非隔离型防电流反灌技术在宇航领域中的研究与应用.docx

? ? 非隔离型防电流反灌技术在宇航领域中的研究与应用 ? ? 汪 超，王邦兴，王 涵，葛科勇，史传洲 （上海空间电源研究所，上海 200245） 随着中国航天事业的快速发展，卫星可靠性的要求日益提高，DC-DC 二次电源作为卫星载荷的直接供电分系统，其可靠性直接影响着卫星载荷能否正常工作[1-3]。因此对航天器二次电源分系统的体积、重量、效率、可靠性等方面提出了更高的要求。为了提高二次电源的工作效率，越来越多的电压变换器引入了同步整流技术。Buck 变换器作为二次电源的主要拓扑之一，在宇航电路中，其利用Mos 管替代Buck 变换器中的续流二极管以实现同步整流技术。由于Mos 管的导通阻抗较小，其电流流过时的压降明显小于二极管的正向导通压降，从而显著降低二次电源系统的损耗，大幅提升效率。 虽然同步整流模式下的Buck 变换器的工作效率大幅提升，但是同步整流技术也带来了新的问题[4-5]。当输出功率较大时，Buck 变换器工作在连续导通模式（CCM，Current Continuous Mode）下，电感电流通过同步整流管续流。当输出功率较小时，Buck 变换器工作在强制电流连续模式（FCCM，Forced Current Continuous Mode）下，在同步整流管续流过程中，电感电流会反向流动，此时同步整流管不会关断，输出端电容的能量会通过同步整流管向大地形成反灌。这一工况降低了系统的效率，严重时会使得Mos 管损坏，从而影响系统的稳定性和可靠性[6-8]。 虽然市场上有多种防电流反灌的同步整流芯片，但是其不具备抗辐照特性，且工作温度范围较窄，无法在极端的太空环境中正常工作，不满足可靠性和稳定性要求[9-10]。 本文基于同步整流模式控制的Buck 变换器，设计了一种适用于非隔离型同步整流模式的二次电源防电流反灌电路。该电路逐周期检测同步整流管关断后，高端Mos 管导通前这一死区时间内Vds端电压的高低电平状态，当Vds端的电压为高时，防电流反灌电路输出相应的控制逻辑，关断下一个周期同步整流管的驱动电压，使Buck 变换器工作在断续导通模式（DCM，Discontinuous Conduction Mode），以提高系统的可靠性和稳定性。 1 防电流反灌电路的理论分析 基于Buck 电路的防电流反灌电路如图1 所示。其由3 部分构成，第一部分由Q1、Q2、Q3、R1、R2、R3、R4及R5组成。当Buck 变换器处于连续导通模式（CCM，Current Continuous Mode）时，若M1由关断变为开通，则D1点会先于D2点变为高电平，所以在M1导通期间内，三极管Q1、Q3将D3、D4点的电压始终钳位至低电平。当M1关断时，电感电流在死区时间内通过M2的体内二极管续流，当M2开通后，电感电流通过M2续流，所以在M1关断期间内，D2点电压也始终为低电平。综上，在连续导通模式（CCM，Current Continuous Mode）下的整个周期内，D3和D4点始终为低电平。当Buck变换器处于强制电流连续模式（FCCM，Forced Current Continuous Mode）时，即电感电流过零，由于输出电容能量的反灌，使D2点电压在M2关断后，M1导通前的死区时间内先于D1点变为高电平，超前的时间为死区时间t1，如图2 所示。因此D4点电压在t1内同为高电平，并使得三极管Q4导通，自锁电路工作，导通后D4点电压被钳位至三极管内部PN 结的导通压降。D3点电压始终跟随D2点，因此在M2再次导通之前，三极管Q2始终将D5点电压钳位至低电平，以防止Q1和Q3在这期间导通。 图1 防电流反灌电路图 图2 D2 点电压时序 第二部分是由Q4、Q5、R7、R8、R9及R10组成的自锁电路，当Buck 变换器工作在连续导通模式（CCM，Current Continuous Mode）下，D4点电压始终为低电平，则自锁电路不工作，S1 持续为低电平状态。当Buck 变换器工作在强制电流连续模式（FCCM，Forced Current Continuous Mode）下，D4点电压在死区时间t1内为高电平，三极管Q4导通，自锁电路工作，S1 持续为高电平状态。 第三部分由控制电路组成，当S1 的状态为低时，表明Buck 变换器处于连续导通模式（CCM，Current Continuous Mode），则控制电路输出互补的控制驱动，当S1 的状态为高时，表明Buck 变换器处于断续导通模式（DCM，Discontinuous Conduction Mode），则控制电路不输出M2的控制驱动，让Buck 电路工作在断续导通模式（DCM，Discontinuous Conduction Mode）下，防止输出端电容的能量通过M