磁隔离技术在航天器二次电源系统中的应用
发布时间：2021-05-12
摘要：分析了航天器二次电源系统设计中信号隔离传输的需求，针对传统应用中光耦器件存在的抗辐照敏感及霍尔传感器在高电压测量时功耗大的问题，提出了基于磁隔离的电路解决方案。采用开关电源中常用的器件分别设计了DC/DC变换器中磁隔离反馈电路、磁隔离遥测采样电路、磁隔离基准电压输入电路以及磁隔离驱动电路。实验结果表明，所提出的电路均实现其设计功能，在一定场合能替代霍尔传感器、光耦合器等器件，简化航天器电源系统的设计。
关键词：二次电源;磁隔离;隔离采样;隔离反馈
在卫星供配电系统中，二次电源通常存在指令地、遥测地、一次母线地、二次供电地和机壳地。为了保证供配电安全性和系统电磁兼容，设备级或组件级开关电源产品的设计需要满足多个地之间隔离[1]。其中模拟量遥测的采集往往采用霍尔传感器或磁通门传感器，具有体积大、质量大、失效率高和测量高压时功耗大等问题;开关电源采样反馈一般采用磁隔离设计，通常采用隔离供电和直接采样反馈。
工业上大量采用光电耦合器隔离传输反馈或指令信号。然而光耦随着工作时间的延长和温度的升高，电流传输比会下降;另一方面，光耦合器是电离总剂量和位移损伤敏感元器件，在空间辐照环境下长期工作存在漏电流增加和电流传输比下降的现象。因此光耦在高可靠产品上的应用受到了限制。
磁隔离是电源变换器的功率级最常用的隔离措施。采用磁隔离技术还可以设计磁隔离驱动电路、磁隔离采样电路、磁隔离信号输入电路和磁隔离反馈等电路。磁隔离传输具有耐温高、响应快、对辐射不敏感的特征，在替代光耦及提高变换器抗辐照能力方面有其独特的优势。采用磁隔离技术设计信号传输电路在高可靠二次电源产品上具有重要的应用价值。本文主要讨论宇航开关电源中控制信号的磁隔离传输问题。
1开关电源中的隔离需求
在航天器二次电源设计中需要隔离传输的部位如图1所示。常见的部位有：类型1、2用于功率隔离传输，要求传输损耗小、漏感小;类型3、4、5隔离传输用于传输控制信号，位于控制环路内部，传输误差可以通过反馈抑制，主要性能要求是传输延迟小、带宽高，对幅值精度要求不高;类型6、7隔离传输用于传输模拟信号，使用开环传输，对传输带宽要求降低，但是要求精度高、温漂小和线性度好。
2磁隔离传输技术
磁隔离传输需要将模拟直流信号调制在高频交流信号上才能实现磁耦合传输。按照调制方式的不同可以分为调频、调幅和调宽。调频在开关电源控制电路中应用较少，下文讨论幅度调制和脉宽调制磁隔离传输技术[2]。
2.1调幅磁隔离技术
调幅隔离传输电路主要由模拟乘法电路对定频载波脉冲进行幅度调制，幅度调制完成以后的信号经过驱动级，驱动级驱动隔离变压器，副边通过二极管峰值检波以后还原被传输信号，如图2所示。电压幅值的传输容易受半导体结压降温度特性及负载电流的影响。为减小电压传输误差，调幅磁隔离控制器一般驱动能力较弱。调幅控制器由于检波环节简单可以提供更高的传输带宽。
2.2脉宽调制磁隔离传输技术
脉宽调制磁隔离信号传输是将模拟信号调制在一个高频方波上，方波占空比与被传输信号成线性关系。主要由缓冲电路、基准三角波、脉宽调制比较器、驱动器、隔离变压器、边沿检测电路、幅值整形电路和低通滤波器组成，如图3所示。由于驱动级的幅值对信号传输没有影响，因此可以提供较强的驱动能力，支持较低的传输频率，具有较强的抗电磁干扰能力。脉宽调制信号传输模型包含了开关电源的各个要素，在幅值整形环节输入功率，可以实现功率变换，因此脉宽调制磁隔离技术从小信号到大功率均可以传递。
3磁隔离传输技术的设计应用
3.1磁隔离反馈
磁隔离反馈是高可靠宇航DC-DC中常用的隔离反馈技术。在反馈电路设计中，如果直接将采样信号隔离传输至初级侧，与初级侧的基准电压进行比较时，传输过程中产生的误差将直接导致输出电压的误差。尤其是温漂造成的输出电压偏移往往导致产品在温度环境试验中工作异常。
采样信号和基准电压完成比较后，将误差信号磁隔离传输，传输过程中产生的误差不会直接影响被控的电压或电流的精度，会影响反馈环路的开环增益和相位余量。
UC1901是宇航小功率DC-DC上经常应用的调幅磁隔离传输控制器[3-4]。调幅的特性使得UC1901驱动级驱动能力仅为500~700μA。为减小隔离变压器对驱动器的负载电流，要求载波频率必须要高、输出电压幅值必须要小、隔离变压器电感量要大。UC1901调幅输出电压范围为±1.6V。由于调幅系统对电磁干扰的抵抗能力较差，在印制板布局时需要要重点关注信号完整性。采用UC1901和UC1875设计了一个350W的DC/DC变换器，控制电路见图4。UC1901的辅助供电由原边的UC1875经磁隔离变换输出，载波频率设计为1MHz。设计了电流内环和电压外环双环控制，实现稳压和恒流输出功能。
为验证磁隔离反馈电路的控制功能，在290V/1.2A电源模块上测试得到的伏安特性曲线如图5所示，结果显示电源可以实现1.2A负载电流以下稳压、负载短路以后恒流的功能，表明采用UC1901磁隔离反馈实现了输出电压和输出电流的双闭环控制。
为验证磁隔离反馈功率变换器的稳定性，在290V/1.2A电源模块上测试得到的负载阶跃波形如图6所示，图中Vo为输出电压，Io为输出电流。结果显示，负载电流以50Hz在30%~100%额定负载下跃变时，输出电压整体稳定，但没有出现振铃，表明磁隔离反馈变换器环路稳定。负载电流由大向小阶跃过程中输出电压存在过冲，输出电压调整时间约为10ms;负载电流由小向大阶跃过程中输出电压存在下陷冲，输出电压调整时间小于1ms。输出电压过冲和下陷调整时间存在差异的原因为，磁隔离传输检波电路中滤波电容(图4中C45)的充放电时间常数不同。
3.2遥测信号隔离传输
在航天器二次电源设计中，经常需要隔离采样输出电压和电流信号。电压和电流信号的隔离采样一般需要采用霍尔传感器或者磁通门传感器实现。霍尔和磁通门均采用零磁通的原理实现磁隔离采样电流，采样电压时需要将电压信号转换成电流信号。由于对最小电流有一定的限制，对于几百伏以上的高电压应用场合，采样电流造成的功耗不容忽视。采用脉宽调制磁隔离技术可以解决以上问题。
脉宽调制器集成了误差放大器、三角波发生器、时钟振荡器、PWM调制器以及输出驱动器，包含脉宽调制磁隔离传输的主要功能。利用UC1825实现的磁隔离遥测采样电路如图7所示。
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首先被测电压或者电流转换成低电平电压以后，送入误差放大器正向输入端，正向输入端的高阻抗减少了对前级采样电路的影响。误差信号经过脉宽调制输出一定占空比的方波信号，驱动脉冲变压器。脉冲变压器输出2个绕组，一个绕组整流以后用于输出遥测，另一个绕组整流以后作为反馈电压，送入误差放大器的负端。以上电路要实现高精度和稳定度的要点在于输出绕组和反馈绕组：(1)绕组匝数相同，并通过并绕实现良好耦合;(2)绕组整流管采用相同型号，并且在印制板布局的时候，尽可能使其环境温度相同，从而补偿二极管压降造成的温漂;(3)绕组的负载电容和负载电阻匹配。
对实际电路效果进行测试，结果见表2和图8所示。结果显示在1~5V范围内遥测精度能够达到1%，满足一般星载开关电源应用需求。
3.3基准信号隔离传输
在设计输出电压或电流可调节的航天器DC-DC电压源或电流源时，数字系统会给出设定电源的基准，通过调节基准信号来实现输出可调节。常规的做法是将数字信号通过光电耦合器、波形整形、串并转换、数模转换处理，输出电压基准。在小型化设计中采用脉宽调制的磁隔离传输技术可以大幅度缩小布板面积。
采用比较器LM193实现的模拟信号磁隔离传输电路见图9所示。首先数字系统输出包含基准电压幅值信息的特定占空比方波，经过隔离变压器以后通过比较器识别边沿，并通过比较器将电压幅值转换成副边基准电压。幅值为基准电压的方波信号经过低通滤波可以还原出电压基准。为抑制电压纹波采用了2阶低通滤波器。
对实际电路效果进行测试，输入幅值为5V、频率为80kHz、占空比0.1~0.9的方波信号，测量输出电压。结果见表3和图10所示，占空比位于0.3~0.9时，电压传输精度能够达到±0.5%，满足一般星载开关电源应用场合。
3.4开关电源磁隔离驱动
开关电源中全桥、半桥以及双管变换器的开关管需要采用隔离驱动;有些情况下单管变换器为了获得更高的采样精度和环路带宽，将脉宽调制器放置在二次电源副边，功率开关管也需要隔离驱动。
在大功率电源设计中，功率MOSFET输入电容Ciss较大，直接采用变压器隔离驱动时，由于变压器漏感的原因，栅源电压上升沿和下降沿转换时间太长，影响功率变换效率。采用磁隔离提供边沿信息和辅助供电，由驱动器直接驱动MOSFET，能获得更好的驱动效果。在全桥和半桥拓扑中，同桥臂的上位MOSFET开通，会造成下位MOSFET的漏源电压以高dV/dt上升，弥勒电容充电，引起MOSFET误开通，增加损耗。因此在栅源之间施加一定的负压，能保证更可靠的关断。又由于负压越高，MOSFET越容易发生单粒子栅击穿，因此需要将负压控制在不小于-5V。
采用磁隔离变压器和集成MOSFET驱动器设计的MOSFET驱动电路如图11所示。该驱动电路利用变压器传输占空比边沿信号，同时为驱动器提供了正负供电，让MOSFET驱动电压范围在-5~+10V，同时满足了大功率变换器高效率和高可靠的要求。实测驱动波形如图12所示，图中：VDR1和VDR2为脉宽调制器输出的驱动电压，VGS1和VGS2为经过隔离驱动电路变换以后MOSFET栅极的驱动电压。结果显示，将0~11V的驱动电压经过磁隔离变换为-5~+10V驱动电压，提高了大功率开关电源的驱动效率和安全性。
4总结
本文分析了航天器二次电源系统设计中信号隔离传输的需求，针对传统应用中光耦器件存在的抗辐照敏感及霍尔传感器在高电压测量时存在的功耗大的不足，提出了基于磁隔离的电路解决方案。采用开关电源中常用的器件分别设计了DC/DC变换器中磁隔离反馈电路、磁隔离遥测采样电路、磁隔离基准电压输入电路、以及磁隔离驱动电路。实验结果表明文本提出的电路均实现了其功能，在一定场合能替代霍尔传感器、光耦合器等器件，简化航天器电源系统的设计。——论文作者：陈昶文，王少宁
