一种固态配电装置的制作方法

1.本技术涉及固态配电技术领域，更具体地，涉及一种固态配电装置。


背景技术：

2.近年来，随着电力电子技术及其控制技术的高速发展，固态配电技术在各种电设备中得到了迅速的发展。在传统的配电系统中主要通过继电器、过载保护器等完成对用电设备的配电控制,但往往由于这些配电元件或某一用电负载的失效导致航天器无法正常工作,又无法通过遥测或其他方式获得系统的故障信息,所以难以对系统进行故障诊断和修复。
3.相对常规式配电系统而言，固态配电系统具有重量轻、体积小，可靠性高，易实现实时监测和模块化管理，自修复和容错能力强等优点。固态配电方式采用固态功率控制器(solidstate power controller,简称为sspc)代替传统配电方式中的继电器和过载保护器,不仅可以根据任务的需求实现对负载的通断控制,而且在负载或配电线路出现故障时可以为电源和配电系统提供全面保护。基于固态配电技术和计算机综合控制技术可以实现电源系统高度自主运行,在电源系统局部故障时实现对系统的重构,可以为航天器的健康管理提供大量的有用信息,大大提高航天器的可靠性。


技术实现要素：

4.针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种固态配电装置，能够高效快速保护电路，具有高可靠性和容错能力。
5.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种固态配电装置，包括控制单元、功率单元、以及与所述功率单元电连接的驱动单元；
6.其中，所述功率单元具有多路功率输出通道，每路功率输出通道均包括功率支路与限流支路，且每条支路至少并联一个场效应管；
7.所述驱动单元包括驱动器件，该驱动单元用于通过所述驱动器件驱动所述场效应管的启闭，实现对应的所述功率输出通道的通断；
8.所述控制单元与驱动单元连接，其用于接收上位机指令控制所述驱动单元，以及，采集各路功率输出通道的物理信号上传至上位机，以实时监测配电状态。
9.进一步的，上述固态配电装置，所述限流支路上的场效应管同时与一限流电阻串联，所述驱动器件通过驱动所述功率支路上并联的所述场效应管的启闭实现功率输出通道的通断，或通过驱动所述限流支路上的与限流电阻串联的场效应管的启闭实现功率输出通道的通断。
10.进一步的，上述固态配电装置，所述功率输出通道的通断具体如下实现：
11.当所述功率输出通道电路中电流大于预设电流值时，所述驱动器件驱动所述场效应管关闭，实现功率输出通道的断开；
12.当所述功率输出通道电路中电流不大于预设电流值时，所述驱动器件驱动所述场
效应管开启，实现功率输出通道的开启；
13.进一步的，上述固态配电装置，每路所述功率输出通道还包括取样电阻、瞬态抑制二极管与快恢复二极管；
14.其中，所述功率支路与限流支路并联，所述取样电阻与上述功率支路与限流支路的并联电路串联，形成串联支路，所述瞬态抑制二极管与该串联支路并联，形成并联支路，所述快恢复二极管与该并联支路串联。
15.进一步的，上述固态配电装置，还包括防雷组件，所述防雷组件并联在输入母线上，用于实现电磁能量的吸收与泄放。
16.进一步的，上述固态配电装置，所述防雷组件包括差模信号抑制电路或/和共模信号抑制电路，其中，所述差模信号抑制电路包括第一防雷器件与第一压敏电阻；所述防雷组件的共模信号抑制电路包括第二防雷器件、第三防雷器件、第二压敏电阻与第三压敏电阻；
17.所述第一防雷器件与第一压敏电阻串联，接入在输入电源端的正负极之间；
18.所述第二防雷器件与第二压敏电阻串联，第三防雷器件与第三压敏电阻串联，两串联电路分别接入在输入电源端的正负两极并接入地线形成回路。
19.进一步的，上述固态配电装置，所述防雷组件的还包括第一抗脉冲器件、第二抗脉冲器件与若干个电容和若干个电感；
20.其中，第一抗脉冲器件与第二抗脉冲器件串联，接入在输入电源端的正负极之间；
21.若干个电感串联接入在电源输入端与输出端之间，若干个电容并联或串并联组合接入在电源输出端正负极之间。
22.进一步的，上述固态配电装置，所述驱动电路与所述场效应管采用共漏极组态连接方式，所述场效应管的栅极作为驱动电路的输入端，源极作为驱动电路的输出端。
23.进一步的，上述固态配电装置，所述控制单元还包括can总线通讯电路以及电压电流采集电路，其中，该控制单元通过所述can总线通讯电路接收上位机控制指令，以及，通过所述电压电流采集电路采集所述功率输出通道的物理信号并上传至上位机。
24.进一步的，上述固态配电装置，所述物理信号至少包括电压信号、电流信号与温度信号。
25.进一步的，上述固态配电装置，所述驱动器件选用处理芯片u13a。
26.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
27.(1)本发明提供的一种固态配电装置，功率输出通道采用固态继电器并联形式，将场效应管作为“无触点”开关，开关速度快、响应时间短，并通过功率输出通道特殊的电路结构，根据预设的电流值及时断开场效应管，实现高效快速保护电路，具有过电压、过电流、短路保护功能，体现了固态配电装置的高可靠性和容错能力，为配电网络提供更全面的保护功能。
28.(2)本发明提供的一种固态配电装置，通过控制单元实时采集功率输出通道的电压信号、电流信号与温度信号并上传至上位机，实时监测各个通道的供电电压、电流等状态并且可以通过上传的物理信号诊断配电线路的故障，有效保证了设备用电的安全。
29.(3)本发明提供的一种固态配电装置，防雷组件采用差模信号抑制电路与共模信号抑制电路消除电位差，能够将雷电产生的电磁场能量瞬时吸收泄放，具备防雷电、电磁脉
冲防护等功能；另外，采用场效应管代替传统的继电器，减轻整机的质量与体积，能适应未来装备智能化、自动化的发展趋势。
附图说明
30.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1为本技术实施例提供的固态配电装置结构图；
32.图2为本技术实施例提供的每路功率输出通道电路结构图；
33.图3为本技术实施例提供的驱动单元电路结构图；
34.图4为本技术实施例提供的防雷组件电路结构图。
具体实施方式
35.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
36.本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
37.图1为本技术实施例提供的固态配电装置结构图，请参阅图1，该装置包括控制单元、功率单元、以及与所述功率单元电连接的驱动单元。
38.其中，功率单元具有多路功率输出通道，每路功率输出通道均包括功率支路与限流支路，且每条支路至少并联一个场效应管；驱动单元包括驱动器件，该驱动单元用于通过所述驱动器件驱动所述场效应管的启闭，实现对应的所述功率输出通道的通断；控制单元与驱动单元连接，其用于接收上位机指令控制所述驱动单元，以及，采集各路功率输出通道的物理信号上传至上位机，以实时监测配电状态。
39.本技术提供了多通道、智能小型化的固态配电装置，为负载设备提供高品质电源直流电能，将场效应管作为“无触点”开关，开关速度快、响应时间短，并通过功率输出通道特殊的电路结构，根据预设的电流值及时断开场效应管，实现高效快速保护电路，并具备过电压、过电流、短路保护功能，实时监测各个通道的供电电压、电流等状态，有效保证了设备用电的安全，与传统配电设备相比，大大减小了配电设备的体积和重量。
40.在一个具体的实施例中，功率单元具有十路功率输出通道，每路功率输出通道均包括功率支路与限流支路，且每条支路至少并联一个场效应管。功率单元并联在输入母线上，输入母线为功率单元各功率输出通道提供电能；
41.图2为本技术实施例提供的每路功率输出通道电路结构图，请参阅图2，功率支路v1采用并联的场效应管；限流支路v2采用场效应管与一限流电阻r2串联。驱动器件通过驱
动功率支路v1上并联的所述场效应管的启闭实现功率输出通道的通断，或通过驱动所述限流支路v2上的与限流电阻r1串联的场效应管的启闭实现功率输出通道的通断。当所述功率输出通道电路中电流大于预设电流值时，驱动器件驱动所述场效应管关闭，实现功率输出通道的断开；当所述功率输出通道电路中电流不大于预设电流值时，驱动器件驱动所述场效应管开启，实现功率输出通道的开启。
42.在一个具体的实施例中，功率输出通道输出20a的额定电流，当功率过大电流超过预设电流20a时，驱动器件驱动场效应管立即关断，功率输出通道断开，实现立即保护；当电流不大于预设电流20a时，驱动器件驱动场效应管开启，功率输出通道开启。
43.具体的，28v输入母线为功率单元各功率输出通道提供电能。每路功率输出通道还包括取样电阻、瞬态抑制二极管与快恢复二极管；在电源输入端，功率支路v1与限流支路v2并联，取样电阻r1与上述功率支路与限流支路的并联电路串联，形成串联支路，瞬态抑制二极管d1与该串联支路并联，形成并联支路，快恢复二极管d2与该并联支路串联并接入28v供电地线形成回路。
44.其中，取样电阻可根据驱动单元驱动器的功率范围，选择合适的阻值。
45.取样电阻r1使用精密电阻，阻值低，精密度高，将功率输出通道电路中的电流转换为电压信号进行测量，若输出电压过高，28v输入母线端自动降低电压使输出电压量减少；若输出电压过低，输入端自动升高电压使输出电压量升高。取样电阻r1的阻值不宜过大也不宜过小，过大会使采集的电流范围太小，不能发挥出功率单元的最大输出能力，也会使采样电阻r1上功率损耗比较大，带来严重的发热问题，从而影响电阻的精度和温升系数的非线性，甚至烧毁采样电阻r1；过小会使得采样电阻r1上输出电压减小，从而使得误差偏移量和干扰噪声在信号幅度中所占比重过大，降低采样精度。因此，取样电阻r1的阻值需根据驱动器件的功率范围，选取合适的阻值。
46.在一个具体的实施例中，场效应管可选用mosfet。
47.功率单元采用了功率支路与限流支路，每个支路同时设置多个场效应管并联的方式，将场效应管作为“无触点”开关，开关速度快、响应时间短，根据预设的电流值及时断开保护电路，实现过电压、过电流、短路保护功能，提高了供电通道的可靠性和容错能力。
48.图3为本技术实施例提供的驱动单元电路结构图，请参阅图3，驱动单元包括驱动电路、振荡电路以及整流滤波电路，并通过驱动器件驱动场效应管的启闭。
49.驱动电路与场效应管采用共漏极组态连接方式，场效应管的栅极作为驱动电路的输入端，源极作为驱动电路的输出端。驱动器件的输出端接入振荡电路，经过隔离变压器t3隔离并由整流滤波电路滤波后共漏极驱动，控制各路功率输出通道的场效应管的栅极。
50.场效应管的驱动电路采用了变压器隔离驱动，可输出大于15v的驱动电压和毫安级的驱动电流，同时存在泄放电路，可实现输出功率场效应管的隔离驱动。
51.在一个具体的实施例中，驱动器件可选用处理芯片u13a。
52.在本实施例中，控制单元用于接收上位机指令控制驱动单元驱动功率输出通道场效应管的开启，并采集多路功率输出通道的物理信号上传至上位机。
53.控制单元还包括电源变换电路、dsp及其外围电路、can总线通讯电路以及电压、电流采集电路。该控制单元通过can总线通讯电路接收上位机控制指令，以及，通过电流采集电路将采集功率输出通道的物理信号上传至上位机，完成实时监测，制动控制的功能。其
中，物理信号至少包括电压信号、电流信号与温度信号。并且，控制单元与28v输入母线相连，28v输入母线为控制单元的dsp等核心器件供电。
54.图4为本技术实施例提供的防雷组件电路结构图，请参阅图4，防雷组件并联在输入母线上，包括差模信号抑制电路或/和共模信号抑制电路，用于实现电磁能量的吸收与泄放；
55.差模信号抑制电路包括第一防雷器件与第一压敏电阻；共模信号抑制电路包括第二防雷器件、第三防雷器件、第二压敏电阻与第三压敏电阻。
56.具体的，第一防雷器件g1与第一压敏电阻rv1串联，接入在输入电源端的正负极之间；第二防雷器件g2与第二压敏电阻rv2串联，第三防雷器件g3与第三压敏电阻rv3串联，两串联电路分别接入输入电源端的正负两极并接入地线形成回路。
57.请继续参阅图4，防雷组件的还包括第一抗脉冲器件、第二抗脉冲器件与若干个电容和若干个电感。
58.其中，第一抗脉冲器件dm1与第二抗脉冲器件dm2串联，接入输入电源端的正负极之间。若干个电感串联接入在电源输入端与输出端之间，若干个电容并联或串并联组合接入电源输出端正负极之间。
59.在一个具体的实施例中，将两组电感l1、电感l2、电感l3串联电路分别接入输入电源端正极与输出电源端正极之间和输入电源端负极与输出电源端负极之间。电容c1与电容c2并联形成第一并联支路，将第一并联支路的一端接入一组串联的电感l1与电感l2之间，另一端接入另一组串联的电感l1与电感l2之间；电容c3与电容c4并联形成第二并联支路，将第二并联支路的一端接入一组串联的电感l2与电感l3之间，另一端接入另一组串联的电感l2与电感l3之间；电容c7与电容c8并联形成第三并联支路，将第三并联支路的一端接入电感一组电感l3与电源输出端正极之间，另一端接入另一组电感l3与电源输出端负极之间；同时将电容c5与电容c6串联形成串联支路，将该串联支路的一端接入一组串联的电感l2与电感l3之间，另一端接入另一组串联的电感l2与电感l3之间，并在电容c5与电容c6之间接入地线，消除波动电压，使得电路中电压更加稳定，同时保证了电容容量。其中，防雷组件的电路中的电源由28v母线提供。
60.电源线噪声是电网中各种用电设备产生的电磁骚扰沿着电源线传播所造成的。电源线噪声分为两大类：差模干扰与共模干扰。防雷组件采用差模信号抑制电路消除任何两个载流导体之间的不希望有的电位差，采用共模信号抑制电路消除任何载流导体与参考地之间的不希望有的电位差，并通过雷电泄放器件及压敏电阻的组合，当达到泄放反应时间及泄放强度时可将雷电产生的电磁场能量瞬时吸收泄放，其具备防雷电、电磁脉冲防护以及滤波等功能。
61.需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本技术并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本技术，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本技术所必须的。
62.在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
63.在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置，可通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
64.以上所述者，仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其实施方案。本技术旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的范围和精神由权利要求限定。
65.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
66.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。