CN113054637A - 一种星上载荷电源关机后储能电容高压泄放保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种星上载荷电源关机后储能电容高压泄放保护电路，属于星上电源保护设计领域；包括第一二极管D1、第二二极管D2、泄放电路、高压电容阵和激光载荷；其中，泄放电路包括比较器A1、延迟模块B1、与门V1、稳压二极管D3、驱动电阻R1、分压电阻R2、MOS管Q1、第一泄放电阻R3、第二泄放电阻R4和开关S；本发明在确保不影响激光载荷正常工作的前提下，控制电容阵端电压降低至不发生真空放电值，复合双逻辑判断也确保了泄放回路的可靠工作，在正常工作期间不会异常降低电容阵电压。

Description

一种星上载荷电源关机后储能电容高压泄放保护电路

技术领域

本发明属于星上电源保护设计领域，涉及一种星上载荷电源关机后储能电容高压泄放保护电路。

背景技术

激光载荷是一种新型的卫星载荷，其工作阶段需要配电器提供瞬间高压陡升大电流脉冲，因此激光载荷配电器末端均配有高压电容阵，其工作电压一般为100V，容量一般可达10mF及以上，其功能为：1、在激光载荷启动瞬间确保母线电压不会出现较大波动；2、激光载荷遥控启动前预充电压，启动瞬间提供短时大电流脉冲。

该高压电容阵的存在为激光载荷工作提供了能量来源，但在当前传统激光载荷配电器技术方案下，激光载荷遥控关闭后电容阵电荷无电荷吸收回路，在空间环境只能通过真空放电达到降低电压目的，该真空放电过程极易对电容阵性能及导通性造成损伤，影响星上激光载荷配电器使用寿命与安全性，造成配电器性能下降、带载输出能力不足影响激光载荷正常工作。卫星激光载荷需要在短时间内释放大量能量，该能量主要有激光载荷配电器末端高压电容阵提供。但当前技术方案造成电容阵在激光载荷关闭后长时间耐受高压大电荷，仅能靠真空放电泄放电容阵电压，且无法控制电容阵预留电荷量，此放电过程对电容阵造成了极大损伤。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种星上载荷电源关机后储能电容高压泄放保护电路，在确保不影响激光载荷正常工作的前提下，控制电容阵端电压降低至不发生真空放电值，复合双逻辑判断也确保了泄放回路的可靠工作，在正常工作期间不会异常降低电容阵电压。

本发明解决技术的方案是：

一种星上载荷电源关机后储能电容高压泄放保护电路，包括第一二极管D1、第二二极管D2、泄放电路、高压电容阵和激光载荷；其中，泄放电路包括比较器A1、延迟模块B1、与门V1、稳压二极管D3、驱动电阻R1、分压电阻R2、MOS管Q1、第一泄放电阻R3、第二泄放电阻R4和开关S；

第一二极管D1和第二二极管D2并联组成并联电路，并联电路的一端与外部电源连接，并联电路的另一端与开关S的一端连接；开关S的另一端与高压电容阵的一端连接；向比较器A1的同相端输入高压电容阵的遥测值；比较器A1的反相端接基准电压；比较器A1的输出端与与门V1的一个输入端连接；延迟模块B1的输入端与激光载荷连接；延迟模块B1的输出端与与门V1的另一个输入端连接；与门V1的输出端分别与驱动电阻R1的一端、稳压二极管D3的阴极连接；驱动电阻R1的另一端分别与分压电阻R2的一端、MOS管Q1的门极连接；稳压二极管D3的阳极、分压电阻R2的另一端、MOS管Q1的源极均接地；MOS管Q1的漏极分别与第一泄放电阻R3的一端、第二泄放电阻R4的一端连接；第一泄放电阻R3的另一端分别与并联电路的另一端、开关S的一端、第二泄放电阻R4的另一端连接；高压电容阵的另一端与激光载荷连接；高压电容阵接地；激光载荷接地。

在上述的一种星上载荷电源关机后储能电容高压泄放保护电路，所述驱动电阻R1的阻值为3Ω；分压电阻R2的阻值为100kΩ；第一泄放电阻R3的阻值为200Ω，功率为6W；第二泄放电阻R4的阻值为200Ω，功率为6W。

在上述的一种星上载荷电源关机后储能电容高压泄放保护电路，所述高压泄放保护电路的工作流程为：

激光载荷关闭后，高压电容阵的电压保持为初始电压，此时MOS管Q1为关闭状态，第一泄放电阻R3和第二泄放电阻R4无电流流过；

开关S闭合；激光载荷发出关闭遥控信号至延迟模块B1，延迟模块B1延迟100ms后，输出高电平并保持锁定状态至与门V1的一个输入端；

此时，比较器A1同相端输入的高压电容阵遥测值高于比较器A1反相端接入的基准电压，比较器A1输出高电平至与门V1的另一个输入端；

与门V1输出的高电平通过驱动电阻R1驱动MOS管Q1导通；高压电容阵通过第一泄放电阻R3和第二泄放电阻R4放电，高压电容阵的电压开始下降；

4s后，高压电容阵的电压下降至10V以下，高压电容阵遥测值低于基准电压，比较器A1输出低电平至与门V1的另一个输入端；

与门V1输出低电平，MOS管Q1关闭，泄放电路停止运行，高压电容阵停止放电并保持低压状态；

开关S断开，泄放电路与高压电容阵断开，与门V1的输入端下降为低电平，高压泄放保护电路工作结束。

在上述的一种星上载荷电源关机后储能电容高压泄放保护电路，所述高压电容阵的容量为100mF；激光载荷关闭后，高压电容阵的初始电压为100V。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明新增激光载荷配电器保护回路，采用100Ω电阻作为电荷吸收载体，由高压MOSFET控制保护回路的通断；实现初始电压为100V，容量为10mF电容阵释放高压电荷，在4s之内降低电容阵电压至10V(初始电压的10％)以下；实现了将高压电容阵的快速泄电；

(2)本发明设计的保护电路的启动触发由激光载荷遥控信号及电容阵端电压共同控制，以下两个方面条件同时满足则电荷吸收回路导通，提高了保护电路的泄电安全性。

附图说明

图1为本发明高压电容保护电路示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本方法提供一种星上载荷电源关机后储能电容高压泄放保护电路，有效解决了激光载荷关闭后电容阵高压电荷的释放情况，将电容阵电压在激光载荷关闭后4s内降至10V以下，避免真空放电带来的危害。本保护电路通过控制高压MOSFET的开启与关闭来实现泄放主回路的通断，通过设计主回路泄放电阻值实现电容阵电荷的释放，通过控制驱动信号保持时间及电压比较器基准电压控制电容阵剩余电荷。

星上载荷电源关机后储能电容高压泄放保护电路，如图1所示，具体包括第一二极管D1、第二二极管D2、泄放电路、高压电容阵和激光载荷；其中，泄放电路包括比较器A1、延迟模块B1、与门V1、稳压二极管D3、驱动电阻R1、分压电阻R2、MOS管Q1、第一泄放电阻R3、第二泄放电阻R4和开关S；

第一二极管D1和第二二极管D2并联组成并联电路，并联电路的一端与外部电源连接，并联电路的另一端与开关S的一端连接；开关S的另一端与高压电容阵的一端连接；向比较器A1的同相端输入高压电容阵的遥测值；比较器A1的反相端接基准电压；比较器A1的输出端与与门V1的一个输入端连接；延迟模块B1的输入端与激光载荷连接；延迟模块B1的输出端与与门V1的另一个输入端连接；与门V1的输出端分别与驱动电阻R1的一端、稳压二极管D3的阴极连接；驱动电阻R1的另一端分别与分压电阻R2的一端、MOS管Q1的门极连接；稳压二极管D3的阳极、分压电阻R2的另一端、MOS管Q1的源极均接地；MOS管Q1的漏极分别与第一泄放电阻R3的一端、第二泄放电阻R4的一端连接；第一泄放电阻R3的另一端分别与并联电路的另一端、开关S的一端、第二泄放电阻R4的另一端连接；高压电容阵的另一端与激光载荷连接；高压电容阵接地；激光载荷接地。

其中，驱动电阻R1的阻值为3Ω；分压电阻R2的阻值为100kΩ；第一泄放电阻R3的阻值为200Ω，功率为6W；第二泄放电阻R4的阻值为200Ω，功率为6W。

高压泄放保护电路的工作流程为：

激光载荷关闭后，高压电容阵的电压保持为初始电压，高压电容阵的容量为100mF；激光载荷关闭后，高压电容阵的初始电压为100V。此时MOS管Q1为关闭状态，第一泄放电阻R3和第二泄放电阻R4无电流流过。

开关S闭合；激光载荷发出关闭遥控信号至延迟模块B1，延迟模块B1延迟100ms后，输出高电平并保持锁定状态至与门V1的一个输入端。

此时，比较器A1同相端输入的高压电容阵遥测值高于比较器A1反相端接入的基准电压，比较器A1输出高电平至与门V1的另一个输入端。

与门V1输出的高电平通过驱动电阻R1驱动MOS管Q1导通；高压电容阵通过第一泄放电阻R3和第二泄放电阻R4放电，高压电容阵的电压开始下降。

4s后，高压电容阵的电压下降至10V以下，高压电容阵遥测值低于基准电压，比较器A1输出低电平至与门V1的另一个输入端。

与门V1输出低电平，MOS管Q1关闭，泄放电路停止运行，高压电容阵停止放电并保持低压状态。

开关S断开，泄放电路与高压电容阵断开，与门V1的输入端下降为低电平，高压泄放保护电路工作结束。

本发明提出了一种星上载荷电源关机后储能电容高压泄放保护电路，对激光载荷配电器输出末端新增吸收电阻回路，采用高压MOSFET控制高压电容阵电荷泄放回路的通断。控制G管脚接激光载荷关闭遥控延时信号与电容阵电压比较器输出组成的与门驱动电平，控制高压电容阵电荷泄放回路的通断。采用复合双逻辑控制电容阵电荷泄放的开启与关闭，提高控制可靠性；采用吸收电阻降低配电器电容阵端电压；采用稳压二极管确保泄放回路控制用高压MOSFET的正常驱动。

此电路主要实现初始电压为100V，容量为10mF电容阵释放高压电荷，在4s之内降低电容阵电压至10V(初始电压的10％)以下。本发明所述方法新增激光载荷配电器保护回路，采用100Ω电阻作为电荷吸收载体，由高压MOSFET控制保护回路的通断。

激光载荷关机时刻，配电器输出电压保持为100V，电容阵容值为10mF，此时激光载荷回路表征为开路状态，配电器关闭电源输出，表征为开路状态，电容阵电流回路仅依靠泄放回路在4s中将电压降至10V，按照RC电路零输入响应分析，电容阵初始0时刻端电压U₀＝100V，电容值C＝10mF，主回路电阻为R，主回路电流为i，电容阵t时刻端电压为U，上述参数之间的关系下式所示：

计算可得

为满足U_c|t＝4s≤10V，主回路电阻R≤173.7Ω，本设计中的泄放电阻为两只200Ω并联，实际为100Ω，可满足要求。

本发明所述的星上激光载荷配电器高压电容保护电路通过Saber电路仿真与电路模拟测试及设备验收交付，均表现优异，电容阵电压均在要求时间内平稳下降至受控范围，有效避免了电容阵高压真空状态下放电。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.一种星上载荷电源关机后储能电容高压泄放保护电路，其特征在于：包括第一二极管D1、第二二极管D2、泄放电路、高压电容阵和激光载荷；其中，泄放电路包括比较器A1、延迟模块B1、与门V1、稳压二极管D3、驱动电阻R1、分压电阻R2、MOS管Q1、第一泄放电阻R3、第二泄放电阻R4和开关S；

第一二极管D1和第二二极管D2并联组成并联电路，并联电路的一端与外部电源连接，并联电路的另一端与开关S的一端连接；开关S的另一端与高压电容阵的一端连接；向比较器A1的同相端输入高压电容阵的遥测值；比较器A1的反相端接基准电压；比较器A1的输出端与与门V1的一个输入端连接；延迟模块B1的输入端与激光载荷连接；延迟模块B1的输出端与与门V1的另一个输入端连接；与门V1的输出端分别与驱动电阻R1的一端、稳压二极管D3的阴极连接；驱动电阻R1的另一端分别与分压电阻R2的一端、MOS管Q1的门极连接；稳压二极管D3的阳极、分压电阻R2的另一端、MOS管Q1的源极均接地；MOS管Q1的漏极分别与第一泄放电阻R3的一端、第二泄放电阻R4的一端连接；第一泄放电阻R3的另一端分别与并联电路的另一端、开关S的一端、第二泄放电阻R4的另一端连接；高压电容阵的另一端与激光载荷连接；高压电容阵接地；激光载荷接地。

2.根据权利要求1所述的一种星上载荷电源关机后储能电容高压泄放保护电路，其特征在于：所述驱动电阻R1的阻值为3Ω；分压电阻R2的阻值为100kΩ；第一泄放电阻R3的阻值为200Ω，功率为6W；第二泄放电阻R4的阻值为200Ω，功率为6W。

3.根据权利要求2所述的一种星上载荷电源关机后储能电容高压泄放保护电路，其特征在于：所述高压泄放保护电路的工作流程为：

激光载荷关闭后，高压电容阵的电压保持为初始电压，此时MOS管Q1为关闭状态，第一泄放电阻R3和第二泄放电阻R4无电流流过；

开关S闭合；激光载荷发出关闭遥控信号至延迟模块B1，延迟模块B1延迟100ms后，输出高电平并保持锁定状态至与门V1的一个输入端；

此时，比较器A1同相端输入的高压电容阵遥测值高于比较器A1反相端接入的基准电压，比较器A1输出高电平至与门V1的另一个输入端；

与门V1输出的高电平通过驱动电阻R1驱动MOS管Q1导通；高压电容阵通过第一泄放电阻R3和第二泄放电阻R4放电，高压电容阵的电压开始下降；

4s后，高压电容阵的电压下降至10V以下，高压电容阵遥测值低于基准电压，比较器A1输出低电平至与门V1的另一个输入端；

与门V1输出低电平，MOS管Q1关闭，泄放电路停止运行，高压电容阵停止放电并保持低压状态；

开关S断开，泄放电路与高压电容阵断开，与门V1的输入端下降为低电平，高压泄放保护电路工作结束。

4.根据权利要求3所述的一种星上载荷电源关机后储能电容高压泄放保护电路，其特征在于：所述高压电容阵的容量为100mF；激光载荷关闭后，高压电容阵的初始电压为100V。

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