CN113489344A - 一种空间电源推挽电路及开关管故障诊断和容错方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种空间电源推挽电路及开关管故障诊断和容错方法，属于空间开关电源的故障诊断领域。该方法将推挽电路中两路开关管电压电流采样信号作为故障特征量，与电压电流故障阈值进行比较，并通过FPGA循环计数生成短路或开路故障信号。故障发生后，利用串并联冗余开关管在线改变MOSFET组合驱动方式，实现故障管快速在线隔离和硬件重构，保证电源拓扑继续正常工作，从而大幅提高空间电源在轨运行的可靠性。

Description

一种空间电源推挽电路及开关管故障诊断和容错方法
技术领域
本发明属于空间开关电源的故障诊断领域，尤其涉及的是一种空间电源推挽电路及开关管故障诊断和容错方法。
背景技术
空间电源变换器作为航天电源系统的重要组成部分，对航天器的性能、可靠性和寿命起着决定性作用。随着空间飞行器服役寿命更长，现代航天电子设备日益复杂化，电源系统故障发生概率随之增加。根据文献对1993-2012年底国外公开的在轨航天器故障统计，航天器在轨服役期间，300多次在轨故障中有30.3％属于电源系统故障。针对空间电源变换器复杂运行环境下的不可维修性及高可靠、长寿命要求，开展面向空间应用的电源变换器故障诊断及重构控制研究具有非常现实的意义和价值。
空间电源DC-DC变换器MOSFET功率开关管在工作过程中需要承受恶劣的热应力和交变电应力，尤其在空间辐照环境下，单粒子效应等带来功率器件故障的几率更大。开关管短路故障(SC)和开路故障(OC)导致电路拓扑发生突变，无法实时满足计算密集型运行负载以及多任务动态调度变化，影响航天器在轨运行。
目前针对DC-DC变换器故障的诊断方法，有通过直接比较开关管驱动信号和电路电感电流斜率诊断方法，也有通过增加辅助绕组获得磁性元件电压与开关信号结合的故障诊断方法。但目前开路和短路故障诊断方法集中于单开关管非隔离式DC-DC变换器，并不适用于多路输出隔离型推挽电路的空间电源。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种空间电源推挽电路及开关管故障诊断和容错方法，用于隔离型级联式多路输出空间电源中开关管故障进行故障快速在线隔离和硬件重构。
技术方案
一种空间电源推挽电路，包括Buck预稳压电路、含硬件重构功能的推挽隔离电路，以及后级非隔离精密稳压电路；
所述的Buck预稳压电路包括开关管Q1，电感L1和二极管D1，同时去掉了后级输出电容；
所述的含硬件重构功能的推挽隔离电路包括功率开关管Q2和Q3，变压器T1和整流二极管D2和D3，并去掉了次级电感；其中功率开关管Q2和Q3采用固定占空比轻微重叠导通驱动，占空约为51％。
一种空间电源推挽电路开关管故障诊断方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：通过同步采样分别获得推挽电路两路功率开关管和冗余开关管的漏源电压VDS和漏极电流ID，共计8个电压信号和4个电流信号；
步骤2：信号采样频率优选设置为100倍的开关管开关频率，将步骤1中在一个开关周期内取得的100个信号采样数值传输到FPGA控制芯片中；
步骤3：分别判断步骤2中得到的电压电流采样值是否大于设定电压阈值VDS_REF和电流阈值ID_REF；
步骤4：将PWM驱动信号的边沿触发信号，作为计数脉冲信号Trig；脉冲信号Trig重置为0时，对流过开关管的电流信号ID低于设定阈值ID_REF的次数进行累加得到N1，当Trig信号置1时判断N1是否大于故障阈值NOCF并重置Nc为0；同理对开关管的漏源电压VDS低于设定阈值VDS_REF的次数进行累加得到N2，当Trig信号置1时判断N2是否大于故障阈值NSCF并重置Nc为0；
步骤5：若N1>NOCF，则可判定当前工作开关管开路；若N2>NSCF，则可判定当前工作开关管短路，并在计数脉冲信号Trig为1时输出短路或开路故障诊断信号。
一种空间电源推挽电路故障容错方法，其特征在于：初始工作开关管发生开路故障下，步骤如下：
步骤1：初始工作开关管A经故障诊断算法诊断为开路故障时，开关管A的PWM驱动信号切换至开关管C，同时将开关管B的驱动信号置低，开关管D的驱动信号一直置高；
步骤2：在步骤1的基础上，当开关管C发生开路故障，则发送停机信号；当开关管C发生短路故障，则将开关管C的PWM驱动信号切换至开关管D；
步骤3：在步骤2的基础上，当检测到开关管D发生短路和开路故障，则发送停机信号。
一种空间电源推挽电路故障容错方法，其特征在于：初始工作开关管发生短路故障下，步骤如下：
步骤1：初始工作开关管Q3 A经故障诊断算法诊断为短路故障时，开关管Q3 A的PWM驱动信号切换至开关管Q3 C，同时将开关管Q3 B的驱动信号置低，开关管Q3 D的驱动信号一直置高；
步骤2：在步骤1的基础上，当开关管Q3 C发生短路或开路故障，则将开关管Q3 C的PWM驱动信号切换至开关管Q3 B，同时将开关管Q3 A的驱动信号置高，开关管Q3 D的驱动信号一直置低；
步骤3：在步骤2的基础上，当检测到开关管Q3 B发生短路和开路故障，在开关管Q3C为开路情况下则发送停机信号；在开关管Q3 C为短路情况下，若开关管Q3 B短路则发送停机信号，若开关管Q3 B开路则PWM驱动信号切换至开关管Q3 D；
步骤4：在步骤3的基础上，当检测到开关管Q3 D发生短路和开路故障，则发送停机信号。
有益效果
本发明提出的一种空间电源推挽电路及开关管故障诊断和容错方法，首先去掉了Buck预稳压电路初级电容和推挽电路次级电感，简化后的拓扑能有效提高功率密度。后级非隔离精密稳压电路保证各路输出电压的稳定性和快速动态响应，解决了目前常用的多绕组结构中辅路输出电压精度低的问题。所提出的故障诊断算法具有快速诊断和辨识能力，对算法参数敏感性小，可最快在1个开关周期内完成故障诊断。利用所提出的冗余开关管串并联硬件重构电路，通过在线改变MOSFET组合驱动方式，可实现9中故障模式下的故障管快速隔离和硬件重构，保证电源拓扑继续正常工作。本发明针对空间电源变换器的不可维修性，大幅提高了在轨运行的可靠性。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1是本发明的空间电源拓扑结构和开关管冗余拓扑结构示意图。
图2是本发明的开关管开路故障诊断原理示意图。
图3是本发明的开关管短路故障诊断原理示意图。
图4是本发明的开关管故障容错策略流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，一种空间电源推挽电路，其空间电源DC-DC变换器拓扑结构采用三级式级联，包括Buck预稳压电路、包含冗余开关管(硬件重构)的推挽隔离电路、以及后级非隔离精密稳压电路。所述的Buck预稳压电路包括开关管Q1，电感L1和二极管D1，同时去掉了后级输出电容。所述的推挽电路由功率开关管Q2和Q3，变压器T1和整流二极管D2和D3组成，并去掉了次级电感。其中功率开关管Q2和Q3采用固定占空比轻微重叠导通驱动，占空约为51％，简化后的拓扑可以等效看作推挽环节一直导通，能确保较高的变换效率，并有助于减小输出滤波电容C2，有效提高功率密度。所述的硬件重构电路由推挽电路功率开关管串并联冗余开关管组成，以推挽开关管Q3为例，通过串并联开关管，组成Q3 A、Q3 B、Q3 C和Q3 D的冗余设计电路。推挽开关管Q2采用同样的冗余设计思路。
如图2及图3所示，一种利用所述的空间电源推挽电路进行故障诊断的方法，其诊断步骤如下：
步骤1：通过同步采样分别获得推挽电路两路功率开关管Q2A和Q3A和冗余开关管Q2 B、Q2 C和Q2 D以及Q3 B、Q3 C和Q3 D的漏源电压VDS和漏极电流ID，共计8个电压信号和4个电流信号。
步骤2：信号采样频率优选设置为100倍的开关管开关频率，即一个开关周期内获得100个采样点，实际采样频率可根据开关频率进行调整。将步骤1中在一个开关周期内取得的100个信号采样数值同步传输到FPGA控制芯片中。
步骤3：分别判断步骤2中得到的电压电流采样值是否大于设定电压阈值VDS_REF和电流阈值ID_REF。阈值稍大于0，需根据实际电路在运行过程中的采样数值进行调整。
步骤4：将PWM驱动信号的边沿触发信号(上升沿或者下降沿)，作为计数脉冲信号Trig。脉冲信号Trig重置为0时，对流过开关管的电流信号ID低于设定阈值ID_REF的次数进行累加得到N1，当Trig信号置1时判断N1是否大于故障阈值NOCF并重置Nc为0。同理对开关管的漏源电压VDS低于设定阈值VDS_REF的次数进行累加得到N2，当Trig信号置1时判断N2是否大于故障阈值NSCF并重置Nc为0。
步骤5：若N1>NOCF，则可判定当前工作开关管开路；若N2>NSCF，则可判定当前工作开关管短路，并在计数脉冲信号Trig为1时输出短路或开路故障诊断信号。
如图4所示，一种利用所述的空间电源推挽电路进行故障容错的方法，初始工作开关管发生开路故障下，其具体步骤如下：
步骤1：当包含冗余开关管的推挽电路中Q3 A作为初始工作开关管，经故障诊断算法诊断为开路故障时，开关管Q3 A的PWM驱动信号切换至开关管Q3 C，同时将开关管Q3 B的驱动信号置低，开关管Q3 D的驱动信号一直置高。
步骤2：在步骤1的基础上，当开关管Q3 C发生开路故障，则发送停机信号；当开关管Q3 C发生短路故障，则将开关管Q3 C的PWM驱动信号切换至开关管Q3 D。
步骤3：在步骤2的基础上，当检测到开关管Q3D发生短路和开路故障，则发送停机信号。
如图4所示，一种利用所述的空间电源推挽电路进行故障容错的方法，初始工作开关管发生短路故障下，其具体步骤如下：
步骤1：初始工作开关管Q3 A经故障诊断算法诊断为短路故障时，开关管Q3 A的PWM驱动信号切换至开关管Q3 C，同时将开关管B的驱动信号置低，开关管Q3 D的驱动信号一直置高。
步骤2：在步骤1的基础上，当开关管Q3 C发生短路或开路故障，则将开关管Q3 C的PWM驱动信号切换至开关管Q3 B，同时将开关管Q3 A的驱动信号置高，开关管Q3 D的驱动信号一直置低。
步骤3：在步骤2的基础上，当检测到开关管Q3 B发生短路和开路故障，在开关管Q3C为开路情况下则发送停机信号；在开关管Q3 C为短路情况下，若开关管Q3 B短路则发送停机信号，若开关管Q3 B开路则PWM驱动信号切换至开关管Q3 D。
步骤4：在步骤3的基础上，当检测到开关管Q3 D发生短路和开路故障，则发送停机信号。
冗余拓扑结构功率开关管MOSFET工作可靠性提高原理下表
Figure BDA0003146768030000071
表中：“PWM”表示驱动信号正常，“ON”表示驱动信号一直置高，“OFF”表示驱动信号一直置低。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种空间电源推挽电路，包括Buck预稳压电路、含硬件重构功能的推挽隔离电路，以及后级非隔离精密稳压电路；
所述的Buck预稳压电路包括开关管Q1，电感L1和二极管D1，同时去掉了后级输出电容；
所述的含硬件重构功能的推挽隔离电路包括功率开关管Q2和Q3，变压器T1和整流二极管D2和D3，并去掉了次级电感；其中功率开关管Q2和Q3采用固定占空比轻微重叠导通驱动，占空为51％。
2.一种空间电源推挽电路进行故障诊断的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：通过同步采样分别获得推挽电路两路功率开关管和冗余开关管的漏源电压VDS和漏极电流ID，共计8个电压信号和4个电流信号；
步骤2：信号采样频率优选设置为100倍的开关管开关频率，将步骤1中在一个开关周期内取得的100个信号采样数值传输到FPGA控制芯片中；
步骤3：分别判断步骤2中得到的电压电流采样值是否大于设定电压阈值VDS_REF和电流阈值ID_REF；
步骤4：将PWM驱动信号的边沿触发信号，作为计数脉冲信号Trig；脉冲信号Trig重置为0时，对流过开关管的电流信号ID低于设定阈值ID_REF的次数进行累加得到N1，当Trig信号置1时判断N1是否大于故障阈值NOCF并重置Nc为0；同理对开关管的漏源电压VDS低于设定阈值VDS_REF的次数进行累加得到N2，当Trig信号置1时判断N2是否大于故障阈值NSCF并重置Nc为0；
步骤5：若N1>NOCF，则可判定当前工作开关管开路；若N2>NSCF，则可判定当前工作开关管短路，并在计数脉冲信号Trig为1时输出短路或开路故障诊断信号。
3.一种利用权利要求1所述的空间电源推挽电路进行故障容错的方法，其特征在于：初始工作开关管发生开路故障下，步骤如下：
步骤1：初始工作开关管A经故障诊断算法诊断为开路故障时，开关管A的PWM驱动信号切换至开关管C，同时将开关管B的驱动信号置低，开关管D的驱动信号一直置高；
步骤2：在步骤1的基础上，当开关管C发生开路故障，则发送停机信号；当开关管C发生短路故障，则将开关管C的PWM驱动信号切换至开关管D；
步骤3：在步骤2的基础上，当检测到开关管D发生短路和开路故障，则发送停机信号。
4.一种利用权利要求1所述的空间电源推挽电路进行故障容错的方法，其特征在于：初始工作开关管发生短路故障下，步骤如下：
步骤1：初始工作开关管A经故障诊断算法诊断为短路故障时，开关管A的PWM驱动信号切换至开关管C，同时将开关管B的驱动信号置低，开关管D的驱动信号一直置高；
步骤2：在步骤1的基础上，当开关管C发生短路或开路故障，则将开关管C的PWM驱动信号切换至开关管B，同时将开关管A的驱动信号置高，开关管D的驱动信号一直置低；
步骤3：在步骤2的基础上，当检测到开关管B发生短路和开路故障，在开关管C为开路情况下则发送停机信号；在开关管C为短路情况下，若开关管B短路则发送停机信号，若开关管B开路则PWM驱动信号切换至开关管D；
步骤4：在步骤3的基础上，当检测到开关管D发生短路和开路故障，则发送停机信号。
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