CN110927418B - 一种基于开关限流原理的分流器电路及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于开关限流原理的分流器电路，主要由电流采样、比较及注入电路Cir_SCI、限流电感L_Lim、分流支路开关管MOS_Shunt、分流支路电流采样电阻R_Shunt、电流注入变压器Trans_Cinj、电流注入二极管D_Inj、输出二极管D_Out以及驱动电路Cir_DRV组成，所述分流支路开关管MOS_Shunt、分流支路电流采样电阻R_Shunt组成分流支路。本发明还提供了一种基于开关限流原理的分流器电路系统。本发明的有益效果是：通过对拓扑和控制电路进行优化设计，使太阳阵等效并联寄生电容中的大部分能量流向母线和负载，减小分流支路开关管上的电流应力及热应力，提高卫星电源系统的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及分流器电路，尤其涉及一种基于开关限流原理的分流器电路及其系统。
背景技术
在中高轨、长寿命卫星电源系统中，目前普遍采用三结砷化镓太阳能电池代替硅太阳能电池。三结砷化镓太阳能电池的优点是：
(1)效率高。传统硅太阳能电池的效率为15％左右，而三结砷化镓太阳能电池的效率可达到30％左右，其效率为传统硅太阳能电池的一倍。
(2)耐高温特性好。传统硅太阳能电池难以工作在200℃以上的环境下，而三结砷化镓太阳能电池可在250℃以上的环境下正常工作。
三结砷化镓太阳能电池的缺点是：
(1)机械特性差。与硅太阳能电池相比，三结砷化镓太阳能电池的机械特性较脆，通常需要在锗基体上进行生长。
(2)等效并联寄生电容较大。由于采用多结的结构，三结砷化镓太阳能电池的等效并联寄生电容较大，对于分流机制的卫星电源系统来说，当分流支路开关管导通，开始分流的瞬间，三结砷化镓太阳能电池的寄生电容通过开关管放电，将在分流支路开关管上产生非常大的瞬时电流尖峰，该电流尖峰将对卫星电源系统的可靠性造成影响。
目前，等效并联寄生电容较大问题的解决方法是降栅压限流方法。即：在分流支路上对分流电流进行采样，并在分流电流增大时，降低分流支路开关管驱动电压。此时分流支路开关管可等效为压控电阻，降低驱动电压将使压控电阻的阻值增大，对分流支路导通瞬间的大电流进行限流，降栅压限流方法的问题在于：三结砷化镓太阳能电池寄生电容中所储存的电场能E＝1/2*C*U2主要通过分流支路开关管上的热耗(主要是导通损耗I2R(DS))释放掉，对于工作于开关状态的分流器来说，其工作频率较高(2kHz～5kHz)，当母线电压U较高时，电场能较大，会导致MOSFET过热、可靠性性下降。
因此，有必要对基于开关限流原理的分流器电路进行研究和探索，目的是：研究工作于开关方式的限流电路，通过开关的方式，而不是通过降栅压的方式实现限流功能。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种基于开关限流原理的分流器电路及其系统，其核心思想是采用开关限流技术取代降栅压限流技术，其目的是通过对拓扑和控制电路进行优化设计，使太阳阵等效并联寄生电容中的大部分能量流向母线和负载，减小分流支路开关管上的电流应力及热应力，提高卫星电源系统的可靠性。为达到以上目的，本发明的实现如下：
本发明提供了一种基于开关限流原理的分流器电路，主要由电流采样、比较及注入电路Cir_SCI、限流电感L_Lim、分流支路开关管MOS_Shunt、分流支路电流采样电阻R_Shunt、电流注入变压器Trans_Cinj、电流注入二极管D_Inj、输出二极管D_Out以及驱动电路Cir_DRV组成，所述分流支路开关管MOS_Shunt、分流支路电流采样电阻R_Shunt组成分流支路，其中，所述限流电感L_Lim的一端接源，所述限流电感L_Lim的另一端与所述电流注入变压器Trans_Cinj的初级线圈的同名端连接，所述电流注入变压器Trans_Cinj的初级线圈的异名端与所述输出二极管D_Out的阳极连接，所述输出二极管D_Out的阴极接负载以及控制电路，所述驱动电路Cir_DRV的输出端与所述分流支路开关管MOS_Shunt的栅极连接，所述分流支路开关管MOS_Shunt的源极与所述分流支路电流采样电阻R_Shunt的一端连接，所述分流支路电流采样电阻R_Shunt的另一端接地，所述分流支路开关管MOS_Shunt的漏极连接在所述限流电感L_Lim、电流注入变压器Trans_Cinj的初级线圈的同名端之间，所述电流注入变压器Trans_Cinj的次级线圈的同名端与所述电流注入二极管D_Inj的阳极连接，所述电流注入变压器Trans_Cinj的次级线圈的异名端连接在所述分流支路开关管MOS_Shunt的源极、分流支路电流采样电阻R_Shunt之间，所述电流注入二极管D_Inj的阴极与所述电流采样、比较及注入电路Cir_SCI的输入端连接，所述电流采样、比较及注入电路Cir_SCI的输入端与所述驱动电路Cir_DRV的输出端连接，所述电流采样、比较及注入电路Cir_SCI的电流采样端连接在所述分流支路电流采样电阻R_Shunt的两端，通过分流支路开关管MOS_Shunt的闭合导通，将源的电场能转换为限流电感L_Lim中的磁场能，再通过断开分流支路开管MOS_Shunt，限流电感L_Lim续流，将磁场能消耗在负载上，并最终达到有效降低分流支路开关管MOS_Shunt中的电流应力及热应力，提高电路可靠性的目的。
作为本发明的进一步改进，所述电流采样、比较及注入电路Cir_SCI包括比较器电路、为电流采样、比较及注入电路Cir_SCI提供偏压的偏压端口V_Bias，接收来自电流注入变压器Tran_Cinj注入电流信号的电流注入端口Cinj_IN，电流采样电阻正端口Rs+，电流采样电阻负端口Rs-，以及驱动输出端口DRV_Out，其中，所述比较器电路包括三极管Q1、三极管Q2与电阻R3，所述三极管Q1的集电极分别与所述三极管Q2的基极、电阻R3的一端连接，所述电阻R3的另一端分别与所述三极管Q1的基极、偏压端口V_Bias连接，所述三极管Q1的发射极分别与所述电流注入端口Cinj_IN、电流采样电阻正端口Rs+连接，所述三极管Q2的集电极分别与所述驱动输出端口DRV_Out、偏压端口V_Bias连接，所述三极管Q2的发射极与所述电流采样电阻负端口Rs-连接，所述电流采样电阻正端口Rs+、电流采样电阻负端口Rs-分别连接在所述分流支路电流采样电阻R_Shunt的两端，所述电流注入端口Cinj_IN与所述电流注入二极管D_Inj的阴极连接，所述驱动输出端口DRV_Out与所述驱动电路Cir_DRV连接，分流支路的电流由电流采样电阻R_Shunt中流过，当电流采样电阻R_Shunt中的电流超过比较器电路上限时，三极管Q1的VBE降低到门槛值以下，三极管Q1关断，原来流经三极管Q1集电极和基极的电流转而流向三极管Q2的基极，使三极管Q2饱和导通，此时驱动输出端口DRV_Out输出低电平，并进而通过驱动电路Cir_DRV关断分流支路开关管MOS_Shunt。
作为本发明的进一步改进，所述电流采样、比较及注入电路Cir_SCI还包括限流电阻R5、电流注入电阻R1、限流电阻R2、限流电阻R4和限流电阻R6，所述电阻R3串联限流电阻R5之后接于所述偏压端口V_Bias，所述三极管Q1的发射极串联电流注入电阻R1之后接于所述电流采样电阻正端口Rs+，所述三极管Q2的发射极串联限流电阻R2之后接于所述电流采样电阻负端口Rs-，所述三极管Q2的集电极先后串联限流电阻R4、限流电阻R6之后接于所述偏压端口V_Bias，所述驱动输出端口DRV_Out接于所述限流电阻R4、限流电阻R6之间，所述电流注入端口Cinj_IN接于所述三极管Q1的发射极、电流注入电阻R1之间。
作为本发明的进一步改进，所述电流采样、比较及注入电路Cir_SCI还包括保护二极管D1和保护二极管D2，所述保护二极管D1的阳极与所述三极管Q1的发射极连接，所述保护二极管D1的阴极与所述三极管Q1的基极连接，所述保护二极管D2的阳极与所述三极管Q2的发射极连接，所述保护二极管D2的阴极与所述三极管Q2的基极连接。
作为本发明的进一步改进，所述驱动电路Cir_DRV包括输入与门、电阻分压器R10、电阻分压器R20、放大三极管Q10和图腾柱电路，所述驱动电路Cir_DRV还包括偏压输入端口V_Bias10，限流驱动输入端口DRV_Lim，环路驱动端口DRV_Loop，地端口GND以及驱动输出端口DRV_Out10，所述输入与门包括二极管D10和二极管D20，所述二极管D10的阴极接所述限流驱动输入端口DRV_Lim，所述二极管D20的阴极接所述环路驱动端口DRV_Loop，所述二极管D10和二极管D20的阳极接在一起，并接到三极管Q10的发射极，所述电阻分压器R10的一端与所述偏压输入端口V_Bias10连接，所述电阻分压器R10的另一端与所述电阻分压器R20的一端连接，所述电阻分压器R20的另一端接地端口GND，所述放大三极管Q10的基极连接在所述电阻分压器R10、电阻分压器R20之间，所述放大三极管Q10的集电极分别接上拉电阻R30和所述图腾柱电路的后级输入，所述图腾柱电路分别接所述驱动输出端口DRV_Out10、地端口GND。
作为本发明的进一步改进，所述图腾柱电路包括NPN三极管Q20与PNP三极管Q30，所述NPN三极管Q20的基极与所述PNP三极管Q30的基极接在一起，并接到三极管Q10的集电极，所述NPN三极管Q20的集电极通过限流电阻R40接到偏压输入端口V_Bias10上，所述NPN三极管Q20的发射极与PNP三极管Q30的发射极接在一起，并通过限流电阻R50接到驱动输出端口DRV_Out10，所述PNP三极管Q30的集电极通过限流电阻R60接地端口GND。
本发明还提供了一种基于开关限流原理的分流器电路系统，包括源、负载、控制电路以及如上述中任一项所述的基于开关限流原理的分流器电路，所述限流电感L_Lim与所述源连接，所述输出二极管D_Out的阴极分别与所述负载、控制电路连接，所述控制电路的输出端与所述驱动电路Cir_DRV的输入端连接。
作为本发明的进一步改进，所述源包括相并联的太阳能电池阵SA和等效并联寄生电容C_Para，所述太阳能电池阵SA和等效并联寄生电容C_Para分别与所述限流电感L_Lim连接，一起输出太阳阵电压V_SA。
作为本发明的进一步改进，所述负载包括母线电容C_Bus，负载电阻R_Load，所述母线电容C_Bus，负载电阻R_Load的一端分别与所述输出二极管D_Out的阴极连接，所述母线电容C_Bus，负载电阻R_Load的另一端分别接地。
作为本发明的进一步改进，所述控制电路包括高边分压电阻R_Vsh、低边分压电阻R_Vsl以及母线电压外环PI及比较器Cir_Ctrl，所述高边分压电阻R_Vsh的一端与所述输出二极管D_Out的阴极连接，所述高边分压电阻R_Vsh的另一端接所述低边分压电阻R_Vsl后接地，所述母线电压外环PI及比较器Cir_Ctrl的输入端连接于所述高边分压电阻R_Vsh、低边分压电阻R_Vsl之间，所述母线电压外环PI及比较器Cir_Ctrl的输出端与所述驱动电路Cir_DRV的输入端连接。
本发明的有益效果是：通过上述方案，通过对拓扑和控制电路进行优化设计，使太阳阵等效并联寄生电容中的大部分能量流向母线和负载，减小分流支路开关管上的电流应力及热应力，提高卫星电源系统的可靠性。
附图说明
图1是本发明一种基于开关限流原理的分流器电路系统的框架图。
图2是本发明一种基于开关限流原理的分流器电路的电流采样、比较及注入电路的原理图。
图3是本发明一种基于开关限流原理的分流器电路的驱动电路的原理图。
图4是本发明一种基于开关限流原理的分流器电路的仿真图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。
本发明提供的一种基于开关限流原理的分流器电路及其系统，目的是：研究工作于开关方式的限流电路，通过开关的方式，而不是通过降栅压的方式实现限流功能。当分流支路电流超过限定值时，分流支路开关管断开，太阳阵寄生电容中的能量释放到母线和负载上，使太阳阵等效并联寄生电容中的能量大多数通过母线和负载释放掉，只有一少部分通过分流支路开关管。从而达到减小分流支路开关管上的电流应力及热应力，提高可靠性的目的。
如图1所示，一种基于开关限流原理的分流器电路系统，主要分为四个部分：源、基于开关限流原理的分流器电路100、负载以及控制电路。在源部分，太阳能电池阵SA可等效为电流源，与等效并联寄生电容C_Para一起给出太阳阵电压V_SA。图1的方框中为基于开关限流的分流器电路。图1的负载部分由母线电容C_Bus，负载电阻R_Load组成。图1的控制电路由电阻分压器以及母线电压外环PI及比较器Cir_Ctrl组成。在电阻分压器中，R_Vsh为高边分压电阻，R_Vsl为低边分压电阻。
如图1所示，所述限流电感L_Lim与所述源连接，所述输出二极管D_Out的阴极分别与所述负载、控制电路连接，所述控制电路的输出端与所述驱动电路Cir_DRV的输入端连接。
如图1所示，所述源包括相并联的太阳能电池阵SA和等效并联寄生电容C_Para，所述太阳能电池阵SA和等效并联寄生电容C_Para分别与所述限流电感L_Lim连接，一起输出太阳阵电压V_SA。
如图1所示，所述负载包括母线电容C_Bus，负载电阻R_Load，所述母线电容C_Bus，负载电阻R_Load的一端分别与所述输出二极管D_Out的阴极连接，所述母线电容C_Bus，负载电阻R_Load的另一端分别接地。
如图1所示，所述控制电路包括高边分压电阻R_Vsh、低边分压电阻R_Vsl以及母线电压外环PI及比较器Cir_Ctrl，所述高边分压电阻R_Vsh的一端与所述输出二极管D_Out的阴极连接，所述高边分压电阻R_Vsh的另一端接所述低边分压电阻R_Vsl后接地，所述母线电压外环PI及比较器Cir_Ctrl的输入端连接于所述高边分压电阻R_Vsh、低边分压电阻R_Vsl之间，所述母线电压外环PI及比较器Cir_Ctrl的输出端与所述驱动电路Cir_DRV的输入端连接。
如图1所示，一种基于开关限流原理的分流器电路100，主要由限流电感L_Lim，分流支路开关管MOS_Shunt，分流支路电流采样电阻R_Shunt，电流注入变压器Trans_Cinj，电流注入二极管D_Inj，输出二极管D_Out，电流采样、比较及注入电路Cir_SCI以及驱动电路Cir_DRV组成。电流采样、比较及注入电路Cir_SCI是基于开关限流原理分流器电路的核心，其功能为带有滞环的比较器电路。
如图1所示，所述分流支路开关管MOS_Shunt、分流支路电流采样电阻R_Shunt组成分流支路，其中，所述限流电感L_Lim的一端接源，所述限流电感L_Lim的另一端与所述电流注入变压器Trans_Cinj的初级线圈的同名端连接，所述电流注入变压器Trans_Cinj的初级线圈的异名端与所述输出二极管D_Out的阳极连接，所述输出二极管D_Out的阴极接负载以及控制电路，所述驱动电路Cir_DRV的输出端与所述分流支路开关管MOS_Shunt的栅极连接，所述分流支路开关管MOS_Shunt的源极与所述分流支路电流采样电阻R_Shunt的一端连接，所述分流支路电流采样电阻R_Shunt的另一端接地，所述分流支路开关管MOS_Shunt的漏极连接在所述限流电感L_Lim、电流注入变压器Trans_Cinj的初级线圈的同名端之间，所述电流注入变压器Trans_Cinj的次级线圈的同名端与所述电流注入二极管D_Inj的阳极连接，所述电流注入变压器Trans_Cinj的次级线圈的异名端连接在所述分流支路开关管MOS_Shunt的源极、分流支路电流采样电阻R_Shunt之间，所述电流注入二极管D_Inj的阴极与所述电流采样、比较及注入电路Cir_SCI的输入端连接，所述电流采样、比较及注入电路Cir_SCI的输入端与所述驱动电路Cir_DRV的输出端连接，所述电流采样、比较及注入电路Cir_SCI的电流采样端连接在所述分流支路电流采样电阻R_Shunt的两端，通过分流支路开关管MOS_Shunt的闭合导通，将源的电场能转换为限流电感L_Lim中的磁场能，再通过断开分流支路开管MOS_Shunt，限流电感L_Lim续流，将磁场能消耗在负载上，并最终达到有效降低分流支路开关管MOS_Shunt中的电流应力及热应力，提高电路可靠性的目的。
本发明的基本工作原理是：通过分流支路开关管MOS_Shunt的闭合导通，将寄生电容C_Para中的电场能转换为限流电感L_Lim中的磁场能，再通过断开分流支路开管MOS_Shunt，限流电感L_Lim续流，将磁场能消耗在负载电阻R_Load上，并最终达到有效降低分流支路开关管MOS_Shunt中的电流应力及热应力，提高电路可靠性的目的。
电流采样、比较及注入电路Cir_SCI的具体实现如图2所示，有5个输入及输出端口，包括：为Cir_SCI提供偏压的偏压端口V_Bias，接收来自电流注入变压器Tran_Cinj注入电流信号的电流注入端口Cinj_IN，电流采样电阻正端口Rs+，电流采样电阻负端口Rs-，以及驱动输出端口DRV_Out。其基本原理是：三极管Q1、Q2与电阻R3构成比较器电路。分流支路的电流由电流采样电阻R_Shunt中流过，当R_Shunt中的电流超过比较器上限时，三极管Q1的VBE降低到门槛值以下，Q1关断，原来流经Q1集电极和基极的电流转而流向Q2的基极，使Q2饱和导通，此时DRV_Out端口输出低电平，并进而通过驱动电路Cir_DRV关断分流支路开关管MOS_Shunt。
驱动电路的实现如图3所示。驱动电路共有五个端口：偏压输入端口V_Bias10，限流驱动输入端口DRV_Lim，环路驱动端口DRV_Loop，地端口GND以及驱动输出端口DRV_Out10。V_Bias10用来为驱动电路提供适当的偏压，并提供驱动瞬间的驱动电流。DRV_Lim和DRV_Loop接成与门的形式，二者之中任何一个端口为低，在二极管D10和D20的阳极都会输出低电平。电阻R10与R20为电阻分压器，用以确保Q10基极准确的偏压。R30为三极管Q10集电极的限流电阻。NPN管Q20与PNP管Q30接成图腾柱的形式，用来给出适当的驱动电流。图腾柱的输入和输出为同相关系，当输入为低时三极管Q30导通，驱动输出Drv_Out10所接的MOS_Shunt通过Q30及R60放电，DRV_OUT10输出低电平。反之，图腾柱输入高电平时，DRV_Out10也输出高电平。R40和R60为限流电阻，R50为驱动电阻，三个电阻都可用来调节驱动电流。
电路的连接关系如下：
一、基于开关限流原理的分流器电路100。
如图1中的方框内所示，该基于开关限流原理的分流器电路100包括：
(1)限流电感L_Lim。其左端接太阳阵电压V_SA，即太阳能电池阵SA和寄生电容C_Para的正极，限流电感L_Lim的右端接分流电压V_Shunt。
(2)分流支路。由分流支路开关管MOS_Shunt以及分流支路电流采样电阻R_Shunt组成。分流支路开关管MOS_Shunt的上端接分流电压V_Shunt，MOS_Shunt的下端接到分流支路电流采样电阻R_Shunt的上端。MOS_shunt的栅极由驱动电路Cir_DRV驱动。驱动电路接收由母线电压外环PI及比较器Cir_Ctrl模块以及电压采样、比较及注入电路Cir_SCI模块的输出信号，经逻辑运算后转为驱动信号输出。
分流支路电流采样电阻R_Shunt的上端接分流支路开关管MOS_Shunt的下端，R_Shunt的下端接地。电流信号经R_Shunt后变为模拟电压信号，在电流采样、比较及注入电路Cir_SCI中，与从电流注入二极管D_Inj输入的电流信号相叠加，最终变为高低电平信号输出到驱动电路Cir_DRV中。
(3)电流注入变压器Trans_Cinj。其原边绕组的的同名端接分流电压V_Shunt，Trans_Cinj原边绕组的异名端接输出二极管D_Out的阳极。电流注入变压器Trans_Cinj副边绕组的同名端接电流注入二极管D_Inj的阳极，Trans_Cinj副边绕组的异名端接电流采样电阻R_Shunt的上端。
(4)输出二极管D_Out。其阳极接电流注入变压器Trans_Cinj原边的异名端，D_Out的阴极接输出母线电压V_Bus。
二、电流采样、比较及注入电路。
如图2所示，该电路包括：
(1)分流支路电流采样电阻R_Shunt。该电阻对分流之路中流过的电流进行采样。当R_Shunt中流过较大电流时，通过DRV_Out端口输出驱动信号，关断分流支路主开关管MOS_Shunt。R_Shunt的左端接电流注入电阻R1的下端，R_Shunt的右端接电阻R2的下端。
(2)电流注入电阻R1。由电流注入变压器Trans_Cinj给出的注入电流信号，经电流注入二极管Dinj，经端口Cinj_In注入到电阻R1上，并经Rs+端口回流回电流注入变压器中。注入电流在注入电阻R1上产生电压，该电压与R_Shunt上流过较大电流的效果相同，均为保持分流支路开关管MOS_Shunt处于关断状态。
(3)比较器电路。三极管Q1，Q2与电阻R3构成比较器电路。三极管Q1的发射极接电流注入电阻R1的上端，Q1的集电极接电阻R3的下端，Q1的基极接到R3的上端。Q2的发射极接到电阻R2的上端，Q2的发射极接到电阻R4的下端。Q2的基极接到Q1的集电极上。电阻R3的下端接Q1的集电极和Q2的基极。电阻R3的上端接到Q1的基极和R5的下端。
(4)保护二极管D1和D2。二极管D1和D2的作用是保护三极管Q1和Q2的发射极，防止高反向电压损伤三极管的发射结。D1的阳极接三极管Q1的发射极，D1的阴极接三极管Q1的基极。D2的阳极接三极管Q2的发射极，D2的阴极接三极管Q2的基极。
(5)限流电阻R2，R4，R5，R6。限流电阻的主要作用是对流过三极管Q1、Q2集电极和发射极之间的电流进行限流。R2的上端接三极管Q2的发射极，R2的下端接R_Shunt的右端。R4的下端接三极管Q2的集电极，上端接电阻R6的下端。电阻R5的上端接V_Bias偏压，下端接电阻R3的上端，以及三极管Q1的基极。电阻R6的上端接V_Bias偏压，下端接电阻R4的上端，以及驱动信号输出端口DRV_Out。
三、驱动电路。
如图3所示，该电路包括：
(1)输入与门。输入与门由两个二极管D10和D20组成，D10和D20的阴极分别接驱动信号DRV_Lim和DRV_Loop。D10和D20的阳极接在一起，并接到三极管Q10的发射极。
(2)电阻分压器。电阻分压器R10和R20接在V_Bias10和GND之间，为三极管Q10提供基极电压。
(3)放大三极管Q10。三极管Q10的作用是对与运算后的驱动信号进行放大和缓冲，Q10的发射极接二极管D10和D20的阳极，Q10的基极接电阻分压器，接到R10和R20的交点，Q10的集电极接上拉电阻R30，以及后级图腾柱的输入，即三极管Q20和Q30的基极。
(4)图腾柱电路。NPN三极管Q20与PNP三极管Q30组成图腾柱电路，Q20与Q30的基极接在一起。Q20的集电极通过限流电阻R40接到V_Bias10偏压上，Q30的发射极通过限流电阻R60接GND。Q20的发射极与Q30的发射极接在一起，并通过限流电阻R50输出驱动信号DRV_Out10。
如图1所示，在基于开关限流原理的分流器电路100中，通过三个阶段即：电场能与磁场能转换阶段，限流电感L_Lim续流阶段，及分流支路开关管重新导通阶段实现分流器的开关限流。具体实施方式如下：
(1)电场能与磁场能转换阶段。驱动电路Cir_DRV受两个驱动信号控制，即来自母线电压外环PI及比较器模块Cir_Ctrl的驱动信号和来自电流采样、比较及注入电路模块Cir_SCI的驱动信号。当由电阻分压器R_Vsh和R_Vsl的中点采样取得的母线电压较高时，Cir_Ctrl电路将输出高电平，经驱动电路Cir_DRV后驱动分流支路开关管MOS_Shunt导通，进行分流。MOS_Shunt导通后，太阳能电池阵等效并联寄生电容C_Para经限流电感L_Lim，分流支路开关管MOS_Shunt和分流支路电流采样电阻R_Shunt放电，V_SA下降，流过L_Lim中的电流则迅速上升，等效并联寄生电容C_Para中的电场能转换为限流电感L_Lim中所存储的磁场能。
(2)限流电感L_Lim续流阶段。当R_Shunt中的电流超过Cir_SCI电路中的比较器上限后，Cir_SCI电路输出低电平，该信号经驱动电路Cir_DRV后，关断分流支路开关管MOS_Shunt。MOS_Shunt被关断后，限流电感L_Lim续流，该电流经电流注入变压器Trans_Cinj，输出二极管D_Out，负载(包括并联的R_Load及C_Bus)到地，将寄生电容中的能量消耗在负载电阻R_Load中，或C_Bus上。此时，电流注入变压器Trans_Cinj中的注入电流输出到电流采样、比较及注入电路Cir_SCI中。当注入电流较大时，Cir_SCI持续输出低电平，保证MOS_Shunt处于关断状态。
(3)分流支路开关管重新导通阶段。当电流注入变压器Trans_Cinj，以及电流注入二极管D_Inj中的注入电流持续减小，直到低于电流采样、比较及注入电路Cir_SCI中的比较器下限时，此时Cir_SCI电路输出高电平信号，分流支路开关管MOS_Shunt重新导通。在每个分流周期，分流支路开关管MOS_Shunt可开关数次，实现开关分流。当然对于开关次数需要进行折衷，以免开关损耗过大。
如图2所示，电流采样、比较及注入电路的具体实施方式是：
在电阻R3，三极管Q2的基极-发射极电压VBEQ2，电阻R2，电流采样电阻R_Shunt，电阻R1，VBEQ1所组成的电压环路中，根据KVL公式，有：
VBEQ1+IShunt·R_Shunt+IR1·R1＝VBEQ2+IR3·R3+IR2·R2 (1)
在平衡点，三极管Q1的集电极电流和发射极电流近乎相等，因此有：
VBEQ1+IShunt·R_Shunt＝VBEQ2+IR3·(R3-R1)+IR2·R2 (2)
在(2)式中，开关型电流中两个三极管的基极-发射极电压VBE基本相同，可在近似中忽略二者之间的差异，R2中流过的电流较小，在100uA以下，同时R2阻值较小，因此等式(2)中等号右边的第三项在近似计算中可忽略。有下式：
IShunt·R_Shunt＝IR3·(R3-R1) (3)
在电路设计中，电流IShunt和电流采样电阻R_Shunt的阻值是预先确定的，IR3，以及电阻R1的值也可预先确定，因此，通过(3)式可计算出调节电阻R3的值，并通过调节R3，达到调节比较器上限电流IShunt的目的。
本发明不限于图1中所描述的分流器架构，以及图2，图3中所描述的限流电路和驱动电路，还可延伸至以下几种情况：
1、图1所示电路不仅是卫星分流器的架构，也同样是广泛应用的Boost拓扑。在Boost拓扑，或其他Boost衍生的升压拓扑中采用本专利的开关限流技术。该情况应视作本专利的扩展。
2、采用类似于图2的，其他形式的，基于分立三极管的比较器电路，或者采用集成芯片形式的比较器电路。该情况应视作本专利的扩展。
3、采用类似于图3的，其他形式的，基于分立三极管器件、达林顿器件或其他驱动芯片的驱动电路。该情况应视作本专利的扩展。
本发明提供的一种基于开关限流原理的分流器电路及其系统，具有以下有益效果：
1.分流支路主开关MOS_Shunt上的电流应力减小。在充分考虑到由检测到过流到驱动电路发出动作的延迟的情况下，通过优化设计，可在额定电流为20A的情况下，实现45A峰值的电流限流。
2.分流支路主开关MOS_Shunt上的热应力大大减小。在基于开关限流原理的分流器电路中，寄生电容中所存储能量的大部分通过限流电感L_Lim的续流动作，经由负载电阻R_Load耗散掉，只有一少部分通过分流支路的主开关管MOS_Shunt，以导通损耗或开关损耗的形式耗散，因此MOS_Shunt上的热应力大大减小。
3.分流电路可靠性提高。电流应力及热应力的减小带来的直接好处就是分流电路的可靠性得到了有效的提高。在基于开关限流原理的分流器电路中，当MOS_Shunt采用两个MOS管并联时，电流应力可进一步减小，从而能够实现可靠性的进一步提高。
4.成本的降低。在基于开关限流原理的分流器电路中，当分流支路主开关管MOS_Shunt采用单只MOS管时，其电流降额及热降额仍可满足要求。相对于需要两只MOS_Shunt并联的场合，降低了成本。
5.基于开关限流原理的分流器电路仿真结果如图4所示，该曲线为回线电流的仿真结果。可看到：在基于开关限流原理的分流器电路中，通过多次开关动作，实现了分流支路的开关限流，满足预定设计的要求。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于开关限流原理的分流器电路，其特征在于：由电流采样、比较及注入电路Cir_SCI、限流电感L_Lim、分流支路开关管MOS_Shunt、分流支路电流采样电阻R_Shunt、电流注入变压器Trans_Cinj、电流注入二极管D_Inj、输出二极管D_Out以及驱动电路Cir_DRV组成，所述分流支路开关管MOS_Shunt、分流支路电流采样电阻R_Shunt组成分流支路，其中，所述限流电感L_Lim的一端接源，所述限流电感L_Lim的另一端与所述电流注入变压器Trans_Cinj的初级线圈的同名端连接，所述电流注入变压器Trans_Cinj的初级线圈的异名端与所述输出二极管D_Out的阳极连接，所述输出二极管D_Out的阴极接负载以及控制电路，所述驱动电路Cir_DRV的输出端与所述分流支路开关管MOS_Shunt的栅极连接，所述分流支路开关管MOS_Shunt的源极与所述分流支路电流采样电阻R_Shunt的一端连接，所述分流支路电流采样电阻R_Shunt的另一端接地，所述分流支路开关管MOS_Shunt的漏极连接在所述限流电感L_Lim、电流注入变压器Trans_Cinj的初级线圈的同名端之间，所述电流注入变压器Trans_Cinj的次级线圈的同名端与所述电流注入二极管D_Inj的阳极连接，所述电流注入变压器Trans_Cinj的次级线圈的异名端连接在所述分流支路开关管MOS_Shunt的源极、分流支路电流采样电阻R_Shunt之间，所述电流注入二极管D_Inj的阴极与所述电流采样、比较及注入电路Cir_SCI的输入端连接，所述电流采样、比较及注入电路Cir_SCI的输入端与所述驱动电路Cir_DRV的输出端连接，所述电流采样、比较及注入电路Cir_SCI的电流采样端连接在所述分流支路电流采样电阻R_Shunt的两端，通过分流支路开关管MOS_Shunt的闭合导通，将源的电场能转换为限流电感L_Lim中的磁场能，再通过断开分流支路开管MOS_Shunt，限流电感L_Lim续流，将磁场能消耗在负载上，并最终达到有效降低分流支路开关管MOS_Shunt中的电流应力及热应力，提高电路可靠性的目的；
其中，
所述电流采样、比较及注入电路Cir_SCI包括比较器电路、为电流采样、比较及注入电路Cir_SCI提供偏压的偏压端口V_Bias，接收来自电流注入变压器Tran_Cinj注入电流信号的电流注入端口Cinj_IN，电流采样电阻正端口Rs+，电流采样电阻负端口Rs-，以及驱动输出端口DRV_Out，其中，所述比较器电路包括三极管Q1、三极管Q2与电阻R3，所述三极管Q1的集电极分别与所述三极管Q2的基极、电阻R3的一端连接，所述电阻R3的另一端分别与所述三极管Q1的基极、偏压端口V_Bias连接，所述三极管Q1的发射极分别与所述电流注入端口Cinj_IN、电流采样电阻正端口Rs+连接，所述三极管Q2的集电极分别与所述驱动输出端口DRV_Out、偏压端口V_Bias连接，所述三极管Q2的发射极与所述电流采样电阻负端口Rs-连接，所述电流采样电阻正端口Rs+、电流采样电阻负端口Rs-分别连接在所述分流支路电流采样电阻R_Shunt的两端，所述电流注入端口Cinj_IN与所述电流注入二极管D_Inj的阴极连接，所述驱动输出端口DRV_Out与所述驱动电路Cir_DRV连接，分流支路的电流由电流采样电阻R_Shunt中流过，当电流采样电阻R_Shunt中的电流超过比较器电路上限时，三极管Q1的VBE降低到门槛值以下，三极管Q1关断，原来流经三极管Q1集电极和基极的电流转而流向三极管Q2的基极，使三极管Q2饱和导通，此时驱动输出端口DRV_Out输出低电平，并进而通过驱动电路Cir_DRV关断分流支路开关管MOS_Shunt。
2.根据权利要求1所述的基于开关限流原理的分流器电路，其特征在于：所述电流采样、比较及注入电路Cir_SCI还包括限流电阻R5、电流注入电阻R1、限流电阻R2、限流电阻R4和限流电阻R6，所述电阻R3串联限流电阻R5之后接于所述偏压端口V_Bias，所述三极管Q1的发射极串联电流注入电阻R1之后接于所述电流采样电阻正端口Rs+，所述三极管Q2的发射极串联限流电阻R2之后接于所述电流采样电阻负端口Rs-，所述三极管Q2的集电极先后串联限流电阻R4、限流电阻R6之后接于所述偏压端口V_Bias，所述驱动输出端口DRV_Out接于所述限流电阻R4、限流电阻R6之间，所述电流注入端口Cinj_IN接于所述三极管Q1的发射极、电流注入电阻R1之间。
3.根据权利要求2所述的基于开关限流原理的分流器电路，其特征在于：所述电流采样、比较及注入电路Cir_SCI还包括保护二极管D1和保护二极管D2，所述保护二极管D1的阳极与所述三极管Q1的发射极连接，所述保护二极管D1的阴极与所述三极管Q1的基极连接，所述保护二极管D2的阳极与所述三极管Q2的发射极连接，所述保护二极管D2的阴极与所述三极管Q2的基极连接。
4.根据权利要求1所述的基于开关限流原理的分流器电路，其特征在于：所述驱动电路Cir_DRV包括输入与门、电阻分压器R10、电阻分压器R20、放大三极管Q10和图腾柱电路，所述驱动电路Cir_DRV还包括偏压输入端口V_Bias10，限流驱动输入端口DRV_Lim，环路驱动端口DRV_Loop，地端口GND以及驱动输出端口DRV_Out10，所述输入与门包括二极管D10和二极管D20，所述二极管D10的阴极接所述限流驱动输入端口DRV_Lim，所述二极管D20的阴极接所述环路驱动端口DRV_Loop，所述二极管D10和二极管D20的阳极接在一起，并接到三极管Q10的发射极，所述电阻分压器R10的一端与所述偏压输入端口V_Bias10连接，所述电阻分压器R10的另一端与所述电阻分压器R20的一端连接，所述电阻分压器R20的另一端接地端口GND，所述放大三极管Q10的基极连接在所述电阻分压器R10、电阻分压器R20之间，所述放大三极管Q10的集电极分别接上拉电阻R30和所述图腾柱电路的后级输入，所述图腾柱电路分别接所述驱动输出端口DRV_Out10、地端口GND。
5.根据权利要求4所述的基于开关限流原理的分流器电路，其特征在于：所述图腾柱电路包括NPN三极管Q20与PNP三极管Q30，所述NPN三极管Q20的基极与所述PNP三极管Q30的基极接在一起，并接到三极管Q10的集电极，所述NPN三极管Q20的集电极通过限流电阻R40接到偏压输入端口V_Bias10上，所述NPN三极管Q20的发射极与PNP三极管Q30的发射极接在一起，并通过限流电阻R50接到驱动输出端口DRV_Out10，所述PNP三极管Q30的集电极通过限流电阻R60接地端口GND。
6.一种基于开关限流原理的分流器电路系统，其特征在于：包括源、负载、控制电路以及如权利要求1至5中任一项所述的基于开关限流原理的分流器电路，所述限流电感L_Lim与所述源连接，所述输出二极管D_Out的阴极分别与所述负载、控制电路连接，所述控制电路的输出端与所述驱动电路Cir_DRV的输入端连接。
7.根据权利要求6所述的基于开关限流原理的分流器电路系统，其特征在于：所述源包括相并联的太阳能电池阵SA和等效并联寄生电容C_Para，所述太阳能电池阵SA和等效并联寄生电容C_Para分别与所述限流电感L_Lim连接，一起输出太阳阵电压V_SA。
8.根据权利要求6所述的基于开关限流原理的分流器电路系统，其特征在于：所述负载包括母线电容C_Bus，负载电阻R_Load，所述母线电容C_Bus，负载电阻R_Load的一端分别与所述输出二极管D_Out的阴极连接，所述母线电容C_Bus，负载电阻R_Load的另一端分别接地。
9.根据权利要求6所述的基于开关限流原理的分流器电路系统，其特征在于：所述控制电路包括高边分压电阻R_Vsh、低边分压电阻R_Vsl以及母线电压外环PI及比较器Cir_Ctrl，所述高边分压电阻R_Vsh的一端与所述输出二极管D_Out的阴极连接，所述高边分压电阻R_Vsh的另一端接所述低边分压电阻R_Vsl后接地，所述母线电压外环PI及比较器Cir_Ctrl的输入端连接于所述高边分压电阻R_Vsh、低边分压电阻R_Vsl之间，所述母线电压外环PI及比较器Cir_Ctrl的输出端与所述驱动电路Cir_DRV的输入端连接。
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