梁晓锋 武逸然 仪德英

（中国空间技术研究院载人航天总体部，北京 100094）

1 引言

供配电系统作为重要的平台子系统，其可靠性很大程度上决定了航天器的可靠性，为确保航天器用电设备发生过流故障时对整个供电系统造成影响，国内外一直在研究航天器供配电系统的过流保护技术，在发生故障时以最快的速度将故障隔离，防止故障进一步蔓延影响到其它的系统，同时还需要确保故障隔离的准确性，以避免造成非正常的保护动作。

功率电子器件制造水平的快速提高，使基于过流保护的固态供电控制技术得到广泛采用。从20世纪80年代开始，欧、美、日等国家的航天器逐渐采用以金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）器件为基础的固态供电控制技术，以提高航天器配电的安全性［1］。美国马歇尔航天飞行中心为“国际空间站”设计了一种远程供电控制器（RPC）［2］。美国明尼苏达大学研制了可编程断路器，应用于空间飞行器［3］。日本研制了用于“国际空间站”的日本实验舱（JEM）的电流限流开关（CLS）［4］。美国南卡罗来纳大学设计一种固态供电控制器［5］，功能类似日本的CLS，具有恒流限流功能。不过，该产品没有利用MOSFET 器件的恒流特性，而是通过调节MOSFET 器件导通的占空比来实现限流。这种限流的原理类似具有限流功能的直流-直流变换器［6］。基于Ⅰ2t（其中Ⅰ为负载电流，t为跳闸延迟时间）的固态供电控制技术研究比较成熟，其产品使用主要以美国、加拿大两国的航天器为代表，技术较为复杂，一般用在大功率配电线路的保护。

目前，国内航天器在负载输入端采用的过流保护多为在设备的输入端串入熔断器，属于一种被动的过流保护手段［1］。由于熔断器过流保护方式对设备而言是不可恢复的，同时熔断器不可靠因素较多，存在因浪涌电流等瞬间应力导致失效的可能，尤其对于存在电感、电容的滤波电路，在过渡过程中可能产生幅值和频率较高的冲击电流，电流热积累会造成熔断器的异常熔断［7］。因此应尽量避免采用熔断器作为过流保护器件，而应优先采用过流保护故障排除后可恢复的过流保护线路。而国内尚未有在轨飞行的航天器采用固态供电控制技术，未来的遥感系列卫星拟采用电流限流开关作为过流保护手段，部分载人航天器拟采用基于Ⅰ2t的固态功率控制技术作为过流保护手段。

2 基于固态功率控制器的过流保护方法

固态功率控制器（SSPC）一般由MOSFET 驱动电路及保护控制电路、隔离的测控电路和辅助电源组成，此为可恢复式过流保护器件。在通路发生短路后，可恢复式过流保护器件进行过流保护，并将保护状态信息传送至智能管理单元；智能管理单元预测故障保护后卫星任务受到的影响，并作出故障处理的决策［8］。例 如 美 国 深 空 系 统 技 术 项 目（DSSTP，即X2000）电源系统的故障处理方案，当通路产生过流报警信号时，断开相应的通路，延迟相应时间后再次接通该通路。在一定时间内过流报警超过累计次数时，则彻底断开负载，以剔除偶发故障和可排除的软故障［9］。可见，固态功率控制器为可恢复式的过流保护器件，它的使用提高了供配电系统的智能化。

2．1 过流保护体系设计

从上述调研及分析可见，固态功率控制器因其具有过流保护后的可恢复功能，提升供配电系统智能化等优点，得到了广泛的应用。但固态功率控制器功能组成模块多，设计复杂，自身出现故障的概率增大。随着后续航天器规模增大，每个供电母线可能为上百台设备提供供电，若一个过流情况下固态功率控制器因故障未动作，则会导致整条供电母线断电，造成航天器失去供电的严重后果。固态功率控制器均采用缓启动、慢关断的策略，减小了设备启动时的浪涌电流，克服了熔断器因为浪涌等瞬间应力而失效的缺点，可有效提高熔断器使用的可靠性。综上所述，为提高供配电系统设计可靠性，实现“一重故障工作，二重故障安全”，考虑采用固态功率控制器＋熔断器的模式，其可克服单独使用熔断器的缺点，兼具了熔断器及固态功率控制器两者的优点，在不增加较多系统资源的同时极大地提高了系统应对故障的能力。配电模式示意图如图1所示。

图1 配电模式示意图Fig．1 Schematic diagram of distribution model

2．2 过流保护参数整定

采用SSPC＋熔断器模式后，当用电设备发生过流故障时，SSPC 和熔断器均可能因为过流而发生保护动作，此时考虑到SSPC为可恢复保护器件，因此SSPC应在熔断器动作之前动作，则故障排除后可再次为用电设备加电。若熔断器先动作，则SSPC的自恢复保护功能未能起到作用，丧失了使用SSPC的意义。

从上述分析可见，使用SSPC＋熔断器后，过流体系为二重的过流保护设计，因此必须对SSPC 过流保护曲线与熔断器的过流保护曲线进行匹配设计，即保护参数整定后，方可达到使用目的。

2．2．1 熔断器保护曲线

以当前航天器使用最为广泛的Schulte公司的MGA-S系列熔断器为例，其熔断时间如表1和图2所示）。

表1 MGA-S熔断器熔断时间Table 1 MGA-S fusing time

图2 Schulte公司熔断器熔断曲线图Fig．2 MGA-S fusing curve

2．2．2 SSPC保护曲线

国外SSPC产品的过流保护跳闸时间如表2所示。

表2 过流SSPC产品过流保护时间Table 2 SSPC response time

可见，SSPC 的过流跳闸时间各产品之间均不相同，同时从SSPC原理分析，其过流保护参数的设定主要与应用场合相关，若供电电源短时输出能力大且负载耐过流能力较强，则可以适当地延长过流保护动作时间，时间的延长有利于SSPC 的抗干扰设计，若供电电源输出能力较小且负载耐过流能力较弱，则需要缩短过流保护动作时间，以避免过流时影响供电母线为其它负载的供电。

以某厂商的SSPC为例，其产品包括0．5A、1A、3A 及10A 四种规格，前3种规格产品在电流小于8倍额定电流时，采用Ⅰ2t保护策略，随着负载电流的增加跳闸时间减小，当过流电流大于8倍额定电流时产品立即跳闸，跳闸时间小于500μs。10A 产品由于过流保护时电源需要提供的电流值较大，因此立即跳闸的过流倍数定义为额定电流的4倍。保护曲线如图3所示。

2．2．3 过流保护参数匹配

为保证发生过流故障时，SSPC 先于熔断器动作，需要根据SSPC 及熔断器的保护曲线进行匹配的设计。即对于每个规格的SSPC，为其配置一个固定规格的熔断器，使其两者在保护参数上协调，实现SSPC 先于熔断器动作。由图2可见，熔断器的熔断时间随过流电流的增大而减小，同时由图3可见，SSPC的跳闸时间同样随过流电流的增大而减小。因此若用电设备发生过流，在每个固定的过流值时，SSPC的跳闸时间小于熔断器的熔断时间，并留有一定的时间余量，即可保证SSPC 先于熔断器动作，使两者保护时序满足要求。反映在过流保护曲线中时，即将熔断器的过流保护曲线位于SSPC过流保护曲线的上方。

图3 SSPC产品过流保护曲线Fig．3 SSPC over-curren prevention curve

以10A 的SSPC 为 例，可为其配置20A 的熔断器，当过流值为20 A 时，SSPC 的过流倍数为2倍，熔断器未过流，因此SSPC 跳闸而熔断器未跳闸；当过流值为30A 时，SSPC 的过流倍数为3倍，熔断器的过流倍数为1．5倍，熔断器熔断时间大于10s，此时SSPC的跳闸时间小于1s即可（留有9s的时间余量）；当过流值为40A 时，SSPC的过流倍数为4倍，熔断器的过流倍数为2倍，熔断器熔断时间大于2s，此时SSPC立即跳闸，跳闸时间小于500μs，确保了在过流时SSPC先于熔断器动作。从两者匹配的角度看，对于固定规格的SSPC，与其对应的熔断器规格越大，则发生过流时熔断器熔断所用的时间越长，但熔断器规格不宜过大，因为过大的熔断器可能导致供电电源无法提供足够的能量将其熔断。熔断器的选择同样需要满足以下要求。

式中：Ⅰp为电源母线（一次电源为电源分系统，二次电源为电源变换器）的保护电流；Ⅰn为熔断器额定工作电流；Ⅰs为该母线上总负载的最大额定工作电流；Ⅰe为此台设备的最大额定工作电流；α为熔断器的电流降额因子。

3 过流保护方案仿真及试验验证

从上述理论分析可见，通过合理的选用熔断器及SSPC的过流保护参数，可以实现在通路过流时SSPC先于熔断器动作，达到两者合理的保护动作时序。在理论分析的基础上，对过流设计进行了仿真分析及试验验证，以进一步证实过流体系设计及保护参数整定方法的正确性。

3．1 仿真分析

首先建立熔断器及SSPC 的数学模型，在此基础上进行了系统仿真。

3．1．1 熔断器模型建立

以20A 熔断器为例，在Saber电路仿真软件中选取已有熔断器模型，根据Schulte公司熔断器的参数确定仿真模型参数。测试波形如图4所示。

图4 熔断器测试波形Fig．4 Fuse waveform

由图4可以看出，所搭建熔断器模型满足过流0．8～1．25倍不熔断，1．5倍熔断时间大于10s，1．7和2倍熔断时间大于2s，与图2中熔断器的时间相符。

3．1．2 SSPC模型建立

以10ASSPC 为例，SSPC 模型的测试波形如图5所示。

图5 SSPC测试波形Fig．5 SSPC waveform

负载两端电压从0V 到100V 的上升时间为45μs，从100V 到0V 的下降时间为15μs，与实际SSPC数据基本吻合，所搭建模型满足要求。

3．1．3 过流保护仿真

使用Saber仿真软件中的电压比较器、理想电压源、电阻和电容模块，根据前文中SSPC与熔断器过流保护参数匹配设计，应用点拟合法搭建Ⅰ2t过流保护模块。将各模块连接，搭建包括直流电源、熔断器、SSPC、过流保护电路、负载的完整仿真验证模型。模型的过流保护特性如图6所示。

图6为10A 规格的SSPC 在负载电流由额定值突变为20A 时的保护特性曲线，从曲线中可见正常状态时，负载电流为10A，当负载电流在0．5s突变至20A 时，SSPC过流保护，在1．38s断开，过流保护时间为0．88s，负载电流降为0A。

图6 10ASSPC过流约2倍波形Fig．6 2times over current flow waveform of 10ASSPC

图7为10A 规格的SSPC在负载电流由额定值突变为36．8A 时（模拟用电设备过流）的保护特性曲线，从曲线中可见正常状态时，负载电流为10A，当负载电流突变至36．8A 时，SSPC 过流保护，在502．36ms断开，过流保护时间为1．41ms，负载电流降为0A。

图7 SSPC过流约4倍波形Fig．7 4times over current flow waveform of 10ASSPC

从上述保护特性仿真可见，使用SSPC＋熔断器配电模式，通过对SSPC、熔断器过流保护特性匹配设计后，当用电设备过流故障时，SSPC 动作进行过流保护，对故障起到有效的隔离作用，同时熔断器未发生熔断。

3．2 试验验证

对于SSPC与熔断器的匹配性能进行了试验验证，试验验证平台由稳压直流电源、接触器及驱动电路、SSPC及驱动电路、熔断器、负载、测试电缆及测试仪表组成。内部组成及连接关系如图8所示。其中SSPC 选用0．5A、1A、3A、10A4种规格，在SSPC之前配置熔断器。直流电源电压为100 V，SSPC 偏置电压12V，控制信号为0．5V，负载电流可调整，通过驱动电路控制SSPC的开通与关断。

图8 试验验证框图Fig．8 Diagram of the test

测试中，将系统连接到位后通过驱动电路首先接通K1、K2开关，通过驱动电路开通SSPC，然后将负载电流逐步增大，测试SSPC 的保护特性。当SSPC过流保护后，通过驱动电路将SSPC 断开，然后调整负载到额定状态，再次开通SSPC后，调整负载到一定过流值，继续测试SSPC 保护特性。试验过程中对SSPC 的保护动作曲线进行了测试，部分测试波形如图9所示。

图9 SSPC过流波形Fig．9 Over current flow waveform of SSPC

图9中绿色曲线为SSPC（模拟用电设备过流）的保护特性曲线，红色曲线为SSPC 开通指令信号。图9（a）中正常状态时，负载电流为10A，当负载电流突变至20A 时，SSPC 过流保护约0．8s，负载电流降为0。图9（b）中正常状态时，负载电流为10A，当负载电流突变至37．3A 时，SSPC 过流保护约1．3ms，负载电流降为0。图9（c）中正常状态时，负载电流为3A，当负载电流突变至25．1A 时，SSPC过流保护约37μs，负载电流降为0。实现了用电负载短路下的立即跳闸。

从图9保护特性测试可见，使用SSPC＋熔断器配电模式，通过对SSPC、熔断器过流保护特性匹配设计后，当用电设备过流故障时，由于SSPC的过流跳闸时间小于熔断器的熔断时间，SSPI先于熔断器实现过流保护，对故障起到有效的隔离作用，同时熔断器未发生熔断。

4 结束语

本文在调研分析当前国内外配电过流保护设计的基础上，提出了一种SSPC＋熔断器的配电过流保护体系。对这种过流保护体系的优缺点进行了分析。提出了过流保护参数整定的要求并进行了仿真分析及试验验证。SSPC＋熔断器的过流保护体系在增加很小系统资源的情况下实现了对负载过流的二重保护，通过合理的保护参数整定实现了当负载过流时SSPC先于熔断器动作，在提高系统运行可靠性的基础上，实现了自恢复式的过流保护。可以为后续航天器型号进行过流保护设计提供参考。

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