CN109545621A

CN109545621A - 一种应用于宇航大功率接触器的驱动电路

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Publication number: CN109545621A
Application number: CN201811307896.2A
Authority: CN
Inventors: 吴建超; 夏辉; 王力
Original assignee: Beijing Satellite Manufacturing Factory Co Ltd
Current assignee: Beijing Satellite Manufacturing Factory Co Ltd
Priority date: 2018-11-05
Filing date: 2018-11-05
Publication date: 2019-03-29
Anticipated expiration: 2038-11-05
Also published as: CN109545621B

Abstract

一种应用于宇航大功率接触器的驱动电路，包括：闭合驱动电路以及关断驱动电路，其中，闭合驱动电路包括功率继电器闭合驱动电路、接触器闭合驱动电路以及状态继电器闭合驱动电路；关断驱动电路包括功率继电器关断驱动电路、接触器关断驱动电路以及状态继电器关断驱动电路。本发明驱动电路应用于接触器与继电器并联，不仅具有驱动电流小、可靠性高、带延时保护功能，且节省了大量的配电空间和重量，在当前和未来航天器各分系统高压大功率配电设备中具有非常广阔的应用前景。

Description

一种应用于宇航大功率接触器的驱动电路

技术领域

本发明属于大功率配电领域，涉及一种应用于宇航大功率接触器的驱动电路。

背景技术

传统宇航大功率配电设备普遍使用继电器进行功率控制，随着航天器任务日趋复杂，电源系统的功率容量日益增加，常用继电器触点额定电流(最高为40A)已经不满足当前高压大功率配电需求。接触器应运而生，触点额定电流高达200A。

但接触器存在以下缺点：1)所需驱动电流大，单接触器所需驱动电流约为1.5A，远远大于目前典型程控与遥控指令所能提供的最大驱动电流(300mA)。目前航天器典型的大功率开关驱动电路采用4个PNP三极管串并联，但是该驱动电路所提供的驱动电流能力有限，一般最大为800mA,且三极管导通损耗较大。2)接触器外形尺寸为传统大功率继电器的2～3倍，接触器重量为传统大功率继电器的2～4倍。且接触器均为单触点设计，为确保一次配电冗余设计的可靠性安全性要求，必须采用接触器与接触器的并联设计。一台配电设备通常需要十几路配电通路，整颗星(船)至少需要数台配电设备，如此将占用整星(船)大量的空间和重量。

发明内容

本发明的目的是：应高压大功率配电的需求，采用接触器与继电器并联实现大功率配电控制，为其提供一种驱动电流小、可靠性高、带延时保护的驱动电路。

本发明采用的技术方案是：

一种应用于宇航大功率接触器的驱动电路，包括：闭合驱动电路以及关断驱动电路，其中，闭合驱动电路包括功率继电器闭合驱动电路、接触器闭合驱动电路以及状态继电器闭合驱动电路；关断驱动电路包括功率继电器关断驱动电路、接触器关断驱动电路以及状态继电器关断驱动电路；

功率继电器闭合驱动电路、接触器闭合驱动电路以及状态继电器闭合驱动电路为并联关系，接触器闭合驱动电路用于驱动宇航用接触器功率触点闭合，功率继电器闭合驱动电路用于驱动功率继电器的功率触点闭合，实现功率继电器的功率触点与接触器功率触点之间的冗余；状态继电器闭合驱动电路用于驱动状态继电器触点闭合，对功率继电器和接触器的触点状态进行监测；

功率继电器关断驱动电路、接触器关断驱动电路以及状态继电器关断驱动电路为并联关系，接触器关断驱动电路用于驱动宇航用接触器功率触点关断，功率继电器关断驱动电路用于驱动功率继电器的功率触点关断，实现功率继电器的功率触点与接触器功率触点之间的冗余；状态继电器关断驱动电路用于驱动状态继电器触点关断，对功率继电器和接触器的触点状态进行监测。

所述功率继电器闭合驱动电路包括限流电阻电路、反电动势抑制电路、抗磁干扰电路，限流电阻电路和抗磁干扰电路与功率继电器的闭合线包串联在一起，反电动势抑制电路与功率继电器的闭合线包并联；限流电阻电路用于防止功率继电器的闭合线包短路造成供电电源损坏；反电动势抑制电路用于避免对供电电源或接触器驱动电路产生电压尖峰；抗磁干扰电路用于防止功率继电器的闭合线包与关断线包产生的互感应电动势形成潜通路；

功率继电器关断驱动电路包括限流电阻电路、反电动势抑制电路、抗磁干扰电路，限流电阻电路和抗磁干扰电路与功率继电器的关断线包串联在一起，反电动势抑制电路与功率继电器的关断线包并联；限流电阻电路用于防止功率继电器的关断线包短路造成供电电源损坏；反电动势抑制电路用于避免对供电电源或接触器驱动电路产生电压尖峰；抗磁干扰电路用于防止功率继电器的闭合线包与关断线包产生的互感应电动势形成潜通路。

状态继电器闭合驱动电路包括限流电阻电路和反电动势抑制电路，限流电阻电路与状态继电器的闭合线包串联在一起，反电动势抑制电路与状态继电器的闭合线包并联，限流电阻电路用于防止状态继电器的闭合线包短路造成供电电源损坏；反电动势抑制电路用于避免对供电电源或接触器驱动电路产生电压尖峰；

状态继电器关断驱动电路包括限流电阻电路和反电动势抑制电路，限流电阻电路与状态继电器的关断线包串联在一起，反电动势抑制电路与状态继电器的关断线包并联，限流电阻电路用于防止状态继电器的关断线包短路造成供电电源损坏；反电动势抑制电路用于避免对供电电源或接触器驱动电路产生电压尖峰。

接触器闭合驱动电路包括MOS管、MOS管驱动电路、反电动势抑制电路、限流电阻电路以及抗磁干扰电路；

限流电阻电路和抗磁干扰电路与接触器的闭合线包串联在一起，反电动势抑制电路与接触器的闭合线包并联；限流电阻电路用于防止接触器的闭合线包短路造成供电电源损坏；反电动势抑制电路用于避免对供电电源产生电压尖峰；抗磁干扰电路用于防止接触器的闭合线包与关断线包产生的互感应电动势形成潜通路；MOS管驱动电路用于控制MOS管的通断，进而控制给接触器闭合线包加电。

接触器关断驱动电路包括MOS管、MOS管驱动电路、反电动势抑制电路、限流电阻电路、抗磁干扰电路以及MOS管驱动延时电路；

限流电阻电路和抗磁干扰电路与接触器的关断线包串联在一起，反电动势抑制电路与接触器的关断线包并联；限流电阻电路用于防止接触器的关断线包短路造成供电电源损坏；反电动势抑制电路用于避免对供电电源产生电压尖峰；抗磁干扰电路用于防止接触器的闭合线包与关断线包产生的互感应电动势形成潜通路；MOS管驱动电路用于控制MOS管的通断，进而控制给接触器关断线包加电，MOS管驱动延时电路用于延长MOS驱动管响应时间。

抗磁干扰电路包括1只或2只并联的二极管，与线包串联在一起，二极管的阴极连接线包的正极。

MOS管驱动电路包括高端驱动电阻、低端驱动电阻和稳压管；高端驱动电阻和低端驱动电阻均由2只或2只以上电阻并联构成，高端驱动电阻连接在MOS管的栅极和源极之间，稳压管与高端驱动电阻并联，MOS管的栅极通过低端驱动电阻与闭合指令驱动信号连接。

MOS管驱动延时电路包括串连在一起的两个电容，连接在MOS管的栅极和源极之间。

当所述闭合驱动电路接收闭合指令驱动信号时，接触器的闭合线包先于功率继电器的闭合线包上电，从而接触器的触点先于功率继电器的功率触点闭合。

当所述关断驱动电路接收关断指令驱动信号时，功率继电器的关断线包先于接触器的关断线包上电，从而功率继电器的功率触点先于接触器的触点闭合。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、本发明驱动电路采用P型MOS管对接触器进行通断控制，驱动电流小；

2、本发明驱动电路具有延时保护功能，在驱动信号为闭合指令时，接触器先闭合，继电器后闭合，在驱动信号为关断指令时，继电器先断开，接触器后断开，该设计的优点是当通路带大电流进行开关通断时，确保触点额定电流小的继电器触点不被大电流烧蚀。

3、本发明驱动电路功率继电器驱动与接触器驱动为两个独立的驱动电路，任意一个驱动电路发生故障，不影响另外一个驱动电路正常工作，确保了接触器与继电器的冗余设计，可靠性高；

4、本发明驱动电路中功率继电器线圈和接触器线圈分别串联有二极管作为磁抑制电路，为了防止同一接触器/继电器内部闭合线包与关断线包之间产生互感电动势形成潜通路；

5、本发明驱动电路功率继电器、接触器和状态继电器线圈两端并联有保护电路，保护电路由两个串联的二极管构成，用于抑制线圈断电瞬间产生的自感应电动势，避免产生电压尖峰；

6、本发明驱动电路使用了状态继电器，使得状态检测电路与功率电路的隔离效果更好，状态检测电路更安全，状态检测电路实时监控功率继电器或接触器的工作状态，进一步提高了电路的可靠性；

7、本发明驱动电路在功率继电器、接触器和状态继电器线圈串联了电阻，可以防止继电器或接触器线包短路而造成电源损坏。

附图说明

图1为本发明接触器与功率继电器开关并联原理图；

图2为本发明驱动电路的原理图；

图3为本发明驱动电路中状态继电器的工作原理图；

图4为本发明驱动信号为闭合指令时的延时波形。

图5为本发明驱动信号为关断指令时的延时波形。

具体实施方式

宇航用接触器虽触点额定电流远远大于传统继电器，但在应用中存在以下缺点：1、所需的驱动电流(驱动功率)很大；2、外形尺寸大；3、重量大；4、接触器触点为单点，驱动电路也为单点，可靠性差。本发明提出的一种应用于宇航大功率接触器的驱动电路，采用继电器与接触器功率触点并联，不仅节省了配电设备大量的空间和重量、驱动电流小，且接触器与继电器功率触点采用并联设计，接触器驱动与继电器驱动互为冗余，可靠性高，更巧妙的是，通过驱动延时设计，确保接收信号为闭合指令时，接触器先于继电器闭合，接收信号为断开指令时，继电器先于接触器断开，对触点额定电流小的继电器起到保护作用。

图1是接触器与功率继电器开关并联原理图，K1为功率继电器，K1-1和K1-2为功率继电器K1的两组功率触点，K2为接触器功率触点。若采用单接触器作为功率配电开关，由于接触器为单触点，一旦失效，将导致整个配电通路失效，存在单点。但采用双接触器并联设计，又占用太大的空间和重量，且成本很高。因此，本电路采用接触器与继电器并联，功率通道为多触点并联设计，不仅可靠性高，也节省了大量的空间和重量，且节约了成本。当驱动电路的驱动信号为闭合指令时，K2先闭合，K1延后闭合；当驱动信号为关断指令时，K1先断开，K2延后断开。接触器触点额定电流远远大于继电器，因此当带大电流闭合开关时，接触器触点承受大电流切换过程，接触器形成通路后，继电器触点才闭合，对继电器触点起到保护作用；同理，当带大电流断开开关时，此时继电器先断开，接触器后断开，所有电流由接触器触点承担，对继电器触点起到保护作用。在K1,K2均闭合，工作稳定后，由于接触器触点接触电阻小于继电器触点接触电阻，接触器触点通路中的电流大于继电器触点通路的电流。

如图2所示，为本发明提出的一种应用于宇航大功率接触器的驱动电路，包括：闭合驱动电路以及关断驱动电路，其中，闭合驱动电路包括功率继电器闭合驱动电路、接触器闭合驱动电路以及状态继电器闭合驱动电路；关断驱动电路包括功率继电器关断驱动电路、接触器关断驱动电路以及状态继电器关断驱动电路；

如图2所示，功率继电器闭合驱动电路与关断驱动电路相同，均包括限流电阻电路、反电动势抑制电路、抗磁干扰电路。

K1S和K1R分别为功率继电器闭合线包和关断线包。限流电阻电路R1～R2和R11～R12，分别与功率继电器的闭合线包和关断线包串联，主要目的是为了防止功率继电器线包短路影响供电电源。确定限流电阻阻值的原则是正常工作时压降不影响继电器线包正常工作，线包短路时不会使供电电源过载；确定限流电阻额定功率的原则是正常工作时满足降额要求，线包短路时能够由于过功率而呈开路状态，使短路线包与供电电源脱离。二极管V3和V9分别与功率继电器闭合线包和关断线包串联，且二极管阴极连接线包正端，其作用是防止功率继电器闭合线包与关断线包产生的互感应电动势形成潜通路。例如，当功率继电器闭合线包断电瞬间，会在关断线包上产生上正下负的互感应电动势，从而在接触器关断驱动电路的栅极和源极产生电压，使关断驱动电路工作，给接触器关断线包加电，导致误动作。增加二极管V3和V9，正好阻断了这一通路。二极管V1～V2和V7～V8分别与功率继电器闭合线包和关断线包的串联支路并联，其作用在功率继电器线包断电瞬间抑制线包储存能量产生的自感应电动势，即反电势，以避免对供电电源或接触器驱动电路产生电压尖峰。二极管串联应用是针对二极管主要的短路失效模式而采取的措施。

如图2所示，状态继电器闭合驱动电路与关断驱动电路相同，均包括限流电阻电路和反电动势抑制电路。

K3S和K3R分别为状态继电器闭合线包和关断线包。限流电阻电路R9～R10和R19～R20，分别与状态继电器的闭合线包和关断线包串联，主要目的是为了防止状态继电器线包短路影响供电电源。限流电阻阻值和额定功率的选取原则与上述功率继电器线包的限流电阻一致。二极管V4～V5和V10～V11分别与状态继电器闭合线包和关断线包的串联支路并联，其作用在状态继电器线包断电瞬间时抑制线包储存能量产生的反电势，以避免对供电电源或接触器线包产生电压尖峰。

如图2所示，接触器闭合驱动电路包括MOS管、MOS管驱动电路、反电动势抑制电路、限流电阻电路以及抗磁干扰电路。

Q1为P型MOS管，MOS管的源极与供电电源连接，MOS管的漏极连接至接触器闭合线包支路。MOS管的选取原则是漏极电流要大于闭合接触器线包和闭合状态继电器线包工作时的总电流；MOS管瞬间功耗满足降额要求。MOS管闭合驱动电路包括R3～R4、R5～R6和稳压管W1。R3～R4为驱动电路高端驱动电阻，分别与MOS管的栅极和源极相连，R5～R6为驱动电路低端驱动电阻，分别与MOS管的栅极与驱动信号端相连。

R3～R4、R5～R6电阻阻值的选取原则是：

一方面确保MOS管栅极和源极两端分压绝对值大于MOS管栅源极截止电压绝对值，即|V_GS|≥|V_GS(off)|，此时，MOS管源极与漏极两端导通，接触器线圈与状态继电器线圈加电；

一方面确保驱动信号到达时，供电电源与驱动信号端的驱动电流不大于300mA(目前典型程控和遥控指令所能提供的最大驱动电流为300mA)。R3～R4、R5～R6电阻额定功率选取原则是正常工作时满足降额要求。稳压管W1并联于MOS管栅极与源极之间，且稳压管阴极与MOS管源极相连，确保栅源两端电压在MOS管栅源额定电压范围之内。稳压管W1用于过压保护，仅在故障时起到稳压作用。稳压管的选取原则是，稳压值要在MOS管栅源额定电压范围内。K2S为接触器闭合线包，限流电阻R7～R8与接触器闭合线包串联，主要目的是为了防止接触器线包短路影响供电电源。限流电阻阻值和额定功率的选取原则与上述功率继电器线包的限流电阻一致。二极管V6为接触器闭合线包抗磁干扰电路，V6阴极与接触器闭合线包正端相连，用于防止接触器闭合线包断电瞬间，在关断线包上产生上正下负的互感应电动势形成潜通路。二极管V4～V5为反电动势抑制电路，接触器闭合线包支路与状态继电器闭合线包支路并联，因此采用同一个反电动势抑制电路。

如图2所示，接触器关断驱动电路包括MOS管、MOS管驱动电路、反电动势抑制电路、限流电阻电路、抗磁干扰电路以及MOS管驱动延时电路。其中MOS管、MOS管驱动电路、反电动势抑制电路、限流电阻电路、抗磁干扰电路与接触器闭合驱动电路相同，只是针对接触器关断线包设计，各电路元器件参数选取原则，设计原理均与闭合驱动电路中一致。

电容C1与C2串联，构成MOS管驱动延时电路。C1～C2两端分别连接至MOS管Q2的栅极和源极两端，其作用是，使MOS管栅极和源极两端缓慢上电，在驱动信号接收闭合指令时，延长接触器关断驱动的响应时间，确保接触器关断线包延后于功率继电器关断线包上电，从而确保接触器触点延后于继电器功率触点断开。

C1～C2的选取原则一方面是直流工作电压满足降额要求，另一方面，C1～C2的电容值要满足延时时间需求，即确保继电器关断线包先于接触器关断线包工作。

如图2，Vin+和Vin-分别表示为接触器和功率继电器线圈供电电源的正负输入端，驱动信号的参考端为Vin-，即驱动信号的参考地为供电电源的回线Vin-。根据工程经验可知，接触器线包的响应时间约为7ms，功率继电器线包的响应时间约为12ms，MOS管的响应时间小于1ms(按照1ms计算)。

当闭合指令端接收驱动信号(假设驱动信号为80ms)时，闭合指令端与参考端(Vin-)呈80ms的接通状态，此时，R3～R4与R5～R6之间分压，且|V_GS|≥|V_GS(off)|，MOS管响应1ms后，源极与漏极导通，接触器闭合线包与状态继电器线包加电，再过7ms后，接触器闭合线包响应，接触器功率触点闭合。此时，从接收驱动信号到接触器功率触点闭合总共用时8ms。而功率继电器闭合线包响应时间为12ms，即从接收驱动信号到功率继电器功率触点闭合总共时间为12ms。

因此，接触器触点先于继电器功率触点闭合。接触器触点额定电流远远大于功率继电器，因此当带大电流闭合开关时，接触器触点承受大电流切换过程，接触器形成通路后，功率继电器触点才闭合，对功率继电器触点起到保护作用。

当关断指令端接收驱动信号(假设驱动信号为80ms)时，关断指令端与参考端(Vin-)呈80ms的接通状态，此时，R13～R14与R15～R16之间分压，但由于C1～C2存在，使得MOS管栅源极电压(V_GS)建立缓慢，通过选取合适的容值，使|V_GS|≥|V_GS(off)|的建立时间远大于4ms(即：“|V_GS|≥|V_GS(off)|的建立时间”+“MOS管响应时间”+“接触器关断线包响应时间”>“功率继电器关断线包响应时间”)，从而确保接触器功率触点延后于功率继电器功率触点断开。接触器触点额定电流远远大于功率继电器，因此当带大电流断开开关时，此时功率继电器先断开，接触器延后断开，所有电流由接触器触点承担，对功率继电器触点起到保护作用。

图4为本发明驱动信号为闭合指令时的延时波形。T为驱动信号持续时间，一般为80ms，A为接触器与功率继电器并联通路中的总电流。当驱动信号为闭合指令时，驱动信号到达后0.1T(典型值)，接触器先闭合，接触器触点电流为A，在驱动信号到达后0.15T(典型值)，继电器再闭合，继电器触点和接触器触点分流，由于接触器触点接触阻抗小于继电器触点接触阻抗，因此，接触器触点承担的电流(0.8A)大于继电器触点电流(0.2A)。具体分流比例，要根据接触器触点与继电器触点接触阻抗的阻抗比例。由此可知，接收闭合指令时，由于接触器先于继电器动作，继电器触点几乎为空载闭合，该时序对继电器触点起到保护作用。

图5为本发明驱动信号为关断指令时的延时波形。同理，T为驱动信号持续时间，A为接触器与功率继电器并联通路中的总电流。在接触器与继电器处于闭合状态时，接触器触点电流为0.8A，继电器触点电流为0.2A。当关断指令到达后0.15T(典型值)，继电器先断开(带载0.2A)，此时，接触器触点电流变为A，在驱动信号到达后0.25T(典型值)，接触器再断开(带载1A)。由此，可知，继电器先于接触器断开，带载电流小，对触点起到保护作用。需要强调说明的是，接触器或继电器带载闭合或关断瞬间，只要确保触点带载电流小于触点额定电流的一半，即满足I级降额使用，则可确保接触器或继电器的可靠性使用。

图3为本发明驱动电路中状态继电器的工作原理图，K3为状态继电器的2组转换触点，状态信号表示状态检测输出端，对应功率继电器和接触器开关的2种工作状态，状态信号可以输出与TTL和CMOS兼容的+5V逻辑状态电平(逻辑电平由检测电路供电电源电压决定)，高电平对应接通，低电平对应断开。之所以使用K3而没有使用K1和K2本身的状态触点来反映K1、K2的实际状态，主要是出于安全性方面的考虑。因为接触器或功率继电器的大功率触点动作会产生比较强的电弧干扰，特别是在容性和感性负载的情况下。与外置状态继电器进行状态检测相比，与接触器或功率继电器的功率触点同处一个壳体中的状态触点更容易受到大功率触点电弧的干扰。

假设图2中，MOS管源极-漏极导通压降V_SD＝0.5V，抗磁干扰二极管正向导通压降为0.7V，驱动信号时间长度为80ms。

当驱动信号端与参考端(Vin-)呈断开状态,此时功率继电器线包两端电压为零，MOS管栅极-源极无电压，MOS管源极-漏极处于截止状态，接触器线包及状态继电器线包两端电压均为零，功率继电器、接触器和状态继电器均不动作。当驱动信号有效时，即驱动信号与参考端(Vin-)呈现一定时间(假设80ms)的接通或短路状态，此时功率继电器线包两端电压为V_K1(见公式1)，MOS管源极-漏极分压为V_GS(见公式2)，MOS管栅极-源极高端驱动电阻和低端驱动电阻的选择，要保证|V_GS|≥|V_GS(off)|，这样MOS管源极-漏极处于导通状态，供电电源加到接触器和状态继电器线包两端，使接触器和状态继电器触点动作而改变控制状态(此时，若驱动信号加到闭合指令端，则功率继电器、接触器、状态继电器触点均闭合，若驱动信号加到关断指令端，则功率继电器、接触器、状态继电器触点均关断)。

驱动信号有效时，功率继电器线包两端电压V_K1见公式(1)：

式中：

Vin为供电电源电压(V)；

R_1S为功率继电器线包限流电阻(Ω)；

R_K1为功率继电器线包电阻(Ω)；

驱动信号有效时，MOS管源极-漏极分压V_GS见公式(2)：

式中：

Vin为供电电源电压(V)；

R_G1为MOS管高端驱动电阻(Ω)；

R_G2为MOS管低端驱动电阻(Ω)；

驱动信号有效时，功率继电器线包支路电流I_K1见公式(3)：

式中：

Vin为供电电源电压(V)；

R_1S为功率继电器线包限流电阻(Ω)；

R_K1为功率继电器线包电阻(Ω)；

驱动信号有效时，MOS管驱动端电流I_G见公式(4)：

式中：

Vin为供电电源电压(V)；

R_G1为MOS管高端驱动电阻(Ω)；

R_G2为MOS管低端驱动电阻(Ω)；

驱动信号有效时，接触器线包支路电流I_K2见公式(5)：

式中：

Vin为供电电源电压(V)；

R_2S为接触器线包限流电阻(Ω)；

R_K2为接触器线包电阻(Ω)；

驱动信号有效时，状态继电器线包支路电流I_K3见公式(6)：

式中：

Vin为供电电源电压(V)；

R_3S为状态继电器线包限流电阻(Ω)；

R_K3为状态继电器线包电阻(Ω)；

由图2可知，闭合驱动电路与关断驱动电路中，公式(1)～(6)计算方式和计算结果相同。

功率继电器线包限流电阻R_1S，接触器线包限流电阻R_2S和状态继电器线包限流电阻R_3S阻值的确定原则是其压降不超过2V或阻值不超过其所串联线包电阻的1/15，不能影响继电器或接触器的正常可靠工作。

在驱动信号有效时，抗磁干扰二极管V3，V6，V9，V12正向导通电流分别等于二极管所串联的支路电流：V3，V9，正向导通电流等于I_K1，V6，V12正向导通电流等于I_K2。

在驱动信号有效时，驱动信号端的总驱动电流为MOS管驱动端电流I_G与功率继电器线包支路电流I_K1之和。功率继电器线包电阻、以及MOS管高端与低端驱动电阻阻值选取原则，是确保总驱动电流远小于300mA。驱动信号为闭合指令和关断指令时，总驱动电流相同。

在驱动信号有效时，MOS管Q1和Q2的源极与漏极导通，源极到漏极正向导通电流等于接触器线包支路电流与状态继电器线包支路电流之和，即I_K2+I_K3,MOS管漏极额定电流值选取原则是应远大于(I_K2+I_K3)。

在驱动信号开始由有效变为无效瞬间，继电器或接触器线包储存的能量使反电动势抑制二极管(V1～V2，V4～V5，V7～V8，V10～V11)由反向截止变为正向导通。V1～V2、V7～V8正向导通电流的最大值等于I_K1，V4～V5、V10～V11正向导通电流的最大值等于(I_K2+I_K3)。

下面以控制100V直流母线、5KW阻性负载为例，说明该驱动电路的设计过程和优点。

1、考虑开关触点电流降额要求，选择触点电压大于100V、触点电流大于100A、标称控制电压为28V的开关。目前宇航用继电器无法满足选用需求，因此，需选用直流电压120V，触点额定电流100A，标称控制电压为28V的接触器。

2、对于高可靠性配电控制，需设计两个并联的开关。可以采用两只接触器并联，或接触器与功率继电器并联(确保功率继电器触点通断时满足触点额定电流降额)。单只接触器重约450g，单只功率继电器重约为150g，且单只接触器外形尺寸为60mm*60mm*41mm，单只功率继电器外形尺寸为42mm*27mm*38mm。因此，一路配电控制若采用两只接触器并联相对于采用接触器与继电器并联，节约平铺面积18mm*33mm(高度节约3mm可忽略)，减重300g。以某星船为例，共需配电控制通路52路，则共节省平铺面积936mm*1716mm，减重达15.6kg。一台大型配电设备的平铺面积一般为300mm*400mm，重量一般为10～20kg。由此可见，采用接触器并联功率继电器，为星船节约3台大型配电设备空间，节约1台大型设备重量。

3、接触器线包电阻约为20Ω，由公式(5)计算，所需的驱动电流约1.5A，而现有技术中典型大功率开关驱动电路最大驱动能力为800mA，无法实现对接触器的控制。本发明采用P型MOSFET实现接触器驱动，由公式(4)计算，接触器驱动电流不大于10mA。MOS管的选择要考虑源极-漏极(V_DS)的耐压值及漏极额定电流值(I_D)。MOS管的V_DS应大于2倍的供电电压(不小于60V即可)，漏极额定电流值(I_D)应远大于I_K2+I_K3，I_K2和I_K3按照公式(5)和公式(6)计算。

4、根据选择的P型MOSFET栅极-源极截止电压(V_GS(off))，确定栅极-源极高端驱动电阻和低端驱动电阻，确保|V_GS|≥|V_GS(off)|。为了确保驱动电阻发生短路或断路故障时，MOS管栅极-源极电压不大于额定值，在MOS管栅极-源极并联稳压管，稳压管的选取原则是，稳压管的稳压值小于MOS管栅极-源极电压，稳压管的反向耐压值应大于2倍的供电电压(不小于60V即可)。

5、根据功率继电器、接触器、状态继电器线包参数，包括正常工作电压范围、线包阻值及误差范围，确定线包限流电阻的阻值和功率，限流电阻阻值确定原则是其压降不超过2V或阻值不超过所串联线包电阻的1/15；

6、根据接触器、功率继电器、状态继电器线包支路上的电流来确定反电动势抑制二极管的正向电流：V1～V2、V7～V8正向导通电流的应大于I_K1，V4～V5、V10～V11正向导通电流应大于(I_K2+I_K3)。I_K1，I_K2，I_K3由公式(3)、公式(5)和公式(6)计算。二极管的反向额定电压应不小于2倍供电电源电压(不小于60V即可)；

7、根据接触器、功率继电器线包支路上的电流来确定抗磁干扰二极管的正向电流：V3，V9，正向导通电流应大于I_K1，V6，V12正向导通电流应大于I_K2。I_K2，I_K3由公式(5)和公式(6)计算。二极管的反向额定电压应不小于2倍供电电源电压(不小于60V即可)；

8、由设计电路可知，从接收驱动信号开始到接触器触点动作时间为：接触器线包响应时间+接触器线包驱动时间。从接收驱动信号开始到功率继电器触点动作时间为：功率继电器线包响应时间。根据工程经验可知，接触器线包响应时间+接触器线包驱动时间小于功率继电器线包响应时间，因此在驱动信号为闭合指令时，接触器先于继电器闭合，对继电器触点起到保护作用。而当驱动信号为关断指令时，需延长接触器触点动作时间才能保证功率继电器触点先关断。因此，在接触器关断驱动电路中的MOS管栅极-源极之间增加延时电容，使|V_GS|≥|V_GS(off)|的建立时间延长。C1和C2电容容值的选取，应通过实践调试，需确保延时时间能够满足功率继电器触点先动作，即：接触器线包响应时间+接触器线包驱动时间大于功率继电器线包响应时间。电容直流工作电压应满足不小于2倍供电电源电压(不小于60V即可)。

9、在完成了元器件的选型后，进行电路原理仿真，仿真结果满足设计要求，并核算元器件的电压、电流和功率降额满足要求。

表1给出本发明与现有技术相比各项优点：

表1

Claims

1.一种应用于宇航大功率接触器的驱动电路，其特征在于包括：闭合驱动电路以及关断驱动电路，其中，闭合驱动电路包括功率继电器闭合驱动电路、接触器闭合驱动电路以及状态继电器闭合驱动电路；关断驱动电路包括功率继电器关断驱动电路、接触器关断驱动电路以及状态继电器关断驱动电路；

2.根据权利要求1所述一种应用于宇航大功率接触器的驱动电路，其特征在于：所述功率继电器闭合驱动电路包括限流电阻电路、反电动势抑制电路、抗磁干扰电路，限流电阻电路和抗磁干扰电路与功率继电器的闭合线包串联在一起，反电动势抑制电路与功率继电器的闭合线包并联；限流电阻电路用于防止功率继电器的闭合线包短路造成供电电源损坏；反电动势抑制电路用于避免对供电电源或接触器驱动电路产生电压尖峰；抗磁干扰电路用于防止功率继电器的闭合线包与关断线包产生的互感应电动势形成潜通路；

3.根据权利要求1所述一种应用于宇航大功率接触器的驱动电路，其特征在于：状态继电器闭合驱动电路包括限流电阻电路和反电动势抑制电路，限流电阻电路与状态继电器的闭合线包串联在一起，反电动势抑制电路与状态继电器的闭合线包并联，限流电阻电路用于防止状态继电器的闭合线包短路造成供电电源损坏；反电动势抑制电路用于避免对供电电源或接触器驱动电路产生电压尖峰；

4.根据权利要求1所述一种应用于宇航大功率接触器的驱动电路，其特征在于：接触器闭合驱动电路包括MOS管、MOS管驱动电路、反电动势抑制电路、限流电阻电路以及抗磁干扰电路；

5.根据权利要求1所述一种应用于宇航大功率接触器的驱动电路，其特征在于：接触器关断驱动电路包括MOS管、MOS管驱动电路、反电动势抑制电路、限流电阻电路、抗磁干扰电路以及MOS管驱动延时电路；

限流电阻电路和抗磁干扰电路与接触器的关断线包串联在一起，反电动势抑制电路与接触器的关断线包并联；限流电阻电路用于防止接触器的关断线包短路造成供电电源损坏；反电动势抑制电路用于避免对供电电源产生电压尖峰；抗磁干扰电路用于防止接触器的闭合线包与关断线包产生的互感应电动势形成潜通路；MOS管驱动电路用于控制MOS管的通断，进而控制给接触器关断线包加电；MOS管驱动延时电路用于延长MOS管的驱动响应时间。

6.根据权利要求2、4或5所述一种应用于宇航大功率接触器的驱动电路，其特征在于：抗磁干扰电路包括1只或2只并联的二极管，与线包串联在一起，二极管的阴极连接线包的正极。

7.根据权利要求4或5所述一种应用于宇航大功率接触器的驱动电路，其特征在于：MOS管驱动电路包括高端驱动电阻、低端驱动电阻和稳压管；高端驱动电阻和低端驱动电阻均由2只或2只以上电阻并联构成，高端驱动电阻连接在MOS管的栅极和源极之间，稳压管与高端驱动电阻并联，MOS管的栅极通过低端驱动电阻与指令驱动信号连接。

8.根据权利要求5所述一种应用于宇航大功率接触器的驱动电路，其特征在于：MOS管驱动延时电路包括串连在一起的两个电容，连接在MOS管的栅极和源极之间。

9.根据权利要求4所述一种应用于宇航大功率接触器的驱动电路，其特征在于：当所述闭合驱动电路接收闭合指令驱动信号时，接触器的闭合线包先于功率继电器的闭合线包上电，从而接触器的触点先于功率继电器的功率触点闭合。

10.根据权利要求5所述一种应用于宇航大功率接触器的驱动电路，其特征在于：当所述关断驱动电路接收关断指令驱动信号时，功率继电器的关断线包先于接触器的关断线包上电，从而功率继电器的功率触点先于接触器的触点闭合。