阅读说明：本技术 一种空间用太阳阵分流调节尖峰电流抑制电路 (Solar array shunting adjustment peak current suppression circuit for space ) 是由 熊友 王国军 孙清文 曹成荣 宋俊超 王腾 卢兴军 杨磊 李旭评 许祺峰 于 2020-10-26 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种空间用太阳阵分流调节尖峰电流抑制电路,其包括与分流调整功率管Q3连接的分流电流采样电路和驱动控制电路,所述分流电流采样电路采集流过所述分流功率管Q3的电流,当太阳电池阵寄生结电容不放电,通过分流调整功率管的电流小于尖峰电流设定阈值I时,分流调节尖峰电流抑制电路不工作,分流调整功率管Q3的驱动电压不受影响,分流调整功率管Q3正常工作；当太阳电池阵寄生结电容放电,通过分流调整功率管Q3的电流大于尖峰电流设定阈值I时,所述驱动控制电路会控制降低分流调整功率驱动电压,从而降低通过分流调整功率管Q3的尖峰电流。本发明的电路可适用于不同型号的分流调整功率管和不同串并联数目的太阳电池阵,调节方式简便。(The invention provides a solar array shunt regulation peak current suppression circuit for a space, which comprises a shunt current sampling circuit and a drive control circuit, wherein the shunt current sampling circuit is connected with a shunt regulation power tube Q3, the shunt current sampling circuit collects current flowing through a shunt power tube Q3, when parasitic junction capacitance of a solar cell array is not discharged and the current passing through the shunt regulation power tube is smaller than a peak current setting threshold value I, the shunt regulation peak current suppression circuit does not work, the drive voltage of the shunt regulation power tube Q3 is not influenced, and the shunt regulation power tube Q3 normally works; when the parasitic junction capacitance of the solar cell array discharges and the current passing through the shunt regulation power tube Q3 is larger than the peak current setting threshold I, the driving control circuit controls to reduce the shunt regulation power driving voltage, so that the peak current passing through the shunt regulation power tube Q3 is reduced. The circuit of the invention is suitable for shunt regulation power tubes of different models and solar cell arrays of different series-parallel numbers, and the regulation mode is simple and convenient.)

一种空间用太阳阵分流调节尖峰电流抑制电路

技术领域

本发明涉及航天电源控制技术领域，具体涉及空间用太阳阵分流调节尖峰电流抑制电路。

背景技术

目前大多数卫星工作电源主要由太阳电池阵光电效应产生的电能提供。由于三结GaAs电池光电转换效率高(26％～32％)，目前被广泛应用于卫星太阳电池阵的单片制作。

太阳电池阵主要由太阳电池片组成，为了获得稳定的母线电压并满足整星负载功率需求，需要把太阳电池单片进行串联和并联。其中通过把太阳电池单片串联来获得所需的母线电压，通过把太阳电池单片并联来获得满足所需的负载功率。

由于太阳电池片的基本结构都是PN结，而电容效应又是PN结的基本特性，所以当把太阳电池单片进行并联时就会增大太阳电池阵的寄生结电容。目前卫星电源控制器主要采用顺序分流调节的方法来实现对太阳电池阵功率的调节，即把太阳电池阵划分成几个分流调节子阵,每一个分流调节子阵由一路顺序分流调节子电路来控制。图1是现有技术中分流调节尖峰电流的产生示意图。当分流调节子电路分流调节时，由于太阳电池阵寄生结电容的存在，在分流调整功率管导通瞬间，如图1所示，会在分流调整功率管上产生分流调节尖峰电流i_a，分流调节尖峰电流i_a由公式表示为：i_a＝i_c+i_SA，其中i_SA为太阳电池阵输出电流，ic为结电容瞬间放电电流。由于寄生结电容瞬间放电会产生较大的分流调节尖峰电流，其分流调节尖峰电流会远大于分流电路的分流能力，甚至超过分流调整功率管的额定电流值。若瞬间分流调节尖峰电流大于分流调整功率管可承受的耐流值，分流调节尖峰电流不加抑制，会给分流调整功率管带来过流击穿的风险，随着时间的推移会对分流调整功率管产生冲击，甚至导致损坏，使卫星电源控制器的分流调节电路出现级数错乱，出现母线纹波峰峰值和频率增大，同时会使电源控制器热损耗增加，并影响供电母线的稳定性，故太阳电池阵寄生结电容对分流调节电路的影响必须引起高度重视。

为了保证分流调节电路能够持久高可靠的运行，太阳阵分流调节尖峰电流抑制电路是一项必不可少的关键技术。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种空间用太阳阵分流调节尖峰电流抑制电路，其包括与分流调整功率管Q3连接的分流电流采样电路和驱动控制电路，所述分流电流采样电路采集流过所述分流功率管Q3的电流，当太阳电池阵寄生结电容不放电，通过分流调整功率管的电流小于尖峰电流设定阈值I时，所述驱动控制电路不工作，分流调整功率管Q3的驱动电压不受影响，分流调整功率管Q3正常工作；当太阳电池阵寄生结电容放电，通过分流调整功率管Q3的电流大于尖峰电流设定阈值I时，所述驱动控制电路会控制降低分流调整功率驱动电压，从而降低通过分流调整功率管Q3的尖峰电流。其中，驱动控制电路控制降低分流调整功率驱动电压，会使分流调整功率管Q3的导通阻抗增大，分流调节尖峰电流消耗在分流调整功率管Q3上，从而降低通过分流调整功率管Q3的尖峰电流。

可以的是，所述尖峰电流设定阈值I由分流调整功率管Q3型号和太阳阵寄生结电容容值确定。

可以的是，所述分流尖峰电流抑制值I根据不同型号的分流调整功率管Q3的漏源极DS的额定电流值或者按满足不同串并联数目的太阳阵的分流调节尖峰电流抑制要求进行调节。

可以的是，所述分流电流采样电路包括二次电源Vc、电阻R1、电阻R2、电阻R3、镜像三极管Q1和电流采样电阻R4，所述驱动控制电路包括控制三极管Q2，所述控制三极管Q2的集电极与所述分流调整功率管Q3的栅极相连，

太阳电池阵的输入端TY与所述分流调整功率管Q3的漏极相连，所述分流调整功率管Q3的源极与所述电流采样电阻R4的功率端相连，所述电流采样电阻R4的另一功率端与所述太阳电池阵的输入回线相连，所述电流采样电阻R4具有两个采样端，

所述二次电源Vc与所述电阻R1的一端相连，所述电阻R1另一端与所述镜像三极管Q1一侧的集电极相连，同时还与所述控制三极管Q2的基极相连，所述镜像三极管Q1的该侧发射极与所述电流采样电阻R4的一个采样端相连；所述二次电源Vc还与所述电阻R2的一端相连，所述电阻R2另一端与所述镜像三极管Q1另一侧的集电极相连，所述镜像三极管Q1另一侧的该集电极还与所述镜像三极管Q1的基极相连，所述镜像三极管Q1另一侧的发射极与所述电阻R3的一端相连，所述电阻R3的另一端与所述电流采样电阻R4的另一个采样端相连。

可以的是，所述分流调节尖峰电流抑制电路通过减少电阻R3的阻值来降低所述分流调节尖峰电流值。

可以的是，所述镜像三极管Q1的型号为2N2920，所述电流采样电阻R4的型号为RX906-3W-0.01Ω，所述二次电源Vc为12V。

可以的是，所述驱动控制电路进一步包括：电阻R5、电阻R6，所述电阻R5一端连接PWM驱动信号，另一端与所述控制三极管Q2的集电极相连，所述控制三极管Q2的集电极同时还和所述分流调整功率管Q3的栅极相连，所述控制三极管Q2的发射极与所述电阻R6的一端相连，所述电阻R6的另一端与母线地相连。

可以的是，所述控制三极管Q2的型号为2N3700。

可以的是，所述分流调整功率管Q3的驱动电压小于3V，所述电阻R5为100～200欧姆。

可以的是，在通过所述分流调整功率管Q3的电流大于所述分流调节尖峰电流设定阈值I时，所述分流调节尖峰电流降低至分流尖峰电流抑制值，所述分流尖峰电流抑制值控制在17A～21A范围。

本发明的有益效果在于，相对现有串联电感的抑制方式而言，本发明电路结构简单，体积小，重量轻，可靠性高，受空间环境影响小，可适用于不同型号的分流调整功率管和不同串并联数目的太阳电池阵；分流调节尖峰电流值可控，且分流尖峰电流抑制值可以依据实际需要进行调整，且调节方式较为简便。

此外，本发明的电路中采用三极管对管2N2920代替两个分立三极管时，此三极管具有体积小、输出参数对称性好、温度特性好等特点，可以有效的避免采用分立三极管，由于个体性能差异和受温度影响放大倍数变化造成的尖峰抑制值不稳定和受温度影响变化的影响。

附图说明

图1是现有技术中分流调节尖峰电流的产生示意图。

图2是本发明的空间用太阳阵分流调节尖峰电流抑制电路的示意图。

图3是本发明的空间用太阳阵分流调节尖峰电流抑制电路的控制波形图。

具体实施方式

以下将结合图2～图3对本发明的空间用太阳阵分流调节尖峰电流抑制电路作进一步的详细描述。

本发明的空间用太阳阵分流调节尖峰电流抑制电路的原理如下：对于分流调整功率管的分流调节尖峰电流抑制采用调节控制回路的方法，利用分流调整功率管的驱动电压(栅源极GS之间的电压)与漏源极(DS)流过的电流关系特性，即分流调整功率管的驱动电压电压越高，漏源极(DS)流过的电流越大，分流调整功率管的驱动电压越小，漏源极(DS)流过的电流越小，通过调节分流调整功率管的驱动电压的大小来抑制漏源极(DS)流过的分流调节尖峰电流。

图2是本发明的空间用太阳阵分流调节尖峰电流抑制电路的示意图。如图2所示，本发明提供的空间用太阳阵分流调节尖峰电流抑制电路包括与分流调整功率管Q3连接的分流电流采样电路和驱动控制电路，所述分流电流采样电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、镜像三极管Q1和电流采样电阻R4；所述驱动控制电路包括：电阻R5、电阻R6、控制三极管Q2、二次电源Vc。所述二次电源Vc可以根据实际情况进行选择，例如为12V。

二次电源Vc与电阻R1的一端相连，电阻R1另一端与镜像三极管Q1一侧的集电极相连，同时还与控制三极管Q2的基极相连，镜像三极管Q1的该侧发射极与电流采样电阻R4的采样端相连；二次电源Vc还与电阻R2的一端相连，电阻R2另一端与镜像三极管Q1另一侧的集电极相连，镜像三极管Q1的该侧集电极与镜像三极管Q1的基极相连，镜像三极管Q1的该侧发射极与电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端与电流采样电阻R4的采样端相连。

电阻R5一端连接PWM驱动信号，另一端与控制三极管Q2的集电极相连，控制三极管Q2的集电极同时还和分流调整功率管Q3的栅极相连，控制三极管Q2的发射极与电阻R6的一端相连，电阻R6的另一端与母线地相连。

太阳电池阵的输入端TY与分流调整功率管Q3的漏极D相连，分流调整功率管Q3的源极S与电流采样电阻R4的功率端相连，电流采样电阻R4的另一功率端与太阳电池阵的输入回线相连。

其主要工作原理如下：

当太阳电池阵寄生结电容不放电时，通过分流调整功率管Q3的电流小于分流调节尖峰电流设定阈值(此阈值为一变量，主要受分流调整功率管Q3型号和太阳阵寄生结电容容值等因素决定)时，所述驱动控制电路不工作，分流调整功率管Q3的驱动电压不受影响，分流调整功率管Q3正常工作。

当太阳电池阵寄生结电容放电时，若通过分流调整功率管Q3的电流大于分流调节尖峰电流设定阈值(此阈值为一变量，主要受分流调整功率管Q3型号和太阳阵寄生结电容容值等因素决定)时，分流调节尖峰电流抑制电路通过控制分流调整功率管的驱动电压的方法，使分流调整功率管Q3的导通阻抗增大，分流调节尖峰电流被控制为分流调节尖峰电流设定阈值，分流调节尖峰电流消耗在分流调整功率管上，从而实现降低分流调节尖峰电流的目的。

当通过分流调整功率管Q3的电流大于分流调节尖峰电流设定阈值时，控制三极管Q2开通，给分流调整功率管Q3提供驱动电压的PWM高电平由于电阻R5和电阻R6的分压作用使得分流调整功率管Q3的驱动电压下降，进而促使通过分流调整功率管Q3漏源极之间的电流减少，从而使分流调节尖峰电流得到抑制。其中，电阻R3的取值与分流尖峰电流抑制值的大小有关，当分流调节尖峰电流大于分流调节尖峰电流设定阈值时，可通过减少电阻R3的阻值来达到减小分流调节尖峰电流值的目的。同理，当分流调节尖峰电流小于分流调节尖峰电流设定阈值时，可通过增大电阻R3的阻值来达到提高分流调节尖峰电流值的目的。由此，分流调节尖峰电流设定阈值可以依据实际需要进行调整，且调节方式较为简便。

本发明的空间用太阳阵分流调节尖峰电流抑制电路具有较广的适用性，主要适用性特点为：

不同型号的分流调整功率管Q3，其漏源极(DS)额定电流值也不同，为了保证分流调整功率管Q3正常工作，故要求分流尖峰电流抑制值小于分流调整功率管Q3漏源极额定电流值。本发明可适用于不同型号的分流调整功率管Q3，分流尖峰电流抑制值可以根据不同型号的分流调整功率管Q3漏源极(DS)额定电流值进行调节。

不同型号的功率需求不同，不同型号的太阳电池阵的串并联数目也不尽相同，其太阳电池阵寄生结电容容值不同，分流调节尖峰电流值也不同，本发明只需调整个别参数就能满足不同型号的分流调节尖峰电流抑制要求。

本发明的空间用太阳阵分流调节尖峰电流抑制电路中，采用三极管对管2N2920代替两个分立三极管，此三极管具有体积小、输出参数对称性好、温度特性好等特点，可以有效的避免采用分立三极管，由于个体性能差异和受温度影响放大倍数变化造成的尖峰抑制值不稳定和受温度影响变化的影响。镜像三极管Q1的型号优选为2N2920。此外，控制三极管Q2的型号优选为2N3700。其特征在于电流采样电阻R4的型号为RX906-3W-0.01Ω。空间用电源中每路分流电路的分流尖峰电流抑制值控制在17A～21A范围。

为了取得较好的分流调节尖峰电流抑制效果一般要求控制三极管Q2开通时，分流调整功率管Q3的驱动电压VGS＝(Vm*R6)/(R5+R6)小于3V，其中Vm是PWM高电平。由于电阻R5与分流调整功率管Q3的栅极S相连，电阻R5会直接影响分流调整功率管Q3的开关速度，所以不建议电阻R5取值过大，一般推荐100～200欧姆。

为了防止分流调节尖峰电流对分流调整功率管Q3造成损伤，一般要求分流尖峰电流抑制值越小越好，但如果分流尖峰电流抑制值取值较小时又会增加分流调整功率管Q3工作时的热耗，为避免分流调整功率管因分流尖峰电流抑制值过小而过热，空间用电源中每路分流电路的分流尖峰电流抑制值要求控制在17A～21A范围内。

验证例

对分流调节尖峰电流抑制情况进行地面验证，设置条件为：太阳阵模拟器输出电流8A，太阳阵模拟器输出端并联600nF电容，负载电流设置4A。图3是本发明的空间用太阳阵分流调节尖峰电流抑制电路的控制波形图。其中上面的波形为分流调整功率管Q3的栅极和源极(即G和S)之间的驱动电压波形，下面的波形为通过分流调整功率管Q3的漏源极(DS)的电流波形；从图3可看出，不分流时，分流调整功率管Q3的栅源极(GS)之间的驱动电压(G和S之间的电压)为0V，漏源极(DS)不导通，分流调整功率管工作不受分流调节尖峰电流抑制电路影响；分流时，在分流调整功率管Q3漏源极(DS)开通过程中，分流调节尖峰电流抑制电路工作，通过分流调整功率管Q3的分流调节尖峰电流被控制在17.6A以内，分流调节尖峰电流得到较好的控制，导通过程中分流调整功率管Q3的驱动电压(G和S之间电压)稳定；分流调整功率管Q3开通后驱动电压稳定在11.8V，不受分流调节尖峰电流抑制电路影响，分流调整功率管Q3正常工作。

通过验证可以看出，当流过分流调整功率管的电流到达分流调节尖峰电流设定阈值(此阈值为一变量，主要受分流调整功率管Q3型号和太阳阵寄生结电容容值等因素决定)时，分流调整功率管的驱动电压会被拉低，通过分流调整功率管的电流可被限定在一定范围内，随着分流调节尖峰电流的逐渐减小，分流调整功率管的驱动电压恢复到正常驱动值。验证结果表明，分流调节尖峰电流抑制电路能较好起到抑制分流调节尖峰电流的作用。

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。