专利名称：瓦片式功率模块的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于多路直流电气负载控制的电源配电管理设备，具体为一种瓦片式功率模块，它以计算机技术、功率电子技术和通讯技术为基础，对多路机载电气负载提供开关控制、安全用电保护和智能监控功能，可用于机电控制系统和二次配电系统。
背景技术：
随着航空工业的发展，现代先进飞机正朝着多电、全电方向发展，对飞机的电力系统提出了越来越高的要求，飞机的电力系统成为了先进飞机发展的关键技术。飞机的供电系统和配电系统也愈加庞大，飞机的传统配电方式大都采用集中配电方式，利用配电板、断路器、熔断器及很长的馈电线缆对用电设备进行供电，整个配电系统重量大、操作繁琐、可靠性差、维护不便、缺少实时监控和管理功能，严重影响了飞机性能的提高。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种瓦片式功率模块，采用双余度设计，提高系统任务的可靠性。为了实现上述目的，本实用新型的技术方案为:一种瓦片式功率模块，包括第一控制平台和第二控制平台，其特征在于第一控制平台包括第一电源模块、第一控制模块，第二控制平台包括第二电源模块、第二控制模块，第一电源模块和第二电源模块均与多路固态功率控制器连接，为所述固态功率控制器供电；所述第一控制模块和第二控制模块均通过外部通讯总线与综合管理计算机连接，所述第一控制模块和第二控制模块还与硬线超控信号和离散量信号连接，同时所述第一控制模块和第二控制模块均通过内部通讯总线与多路固态功率控制器的控制端连接，实现对所述多路固态功率控制器的控制，所述固态功率控制器的开关端与电源和多路直流负载连接。所述第一电源模块和第二电源模块均包括依次连接的EMI滤波电路、瞬态尖峰瞬变抑制电路、DC/DC转换电路、或电路和LDO转换电路，其中第一电源模块的DC/DC转换电路的输出端与第一电源模块的或电路的一个输入端连接，第二电源模块的DC/DC转换电路的输出端与第一电源模块的或电路的另一个输入端连接，第二电源模块的DC/DC转换电路的输出端与第二电源模块的或电路的一个输入端连接，第一电源模块的DC/DC转换电路的输出端与第二电源模块的或电路的另一个输入端连接。所述第一控制模块和第二控制模块均包括微处理器及逻辑控制电路，微处理器与总线I命令处理电路、总线II命令处理电路、故障数据处理电路、离散量采集电路连接，所述逻辑控制电路与超控控制电路、总线III命令处理电路连接，所述第一控制模块的还包括与微处理器连接的余度仲裁及切换电路，该余度仲裁及切换电路的输出端同时与第一控制模块和第二控制模块的总线III命令处理电路连接，第一控制模块和第二控制模块的逻辑控制器均与多路固态功率控制器连接，第一控制模块和第二控制模块的总线III命令处理电路均通过内部通讯总线与多路固态功率控制器连接。[0007]本实用新型通过数据总线的方式对多路直流负载实施群控或独立控制，也可以通过超控信号进行应急状态下的硬线控制，具有双余度控制功能。本实用新型的第一控制平台和第二控制平台之间采用相似双余度热备份的工作机制，当第一控制平台控制失效时，能够切换到第二控制平台，确保所有固态功率控制器保护功能和性能不损失。当第二控制平台控制失效时，能够切换到第一平台，确保所有固态功率控制器保护功能和性能不损失。瓦片式功率模块的供电电源由第一控制平台电源模块和第二控制平台电源模块经过二极管或之后输出，确保供电电源正常。本实用新型的瓦片式功率模块的电源部分和控制部分采用双余度设计，提高系统任务的可靠性。本实用新型能够实时获取负载的运行状态，具备健康诊断和主动实时监控功能，并可以根据针对不同的负载特性进行精确的保护控制，达到安全可靠运行的目的。本实用新型是以计算机技术、功率电子技术和通讯技术为基础，对多路机载电气负载提供开关控制、安全用电保护和智能监控功能的新一代智能配电管理系统。本实用新型的优点有:(I)结构紧凑，重量轻，重心低，安装限制少，配电分布更合理；(2)在满足散热面积要求的前提下对机箱的外表面进行合理的散热槽设计，功率密度高达1.5 ff/cm3 ；(3)负载适应能力强，满足多电飞机/全电飞机的要求；(4)具有主动实时监控功能，针对不同的负载特性进行精确的保护控制，达到安全可靠运行的目的；(5)控制双余度，有效提高系统可靠性。本实用新型的瓦片式功率模块实现了:a)结构与热设计技术:通过降低功率器件的功耗、控制系统的电源功耗，散热需求、屏蔽需求和模块化结构设计相结合的方式减少瓦片式功率模块的体积和重量，从而提高系统的功率密度。b)冗余技术:外部总线、DSP处理器、辅助电源采用双余度设计。c) 容错技术:具有自检测、故障隔离和故障信息反馈功能，还具有状态锁定、历史时间记录功能。d)总线控制和硬线超控相结合的控制技术:瓦片式功率模块具有通过总线实时接收综合管理计算机用电设备通/断控制命令进行所有输出通道的通/断控制能力；超控功能主要用于应急状态(瓦片式功率模块的控制模块与固态功率控制器通讯失效)下对负载开关的直接控制。将超控信号接地，关断SSPC通道；将超控信号接28V,开通SSPC通道。超控的形式包括:开通超控、关断超控、开通关断超控，可以根据不同负载的需要采用不同的超控形式。e) 固态功率控制器的保护功能技术:SSPC具有I2T过流保护功能、热记忆保护功能、短路立即保护功能、重合闸保护功能、感性负载续流保护功能、容性负载与短路判别功能、上电输出保护功能、状态锁定功能、CPU失效时总线保护功能。f)负载适应性技术:固态功率控制器模块根据不同负载(阻性、容性、感性、白炽灯、电动机)的特性设计了各种保护电路。
附图1为本实用新型的瓦片式功率模块实施例整体功能结构方框图，附图2为本实用新型的瓦片式功率模块实施例电源模块结构示意图，[0018]附图3为本实用新型的瓦片式功率模块实施例控制模块结构示意图，附图4为本实用新型的瓦片式功率模块实施例余度仲裁/切换电路判断流程图，
以下结合附图和实施例对本实用新型作详细说明。
具体实施方式
本实用新型的瓦片式功率模块实施例如图1所示:瓦片式功率模块由相互独立的第一控制平台A平台和第二控制平台B平台组成。其中，A平台模块包括电源模块21、控制模块41和η路固态功率控制器81。B平台模块包括电源模块31、控制模块61和η路固态功率控制器81。A平台的控制模块为主控制平台，B平台的控制模块为备份控制平台。Α、Β平台之间采用相似双余度热备份的工作机制，当A平台控制失效时，能够切换到B平台，确保所有固态功率控制器保护功能和性能不损失。当B平台控制失效时，能够切换到A平台，确保所有固态功率控制器保护功能和性能不损失。外部第一控制电源I经过电源模块21输出工作电源V3给主控模块和2η路固态功率控制器供电，外部第二控制电源3经过电源模块31输出工作电源V4给主控模块和2η路固态功率控制器供电，实现供电电源的双余度，确保系统供电的可靠性。A平台的控制模块41和B平台的控制模块61通过第一外部通讯总线10或第二外部通讯总线11接收综合管理计算机9的指令执行各个直流负载14的开通和关断，完成多路固态功率控制器14的控制和数据传输功能。第一外部通讯总线10和第二外部通讯总线11两路总线之间互为热备份。A平台的控制模块41接收外设硬线超控信号5的超控信号开通关断各路直流负载14，且A平台的控制模块41对外部离散量信号7经过隔离、处理后进行外部状态信号的采集。B平台的控制模块61接收外设硬线超控信号6的超控信号开通关断各路直流负载14，且B平台的控制模块61对外部离散量信号8经过隔离、处理后进行外部状态信号的采集。A平台的控制模块41通过内部通讯总线42与固态功率控制器81通讯，同时采集固态功率控制器81的上传数据来完成直流负载14供电状态监控和供电保护。固态功率控制器81之间相互独立，相互隔离，具有过载、短路、超温等保护功能。固态功率控制器81的通断命令可以通过两种方式实现，一是综合管理计算机9通过软件指令方式实现；一是通过外设硬线超控信号来实现，超控功能主要用于应急状态(瓦片式功率模块的控制模块与固态功率控制器通讯失效)下对负载开关的直接控制。将超控信号接地，关断SSPC通道；将超控信号接28V，开通SSPC通道。超控的形式包括:开通超控、关断超控、开通关断超控，可以根据不同负载的需要采用不同的超控形式。实施例中的电源模块如图2所示。它的主要功能是将28VDC电源转换成为设备工作所需的工作电源。所述第一电源模块和第二电源模块均包括依次连接的EMI滤波电路、瞬态尖峰瞬变抑制电路、DC/DC转换电路、或电路和LDO转换电路，其中第一电源模块的DC/DC转换电路的输出端与第一电源模块的或电路的一个输入端连接，第二电源模块的DC/DC转换电路的输出端与第一电源模块的或电路的另一个输入端连接，第二电源模块的DC/DC转换电路的输出端与第二电源模块的或电路的一个输入端连接，第一电源模块的DC/DC转换电路的输出端与第二电源模块 的或电路的另一个输入端连接。所述第一电源模块和第二电源模块还包括与瞬态尖峰瞬变抑制电路输出端连接的储能管理电路。外部第一控制电源I输出电压Vl经过第一 EMI滤波电路23、第一瞬态尖峰瞬变抑制电路24后经第一 DC-DC电源转换模块26后输出电压V3，外部第二控制电源3输出电压V2经过第二 EMI滤波电路33、第二瞬态尖峰瞬变抑制电路34后经第二 DC-DC电源转换模块36后输出电压V4。在A平台，输出电压V3和输出电压V4经过第一或电路27输出电压V5,输出电压V5经过第一LDO转换电路29输出电压V7给固态功率控制器和控制模块供电；在8平台，输出电压V3和输出电压V4经过第二或电路37输出电压V6，输出电压V6经过第二 LDO转换电路39输出电压V8给固态功率控制器和控制模块供电。瓦片式功率模块的供电电源由A平台电源模块和B平台电源模块经过二极管或之后输出，实现供电电源的双余度，确保系统供电的可靠性。EMI滤波电路主要是防止设备的电源干扰系统电源。瞬态尖峰瞬变抑制电路主要是当电源系统瞬间出现非正常瞬变极限电压和电压尖峰时，能够利用成熟的电路来进行抑制，使其在稳态特性极限下能正常工作，在瞬态特性极限下也能正常工作。储能管理电路用于在欠压浪涌条件下系统能够正常工作。通过限流电阻对储能电容进行限流充电，当掉电时，通过控制电路接通储能电容的放电回路，这样的好处是电源在正常工作时储能电容不会频繁充放电，只有电源电压降到一定幅值时才启动，提高了储能电容的可靠性。实施例中的控制模块如图3所示。控制模块主要包括微处理器、可编程逻辑控制器、离散量采集电路、超控控制电路、总线I命令处理电路、总线II命令处理电路、总线III命令处理电路、余度仲裁/切换电路、故障数据记录电路。它的主要功能是接收和执行综合管理计算机9指令，控制固态功率控制器81向直流负载14供电，监控直流负载14供电状态并具有数据记录功能，在故障状态下能自动记录故障数据，另外还需实时监控A/B平台自检状态，实现A/B平台的故障判别、主从仲裁和切换功能。A平台中，第一总线I命令处理电路43通过第一外部通讯总线10与综合管理计算机9通讯，第一总线II命令处理电路46通过第二外部通讯总线11与综合管理计算机9通讯，第一总线III命令处理电路52通过第一内部通讯总线42与固态功率控制器14通讯，主要是周期性的向综合管理计算机14发送用电设备状态、内部通讯和各固态功率控制器的状态/故障信息。B平台中，第二总线I命令处理电路63通过第一外部通讯总线10与综合管理计算机9通讯，第二总线II命令处理电路66通过第二外部通讯总线11与综合管理计算机9通讯，第二总线III命令处理电路72通过第二内部通讯总线62与固态功率控制器14通讯，主要是周期性的向综合管理计算机14发送用电设备状态、内部通讯和各固态功率控制器的状态/故障信息。第一外部通讯总线10和第二外部通讯总线11两路总线之间互为热备份。A平台的第一超控控制电路45接收外设硬线超控信号5的超控信号开通关断各路直流负载14，且A平台的第一离散量采集电路44对外部离散量信号7经过隔离、处理后进行外部状态信号的采集。B平台的第二超控控制电路65接收外设硬线超控信号6的超控信号开通关断各路直流负载14，且B平台的第二离散量采集电路64对外部离散量信号8经过隔离、处理后进行外部状态信号的采集。瓦片式功率模块具有通过总线实时接收综合管理计算机9用电设备通/断控制命令进行所有输出通道的通/断控制能力；超控功能主要用于应急状态(瓦片式功率模块的控制模块与固态功率控制器通讯失效)下对负载开关的直接控制。将超控信号接地，关断SSPC通道；将超控信号接28V，开通SSPC通道。超控的形式包括:开通超控、关断超控、开通关断超控，可以根据不同负载的需要采用不同的超控形式。[0029]固态功率控制器主要由微处理器、逻辑单元、信号隔离接口电路、电流电压采样电路、MOSFET驱动电路、以MOSFET作为电子开关的功率电路、电流限制电路、短路保护电路等组成。它的主要功能是接收主控模块通过内部通讯总线发送的数据，接收硬线超控信号发送离散控制命令，监控直流负载的运行状态，并把直流负载的运行状态信息通过内部状态总线上报至主控模块。固态功率控制器具有高任务可靠性，当内部数据总线失效时，可以使用硬线超控信号进行超越控制，同时它具有负载电压、负载电流检测功能，有在线保护参数加载、过载、短路、超温等保护功能，有终极防护的熔断器保护、瞬态电压抑制、感性负载的续流保护等功能。通过主控模块和固态功率控制器模块中的程序对瓦片式功率模块的工作状态数据进行分析和对比，能够完成瓦片式功率模块的BIT，并把瓦片式功率模块的运行状态进行反馈报送。瓦片式功率模块由两套实现相同功能的“冗余”的硬件子系统(A平台和B平台)组成，采用双机互监控和热备份结构。其实质是利用多余的资源来换取整机任务可靠性的提高。在系统出现一个故障时，通过自动检测与诊断，自动隔离故障子系统，并切换到其备份子系统，保持系统继续正常运行，使系统达到“一次故障安全”的可靠等级。A平台的控制部分与B平台的控制部分互为余度，A平台和B平台的电源互为余度，实现对2n路固态功率控制器14的余度控制。瓦片式功率模块余度能力表现在:(1)A平台、B平台之间采用相似双余度热备份的工作机制，保证在A平台发生故障的状态下由B平台接替其工作，保证产品功能的正常实现；(2)瓦片式功率模块的供电电源由A平台电源模块和B平台电源模块经过二极管或之后输出，确保瓦片式功率模块的电源供电正常，不导致瓦片式功率模块任何功能和性能的损失。A/B平台模式切换主要考虑(I)能最大程度的保证瓦片式功率模块的正常工作；
(2)A平台和B平台都能接收来自内外总线的数据，但不能同时向内外总线发送数据；(3)当某个余度发生故障时，不能影响到另一个余度或系统的其他功能；(4)在整个系统的工作过程中，尽可能减少主从切换操作；(5)当A平台和B平台进行工作切换时，尽量避免对外界环境造成影响。A平台的第一总线III命令处理电路52和第二 B平台的总线III命令处理电路72控制固态功率控制器14的数据或控制总线是相连的，即共享一个外部接口。A平台的第一逻辑控制器48的输出使能控制53使同一时刻只能有一个平台的总线III命令处理电路的数据或控制总线与固态功率控制器相连，这样就保证了系统的工作稳定性，使A平台和B平台的两个处理器不能抢占外部接口而出现双机同时工作的情况。其中A平台第一微处理器47是控制逻辑的主控制机，在正常工作的情况下由A平台第一微处理器47工作，控制着2n路固态功率控制器的开通、关断。每个微处理器都有自己的故障数据记录电路，用于存储固态功率控制器14的故障信息。A平台的第一逻辑控制器48通过A/B平台状态自检输出使能控制信号53，B平台的使能控制信号73是由A平台的使能控制信号53在第二逻辑控制器68逻辑反后输出的，这样就保证了同一时刻只能有总线III命令处理电路是工作的，有效地防止了双机地抢权问题。余度仲裁/切换电路51作为A/B平台的仲裁切换电路，其余度仲裁/切换电路判断流程图详见图4。其中OEl为输出使能控制，其中当OEl为O时，A平台工作，当OEl为I时，B平台工作。A平台和B平台的硬线超控信号和离散量信号由各个平台自己控制，硬线超控信号和离散量信号两平台之间不互为备份。瓦片式功率模块功率密度高达1.5 W/cm3，在产品设计中尤其考虑系统的热设计。主要是通过提高电源模块的效率、降低功率器件的功耗、降低热源的热阻以及给需散热器件做散热设计等方法，将散热需求、屏蔽需求和模块化结构设计相结合，从而减轻瓦片式功率模块的体积和重量，实现瓦片式功率模块高功率密度要求。电源模块选用高转换效率的电源模块；固态功率控制器选用导通电阻πιΩ级的功率MOS管；对于固态功率控制器功率输出采用多层印制板导线布线，从而减少印制导线阻抗、压降和热量。在PCB板设计中元器件的位置按电源、数字及模拟电路、速度高低、电流大小等进行分组，以免相互干扰。所有连接器安排在印制线路板的一侧，尽量避免从两侧引出电缆，减少共模辐射。增加印制线间的距离，易敏感信号印制线之间安插一条地线作为线间的隔离，减少导线环路面积，减少导线的长度，增加导线的宽度，印制布线平缓无突变，从而减少印制线路板对高频辐射的感应 、串扰和波形在长线传输中的畸变。本实用新型中固态功率控制器为现有技术，在此不再赘述。
权利要求1.一种瓦片式功率模块，包括第一控制平台和第二控制平台，其特征在于第一控制平台包括第一电源模块、第一控制模块，第二控制平台包括第二电源模块、第二控制模块，第一电源模块和第二电源模块均与多路固态功率控制器连接，为所述固态功率控制器供电；所述第一控制模块和第二控制模块均通过外部通讯总线与综合管理计算机连接，所述第一控制模块和第二控制模块还与硬线超控信号和离散量信号连接，同时所述第一控制模块和第二控制模块均通过内部通讯总线与多路固态功率控制器的控制端连接，实现对所述多路固态功率控制器的控制，所述固态功率控制器的开关端与电源和多路直流负载连接。
2.如权利要求1所述的功率模块，其特征在于所述第一电源模块和第二电源模块均包括依次连接的EMI滤波电路、瞬态尖峰瞬变抑制电路、DC/DC转换电路、或电路和LDO转换电路，其中第一电源模块的DC/DC转换电路的输出端与第一电源模块的或电路的一个输入端连接，第二电源模块的DC/DC转换电路的输出端与第一电源模块的或电路的另一个输入端连接，第二电源模块的DC/DC转换电路的输出端与第二电源模块的或电路的一个输入端连接，第一电源模块的DC/DC转换电路的输出端与第二电源模块的或电路的另一个输入端连接。
3.如权利要求1所述的功率模块，其特征在于所述第一控制模块和第二控制模块均包括微处理器及逻辑控制电路，微处理器与总线I命令处理电路、总线II命令处理电路、故障数据处理电路、离散量采集电路连接，所述逻辑控制电路与超控控制电路、总线III命令处理电路连接，所述第一控制模块的还包括与微处理器连接的余度仲裁及切换电路，该余度仲裁及切换电路的输出端同时与第一控制模块和第二控制模块的总线III命令处理电路连接，第一控制模块和第二控制模块的逻辑控制器均与多路固态功率控制器连接，第一控制模块和第二控制模块的总线III命 令处理电路均通过内部通讯总线与多路固态功率控制器连接。
专利摘要本实用新型是一种瓦片式功率模块，其特征在于第一控制平台包括第一电源模块、第一控制模块，第二控制平台包括第二电源模块、第二控制模块，第一电源模块和第二电源模块均与多路固态功率控制器连接；所述第一控制模块和第二控制模块均通过外部通讯总线与综合管理计算机连接，同时所述第一控制模块和第二控制模块均通过内部通讯总线与多路固态功率控制器的控制端连接。本实用新型的优点在于结构紧凑，重量轻，重心低，安装限制少，配电分布更合理；在满足散热面积要求的前提下对机箱的外表面进行合理的散热槽设计，功率密度高达1.5W/cm3；负载适应能力强，满足多电飞机/全电飞机的要求；控制双余度，有效提高系统可靠性。
文档编号G05F1/66GK203084594SQ20122072704
公开日2013年7月24日 申请日期2012年12月26日 优先权日2012年12月26日
发明者钱燕娟 申请人:上海航空电器有限公司