[发明专利]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

说明书

技术领域

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。

发明内容

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。