CN1906556A

CN1906556A - 太阳能电池阵列的电弧猝熄装置

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Publication number: CN1906556A
Application number: CNA2004800407436A
Authority: CN
Inventors: 詹姆斯·爱德华·海恩斯
Original assignee: Agence Spatiale Europeenne
Current assignee: Agence Spatiale Europeenne
Priority date: 2004-01-26
Filing date: 2004-01-26
Publication date: 2007-01-31
Anticipated expiration: 2024-01-26
Also published as: US7463460B2; US20070273339A1; CN100445921C; EP1709504B1; EP1709504A1; WO2005071512A1; ATE388432T1; DE602004012325D1

Abstract

一种防止电弧事件发生的装置，太阳能电池阵列板和控制设备提供主电源总线，控制装置包括用于控制太阳能电池阵列电压(Vs)的调节器(5)，调节器(5)包括用于根据控制信号而分路太阳能电池阵列电源电压的电源中断级(3)，该装置包括：压降检测电路(1)，当检测到太阳能电池阵列电压的压降时产生压降检测信号(V_D)，以及电弧猝熄电路(2)，包括用于产生输出信号(Vo)的装置，输出信号(Vo)作为控制信号(DoD)被提供到电源中断级(3)，从而当压降检测电路检测到压降时，分路太阳能电池阵列电压。

Description

太阳能电池阵列的电弧猝熄装置

背景技术

1.技术领域

本发明涉及太阳能能源及其调节器，尤其涉及一种防止在太阳能电池板上、或者航天器的太阳能电池阵列驱动装置(SADM)内产生电弧的电路。

2.现有技术

地同步通信卫星的太阳能电池阵列板通过太阳能驱动设备每隔24小时将其阵列翼旋转一次，而保持在日光配置(sunlightconfiguration)下。为了将太阳能电池产生的能量传递到卫星机载电气系统，在太阳能驱动设备内配置滑动环和拦截刷组件。这种滑动环包括通过绝缘层隔离的同心导体环。

传统的航天器能源系统包括用于调节航天器的主电源总线电压的能量调节器。该调节器包括几个用于对太阳能电池阵列的过电流进行分流，以产生经过调节的电压的电源中断(power dump)级。美国专利4186336公开了一种电源中断级。图1显示了采用较新技术的在功能上等效的电路。通过DoD(Dump on Drive，中断驱动)信号的控制，该级既可以处于中断开(Dump ON)状态，也可以处于中断关(DumpOFF)状态。电源中断级3包括连接于太阳能阵列线路和大地之间的MOSFET晶体管M10，当该中断级通过DoD信号被设定为开启状态(对应于该级的中断开状态)时，该级分路(shunts)太阳能阵列电压。该级进一步包括接入太阳能电池阵列和主电源总线的连线上的两个串联的阻断二极管(blocking diodes)D1，D2，从而防止电流从电源总线回流到电源中断级或太阳能电池阵列。

近些年，卫星电源总线电压不断增加，并且人们已经得知在卫星机载电气系统中存在的多种能量损失，这些能量损失导致航天器性能严重下降。这些能量损失是由于在太阳能电池阵列板上或甚至在太阳能电池阵列驱动装置内发生的持续电压电弧带来的损害造成的，从而导致了整个太阳能电池阵列翼的能量损失。这种电压电弧的出现往往是由于一定形式的污染造成的。如果金属微粒横跨具有很大电势差的两个电导体(太阳能电池，滑动环)，最初的电流流动就有可能使金属微粒气化。由于传统的航天器分路调节器一般包括连接于太阳能电池阵列和主电源总线之间的两个串联的阻断二极管D1，D2，因此，如果发生了需要比太阳能电池所能提供的电流更强的电流的电弧事件，那么太阳能电池阵列部分电压将崩溃。

在微粒熔化之后，电弧就可能熄灭。但是，如果仍然存在足够多的等离子并已发生局部的损害，就可能发生持续的电弧事件。如果出现后面的情况，由电弧事件产生的极度的热量将迅速损坏所有的局部绝缘隔障，并很快导致持久的短路事件，从而导致航天器的持久的能量损失。

最初的电弧势能可能很低，但是由于接触点材料被侵蚀，电弧势能通常会增加。

虽然这种电弧事件很少发生，但是为了保证卫星的性能及其寿命，有必要防止这种电弧事件的发生。

发明内容

本发明的发明目的在于最大限度地减少由于在太阳能电池阵列中的或太阳能电池阵列驱动装置内的无控电弧事件，而引起的传播(propagation)故障造成的严重能量损失。

为实现该目的，本发明提供了一种防止电弧事件发生的装置，太阳能电池阵列板和控制设备提供主电源总线，所述控制设备包括用于控制太阳能电池阵列电压的调节器，所述调节器包括用于作为控制信号的函数分路所述太阳能电池阵列电压的电源中断级。

根据本发明的装置可包括：压降检测电路，用于检测由所述太阳能电池阵列板提供的所述太阳能电池阵列电压的压降，所述压降检测电路产生压降检测信号；以及

电弧猝熄电路，包括用于产生输出信号的装置，所述输出信号被输出到电源中断级作为控制信号，从而当所述压降检测电路检测到压降时，分路所述太阳能电池阵列电压。

根据本发明的另一个方面，所述电弧猝熄电路进一步包括用于调整所述输出信号的装置，以在由所述压降检测信号提供的压降检测之后提供不做任何操作的时间较短的初始延时，并在所述初始延时后提供电弧猝熄脉冲以触发所述电源中断级从而分路所述太阳能电池阵列电压。

根据本发明的另一个方面，所述电弧猝熄电路进一步包括用于控制所述初始延时的第一单稳态芯片和用于控制所述电弧猝熄脉冲的宽度的第二单稳态芯片。

根据本发明的另一个方面，所述初始延时被设定为大约19ms，并且所述电弧猝熄脉冲具有大约1.7s的宽度。

根据本发明的另一个方面，所述电弧猝熄电路进一步包括当压降检测电路检测到所述太阳能电池阵列电压的压降时用于启动新的电弧猝熄周期的装置，所述电弧猝熄周期包括在所述电弧猝熄脉冲之前的所述初始延时。

根据本发明的另一个方面，所述压降检测电路包括用于将所述太阳能电池阵列电压和主总线电压进行比较的装置。

根据本发明的另一个方面，所述电弧猝熄电路进一步包括用于在施加到电源中断级之前，将所述控制信号与所述输出信号进行合并的装置。

通过下面结合附图所进行的描述，将更容易理解本发明，并且将更容易理解本发明的其它特征和优点。

附图简要说明

图1示意地显示了根据现有技术的包括电源中断级的航空器太阳能电池阵列电压调节器；

图2示意地显示了根据本发明的配备有保护装置的航空器太阳能电池阵列电压调节器；

图3具体地显示了图2所示的保护装置的压降检测电路；

图4具体地显示了图2所示的保护装置的电弧猝熄(arcquenching)电路；以及

图5-图9是显示了图2所示的保护装置的操作的曲线图。

实现本发明的最佳方式

现在将详细描述本发明的主要特征。图2显示了电压调节器5的保护装置，电压调节器5包括如图1所示的电源中断级3。根据本发明的保护装置包括压降检测电路1，用于检测由太阳能电池阵列电压(solar array voltage)中发生的电弧事件造成的压降；以及电弧猝熄电路2，其利用由压降检测电路提供的检测信号产生脉冲，以激活能量中断电路3使其在一定时间为“开启(ON)”状态。

图3具体地显示了压降检测电路1。该电路包括pnp型晶体管T1，晶体管T1的基极通过电阻R1连接到太阳能电池阵列电压V_S，并通过电阻R2连接到总线电压V_B，晶体管T1的发射极连接到总线电压，其集电极则提供压降检测信号V_D。正常操作中，晶体管的基极电压被反向偏置，从而使该晶体管不导通。因此，晶体管的集电极V_D被拉底为0V。当电弧发生时，太阳能电池阵列电压降低，因此太阳能电池阵列电压和被调节的总线电压之间出现电势差。如果这种电势差大于晶体管的额定基极-发射极结电压(典型为0.7V)，则晶体管T1导通并使电流通过。因此，检测到压降，并且流过晶体管的集电极电流可用来操控电源中断级3。

例如，R1＝470Ω，R2＝4.7kΩ，并且T1是2N2907A pnp晶体管。假设电源总线电压V_B为50V，除压降检测信号之外，正常运行时，电路中的各点约为50V，并且晶体管的基极的反向偏置电压为1.4V，因此，晶体管的集电极电压(V_D)为0V。当电弧发生时，太阳能电池阵列电压V_S将降为约35V。因此，太阳能电池阵列电压和总线电压之间的电势差约为15V。忽略晶体管极结(transistor junction)，电阻R2上的压降V_R2是：

V_{R 2} = (V_{B} - V_{S}) \frac{R_{2}}{R_{1} + R_{2}} = 15 \cdot \frac{470}{5170} = 1.36 V

在上述条件下，晶体管T1导通，并且在晶体管T1的集电极处的压降检测信号V_D升至约11V。

应当认识到，可以采用其他方法来检测电弧事件。例如，可以将太阳能电池阵列部分的电流损耗作为监视参数。

压降检测信号V_D被提供到如图4所示的电弧猝熄电路2上。该电路被优选地设计为在压降检测后的很短时间不采取任何行动，从而有可能将引起短路的材料气化。如果短路是持续的，则电弧猝熄电路2被设计为利用电源中断级1在一段较长的时间将施加的电压(太阳能电池阵列电压Vs)短路，以熄灭所有产生的电弧。

为实现该目的，电弧猝熄电路3包括双单稳态多频振荡器，其接收压降检测信号V_D作为触发信号，从而首先触发初始短延时，然后产生长持续时间的脉冲，该脉冲将电源中断级1在一定时间设定为开启(ON)状态。

在图4中，电弧猝熄电路3包括两个单稳态芯片I1，I2，每个单稳态芯片具有两个端子RC和C以将单稳态芯片连接到并行的RC电路，该RC电路包括连接于端子R和RC之间的电容C3，C4，以及电阻R3，R4，该电阻R3，R4将RC端子连接至由电阻R5引入的电源电压，并连接至与电容C1并联的并与大地相连的齐纳二极管Z1。电阻R5被选择为，能够从总线电压提供适当的电流来激励(stimulate)齐纳二极管Z1，例如，通过V_DD端子为单稳态芯片提供15V的装置。

各个单稳态芯片I1，I2进一步包括用于触发单稳态芯片的正触发端+T和负触发端-T。第一单稳态芯片I1的负触发端连接到由齐纳二极管Z1提供的电源电压，而第二单稳态芯片I2的正触发端连接到大地。如果提供到负触发端-T的信号从高变成点，则该信号将触发单稳态芯片，对于提供到正触发端+T的信号，情况相反。

各单稳态芯片进一步包括直接输出Q和翻转输出 Q，两个单稳态芯片的直接输出Q均未使用(未连接)。第一单稳态I1的翻转输出通过与非门(NAND)G3连接到第二单稳态芯片I2的负触发端-T，并且第二单稳态芯片I2的翻转输出连接到第一单稳态芯片的正触发端+T。

各单稳态芯片I1，I2进一步包括与大地相连的接地端和复位输入端，两个单稳态芯片的复位输入端均连接到与非门G3的另一个输入，并经过另一个作为翻转器的与非门G2(其两个输入都连接到门G1的输出)从与非门G1接收信号。与非门G1的一个输入通过电阻R6接收压降检测信号V_D，电阻R6和门G1的连接点通过电阻R7连接到地。门G1的另一个输入通过与串联的电阻R9和二极管D3相并联的电阻R8接收DoD信号，并通过电容C2连接到地。该DoD信号也作为与非门G4的输入。与非门G4的另一个输入连接到第一单稳态芯片I1的翻转输出 Q。门G4的输出是电弧猝熄电路的输出Vo，并用于驱动电源中断级3，特别用于驱动该级的MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)M10。

常态时，DoD信号和第一单稳态芯片I1的输出 Q都为“高”。因此，门G4的输出为“低”。

当压降检测电路1在太阳能电池阵列的电压中检测到压降时，就向与非门G1施加约11V的电压。由于根据定义，施加到门G1的另一个输入的DoD信号也为高态(未中断(no dumping))，因此门G1的输出由“高”变成“低”。门G1的输出信号通过门G2翻转，以产生由“低”到“高”的信号，该信号去除了施加在单稳态芯片I1，I2上的强制DC复位，并被提供给门G3。门G3的另一个输入来自第一单稳态芯片I1的翻转输出 Q(常态为“高”)。由于两个输入都为“高”，门G3的输出由“高”变成“低”。第一单稳态芯片I1的翻转输出 Q还被提供到与非门G4，与非门G4提供信号Vo以控制电源中断级3的状态。因此，在该初始阶段，门G4的输出保持为“低”。

由于门G3的输出信号从“高”变成“低”，因此，在第二单稳态芯片I2的负触发端-T施加负脉冲，从而在其翻转输出 Q触发负脉冲。依靠所选电阻R4和电容C4的数值，在触发为高态前，单稳态芯片I2在一段很短的时间保持为状态“低”。当这一段很短的时间结束时，第二单稳态芯片I2的翻转输出 Q最终从“低”变成“高”，正脉冲被施加到第一单稳态芯片I1的正触发端+T，以在其翻转输出Q触发负脉冲。随后，依靠所选电阻R3和电容C3的数值，第一单稳态I1在一段较长的时间保持为“低”态。由于第一单稳态I1的翻转输出 Q直接与门G4相连，施加到电源中断级3的信号Vo(门G4的输出)从“低”变成“高”。因此，级3转为开启(ON)状态(MOSFET M10导通)，从而将电压源(太阳能电池阵列电压)从初始电弧事件中移除。当这段较长的时间结束后，第一单稳态I1的翻转输出 Q的状态由“低”变成“高”，门G4的输出由“高”变成“低”，从而级3转为关闭(OFF)状态(未中断)。

应当注意，由于门G1和G4的作用，电弧猝熄电路3和标准DoD调节信号并行工作，门G1保证该电路在正常的(nominal)中断控制情况下不会触发。

单稳态芯片I1和I2能够由单个双稳态CMOS集成电路(如CD4098)实现。同样地，四个与非门G1-G4能够由单个集成电路(如CD4093)实现。

图5显示了上述保护装置的运行。在该图中，上方的曲线11显示了作为时间的函数的太阳能电池阵列电压Vs，当电弧接触点短路时，该电压Vs降为0V。当由于短路材料的气化(evaporation)这些点随后被开路时，曲线11呈现了表示电弧开始的上升沿。中间的曲线12显示了作为时间的函数压降检测电路1的输出电压V_D。一旦检测到太阳能电池阵列的电压降低，压降检测信号呈现了激活电弧猝熄电路2的上升沿。下方的曲线13显示了作为时间的函数的施加到电源中断级3的电弧猝熄电路的输出信号Vo。来自压降检测的初始延时(此期间电弧猝熄电路不起作用)应当足够长从而能够成功清除所有短路材料，但是也不能太长，因为电弧持续的时间越长，电弧发生部位受到的损坏越大。如上方的曲线11所示，初始延时之后是电弧猝熄脉冲，通过将太阳能电池阵列电源箝位至接近0V(电源中断级3设置为开启(ON)状态)以熄灭电弧。该电弧猝熄脉冲必须持续一定时间以分散等离子体并使得电弧发生部位冷却(cool down)，从而确保不会再次产生电弧。电弧猝熄脉冲结束后，电弧猝熄电路2将电源中断级3设置为关闭(OFF)状态。因此，太阳能电压被重置并且压降检查电路1的输出电压返回至0V。

在图5所示的实施例中，从压降检测到产生电弧猝熄脉冲的初始延时被设为150ms，而电弧猝熄脉冲宽度限定为90ms，当R3＝R4＝1MΩ，C3＝0.22μF并且C4＝0.47μF时，即可获得这些值。

图6和图7显示了由电弧猝熄电路2产生的初始延时和电弧猝熄电路脉冲延时。在这些图中，上方的曲线14，16以及下方的曲线15，17分别显示了作为时间的函数的压降检测电路1的输出电压V_D和电弧猝熄电路2的输出电压Vo，图6中的时间尺度为200ms，图7的时间尺度为1s。在图6和图7所示的实施例中，从压降检测到产生电弧猝熄脉冲的初始延时被设定为170ms，而电弧猝熄脉冲宽度被设定为1.7s，当R3＝R4＝1MΩ，C3＝4.7μF并且C4＝0.47μF时，即可获得这些值

图7显示了如果在第一电弧猝熄脉冲后太阳能电池阵列电压Vs保持为“低”，则当被压降检测电路1检测到时，将开始新的电弧猝熄周期(初始延时及随后的电弧猝熄脉冲)。只要压降检测电路1检测到太阳能电池阵列和总线电压之间的压降，这个电弧猝熄周期将一直重复。

图8和图9显示了由电弧猝熄电路2产生的初始延时和电弧猝熄脉冲延时。在这些图中，上方的曲线18，21显示了作为时间的函数的太阳能电池阵列电压Vs。中间的曲线19，22显示了作为时间的函数的压降检测电路1的输出信号V_D。下方的曲线20，22显示了作为时间的函数的电弧猝熄电路2的输出电压Vo，图8中的时间尺度为20ms，图9中的时间尺度为1s。在图8和图9所示的实施例中，从压降检测到产生电弧猝熄脉冲的初始延时被设定为19ms，而电弧猝熄脉冲宽度被设定为2.6s，当R3＝R4＝1MΩ，C3＝6.8μF并且C4＝0.1μF时，即可获得这些值。图9再一次地显示了如果在第一电弧猝熄脉冲后太阳能电池阵列电压Vs保持为“低”，则当被压降检测电路1检测到时，将开始新的电弧猝熄周期。

初始延时和电弧猝熄脉冲宽度的优选值分别为19ms和1.7s，当R3＝R4＝1MΩ，C3＝4.7μF并且C4＝0.1μF时，即可获得这些值。

Claims

1.一种防止电弧事件发生的装置，太阳能电池阵列板和控制设备提供主电源总线，所述控制设备包括用于控制太阳能电池阵列电压(Vs)的调节器，所述调节器包括电源中断级(3)，用以作为控制信号(DoD)的函数来分路所述太阳能电池阵列电压，其特征在于，所述装置包括：

压降检测电路(1)，用于检测由所述太阳能电池阵列板提供的所述太阳能电池阵列电压的压降，所述压降检测电路产生压降检测信号(V_D)，以及

电弧猝熄电路(2)，包括用于产生输出信号(Vo)的装置，所述输出信号(Vo)作为所述控制信号(DoD)被提供到电源中断级(3)，从而当所述压降检测电路检测到压降时，分路所述太阳能电池阵列电压。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述电弧猝熄电路(2)进一步包括用于调整所述输出信号(Vo)的装置，以在由所述压降检测信号(V_D)提供的压降检测之后提供不做任何操作的较短时间的初始延时，并在所述初始延时后提供电弧猝熄脉冲，以触发所述电源中断级(3)，从而分路所述太阳能电池阵列电压(V_s)。

3.如权利要求2所述的装置，其中，所述电弧猝熄电路(2)进一步包括用于控制所述初始延时的第一单稳态芯片(I2)，和用于控制所述电弧猝熄脉冲的宽度的第二单稳态芯片(I1)。

4.如权利要求2或3所述的装置，其中，所述初始延时被设定为大约19ms，并且所述电弧猝熄脉冲具有大约1.7s的宽度。

5.如权利要求2-4中任一项所述的装置，其中，所述电弧猝熄电路(2)进一步包括当压降检测电路(1)检测到所述太阳能电池阵列电压(Vs)的压降时用于启动新的电弧猝熄周期的装置，所述电弧猝熄周期包括在所述电弧猝熄脉冲之前的所述初始延时。

6.如权利要求1-5中任一项所述的装置，其中，所述压降检测电路(1)包括用于将所述太阳能电池阵列电压(Vs)和主总线电压(V_B)进行比较的装置(T1)。

7.如权利要求1-6中任一项所述的装置，其中，所述电弧猝熄电路(2)进一步包括用于在施加到电源中断站(3)之前将所述控制信号(DoD)与所述输出信号(Vo)进行合并的装置(G1，G4)。