一种航天器开关控制通路浪涌电流抑制电路的制作方法

1.本发明涉及一种航天器开关控制通路浪涌电流抑制电路，尤其涉及一种开关动作瞬间，常规浪涌抑制电路未工作时的浪涌抑制电路，属于大功率配电领域。


背景技术：

2.空间站总体电路分系统设备众多，设备开关机大多采用机械开关切换控制。部分设备有自己单独的开关控制，部分设备共用一个开关进行控制。由于设备中设计有emi滤波电容以及通路中存在的寄生电容，且设备一次母线回线和机壳在整星阶段处于短接状态，导致在机械开关闭合瞬间，设备内部的固有浪涌抑制电路被旁路起不到应有作用，设备中电容形成瞬时充电回路，电容近似短路，产生短时但幅值很大的浪涌电流。多个设备共用一个开关时，由于多个设备同时加电，浪涌电流还会产生叠加效应，进一步推高浪涌电流幅值。
3.在航天器系统中，机械开关闭合瞬间产生的浪涌电流危害巨大：1)影响一次母线稳定，母线电压会产生瞬时跌落；2)可能会导致功率通路开关触点粘连失效；3)可能对设备熔断器造成损伤等。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种航天器开关控制通路浪涌电流抑制电路，目的是解决机械开关闭合瞬间，在常规浪涌抑制电路未开始工作时，在母线上产生的短时但幅值较大的浪涌电流。
5.本发明目的通过以下技术方案予以实现：
6.本发明实施例提供一种航天器开关控制通路浪涌电流抑制电路，包括：功率开关k1、并联支路、功率开关驱动电路、继电器驱动电路；
7.并联支路采用电阻和继电器开关k2串联，并联支路两端与功率开关k1两端并联；
8.功率开关驱动电路分为三个子电路；第一个子电路为mos管驱动电路，包括p型mos管、mos管gs极上拉电阻、mos管gs极下拉电阻、mos管g极限流电阻；二次母线正端vin 与mos管s极相连，mos管d极通过功率开关k1限流电阻与功率开关k1线包正端相连；mos管gs极上拉电阻与mos管gs极下拉电阻形成分压来提供mos管的栅源电压；g极限流电阻的一端与mos管的g极连接，另一端连接在mos管gs极上拉电阻和mos管gs极下拉电阻之间；
9.功率开关驱动电路的第二个子电路为三极管延时电路，包括三极管、三极管b极上拉电阻、三极管b极下拉电阻、三极管b极限流电阻、延时电容；三极管c极与mos管g极通过mos管gs极下拉电阻相连，三极管e级与驱动信号端相连，三极管b极串联三极管b极限流电阻后连接至三极管b极下拉电阻，三极管b极下拉电阻与驱动信号端之间并联延时电容；三极管b极上拉电阻与二次母线正端相连，三极管b极上拉电阻和三极管b极下拉电阻形成分压为三极管b极提供基极驱动电压；
10.功率开关驱动电路的第三个子电路，位于mos管d极与二次母线负端vin
‑
之间，包
括串联连接的功率开关k1线包、功率开关k1限流电阻、功率开关k1抗扰二极管；还包括与该串联部分并联的功率开关k1保护电路；
11.继电器驱动电路位于二次母线正端与驱动信号端之间，包括串联连接的继电器开关k2线包、继电器开关k2限流电阻、继电器开关k2抗扰二极管；还包括与该串联部分并联的继电器开关k2保护电路。
12.本发明一实施例中，当驱动信号为闭合指令时，继电器开关k2先于功率开关k1闭合；当驱动信号为关断指令时，继电器开关k2先于功率开关k1断开，其中驱动信号低电平有效。
13.本发明一实施例中，功率开关k1的置位线圈与复位线圈绕制在同一磁芯上，功率开关k1的置位线圈或复位线圈断电瞬间在复位线圈或置位线圈上产生互感应电动势，功率开关k1抗扰二极管用于防止功率开关k1线圈的互感电动势形成潜通路；继电器开关k2的置位线圈与复位线圈绕制在同一磁芯上，继电器开关k2的置位线圈或复位线圈断电瞬间在复位线圈或置位线圈上产生互感应电动势，继电器开关k2抗扰二极管用于防止继电器开关k2线圈的互感电动势形成潜通路。
14.本发明一实施例中，功率开关k1保护电路采用两只二极管串联；继电器开关k2保护电路采用两只二极管串联。
15.本发明一实施例中，功率开关k1触点额定电流远大于继电器开关k2触点额定电流。
16.本发明一实施例中，功率开关k1限流电阻用于防止功率开关k1的线圈短路。
17.本发明实施例提供一种航天器开关，包括开关本身，以及上述的航天器开关控制通路浪涌电流抑制电路，用于抑制开关的浪涌电流。
18.本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
19.1、本发明浪涌抑制电路可解决开关闭合瞬间，常规浪涌抑制电路未工作时，在一次母线上产生的第一个短时浪涌电流，解决了常规浪涌抑制电路无法抑制的浪涌电流。
20.2、本发明并联支路中继电器与功率开关共用控制指令，不占用指令资源。
21.3、本发明并联支路继电器与功率开关的线圈驱动电路具有时序控制，确保继电器先于功率开关闭合或断开。
22.4、本发明驱动电路中继电器线圈和功率开关线圈分别串联有二极管作为磁抑制电路，为了防止同一功率开关/继电器内部置位线圈与复位线圈之间产生的互感电动势形成潜通路。
23.5、本发明驱动电路继电器线圈和功率开关线圈两端并联有保护电路，保护电路由两个串联的二极管构成，用于抑制线圈断电瞬间产生的自感应电动势，避免产生电压尖峰。
24.6、本发明驱动电路在继电器线圈和功率开关线圈串联了电阻，可以防止继电器或接触器线圈短路而造成电源损坏。
附图说明
25.图1为本发明功率开关触点并联“电阻 继电器”支路原理图；
26.图2为本发明功率开关及并联支路中继电器的驱动电路原理图；
27.图3为本发明驱动延时波形。
具体实施方式
28.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。
29.开关控制通路浪涌抑制电路，包括功率开关k1、并联支路、功率开关驱动电路、继电器驱动电路。
30.并联支路由电阻和继电器触点串联，并联支路两端与功率开关k1触点两端并联。继电器驱动电路位于功率开关驱动电路的前端，二次母线正端通过限流电阻与继电器开关k2线圈正端相连，继电器开关k2线圈负端直接与驱动信号端相连。功率开关驱动电路采用mos管驱动电路进行通断控制，采用三极管延时电路进行延时控制，二次母线正端与mos管s极相连，mos管d极通过功率开关k1限流电阻与功率开关k1线圈正端相连，功率开关k1线圈负端直接与二次母线负端相连。二次母线正端与三极管c极之间通过mos管gs极上拉电阻与mos管gs极下拉电阻形成分压来提供mos管的栅源电压。二次母线正端与驱动信号端之间通过三极管b极上拉电阻和三极管b极下拉电阻形成分压为三极管b极提供基极驱动电压。三极管b极串联b极限流电阻。三极管b极下拉电阻与驱动信号端之间并联两只电容，起到驱动延时作用。驱动信号低电平有效，当驱动信号为闭合指令时，继电器触点先于功率开关触点闭合；当驱动信号为关断指令时，继电器触点先于功率开关触点断开。
31.所述的功率开关k1线圈和继电器开关k2线圈设有限流电阻，用于防止线圈短路而造成二次电源损坏。
32.所述继电器开关k2线圈和功率开关k1线圈还串联有二极管，继电器开关k2和功率开关k1内部置位线圈与复位线圈均绕制在同一磁芯上，置位(或复位)线圈断电瞬间在复位(或置位)线圈上产生互感应电动势，在线圈上串联二极管，可以防止互感电动势形成潜通路。
33.所述功率开关k1和继电器开关k2线圈两端还并联有保护电路，用于抑制线圈断电瞬间产生的自感应电动势，避免电源电压产生尖峰。其中接触器与状态继电器共用保护电路。
34.所述保护电路包括两只二极管，两只二极管串联。
35.更具体的：
36.图1是功率开关k1和并联支路的原理图。功率开关k1，用于一次母线通路控制。为了解决功率开关k1闭合瞬间在一次母线上产生的第一个浪涌尖峰，在功率开关k1功率触点两端并联了“电阻 继电器开关k2”支路。当驱动电路的驱动信号为闭合或断开指令时，继电器开关k2先闭合或断开，功率开关k1延时后再闭合或断开。功率开关k1闭合后，由于继电器开关k2支路中电阻远远大于功率开关k1支路的触点电阻，通路电流均由功率开关k1的触点承担，不影响原本采用功率开关k1供电的通路功耗。
37.当闭合指令到达时，继电器开关k2先于功率开关k1闭合，利用电阻r1
*
对后级电路进行充电，图1中r2
*
和c，分别是后级电路等效输入阻抗和后级电路通路等效电容。且在开关闭合瞬间，后级电路未进入工作状态，r2
*
远大于r1。当经过约3倍的r1
*
×
c的充电时间，c基本达到稳态电压，若一次母线电压为100v，则c最终稳态电压为100
×
r2
*
/(r1
*
r2
*
)。当经过约3倍的r1
*
×
c的时间，功率开关k1再闭合，由于后级通路已经预充电，功率开关k1闭合瞬间将不会产生较大的浪涌尖峰。
38.功率开关k1触点额定电流远远大于继电器开关k2，在闭合时，继电器开关k2支路中有电阻r1
*
限流，保护继电器触点不被大电流损伤；当断开时，继电器开关k2先于功率开关k1断开，对继电器触点起到保护作用。
39.图2为本发明开关驱动电路原理图，即实现指令到达时，继电器开关k2先于功率开关k1闭合或断开。图中，vin 和vin
‑
分别表示为继电器开关k2和功率开关k1线圈供电电源的正负输入端，驱动信号低电平有效。驱动信号为闭合或断开指令的驱动电路一致，均如图2所示，闭合指令作用于功率开关k1和继电器开关k2的置位(set)线圈，关断指令作用于功率开关k1和继电器开关k2的复位(reset)线圈。
40.k1x/y为功率开关k1置位(x)/复位(y)线圈，k2x/y为继电器开关k2置位(x)/复位(y)线圈。
41.二极管v1和v2为继电器开关k2保护电路，其作用是抑制继电器开关k2线圈断电瞬间产生的自感应电动势，以避免mos管gs两端承受过高的电压尖峰而损坏，采用两只二极管串联是避免二极管的短路失效。同理，v4和v5为功率开关k1保护电路，以避免对供电电源产生高压尖峰。
42.电阻r1和r2，r7和r8，分别是继电器开关k2限流电阻、功率开关k1限流电阻，主要目的是防止线圈短路影响供电电源。确定限流电阻阻值的原则是正常工作时压降不影响继电器或接触器正常工作，线圈短路时不会使供电电源过载；确定限流电阻额定功率的原则是正常工作时满足降额要求，线圈短路时能够由于过功率而呈开路状态，使短路线圈与供电电源脱离。
43.电阻r3,r4和r5,r6分别为功率开关驱动电路的mos管gs极上拉电阻和mos管gs极下拉电阻，当指令到达时，三极管ce导通，相当于r5,r6下端与vin
‑
导通，供电电源在r3,r4和r5,r6进行分压，当|v
gs
|≥|v
gs(off)
|时，d、s两端导通，功率开关k1线圈加电。
44.二极管v3和二极管v6分别为继电器开关k2抗扰二极管和功率开关k1抗扰二极管。继电器开关k2或功率开关k1的置位线圈和复位线圈均位于同一个继电器或接触器内部，且绕制在同一个磁芯上，当置位(复位)线圈加断电瞬间，会在自身的置位(复位)线圈产生自感应电动势，同时在另外一个线圈即复位(置位)线圈中产生互感应电动势，由于绕制方式为异名端，因此，互感应电动势与自感应电动势大小相等，方向相反，且随自感应电动势产生而产生，消失而消失。二极管v3和二极管v6则是为了防止互感应电动势而设计。
45.电阻r9,r10和r11,r12分别三极管b极上拉电阻和三极管b极下拉电阻，当指令到达时，驱动信号相当于与二次母线地相连，供电电源在电阻r9,r10和r11,r12进行分压，c1，c2与电阻r9,r10和r11,r12形成rc延时电路，三极管b极电压缓慢上升直到三极管ce导通，此时mos的d、s两端导通，功率开关k1线圈加电。
46.c1和c2为延时电容，作用是通过三极管缓慢上电，让mos管gs两端缓慢加电，使mos管缓慢开通，从而确保功率开关线圈缓慢加电，使得指令到达时，继电器开关k2先于功率开关闭合或断开，从而起到浪涌抑制的作用，同时保护继电器触点。
47.r13为三极管限b极限流电阻，用于设置三极管偏置状态。
48.r14为mos管g极限流电阻，用于防止mos管受干扰引起栅极震荡。
49.图3为本发明闭合指令到达时并联支路中r1
*
的电流波形。t为驱动信号持续时间，一般为80ms。假设，一次母线电压为100v，当闭合指令到达时，经t1(继电器响应时间，可由
手册查询)时间，继电器k2闭合,r1
*
电流在t1时刻为1a(100v/r1)，经过延时设计，在t2时刻，功率开关k1闭合。在t1～t2时刻之间，为r1
*
对后级等效电容c进行充电的时间，一般在3～5倍的r1
*
×
c时间可以将c电压达到稳定。因此，通过调节驱动电路中r3～r6和c1,c2的值，确保功率开关k1延后于继电器开关k2闭合时间间隔大于3
×
r1
*
×
c。其中c的值需要根据后级负载确定，假设为20uf。r1
*
的值需要根据继电器开关k2的触点额定电流选取，例如，本例中，一次母线电压100v，选取触点额定电流为2a的继电器，按照触点额定电流降额因子0.5(i级降额)，流过r1
*
的最大电流不可大于1a，因此r1
*
应当不小于100ω。则延时时间t2
‑
t1≥3
×
r1
*
×
c＝6ms。
50.本发明在功率开关k1并联一个“电阻 继电器开关k2”支路，在功率开关k1动作前，先闭合继电器开关k2对电容进行充电，待电容充电结束后，再进行功率开关k1动作，解决了开关闭合瞬间产生的浪涌电流，对提高供配电的可靠性和安全性具有重要意义。
51.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。
52.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。