CN114094658B - 带负载特性测量功能的全固态供配电方法及装置 - Google Patents

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Abstract

带负载特性测量功能的全固态供配电方法及装置，在正式配电前探测负载设备的供电端输入阻抗，生成负载特性曲线，用以和正常情况做比对，提前发现负载故障或状态变化，提高正式供配电的可靠性、安全性。具体的，在正式配电前，由控制器控制功率MOSFET开关产生不同宽度的开启脉冲(成型脉冲)，通过积分电容，在负载端形成安全测试电压。同时，控制器采集配电电流，生成负载的伏安特性曲线，该曲线可描述负载的特性阻抗是否发生变化，以及是否发生短路、断路等情况。确认无误后，控制器可正式开启功率MOSFET开关，完成全功率配电。

Description

带负载特性测量功能的全固态供配电方法及装置
技术领域
本发明涉及带负载特性测量功能的全固态供配电方法及装置，属于供配电技术领域。
背景技术
目前，广泛应用于飞行器/运载火箭供配电产品的技术主要包括基于电磁继电器或接触器的配电器以及基于固态继电器或MOSFET的固态配电器。其中，全固态供配电技术以其抗冲击振动能力强、可靠性高等特点已逐渐成为发展趋势。然而，以上两种技术均存在以下问题，即配电器在对下游用电设备配电前无法确定负载状态，如短路、断路、负载阻抗发生变化等情况。直接配电将有可能发生火灾、设备烧毁等不良后果。为此，迫切需要一种方法，旨在正式配电前，预先探测用电设备的状态是否发生变化或发生短路、断路等极端情况，确保正式配电安全可靠。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种带负载特性测量功能的全固态供配电方法及装置，在正式配电前探测负载设备的供电端输入阻抗，生成负载特性曲线，用以和正常情况做比对，提前发现负载故障或状态变化，提高正式供配电的可靠性、安全性。具体的，在正式配电前，由控制器控制功率MOSFET开关产生不同宽度的开启脉冲(成型脉冲)，通过积分电容，在负载端形成安全测试电压。同时，控制器采集配电电流，生成负载的伏安特性曲线，该曲线可描述负载的特性阻抗是否发生变化，以及是否发生短路、断路等情况。确认无误后，控制器可正式开启功率MOSFET开关，完成全功率配电。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
带负载特性测量功能的全固态供配电方法，包括如下步骤：
在正式配电前，配电器中的控制器产生脉冲信号使配电器中的MOSFET打开、关闭，MOSFET的输出经过积分电容后作为激励信号加载到负载；
采集激励信号的电压和电流，生成负载特性曲线；
根据负载特性曲线，控制配电器对负载进行供电。
优选的，采用成型脉冲与积分电容配合后产生激励信号。
优选的，积分电容用于对脉冲信号进行平滑滤波。
优选的，脉冲信号的脉宽逐渐升高，以使得激励信号的电压也逐渐提高。
一种全固态供配电方法，采用上述的全固态供配电方法，包括如下步骤：
采用电池或外接电源为配电器供电；
利用上位机对负载特性曲线进行判断，以确认负载状态是否正常。
优选的，当正式配电后，实时采集负载的电压、电流；并将采集值与装订值进行实时比较，当采集值超限时，关闭通道配电输出。
优选的，在导电通道中，利用MOSFET与肖特基二极管并联，将肖特基二极管作为冗余措施，其中MOSFET作为主通道使用，如果MOSFET失效，肖特基二极管开始工作。
优选的，在导电通道中，采用多条上行指令通道互为备份，用于地面设备与配电器之间进行数据和指令交互。
带负载特性测量功能的全固态供配电装置，采用上述的全固态供配电方法。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
本发明在全固态供配电技术的基础上，通过增加控制方法，使配电器有能力在正式配电前主动探测负载是否发生故障或状态发生变化，可提高配电可靠性、安全性。
附图说明
图1为本发明所述的使用场景设备连接关系图；
图2为本发明所述的原理框图；
图3为本发明所述的负载伏安特性曲线示意图。
图4为本发明MOSFET作为肖特基二极管的电流旁路的局部电路示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
带负载特性测量功能的全固态供配电方法及装置，用于飞行器/运载火箭设备高可靠供配电,可在正式供电前,通过地面指令探测下游用电设备是否出现短路、断路，供电阻抗特性发生变化等情况，确保供配电安全可靠。
本发明，在正式配电前探测负载设备的供电端输入阻抗，生成负载特性曲线，用以和正常情况做比对，提前发现负载故障或状态变化，提高正式供配电的可靠性、安全性。具体的，在正式配电前，由控制器控制功率MOSFET开关产生不同宽度的开启脉冲(成型脉冲)，通过积分电容，在负载端形成安全测试电压。同时，控制器采集配电电流，生成负载的伏安特性曲线，该曲线可描述负载的特性阻抗是否发生变化，以及是否发生短路、断路等情况。确认无误后，控制器可正式开启功率MOSFET开关，完成全功率配电。
本发明的原理为：无论阻性负载或是容性、感性负载，其特性均能通过伏安特性曲线客观地加以描述。再由电容的积分特性，可将不同脉冲宽度的信号进行平滑滤波，得到稳定的直流电平。这样，在控制器的控制下，通过MOSFET的瞬间闭合断开，便可以产生一个递增的电压变化过程。同时，采集该电压和伴随产生的电流，得到负载的伏安曲线，便可借此描述负载特性，用于判断负载是否完好或特性发生改变。
如图1所示，电池通过配电器响应地面指令控制为设备1到设备n进行供配电。在正式配电前，配电器中的控制器产生不同宽度的脉冲信号(成型脉冲)瞬间打开/关闭MOSFET，见图2，此时通过积分电容便得到了图3所示的V1到V10的低电压激励信号。该激励信号流过负载后产生激励电流，两者同时被采集并反馈到控制器，生成负载特性曲线。激励电压被严格控制在安全电压以下，确保即使负载发生短路、错接等极端情况，配电器及负载均安全。
伏安特性值通过图1所示的状态返回通道返回至地面上位机，用以判断负载状态，确保接下来的正式配电操作安全、可靠。
带负载特性测量功能的全固态供配电方法及装置，更具体的技术方案还包括：
1、通过成型脉冲和积分电容生成安全的测试激励信号；
成型脉冲为通过MOSFET控制的，占空比持续变化的电压输出，该电压被限制在负载安全电压以内(3V)。
2、提供可编程负载过流、过压保护；
当正式配电后，配电器实时采集负载的电压、电流。采集值与装订值进行实时比较，可通过装订参数决定超限值和超限时间，例如当电压超过30V，时间达到100ms时关闭该通道配电输出。
3、使用MOSFET作为肖特基二极管的电流旁路，降低热耗，同时实现单向导通功能冗余；
利用MOSFET导通后低内阻的特性，作为正常工作时的导电通道，同时使用肖特基二极管作为冗余措施，配合实现低功耗和可靠性的权衡。例如，当需要IN到OUT的导通时，通过控制CTRL电平，使Q1导通，作为主通道使用，如果Q1失效，则D1开始工作，如图4所示。
4、电池转电后具有基于硬件的自保持结构，避免处理器故障影响配电可靠性；
5、利用RS422通道，提供本配电器及下游设备的远程在线升级功能；
将JTAG逻辑固化于ASIC芯片，该芯片可实现通过RS422通道对多种处理器进行远程升级，该升级过程不依赖处理器中的原有固件，所以不会出现意外掉电或其他原因导致升级失败的现象，保证升级的可靠性。
6、功率供配电部分的冗余设计；
使用MOSFET作为肖特基二极管的电流旁路，降低热耗，实现供电通道的冗余。
7、地面与飞行器/运载火箭上电池可同时供电不冲突；
通过对配电状态的识别，使用软件实现理想二极管的功能，避免地面电源对飞行器/运载火箭上电池意外充电，同时，电池电压也不会反灌到地面电源。
8、地面指令通道的冗余设计，两条上行指令通道互为备份；
9、地面应急通道的可靠设计，即使处理器发生故障，仍然可以通过硬件电路进行配电；
配电器同时使用了两种配电方案，其中一种使用硬件实现，可作为处理器失效情况下的简化配电方案。
10、兼容外系统脉冲或触点两种信号输入形式进行关机操作；
11、基于RS485总线的多模块回报信息汇集功能(健康管理)；
12、使用特殊编码方式，使数据帧标识唯一，避免使用复杂的字符转义过程，简化程序设计。
约定指令帧和数据帧中数据部分只使用低7bit，所以数据中不会出现帧尾“5AFE”的组合(F和E高位为1)，使得帧尾唯一，避免转义等操作，确保解指令可靠、简洁。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
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 (6)

1.带负载特性测量功能的全固态供配电方法，其特征在于，包括如下步骤：
在正式配电前，配电器中的控制器产生脉冲信号使配电器中的MOSFET打开、关闭，MOSFET的输出经过积分电容后作为激励信号加载到负载；
采集激励信号的电压和电流，生成负载特性曲线；
根据负载特性曲线，控制配电器对负载进行供电；
采用成型脉冲与积分电容配合后产生激励信号；积分电容用于对脉冲信号进行平滑滤波；脉冲信号的脉宽逐渐升高，以使得激励信号的电压也逐渐提高；
通过MOSFET的瞬间闭合断开，产生一个递增的电压变化过程；采集该电压和伴随产生的电流，得到负载的伏安曲线，该曲线描述负载的特性阻抗是否发生变化，以及是否发生短路、断路，用于判断负载是否完好或特性发生改变；确认无误后，控制器正式开启MOSFET，完成全功率配电。
2.一种全固态供配电方法，其特征在于，采用权利要求1所述的全固态供配电方法，包括如下步骤：
采用电池或外接电源为配电器供电；
利用上位机对负载特性曲线进行判断，以确认负载状态是否正常。
3.根据权利要求2所述的全固态供配电方法，其特征在于，当正式配电后，实时采集负载的电压、电流；并将采集值与装订值进行实时比较，当采集值超限时，关闭通道配电输出。
4.根据权利要求2所述的全固态供配电方法，其特征在于，在导电通道中，利用MOSFET与肖特基二极管并联，将肖特基二极管作为冗余措施，其中MOSFET作为主通道使用，如果MOSFET失效，肖特基二极管开始工作。
5.根据权利要求2所述的全固态供配电方法，其特征在于，在导电通道中，采用多条上行指令通道互为备份，用于地面设备与配电器之间进行数据和指令交互。
6.带负载特性测量功能的全固态供配电装置，其特征在于，采用权利要求1所述的全固态供配电方法。
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