一种峰值电流控制电路并联输出系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及航天电源控制技术领域，具体涉及一种峰值电流控制电路并联输出系统及其控制方法。


背景技术：

2.航天电源系统主要由太阳电池阵、蓄电池和电源控制器三部分组成，航天器在空间中处于光照期时，由太阳电池阵供电对蓄电池进行充电和为负载供电；当航天器进入阴影区时，失去太阳电池阵供电，此时仅从蓄电池放电向负载供电。推挽电路是常用的一种蓄电池放电电路，具有高可靠性、高效率和快速动态响应等特点。
3.考虑功率器件应力和器件尺寸的影响，单个推挽电路输出功率一般在300w左右，随着航天器的发展，伴随着航天器供电需求不断提升，蓄电池放电电路所需求的放电功率也不断增大，因此需要将多个推挽电路并联输出满足功率使用需求。
4.传统推挽电路采样峰值电流控制，多路并联输出采用隔离二极管式并联，依靠功率二极管热特性实现并联输出的动态平衡，每个推挽电路输出电压、开关频率均可调节。采用隔离二极管式并联的放电电路具有高可靠性，单个推挽电路失效可切断，然而由于功率二极管的压降与温升关系的不一致性，难以实现任意功率输出条件下的多路输出平衡，特别是当功率需求进一步增大、并联路数进一步增多之后，功率电路输出的不均衡度显著提高。同时采用隔离二极管式并联的放电电路，在隔离二极管上的功率损耗随着输出功率增大而增加。因此传统隔离二极管式并联在未来更高功率航天器上应用存在困难。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种峰值电流控制电路并联输出系统及其控制方法，提高了航天电源系统供电能力，降低了电源系统供电损耗。
6.本发明所采用的技术方案是：一种峰值电流控制电路并联输出系统，包括mea电路、主频率生成电路、峰值电流控制变换电路以及负载；
7.所述mea电路接收来自负载的电压反馈信号，将电压反馈信号与设定的基准电压信号进行比较后，经pid调节输出电压闭环控制信号至峰值电流控制变换电路；
8.所述主频率生成电路输出带有频率信息的信号至峰值电流控制变换电路；
9.所述峰值电流控制变换电路接收来自mea电路的电压闭环控制信号和主频率生成电路的开关频率信号，处理后输出功率至负载；
10.所述负载接收峰值电流控制变换电路输出的功率对内部设备进行恒压供电，输出电压反馈信号至mea电路。
11.进一步的，所述峰值电流控制变换电路根据需求进行多路并联。
12.进一步的，所述主频率生成电路包括频率信号主份、频率信号备份、检测电路、选通电路和频率信号输出电路；
13.所述频率信号主份输出内部工作健康状态信号至检测电路，同时输出带有开关频
率信息的主份信号至选通电路；
14.所述频率信号备份输出带有开关频率信息的备份信号至选通电路；
15.所述检测电路接收来自频率信号主份的内部工作健康状态信号，输出检测结果至选通电路；
16.所述的选通电路接收来自频率信号主份和频率信号备份的带有开关频率信息的信号，当选通电路接收的来自检测电路的检测信号显示频率信号主份电路为正常工作时，选通电路输出频率信号主份传输来的信号至频率信号，否则，输出频率信号备份传输来的信号至频率信号；
17.所述的频率信号输出电路接收来自选通电路的信号传输至后级电路。
18.进一步的，所述峰值电流控制变换电路包括跟随电路、主功率电路、信号电路以及隔离电路；
19.所述跟随电路接收电压闭环控制信号和开关频率信号，隔离传输至信号电路，跟随电路用于防止信号电路对电压闭环控制信号和开关频率信号造成干扰；
20.所述信号电路接收来自跟随电路的电压闭环控制信号和开关频率信号，将开关频率信号通过外围电路转化并输出至内部驱动芯片的锯齿波发生端口，经过驱动芯片处理产生开关驱动信号，信号电路的内部驱动芯片输出的开关驱动信号与接收的开关频率信号的开关频率保持一致；将电压闭环控制信号输入驱动芯片的电压输入脚实现电压闭环控制；
21.所述主功率电路接收来自信号电路的开关驱动信号，实现对内部mos管的开关控制，输出功率传输至隔离电路；
22.所述隔离电路连接主功率电路，接收来自主功率电路的功率，通过功率二极管隔离或者mos管隔离将功率传输至负载。
23.进一步的，所述主功率电路内部还包括保护电路，用于在单个峰值电流控制变换电路发生故障时，关闭该路保证不影响并联的其他峰值电流控制变换电路正常工作。
24.进一步的，所述保护电路包括输入开关、输入输出检测电路和变换电路；
25.所述输入开关为电路加断电指令电路，对来自输入输出检测电路的检测结果进行判断，输出开关输出控制信号至变换电路；
26.所述输入输出检测电路接收变换电路的状态信息进行检测，将检测结果输出至输入开关；输入输出检测电路包括变换电路的输入的过流、欠压和输出的过流、过压的检测；
27.所述变换电路接收输入开关的开关控制信号，对主功率电路进行功率传输控制，输出电路状态信息至输入输出检测电路。
28.基于上述一种峰值电流控制电路并联输出系统的控制方法，包括：
29.mea电路接收来自负载的电压反馈信号，将电压反馈信号与设定的基准电压信号进行比较后，经pid调节输出电压闭环控制信号至峰值电流控制变换电路；
30.主频率生成电路输出带有频率信息的信号至峰值电流控制变换电路；
31.峰值电流控制变换电路接收电压闭环控制信号和开关频率信号处理后输出功率至负载；
32.负载接收峰值电流控制变换电路输出的功率对内部设备进行恒压供电，输出电压反馈信号至mea电路。
33.本发明与现有技术相比具有如下技术效果：
34.(1)本发明的峰值电流控制电路并联输出系统及其控制方法，通过该方法易于实现更多功率电路并联，提高了航天供电系统功率输出能力。
35.(2)本发明的峰值电流控制电路并联输出系统及其控制方法，可采用功率mos管替代功率二极管用于多个功率电路输出隔离，降低了大功率情况下隔离电路的功率损耗，提高了航天电源系统供电效率。
36.(3)本发明的峰值电流控制电路并联输出系统及其控制方法，频率信号发生电路内部采用热备份设计，当主份电路发生故障时可以通过检测电路的工作迅速切至备份电路继续工作，保证频率信号发生电路的可靠性。
37.(4)本发明的峰值电流控制电路并联输出系统及其控制方法，射随电路保证mea信号和频率信号输送至每个信号电路相互隔离，当单个信号电路发生故障不会引起其余信号电路工作紊乱。
附图说明
38.图1为峰值电流控制电路系统的结构示意图；
39.图2为主频率生成电路内部结构示意图
40.图3为峰值电流控制变换电流内部结构示意图；
41.图4为峰值电流控制电路保护结构示意图。
具体实施方式
42.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图1～4和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
43.本发明提供峰值电流控制电路并联输出系统，包括mea电路、主频率生成电路、峰值电流控制变换电路以及负载，如图1所示。图1中峰值电流控制变换电路可根据需求进行多路并联。
44.所述mea电路连接峰值电流控制变换电路和负载，接收来自负载的电压反馈信号，并输出电压闭环控制信号至峰值电流控制变换电路。mea电路是航天常用的冗余电路，内部将电压反馈信号与设定的基准电压信号进行比较后，经pid调节输出电压闭环控制信号。
45.所述主频率生成电路连接峰值电流控制变换电路，输出带有频率信息的信号至峰值电流控制变换电路。
46.所述峰值电流控制变换电路连接mea电路、主频率生成电路和负载，接收来自mea电路的电压闭环控制信号和主频率生成电路的开关频率信号，输出功率至负载。
47.所述负载连接峰值电流控制变换电路和mea电路，接收峰值电流控制变换电路输出的功率对内部设备进行恒压供电，输出电压反馈信号至mea电路。
48.如图2所示，上述主频率生成电路包括频率信号主份、频率信号备份、检测电路、选通电路和频率信号输出电路。
49.所述的频率信号主份连接检测电路和选通电路，输出内部工作健康状态信号至检测电路，同时输出带有开关频率信息的信号(主份)至选通电路。
50.所述的频率信号备份连接选通电路，输出带有开关频率信息的信号(备份)至选通电路。
51.所述的检测电路连接频率信号主份和选通电路，接收来自频率信号主份的健康状态信号，输出检测结果至选通电路。
52.所述的选通电路连接频率信号主份、频率信号备份、检测电路和频率信号输出电路，接收来自频率信号主份和频率信号备份的带有开关频率信息的信号，以及检测电路输出的健康状态检测结果信号，根据内部逻辑，选择输出带有开关频率信息的信号(主份/备份)至频率信号输出电路。当选通电路接收的来自检测电路的检测信号显示频率信号主份电路为正常工作时，选通电路输出频率信号主份传输来的信号至频率信号，反之则输出频率信号备份传输来的信号至频率信号。
53.所述的频率信号输出电路连接选通电路，接收来自选通电路的信号传输至后级电路。
54.上述峰值电流控制变换电路如图3所示，包括跟随电路、主功率电路、信号电路以及隔离电路。
55.所述跟随电路接收前级电路(图1中的mea电路和主频率生成电路)输出的电压闭环控制信号和开关频率信号，隔离传输至信号电路。跟随电路用于防止后级的信号电路对电压闭环控制信号和开关频率信号造成的干扰。
56.所述的信号电路连接跟随电路和主功率电路，接收来自跟随电路的信号并进行内部处理，输出开关驱动信号至主功率电路。所述信号电路接收来自跟随电路的电压闭环控制信号和开关频率信号，将开关频率信号通过特定外围电路转化并输出至内部驱动芯片的锯齿波发生端口，经过驱动芯片处理产生开关驱动信号，信号电路的内部驱动芯片输出的开关驱动信号与接收的开关频率信号的开关频率保持一致；将电压闭环控制信号输入驱动芯片的电压输入脚实现电压闭环控制。信号电路中峰值电流控制的电流内环需采集对应功率电路的电流信号。
57.所述的主功率电路连接信号电路和隔离电路，接收来自信号电路的开关驱动信号，实现对内部mos管的开关控制，输出功率传输至隔离电路。
58.所述的隔离电路连接主功率电路，接收来自主功率电路的功率，通过功率二极管隔离或者mos管隔离将功率传输至负载，防止发生多路并联过程中单路输出短路造成整个电源系统输出短路的事件。
59.上述主功率电路内部还具有峰值电流控制电路的保护电路如图4，包括输入开关、输入输出检测电路和变换电路。用于在单个峰值电流控制变换电路内部发生故障时，关闭该路以达到不影响并联的其他峰值电流控制变换电路正常工作的目的。
60.所述的输入开关为电路加断电指令电路，连接输入输出检测电路和变换电路，对接收来自输入输出检测电路的检测结果进行判断，输出开关输出控制信号至变换电路。
61.所述的输入输出检测电路连接输入开关和变换电路，接收来自变换电路的状态信息进行检测，将检测结果输出至输入开关。输入输出检测电路一般包括变换电路的输入的过流、欠压和输出的过流、过压的检测，当图3中隔离电路采用mos管隔离方案时，还需增加输出反向电流检测电路。
62.所述的变换电路连接输入开关和输入输出检测电路，接收来自输入开关的开关控制信号，对主功率电路进行功率传输控制，输出电路状态信息至输入输出检测电路。
63.一种峰值电流控制电路并联输出控制方法，包括步骤如下：
64.mea电路接收来自负载的电压反馈信号，将电压反馈信号与设定的基准电压信号进行比较后，经pid调节输出电压闭环控制信号至峰值电流控制变换电路；
65.主频率生成电路输出带有频率信息的信号至峰值电流控制变换电路；
66.峰值电流控制变换电路接收电压闭环控制信号和开关频率信号处理后输出功率至负载；
67.负载接收峰值电流控制变换电路输出的功率对内部设备进行恒压供电，输出电压反馈信号至mea电路。
68.实施例：
69.所述mea电路采集电压反馈信号与设定的基准电压比较后，经pid调节输出电压闭环控制信号。
70.所述主频率生成电路内部的主份和备份信号的生成，通常选用与信号电路一致的驱动芯片搭建的外围电路，实施例选用uc1825驱动芯片搭建外围电路输出带有开关频率信号的锯齿波信号作为频率信号，并最终传输至频率信号输出电路。主频率生成电路生成带有驱动信号频率信息的信号，该信号经跟随电路和信号电路的两级信号处理可以同步后级信号电路输出的开关频率，信号的同步须根据信号电路中使用的驱动芯片搭建特定的外围电路。主频率生成电路可采用多种形式的锯齿波发生电路(例如uc1825的锯齿波发生电路)。主频率生成电路内部采用如图2的热备份形式进行冗余设计。
71.本实施例选用的峰值电流控制变换电路的拓扑为推挽电路结构，是航天器上常用的蓄电池放电电路。推挽电路为防止电路工作发生磁偏必须使用峰值电流控制模式，因此符合本发明设计内容。
72.本实例的负载为航天器上的受电设备，工作时消耗能量。
73.本实例中的频率信号主份为开关管开关频率信号发生电路主份，该电路生成带有开关频率信息的信号。所述频率信号备份为开关管开关频率信号发生电路热备份，同样生成带有开关频率信息的信号。
74.频率信号主份将带有自身电路正常工作的健康状态信号传输至检测电路，检测电路通过对获得的频率信号主份的健康状态信号进行判读输出检测信号至选通电路。选通电路同时接收来自频率信号主份和频率信号备份的信号。当选通电路接收的来自检测电路的检测信号显示频率信号主份电路为正常工作时，选通电路输出频率信号主份传输来的信号至频率信号输出电路，反之则输出频率信号备份传输来的信号至频率信号输出电路。
75.本实施例检测电路检测uc1825的11脚(输出a)、14脚(输出b)和16脚(输出参考电平)的输出电平。
76.本实施例选通电路采用cc4066芯片搭建外围电路。
77.本实施例频率信号输出电路即为频率信号发生电路最终输出电路。
78.本实例中跟随电路为mea电路和主频率生成电路两者输出信号的跟随电路，用于信号隔离传输至信号电路。跟随电路通常采用运算放大器搭建。
79.所述信号电路接收来自跟随电路的电压闭环控制信号和开关频率信号，将开关频率信号通过特定外围电路转化并输出至内部驱动芯片(本实施例选用uc1825)的锯齿波发生端口，这样将信号电路的uc1825输出的开关频率与接收的开关频率信号的开关频率保持一致；将电压闭环控制信号输入驱动芯片的电压输入脚(uc1825的2脚)实现电压闭环控制。
信号电路中峰值电流控制的电流内环需采集对应功率电路的电流信号。信号电路输出驱动信号至主功率电路实现对内部mos管的开关控制。
80.所述隔离电路须选用功率二极管或者带有反向电流检测电路的功率mos管进行隔离，防止发生多路并联过程中单路输出短路造成整个电源系统输出短路的事件。本实例选用带有反向电流检测电路的功率mos管进行隔离，减小输出功率损耗。
81.输入开关为电路的加/断电指令电路，通常选用继电器搭建，接收输入输出检测电路输出的信号并控制变换电路的输入开关通断。输入输出检测电路一般包括变换电路输入的过流、欠压和输出的过流、过压，当图3中隔离电路采用功率mos管隔离方案时，还须增加输出反向电流检测电路防止功率电路输出短路失效导致多个功率电路发生短路。
82.本发明电路结构清晰具有可拓展性，通过电路的并联组合扩展可以有效减小部分航天器大功率电路带来的损耗的问题，同时具有通过多种形式的保护电路维持电路稳定工作的优点。
83.显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。