空间双余度电源电路的制作方法

本实用新型涉及空间电力电子技术领域，具体的说是一种空间双余度电源电路。

背景技术：

供电电源电路是卫星和航天器上能源部分的重要组成，将系统初级能源转化为各子系统内部工作需求的供电电压，是各系统能源供给可靠运行的必要保证。为减少初级能源的携带量，确保空间飞行任务的成功，抑制恶劣空间辐射环境的影响，要求空间电源必须具备小型化、冗余性、高可靠性。

执行空间飞行任务时发现空间电源供电电路损坏，往往是单一功率器件的短路和断路故障。为了避免因子系统重要单机能源供给部分发生故障，常采用多模块并联冗余，当一个模块发生故障时，另一备份模块进入工作模式等类似方法；该模式保证了系统的可靠性，但多模块级并联存在占用空间大、成本高，难以小型化以及有效的降低成本等问题。

针对现有功率器件空间应用特性和故障模式，实现供电电源在空间环境中小型化和高可靠性是一个重要研究方向。研究发现空间辐射条件下，对供电电源功率器件的影响，主要表现为：第一，影响功率开关管阈值开启电压向下漂移；第二，影响功率二极管的反向漏电流增大等问题。在空间飞行中，为解决空间恶劣环境影响，常采用具有空间辐照参数的功率器件，但其具有价格高、周期长、体积大等诸多问题影响。

现有空间电源为保证飞行成功，提高供电能源系统可靠性，常用多模块并联冗余备份的工作模式，其虽然实现提高系统可靠性，但能源系统整体体积大，成本高，最重要的往往因单一功率器件的损坏直接把整块供电电源电路旁路，切换到另一备份工作单元。应针对空间电源的主要故障模式表现形式，进行必要的电路单元内部冗余设计，而不是简单的备份、切换模式。

现有的空间电源为满足恶劣空间环境，选择具有空间辐照指标的电子元器件，但存在其成本高、周期长、体积大的问题，并没有针对空间环境对供电电源电路的影响因素进行必要设计。

现有的余度电源存在该点发生故障后，冗余和切换后的单元依旧具有较高概率发生该故障的几率，难以保证系统对可靠性的更高要求。

现有的技术针对器件再空间应用存在的问题进行了分析研究，并提出一定解决问题的思路，但没有结合空间电源的故障模式，进行空间电源供电电路的整体电路结构冗余设计。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述不足之处，本实用新型要解决的技术问题是提供一种空间双余度电源电路，用于解决空间供电电源器件适应恶劣空间辐照环境的基础上，实现器件级电路冗余结构设计，并提供不同电路方案的冗余结构，以防止因为单一故障问题导致的整个空间电源电路单元故障。

本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是：一种空间双余度电源电路，包括输入侧功率单元、变压器、输出侧功率单元和综合控制单元，所述变压器的输入线圈连接所述输入侧功率单元，所述变压器的输出线圈连接所述输出侧功率单元，所述综合控制单元连接所述输入侧功率单元和所述输出侧功率单元；

所述变压器的输入线圈包括第一输入线圈和第二输入线圈，所述第一输入线圈和第二输入线圈的入线端均连接输入母线的正极；所述变压器的输出线圈包括第一输出线圈和第二输出线圈；

所述输入侧功率电路包括主功率输入侧单元和主功率输入侧冗余单元，所述主功率输入侧单元连接所述第一输入线圈的出线端，所述主功率输入侧冗余单元所述第二输入线圈的出线端；

所述输出侧功率单元包括主功率输出侧单元和主功率输出侧冗余单元，所述主功率输出侧单元连接所述第一输出线圈的两端，所述主功率输出侧冗余单元连接所述第二输出线圈的两端，所述主功率输出侧单元和主功率输出侧冗余单元的输出端连接，并作为所述电源电路的输出端。

所述主功率输入侧单元包括主开关管、冗余开关管、第二电容、第三功率二极管和第二采样电阻；

所述主开关管的栅极连接所述综合控制单元，漏极连接所述第一输入线圈的出线端，源极连接所述冗余开关管的漏极；所述主开关管的栅极和源极之间连接所述第二电容和第三功率二极管的串联结构；所述冗余开关管的源极连接所述综合控制单元，源极连接所述第二采样电阻；所述第二采样电阻的另一端连接输入母线的负极。

所述主功率输入侧冗余单元包括第一开关管、第一电容、第一功率二极管、第一功率二极管和第一采样电阻；

所述第一开关管的栅极连接所述综合控制单元，漏极连接所述第二输入线圈的出线端，源极连接第二功率二极管的阳极；所述第一开关管的栅极和源极质检连接所述第一电容和第一功率二极管的串联结构；所述第二功率二极管的阴极连接所述第一采样电阻；所述第一采样电阻的另一端连接输入母线的负极。

所述主功率输出侧单元包括第四开关管、第四电容、第四功率二极管、第六功率二极管和第四采样电阻；

所述第四开关管的栅极连接所述综合控制单元，漏极连接所述第一输出线圈的入线端，源极连接所述第四功率二极管的阴极；所述第四功率二极管的阳极连接所述第四采样电阻，所述第四采样电阻的另一端连接地线；所述第六功率二极管的阳极连接所述第一输出线圈的出线端，阴极连接所述电源电路的输出端；所述第六功率二极管的阳极和地线之间连接所述第四电容。

所述主功率输出侧冗余单元包括第五开关管、第五功率二极管、第七功率二极管、第三电容和第三采样电阻；

所述第五开关管的栅极连接所述综合控制单元，漏极连接所述第二输出线圈的入线端，源极连接所述第五功率二极管的阴极；所述第五功率二极管的阳极连接所述第三采样电阻，所述第三采样电阻的另一端连接地线；所述第七功率二极管的阳极连接所述第二输出线圈的出线端，阴极连接所述电源电路的输出端；所述第七功率二极管的阳极和地线之间连接所述第三电容。

本实用新型适用于卫星探测器等深空领域应用，以满足对供电电源的高可靠性需求，具体具有以下优点：

(1)本实用新型针对空间电源主要功率器件的故障模式，设计了电源内部冗余备份的电路结构，解决为满足空间电源可靠性存在单一功率器件异常而造成整个空间电源损坏的问题，显著提高空间电源可靠性，并有效降低电源体积重量。

(2)本实用新型针对恶劣空间环境对空间电源的主要影响因素，设计了一种空间电源电路拓扑结构。

(3)针对空间电源器件存在的问题，结合空间电源可靠性冗余要求，实用新型了具有电路内部冗余功能和兼备内部功能特性补偿的电路结构，对两种功能特性有效结合，选用功率器件少，控制方法简单。

(4)本实用新型所设计的冗余电路单元结构对切入时机要求低，可提早切入并不影响系统工作特性。

(5)本实用新型有效解决功率器件发生的短路及断路异常工况难以继续正常工作的问题。

(6)本实用新型输入侧冗余单元为变结构冗余，如果主功率输入侧单元发生异常，降低主功率输入侧冗余单元因为器件同样问题造成故障发生。

(7)本实用新型所设计电路，电路未发生切换到冗余侧功率单元时，可为输出负载端提供瞬时大电流的能力。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构图；

图2为本实用新型的变压器的结构图；

图3为本实用新型的综合控制单元的引脚结构图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步的详细说明。

如图1所示，一种空间双冗余电源电路，包括输入侧功率单元、变压器、输出侧功率单元和综合控制单元。

输入侧功率单元作为功率传递电路入口端电路，包括主功率输入侧单元和主功率输入侧冗余单元。其中主功率输入侧单元作为输入侧向外传递能量的主要斩波通路，主功率输入侧冗余单元为备份冗余结构，通过综合控制单元判断当其中一组功率单元发生故障时另一组功率单元可实现功能切换。每一组输入功率单元电路由两级功率管串联结构组成，由综合控制单元判断当其中一个功率管发生故障，由串联级功率管实现对初级能源的斩波控制；当系统正常工作未发生故障时，综合控制单元控制两个串联功率开关管工作时序，通过开启冗余开关管的漏源极导通电压补偿主开关管的驱动阈值电压下降漂移值，并通过功率电路中串入采样电阻的模式进一步补偿功率开关管阈值电压下降漂移值和采集输入电流状态值。

具体地，主功率输入侧单元包括主开关管q2、冗余开关管q3、第二电容c2、第三功率二极管d3和第二采样电阻r2。输入母线电压的正端连接变压器第一输入线圈的入线端，变压器第一输入线圈的出线端连接主开关管q2的漏极，主开关管q2的源极连接冗余开关管q3的漏极，冗余开关管q3的源极连接第二采样电阻r2的一端，第二采样电阻r2的另一端连接输入母线电压的负端。采样信号cs1连接冗余开关管q3的源极和第二电阻r2公共端。主开关管q2的栅极连接综合控制单元的输出信号qd2，冗余开关管q3栅极连接综合控制单元的输出信号qd3。第三功率二极管d3的阳极连接主开关管q2的源极，第三功率二极管d3的阴极连接第二电容c2一端。第二电容c2的另一端连接主开关管q2的栅极，在冗余开关管q3开关瞬态时对第二电容c2充放电，控制主开关管q2的栅极电压的稳定。综合控制单元控制输出信号qd3和qd2间的死区时间，综合控制单元控制qd3提前开通，控制冗余开关管q3的漏极和源极导通压降，补偿主功率开关管q2的栅源极驱动阈值电压下降漂移值。

具体地，主功率输入侧冗余单元包括第一开关管q1、第一电容c1、第一功率二极管d1、第二功率二极管d2和第一采样电阻r1。输入母线电压的正端连接变压器第二输入线圈的入线端，变压器第二输入线圈的出线端连接第一开关管q1的漏极，第一开关管q1的源极连接第二功率二极管d2的阳极，第二功率二极管d2的阴极连接第一采样电阻r1的一端，第一采样电阻r1的另一端连接输入母线电压的负端。采样信号cs2连接第二功率二极管d2的阴极和第一电阻r1公共端。第一开关管q1的栅极连接综合控制单元的输出信号qd1。第一功率二极管d1的阳极连接第一功率开关管q1的源极，第一功率二极管d1的阴极连接第一电容c1的一端，第一电容c1的另一端连接第一开关管q1的栅极。第一开关管q1关断瞬间通过对第一电容c1充放电控制第一开关管q1栅极电压的稳定。当综合控制单元控制的输出信号qd1开通第一开关管q1，由于第一功率二极管d1导通压降存在，升高第一开关管q1的源极电平，以补偿第一功率开关管q1的栅源极驱动阈值电压漂移值。

输出侧功率单元包括主功率输出侧单元和主功率输出侧冗余单元。

具体地，主功率输出侧单元包括第四开关管q4、第四电容c4、第四功率二极管d4、第六功率二极管d6和第四采样电阻r4。通过变压器第一输出侧线圈的入线端连接第四开关管q4的漏极，第四开关管q4的漏极连接第四功率二极管d4的阴极，第四开关管q4的栅极连接综合控制单元的输出信号qd4，第四功率二极管d4的阳极连接第四采样电阻r4一端，第四采样电阻r4的另一端连接输出地(地线)，其中第四功率二极管d4的阳极连接第四采样电阻r4端接采样信号cs3，变压器输出侧线圈1出线端点连接功率二极管d6阳极，功率二极管阴极连接输出电压+vout端信号，第四电容c4的一端连接第六功率二极管d6的阳极，第四电容c4的另一端连接输出地，第四电容c4一端和第六功率二极管d6公共端接+vout2信号。综合控制单元的输出信号qd4开通第四开关管q4为输出端传递能量，通过第四功率二极管d4导通压降补偿第四开关管q4栅极驱动阈值电压下降漂移值；当综合控制单元控制信号qd4关断第四开关管q4，阻断因功率二极管反向漏电流增大对该支路的影响。综合控制单元通过检测两个周期内+vout2信号和采样信号cs3测试值，对比判断两个周期内采样信号cs3和+vout2信号波动状态，判断输出侧短路和断路异常工况：当第四开关管q4发生短路故障，第四功率二极管d4进入冗余备份工作状态，继续整流滤波，当第四功率二极管d4发生短路故障，不影响第四开关管q4继续输出整流的工作状态，继续整流滤波，其中第四采样电阻r4压降可补偿第四开关管q4的栅源极阈值电压下降漂移值；当综合控制单元检测第四开关管q4和第四功率二极管d4发生断路故障，将切换至主功率输出侧冗余单元进入主工作状态，继续为输出侧提供能量。

具体地，主功率输出侧冗余单元包括第五开关管q5、第三电容c3、第五功率二极管d5、第七功率二极管d7和第三采样电阻r3。通过变压器第二输出线圈的入线端连接第五开关管q5的漏极，第五开关管q5的源极连接第五功率二极管d5的阴极，第五开关管q5的栅极连接综合控制单元的输出信号qd5，第五功率二极管d5的阳极连接第三采样电阻r3一端，第三采样电阻r3另一端连接输出地，其中第五功率二极管d5的阳极连接第三采样电阻r3端接采样信号cs4，变压器第二输出线圈2出线端点连接第七功率二极管d7的阳极，第七功率二极管d7的阴极连接输出电压+vout端，第三电容c3的一端连接第七功率二极管d7的阳极，第三电容c3的另一端连接输出地，第三电容c3的一端和第七功率二极管d7公共端接+vout1信号。

主功率输出侧单元正常工作时，综合控制单元的输出信号qd5关断第五开关管q5，当综合控制单元通过检测两个周期内+vout2信号和cs3信号测试值，判断主功率输出侧单元完全异常，不能为输出端继续提供能量；综合控制单元控制第五开关管q5的开通关断为输出继续提供能量。通过第五功率二极管d5导通压降补偿第五开关管q5栅源极驱动阈值电压下降漂移值，当综合控制单元的输出信号qd5关断第五开关管q5，阻断因功率二极管反向漏电流增大对该支路的影响；综合控制单元通过检测对比两个周期内采样信号cs4和输出电压+vout1和+vout信号波动状态，判断第五开关管q5和第五功率二极管d5的状态，当第五开关管q5发生短路故障，第五功率二极管d5进入冗余备份工作状态，继续整流滤波，当第五二极管d5发生短路故障，不影响第五开关管q5整流工作状态，可继续整流滤波，其中第三采样电阻r3压降可补偿第五开关管q5的栅源极阈值电压下降漂移值。

当输出负载侧+vout端需要瞬间大功率能量时，可由综合控制单元控制主功率输入侧单元和主功率输入侧冗余单元及主功率输出侧单元和主功率输出侧冗余单元同时进入一段时间的工作状态，保证为输出提供瞬态峰值电流的能力。

综合控制单元控制主功率输入侧冗余单元和主功率输入侧单元及主功率输出侧单元和主功率输出侧冗余单元的开关频率相同，为同一综合控制单元发出信号，所以主功率输入侧冗余单元和主功率输出侧冗余单元提前进入工作状态不影响系统特性，以降低控制难度。其中综合控制单元可以使用单片机或dsp数字芯片作为主控制芯片。

输入侧单元、输出侧单元发生完全短路故障将造成电路不能继续工作，所以在器件选型时，冗余开关管q3、第二功率二极管d2、第四功率二极管d4和第五功率二极管d5需要电压电流更大降额余量的设计。