磁隔离控制半导体开关的电源软启停和保护装置及电气系统的制作方法

本发明涉及航天器电源技术领域，具体地说涉及一种磁隔离控制半导体开关的电源软启停和保护装置及电气系统。

背景技术：

随着航天技术的快速发展，航天器的用电设备种类越来越多、数量越来越多，功率越来越大，用电功率从原来的数千瓦，发展到数十千瓦，未来需要数百千瓦，甚至更高的用电功率，供电母线的电压越来越高，现在大量使用100v电压母线，正在推广160v电压母线，正在研发250v和400v母线，根据需求预计，未来需要在发展500v以上甚至更高的母线。

在地面系统中，用电设备与母线电压的连接一般采用保险、空气开关、接触器等方法实现，亦可以采用光耦控制半导体开关实现。但在航天电源技术中，采用保险、空气开关和接触器等方法，体积和重量太大，也无合适的航天等级的器件；由于辐射位移效益，光耦退化很快，甚至失效，在空间环境条件下无法直接应用。在现有航天电源技术中，有以下现有方法实现母线与用电设备实现连接：

1)采用母线直接与用电设备相连接，中间无保护措施，优点是使用器件少，电路结构简单，不需要额外的控制器；缺点是无故障保护和隔离功能，如任何一台用电设备出现故障，都会导致该母线上的所有用电设备故障，更重要的是：在航天器发射过程中，需要经过低气压阶段，如母线高电压加载在用电设备上，会导致低气压放电，导致设备故障，因此，该技术很难在高电压母线中使用。

2)采用继电器技术，可采用与地面系统相同的继电器控制软启动电路，但该系统体积大，重量重，保护速度慢，可能导致母线系统出现故障，该技术路线的可靠性较低，不能满足航天器对电源系统高可靠性的要求。

3)采用固态配电技术，固态功率控制器是固态配电技术的核心器件，固态控制器通过mosfet和igbt实现电路的通断控制，28v的固态功率控制器的额定电流在几安到几十安的范围内，更大功率的配电可采用附加保护功能的接触器实现。在高电压大电流的情况下，采用固态配电技术，不仅需要为固态功率控制器提供隔离的辅助电源，而且需要附加保护功能的接触器，电路复杂，体积和重量较大，成本很高。

最近二十年，大功率半导体开关mosfet快速发展，mosfet的具有如下优点：1)在关闭状态，mosfet开关的电阻值数十兆欧姆以上；在导通状态，其电阻值可低至数毫欧姆；2)可以通过改变栅极电压使mosfet工作在线性工作区和饱和工作区，开关转换时间可以小于1微秒；3)工作电流从数安到上百安，电压可达到数千伏；4)控制方式非常简单，在栅极加数伏电压，就可以实现控制器通断。

根据mosfet特性，本发明提出了一种磁隔离控制功率半导体开关的电源软启停与快速保护装置及电气系统，以克服现有航天电源技术中，母线与用电设备连接的缺点。

技术实现要素：

为了解决现有技术的种种不足，现提出一种磁隔离控制半导体开关的电源软启停和保护装置及电气系统，该装置采用磁隔离控制功率半导体开关，在电源启动时，实现前级高电压母线平稳地与用电设备连接；在电源关闭时，实现前级高电压母线平稳地与用电设备分离；在用电设备出现过流故障时，实现前级高电压母线与用电设备的快速分离。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种磁隔离控制半导体开关的电源软启停和保护装置，包括母线连接回路、栅极控制及驱动回路和信号控制输入端；

所述母线连接回路包括高电压母线连接端、功率半导体开关mosfet、负载下拉电阻、负载输入电容、用电设备和母线回路地连接端,所述高电压母线连接端依次串联功率半导体开关mosfet、负载下拉电阻和母线回路地连接端，所述负载输入电容和用电设备并联于负载下拉电阻的两端；

所述栅极控制及驱动回路包括低压直流线性可调电源、隔离变压器、低压高频开关管、控制回线地连接端和控制信号整流桥，所述低压直流线性可调电源依次串联连接磁隔离变压器的初级线圈、低压高频开关管和控制回线地连接端，所述磁隔离变压器次级线圈的输出端连接到控制信号整流桥交流输入端，所述控制信号整流桥直流输出端连接到功率半导体开关mosfet的栅极；

所述信号控制输入端包括直流控制信号输入端、脉冲驱动信号输入端和用电设备使能控制信号输入端，所述直流控制信号输入端连接低压直流线性可调电源，所述脉冲驱动信号输入端连接低压高频开关管，所述用电设备使能控制信号输入端连接用电设备。

进一步，所述功率半导体开关mosfet的栅极和源极之间并联有栅极控制电阻和栅极控制电容。

进一步，所述低压高频开关管的控制端和控制回线地之间连接有栅极防静电电阻。

进一步，所述直流控制信号输入端连接可线性调节的信号源，所述脉冲驱动信号输入端连接一个高频脉冲信号源，所述用电设备使能控制信号输入端连接一个电平信号源。

本发明还提供一种电气系统，包括正电压母线、负电压母线回线及向正电压母线、负电压母线回线供电的高电压电池储能电源，在正电压母线和负电压母线回线上至少连接有一个上述的磁隔离控制半导体开关的电源软启停和保护装置。

进一步，还包括过流探测传感器、过流信号调整电路和下拉二极管，所述过流探测传感器分别与高电压母线连接端、过流信号调整电路连接，所述下拉二极管一端与脉冲驱动信号输入端连接，另一端与过流信号调整电路连接。

进一步，在正电压母线和负电压母线回线上连接有两个磁隔离控制半导体开关的电源软启停和保护装置。

本发明的磁隔离控制半导体开关的电源软启停和保护装置工作过程包括三个过程:软启动过程、软停止过程和快速保护过程，三个过程的具体流程如下：

软启动过程：在高电压母线连接端和母线回线地连接端连接数百伏的高电压母线，功率半导体开关mosfet的栅极无电压，处于关断状态，其电阻值达到数兆欧姆以上，远远大于负载下拉电阻的阻值，因此高电压母线电压降落主要在功率半导体开关mosfet上，用电设备的输入电压远远小于其工作电压；当用电设备完成通电的条件准备的条件下，在脉冲驱动信号输入端施加一个固定频率的信号，驱动低压高频开关管工作，然后在直流控制控制信号输入端施加一电平信号，使低压直流线性可调电源输出电压缓慢上升；在磁隔离变压器输出端得到缓慢上升的信号输出，经过控制信号整流桥输出一缓慢上升的控制信号，该信号施加到功率半导体开关mosfet的栅极上，功率半导体开关mosfet的电阻值逐渐下降，电流通过功率半导体开关mosfet向负载输入电容缓慢充电；随着功率半导体开关mosfet的栅极的电压逐渐升高，功率半导体开关mosfet完全开通，其电阻值下降到数十毫欧姆，母线电压完全时间在用电设备上；最后在用电设备使能控制信号输入端输入一电平信号，用电设备开始工作，完成软启动过程。

软停止过程：首先停止用电设备使能控制信号输入端的使能信号，用电设备停止工作，然后停止脉冲驱动信号输入端的输入信号，低压高频开关管停止工作，在功率半导体开关mosfet栅极上的控制电压降到零，mosfet关闭，停止向用电设备供电，负载输入电容上的电能通过负载下拉电阻放电，用电设备上电压逐渐降低到零，母线与用电设备分离，最后，停止直流控制控制信号输入端的控制信号，完成电源的软停止。

快速保护过程：在运行过程中，母线系统探测到电流值超过设定值，产生过流信号，过流信号通过下拉低压高频开关管的栅极，截断脉冲驱动信号输入端的驱动信号，低压高频开关管立即停止工作，控制信号整流桥停止输出，功率半导体开关mosfet的栅极和源极之间并联栅极控制电阻和栅极控制电容放电，栅极电压快速下降，功率半导体开关mosfet快速截断电路，实现系统的快速保护。

本发明的有益效果是：

本发明提供的磁隔离控制半导体开关的电源软启停和保护装置可以在“地电位”施加控制信号控制数百伏高电位下的功率半导体mosfet开关，实现母线和用电设备的联通和断开，同时可以起到保险丝、空气开关和接触器的作用；采用磁隔离变压器实现控制信号的传递，满足电源系统在空间环境高可靠性的要求。

附图说明

图1是本发明的磁隔离控制半导体开关的电源软启停和保护装置电路图；

图2是本发明的电气系统电路图。

附图中：1-高电压母线连接端，2-功率半导体开关mosfet，3-栅极控制电阻，4-负载下拉电阻，5-负载输入电容，6-用电设备，7-直流控制信号输入端，8-低压直流线性可调电源，9-磁隔离变压器，10-控制信号整流桥，11-栅极控制电容，12-脉冲驱动信号输入端，13-栅极防静电电阻，14-低压高频开关管，15-母线回线地连接端，16-控制回线地，17-用电设备使能控制信号输入端，18-正电压母线，19-负电压母线回线，20-高电压电池储能电源，21-第一装置，22-第二装置，23-过流探测传感器，24-过流信号调整电路，25-下拉二极管。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。

实施例一：

如图1所示，一种磁隔离控制半导体开关的电源软启停和保护装置，包括母线连接回路、栅极控制及驱动回路和信号控制输入端。

具体地，所述母线连接回路包括高电压母线连接端1、功率半导体开关mosfet2、负载下拉电阻4、负载输入电容5、用电设备6和母线回路地连接端15,所述高电压母线连接端1依次串联功率半导体开关mosfet2、负载下拉电阻4和母线回路地连接端15，所述负载输入电容5和用电设备6并联于负载下拉电阻4的两端，所述功率半导体开关mosfet2的栅极和源极之间并联有栅极控制电阻3和栅极控制电容11。

所述栅极控制及驱动回路包括低压直流线性可调电源8、隔离变压器9、低压高频开关管14、控制回线地连接端16和控制信号整流桥10，所述低压直流线性可调电源8依次串联连接磁隔离变压器9的初级线圈、低压高频开关管14和控制回线地连接端16，所述磁隔离变压器9次级线圈的输出端连接到控制信号整流桥10交流输入端，所述控制信号整流桥10直流输出端连接到功率半导体开关mosfet2的栅极，所述低压高频开关管14的控制端和控制回线地16之间连接有栅极防静电电阻13。

所述信号控制输入端包括直流控制信号输入端7、脉冲驱动信号输入端12和用电设备使能控制信号输入端17，所述直流控制信号输入端7连接低压直流线性可调电源8，所述脉冲驱动信号输入端12连接低压高频开关管14，所述用电设备使能控制信号输入端17连接用电设备6，所述直流控制信号输入端7连接可线性调节的信号源，所述脉冲驱动信号输入端12连接一个高频脉冲信号源，所述用电设备使能控制信号输入端17连接一个电平信号源。

本发明的磁隔离控制半导体开关的电源软启停和保护装置工作过程包括三个过程:软启动过程、软停止过程和快速保护过程，三个过程的具体流程如下：

软启动过程：在高电压母线连接端1和母线回线地连接端15连接数百伏的高电压母线，功率半导体开关mosfet2的栅极无电压，处于关断状态，其电阻值达到数兆欧姆以上，远远大于负载下拉电阻4的阻值，因此高电压母线电压降落主要在功率半导体开关mosfet2上，用电设备6的输入电压远远小于其工作电压；当用电设备6完成通电的条件准备的条件下，在脉冲驱动信号输入端12施加一个固定频率的信号，驱动低压高频开关管14工作，然后在直流控制控制信号输入端7施加一电平信号，使低压直流线性可调电源8输出电压缓慢上升；在磁隔离变压器9输出端得到缓慢上升的信号输出，经过控制信号整流桥10输出一缓慢上升的控制信号，该信号施加到功率半导体开关mosfet2的栅极上，功率半导体开关mosfet2的电阻值逐渐下降，电流通过功率半导体开关mosfet2向负载输入电容5缓慢充电；随着功率半导体开关mosfet2的栅极的电压逐渐升高，功率半导体开关mosfet2完全开通，其电阻值下降到数十毫欧姆，母线电压完全时间在用电设备6上；最后在用电设备使能控制信号输入端17输入一电平信号，用电设备6开始工作，完成软启动过程。

软停止过程：首先停止用电设备使能控制信号输入端17的使能信号，用电设备6停止工作，然后停止脉冲驱动信号输入端12的输入信号，低压高频开关管14停止工作，在功率半导体开关mosfet2栅极上的控制电压降到零，mosfet关闭，停止向用电设备6供电，负载输入电容5上的电能通过负载下拉电阻4放电，用电设备6上电压逐渐降低到零，母线与用电设备6分离，最后，停止直流控制控制信号输入端7的控制信号，完成电源的软停止。

快速保护过程：在运行过程中，母线系统探测到电流值超过设定值，产生过流信号，过流信号通过下拉低压高频开关管14的栅极，截断脉冲驱动信号输入端12的驱动信号，低压高频开关管14立即停止工作，控制信号整流桥10停止输出，功率半导体开关mosfet2的栅极和源极之间并联栅极控制电阻3和栅极控制电容11放电，栅极电压快速下降，功率半导体开关mosfet2快速截断电路，实现系统的快速保护。

本发明的磁隔离控制半导体开关的电源软启停和保护装置可以在“地电位”施加控制信号控制数百伏高电位下的功率半导体mosfet开关2，实现母线和用电设备6的联通和断开，同时可以起到保险丝、空气开关和接触器的作用；采用磁隔离变压器9实现控制信号的传递，满足电源系统在空间环境高可靠性的要求。

实施例二：

如图2所示，一种电气系统，包括正电压母线18、负电压母线回线19及向正电压母线18、负电压母线回线19供电的高电压电池储能电源20，其中，所述高电压电池储能电源20向正电压母线18和负电压母线回线19的供电电压400v到500v，在正电压母线18和负电压母线回线19上至少连接有一个上述的磁隔离控制半导体开关的电源软启停和保护装置，在本实施例中，在正电压母线18和负电压母线回线19上连接有两个磁隔离控制半导体开关的电源软启停和保护装置，分别为第一装置21和第二装置22，当然在其他实施例中，磁隔离控制半导体开关的电源软启停和保护装置可以设置更多。

所述电气系统还包括过流探测传感器23、过流信号调整电路24和下拉二极管25，所述过流探测传感器23分别与高电压母线连接端1、过流信号调整电路24连接，所述下拉二极管一端与脉冲驱动信号输入端12连接，另一端与过流信号调整电路24连接，所述过流探测传感器23，用于监测高电压母线连接端1前端的电流信号，所述过流信号调整电路(24)和下拉二极管25的作用是：当电流超过设定值，过流信号调整电路24输出低电平信号，通过下拉二极管25截断脉冲驱动信号输入端12的驱动信号，低压高频开关管14立即停止工作，实现过流保护。

该电器系统应用于航天器中，在航天器发射之前，由于高电压电池储能电源20不能停止输出，正电压母线18和负电压母线回线19持续供电。为使航天器安全通过发射时的处于低气压阶段的过程，脉冲驱动信号输入端12、直流控制控制信号输入端7和用电设备使能控制信号输入端17的信号停止工作，用电设备6输入电压很低，可以防止低气压放电损坏系统。当航天器进入高真空空间，按本发明软启动过程依次在脉冲驱动信号输入端12、直流控制控制信号输入端7和用电设备使能控制信号输入端17施加信号，完成软启动。

在用电设备6运行过程中，过流探测传感器23监测高电压母线连接端1前端的电流信号，如电流信号超过设定保护值，则过流信号调整电路24输出一低电平，通过下拉二极管25截断脉冲驱动信号输入端12的驱动信号，低压高频开关管14立即停止工作，功率半导体开关mosfet2的栅极电压快速下降，在1到10微秒内完成用电设备6的故障隔离，实现设备的快速保护。

如航天器需要进入节电模式，则可以通过软停止过程，完成用电设备6与正电压母线18分离，减小系统的耗电功率；或航天器需要返回地面，需按照软停止过程完成用电设备6与向正电压母线18分离，防止航天器在经过低气压阶段损坏。

以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。