CN110474304B - 一种磁隔离式高压母线高速响应过流保护电路 - Google Patents

一种磁隔离式高压母线高速响应过流保护电路 Download PDF

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Abstract

本发明一种磁隔离式电源母线高速响应过流保护电路,包括母线开关场效应管、隔离式高速母线电流采集电路、过流判断电路、脉冲隔离变压器、脉冲信号锁存电路、过流保护执行电路。通过采集母线电流,将采集信号输入过流判断电路,过流判断电路输出脉冲信号,并通过脉冲变压器传输至次级锁存电路,锁存电路将该脉冲信号变换为设定电平信号后传输至过流保护执行电路,从而关闭母线开关场效应管,实现过流保护。过流故障解除后,通过外部保护恢复信号,恢复锁存电路至初始状态,重新开启母线开关场效应管。该电路适用于具有磁隔离需求的宇航高压母线的保护,可实现过流保护及保护恢复功能。

Description

一种磁隔离式高压母线高速响应过流保护电路
技术领域
属于航天飞行器电源系统供电可靠性领域,尤其涉及一种磁隔离式高压母线高速响应过流保护电路电路。
背景技术
目前空间站、高轨卫星等大型航天器普遍采用100V高压母线供电体制,该体制下普遍要求各电子产品及配电设备具有磁隔离设计以提高航天器可靠性。目前母线过流保护通常采用熔断器、继电器等方式进行过流保护。熔断器具有响应快、设计简单等特点,但目前高可靠宇航熔断器熔断电流不大于15A,无法满足部分大功率电子产品的使用要求,同时使用大电流熔断器时,对航天器供电系统提出了大熔断电流的要求,不利于整体优化设计。继电器保护实现了控制电路与母线间的隔离问题,但由于其自身机械特性,其动作时间较长,响应速度较慢,无法实现高速响应。
因此,设计出适用于宇航用100V高压母线的大电流过流保护电路,保证过流保护功能的高速响应、高可靠性是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是:克服现有技术的不足,提出了一种磁隔离式高压母线高速响应过流保护电路,能够实现高压母线后端电子设备故障时高速切断回路,实现母线保护的功能。同时该保护电路具有磁隔离特性,适用于高压母线体制下特有的隔离要求,具有高可靠性的特点。
为实现以上目的,本发明采用如下技术方案:一种磁隔离高压母线高速响应过流保护电路,包括:母线开关场效应管、隔离式高速母线电流采集电路、过流判断电路、脉冲隔离变压器、脉冲信号锁存电路和过流保护执行电路,
隔离式高阻母线电流采集电流对母线电流进行采样,并将电流采样信号出传输至过流判断电路;当发生过流故障时,过流判断电路输出脉冲信号至脉冲隔离变压器,脉冲隔离变压器将该脉冲信号隔离传输至位于次级侧的脉冲信号锁存电路,脉冲信号锁存电路将该脉冲信号转换为常值电平信号输出至过流保护电路,过流保护接收常值电平信号后关闭母线开关场效应管,最终实现母线供电回路的切换功能。
所述母线开关场效应管采用N沟道场效应管,场效应管源极连接母线输入负线端,场效应管漏极连接后端电子设备的负线端。
所述隔离式高速母线电流采集电路功能为对母线电流进行磁隔离采样,保证判断电路与功率输入母线间电气隔离;隔离式母线电流采集电路由霍尔电流传感器及隔离二极管构成;霍尔电流传感器对母线进行隔离采样得到母线电流采样信号,霍尔电流传感器输出端连接至隔离二极管阳极,隔离二极管阴极连接至过流判断电路。
所述霍尔电流传感器响应时间不大于5us。
所述过流判断电路包括高速比较器、过流基准信号产生电路、PNP三极管功率放大电路;过流基准信号产生电路采用低温漂高精度基准稳压管,低温漂高精度基准稳压管输出稳压信号并经电阻分压后输入至高速比较器正向输入端,母线电流采样信号输入至高速比较器负向输入端,高速比较器输出端连接至PNP三极管功率放大电路中PNP三极管的B极,PNP三极管C极连接至隔离脉冲变压器,PNP三极管e极经限流电阻R6后连接至电源端。
所述过流保护执行电路由NPN三极管V6、电阻R12、滤波电容C2构成;NPN三极管C极连接母线开关场效应管的G极,NPN三极管e极连接母线开关场效应管S极;电阻R12一端连接脉冲信号锁存电路,另一端连接NPN三极管B极;NPN三极管V6的BE极间并联滤波电容C2;
所述滤波电容C2与电阻R12构成RC电路的时间常数不大于50us。
所述脉冲信号锁存电路采用脉冲触发开关电路,脉冲信号锁存电路接受脉冲信号变压器传输的脉冲信号,并触发锁存功能,输出恒定高电平信号。
所述脉冲触发开关电路包括分压供电电路、供电控制电磁继电器K1、PNP-NPN锁存电路;
分压供电电路由电阻R9、电阻R10、和电容C1构成;电阻R9一端连接母线正线,另一端连接电阻R10一端;电阻R10另一端连接母线负线,电容C1并联至电阻R10两端;分压后电阻R10两端电压为12V±5V;所述电容C1
Figure BDA0002140576910000031
其中V为电阻R10两端电压,t为总响应时间、R为电阻R12的阻值,ΔVc为允许电容电压波动值;分压供电电路通过电磁继电器K1后对PNP-NPN锁存电路进行供电;PNP-NPN锁存电路由三极管V2、V3构成,其中V2的E极连接脉冲隔离变压器输出端;电磁继电器K1一端连接分压供电电路,另一端连接PNP-NPN锁存电路中PNP三极管E极,PNP三极管C极同时连接脉冲变压器一端及NPN三极管B极;PNP三极管B极连接NPN三极管C极与过流保护执行电路的限流电阻端,NPN三极管e极连接母线输入负线端。
所述脉冲隔离变压器需可传递单向单次脉冲信号,其初次级变比不大于1,励磁电感大于等于5mH。
本发明与现有技术相比的优点为:目前宇航用高压母线过流保护技术包括熔断器、继电器过流保护电路、光耦隔离式过流保护电路。其中光耦隔离式过流保护中应用了光耦器件,由于宇航中光电位移效应,光耦器件在宇航应用中可靠性较低,故该类过流保护电路无法用于重要单机设备中。本发明采用的过流保护电路,其涉及元器件均为宇航高可靠及成熟元器件,电路较为简单,可靠性较高。相对于熔断器对熔断电流的要求,在大电流应用中,本发明无需对输入母线最大电流能力提出额外要求,降低了对供配电的难度。相对于继电器过流保护电路,本发明可以将过流保护响应时间缩减至100us内,远远小于继电器过流保护所需保护响应时间。
附图说明
图1是磁隔离式高压母线高速响应过流保护电路原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明:
如图1所示,本发明一种磁隔离高压母线高速响应过流保护电路,包括:母线开关场效应管、隔离式高速母线电流采集电路、过流判断电路、脉冲隔离变压器、脉冲信号锁存电路和过流保护执行电路;
Q1为N沟道场效应晶体管,Q1串联至母线负端回路中。正常工况下,通过电阻R13、R14分压作用,保证Q1栅源电压为10V±2V,Q1开通,母线供电正常,Q1的耐电流能力需大于母线过流保护点,耐电压能力需大于母线电压。
隔离式高速母线电流采集电路功能为对高压母线正端电流进行信号采集并将其输入至高速比较器负端。母线采集电路采用高速响应霍尔电流传感器构成,输出信号与被采电流间为磁隔离,为保证响应速度,霍尔电流传感器响应时间需不大于5us,本例子中霍尔电流传感器型号为CDC20,响应时间1us。
过流判断电路由过流基准信号产生电路、PNP三极管功率放大电路构成。母线电流采集信号输入至比较器N1负向输入端。基准稳压管V7产生过流基准电压信号Vref并输入至比较器正向输入端。为保证在宇航高温差环境中,基准电压信号Vref的高精度,本例子中基准稳压管选用低温漂宇航稳压管2DW15D。当母线电流采样信号大于过流基准信号(即后端发生过流故障时),高速比较器N1输出低电平脉冲。该低脉冲信号输入至PNP三极管的B极,PNP三极管由截止态转换为饱和态,三极管饱和导通,低脉冲信号转换为高脉冲信号并作为最终判断信号输入至脉冲隔离变压器T1。为保证一定的信号强度,使得该信号有效传递至变压器次级,限流电阻R6不应过大,本例子限流电阻阻值为100Ω。
脉冲隔离变压器T1作为磁隔离器件,将过流判断电路侧(初级侧)脉冲高电平信号隔离传输至母线侧(次级侧),实现控制电路部分与母线功率电路部分的磁隔离。为保证单次脉冲信号的有效传递,本例子中变压器初次级变比需不小于本例子中变压器初次级变比为1:1.2,初级励磁电感量5mH。
脉冲信号锁存电路包括了分压供电电路、电磁继电器K1、PNP-NPN锁存电路构成。分压供电电路由电阻R9、R10、C1构成,电阻R9一端连接母线正线,另一端连接电阻R10一端。电阻R10另一端连接母线负线,电容C1并联至电阻R10两端。为保证电路正常工作,分压后R10两端电压为12V±5V,C1容量计算公式为
Figure BDA0002140576910000051
其中V为R10两端电压,t为总响应时间、R为电阻R12阻值,ΔVc为允许电容电压波动值,通常为1V。本例子中,电容C1容量为15μF,选用提片钽电容CAK45A-25V-15μF。
分压供电电路通过电磁继电器K1后对PNP-NPN锁存电路进行供电。PNP-NPN锁存电路由三极管V2、V3构成,其中V2的E极连接脉冲隔离变压器输出端。锁存电路接受脉冲变压器输入的脉冲信号后,触发自身脉冲信号锁存功能,最终输出恒定高电平信号值过流保护执行电路,本例子中PNP三极管选用3CK10G,NPN三极管选用3DK10H。
过流保护执行电路由NPN三极管V6、基极电阻R12构成,NPN三极管V6并联至开关场效应晶体管Q1栅源极两端。过流保护执行电流接受恒定高电平信号后,三极管处于饱和工作状态,场效应晶体管Q1栅源极被短路,Q1栅源电压相见为0V,Q1处于截止工作区,母线供电回路切断,实现过流保护功能。为保证电路抗干扰能力,通常在NPN三极管V6的BE极间并联滤波电容C2,该滤波电容C2与电阻R12构成RC电路的时间常数不大于50us。本例子中R12阻值为2KΩ,电容容值为10nF。
母线后端电子电路过流故障修复或隔离后,电磁继电器K1接受外部保护恢复指令。保护恢复指令为脉冲指令,脉冲期间继电器触点弹开,三极管自锁电路掉电后恢复初始状态,输出恒定低电平,过流保护执行电路接收低电平信号后,母线开关场效应管栅源极重新充电,场效应管开通,母线供电恢复。
本发明采用N沟道场效应晶体管作为保护开关,该保护开关串联至母线负端回路中。正常工况下,场效应晶体管道通,母线可正常。
采用霍尔电流传感器构成采集电路对母线正线电流进行磁隔离采集,并将母线电流采集信号输入至过流判断电路。过流判断电路由高速比较器、过流基准电压产生电路、脉冲功率放大电路构成。母线电流采集信号输入至比较器负向输入端。采用基准稳压管构成过流基准电压产生电路,该电路生成过流基准信号并输入至比较器正向输入端。当母线电流采样信号大于过流基准信号(发生过流故障时),高速比较器输出脉冲低电平信号,此低电平信号通过脉冲功率放大电路后变换为脉冲高电平信号,并将该高电平信号作为最终判断信号输入至脉冲隔离变压器。
脉冲隔离变压器作为磁隔离器件,将过流判断电路侧(初级侧)脉冲高电平信号输入隔离变换至母线侧(次级侧),实现控制电路部分与母线功率电路部分的磁隔离。脉冲隔离变压器将初级侧脉冲信号隔离传输至脉冲锁存电路输入端,脉冲锁存电路被触发,输出恒定高电平信号至过流保护执行电路。
过流保护执行电路由三极管构成,三极管并联至母线开关场效应管的栅源极两端。过流保护执行电路接受恒定高电平信号后,三极管开通,母线开关场效应管栅源被短路,场效应管关闭,实现过流保护功能。
母线后端故障隔离后,脉冲锁存电路中继电器接受外部脉冲信号,脉冲信号期间继电器触电弹开,三极管自锁电路供电切断后恢复初始状态,输出恒定低电平,过流保护执行电路接收低电平信号后,母线开关场效应管栅源极重新充电,场效应管开通,母线供电恢复。

Claims (6)

1.一种磁隔离高压母线高速响应过流保护电路,包括:母线开关场效应管、隔离式高速母线电流采集电路、过流判断电路、脉冲隔离变压器、脉冲信号锁存电路和过流保护执行电路,其特征在于:
隔离式高速母线电流采集电路对母线电流进行采样,并将电流采样信号传输至过流判断电路;当发生过流故障时,过流判断电路输出脉冲信号至脉冲隔离变压器,脉冲隔离变压器将该脉冲信号隔离传输至位于次级侧的脉冲信号锁存电路,脉冲信号锁存电路将该脉冲信号转换为常值电平信号输出至过流保护执行电路,过流保护执行电路接收常值电平信号后关闭母线开关场效应管,最终实现母线供电回路的切换功能;
所述过流判断电路包括高速比较器、过流基准信号产生电路、PNP三极管功率放大电路;过流基准信号产生电路采用低温漂高精度基准稳压管,低温漂高精度基准稳压管输出稳压信号并经电阻分压后输入至高速比较器正向输入端,母线电流采样信号输入至高速比较器负向输入端,高速比较器输出端连接至PNP三极管功率放大电路中PNP三极管的B极,PNP三极管C极连接至脉冲隔离变压器,PNP三极管e极经限流电阻R6后连接至电源端;
所述过流保护执行电路由NPN三极管V6、电阻R12、滤波电容C2构成;NPN三极管C极连接母线开关场效应管的G极,NPN三极管e极连接母线开关场效应管S极;电阻R12一端连接脉冲信号锁存电路,另一端连接NPN三极管B极;NPN三极管V6的BE极间并联滤波电容C2;
所述脉冲信号锁存电路采用脉冲触发开关电路,脉冲信号锁存电路接受脉冲隔离变压器传输的脉冲信号,并触发锁存功能,输出恒定高电平信号;
所述脉冲触发开关电路包括分压供电电路、供电控制电磁继电器K1、PNP-NPN锁存电路;
分压供电电路由电阻R9、电阻R10、和电容C1构成;电阻R9一端连接母线正线,另一端连接电阻R10一端;电阻R10另一端连接母线负线,电容C1并联至电阻R10两端;分压后电阻R10两端电压为12V±5V;所述电容C1
Figure FDA0003047857630000021
其中V为电阻R10两端电压,t为总响应时间、R的值等于电阻R12的阻值,ΔVc为允许电容电压波动值;分压供电电路通过电磁继电器K1后对PNP-NPN锁存电路进行供电;PNP-NPN锁存电路由三极管V2、V3构成,其中V2的C极连接脉冲隔离变压器输出端;电磁继电器K1一端连接分压供电电路,另一端连接PNP-NPN锁存电路中PNP三极管E极,PNP三极管C极同时连接脉冲隔离变压器一端及NPN三极管B极;PNP三极管B极连接NPN三极管C极,NPN三极管e极连接母线输入负线端。
2.根据权利要求1的过流保护电路,其特征在于:所述母线开关场效应管采用N沟道场效应管,场效应管源极连接母线输入负线端,场效应管漏极连接后端电子设备的负线端。
3.根据权利要求1的过流保护电路,其特征在于:所述隔离式高速母线电流采集电路功能为对母线电流进行磁隔离采样,保证判断电路与功率输入母线间电气隔离;隔离式母线电流采集电路由霍尔电流传感器及隔离二极管构成;霍尔电流传感器对母线进行隔离采样得到母线电流采样信号,霍尔电流传感器输出端连接至隔离二极管阳极,隔离二极管阴极连接至过流判断电路。
4.根据权利要求3的过流保护电路,其特征在于:所述霍尔电流传感器响应时间不大于5us。
5.根据权利要求3的过流保护电路,其特征在于:所述滤波电容C2与电阻R12构成RC电路的时间常数不大于50us。
6.根据权利要求3的过流保护电路,其特征在于:所述脉冲隔离变压器需可传递单向单次脉冲信号,其初次级变比不大于1,励磁电感大于等于5mH。
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