦的负输入端，二极管的负极连接光耦的正输入端，并联电阻和电容与二极管并联，光耦的正输入端经第一限流电阻和第二限流电阻连接电源电压；光耦的负输入端经第三限流电阻接入外部发送的电池激活信号，电池激活信号为低电平有效。

4.如权利要求3所述的基于双冗余电路的智能固态配电控制器，其特征在于，信号隔离模块采用空心磁隔离芯片，MOSFET驱动模块采用MAX5048，隔离驱动模块采用继电器的封装形式进行封装。

5.一种应用如权利要求4所述的基于双冗余电路的智能固态配电控制器实现的基于双冗余电路的智能固态配电控制器的弹上供配电控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)主、备控制模块接收到外部发送的电池激活信号后，均输出控制信号至第三路主、备控制开关，控制第三路主、备控制开关导通保持设定时间，第三路主控制开关接通第三路主配电支路，第三路备控制开关接通第三路备配电支路，第三路主配电支路和第三路备配电支路均接通地面电源激活测量系统电池；

(2)电池激活开始1s±50ms，主、备控制模块均输出控制信号至第一路主、备控制开关，均控制第一路主、备控制开关导通，第一路主控制开关接通第一主配电支路，第一路备控制开关接通第一备配电支路，第一主配电支路和第一备配电支路均为遥测负载接入测量系统电池提供的电流；主、备控制模块均输出控制信号至第二路主、备控制开关，均控制第二路主、备控制开关导通，第二路主控制开关接通第二主配电支路，第二路备控制开关接通第二备配电支路，第二主配电支路和第二备配电支路均为外测安全负载接入测量系统电池提供的电流，完成地面电源至测量系统电池的转电。

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