一次母線高阻接地對航天器電性能影響分析

李海津 林文立 付林春 林海淼 張曉峰 劉治鋼 朱立穎

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

航天器的一次母線通常由電源控制器(PCU)提供。一次母線的安全直接關(guān)系到整個航天器的供電可靠性，而一次母線的接地又直接影響一次母線的安全。航天器接地系統(tǒng)是一個對高頻多點(diǎn)接地和對低頻單點(diǎn)接地的混合式接地系統(tǒng)。航天器的地包括結(jié)構(gòu)地、一次地及二次地。其中：結(jié)構(gòu)地是指整個航天器艙板結(jié)構(gòu)的公共電位參考點(diǎn)。一次地是指一次電源設(shè)備(太陽電池陣、PCU、蓄電池組等)直流母線的公共電位參考點(diǎn)。二次地是指一次母線經(jīng)過電壓變換后電源的公共電位參考點(diǎn)，包括遙測地、遙控地、總線地等。航天器通常設(shè)立多個公共接地樁，以PCU附近的接地樁作為基準(zhǔn)地，其他接地樁與基準(zhǔn)地之間的電阻通常小于10 mΩ，通過接地樁實(shí)現(xiàn)整個航天器設(shè)備結(jié)構(gòu)的等電位。一次母線回線(負(fù)線)通過接地樁直接接地，有利于航天器的電磁兼容(EMC)設(shè)計(jì)；美國軍用標(biāo)準(zhǔn)、日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范、泰雷茲-阿萊尼亞航天公司電磁兼容要求規(guī)范等，均要求一次母線回線直接連接航天器結(jié)構(gòu)地[1-5]?！皣H空間站”日本希望號試驗(yàn)艙(ISS/JEM)、NASA新一代對地觀測系統(tǒng)“土地”(TERRA)衛(wèi)星、印度空間研究組織的制圖衛(wèi)星-1(CARTOSAT-1)、意大利航天局的“地中海盆地觀測”(CSG)衛(wèi)星的一次母線回線，均采用在PCU或者電源控制與配電器(PCDU)處單點(diǎn)直接接地方案[6-9]。我國航天器目前主要采用電源控制電路地與機(jī)殼通過接地樁連接片連接，電源控制接地樁再與航天器整器接地樁連接。

對于傳統(tǒng)的一次母線回線直接接地方案，一次母線短路故障是系統(tǒng)的單點(diǎn)故障。當(dāng)一次母線正線與機(jī)殼發(fā)生短路時，一次母線回線與機(jī)殼直接搭接會造成一次母線正線與回線短路，進(jìn)而造成航天器整器掉電失效。為了降低一次母線正線與回線的短路風(fēng)險(xiǎn)，阿萊尼亞航天公司將PCU、配電器的主功率線電連接器外殼高阻連接結(jié)構(gòu)地防止靜電放電(ESD)；連接器支架與機(jī)殼絕緣安裝，再通過高阻接航天器結(jié)構(gòu)地[10]。此接地方案可以防止母線正線對連接器搭接造成的一次母線短路，但無法防止一次母線正線對機(jī)殼搭接造成的一次母線短路。某些航天器采用了一次回線高阻接地方案，可防止一次母線正線對機(jī)殼搭接造成的母線短路。NASA的接地手冊中強(qiáng)烈推薦一次母線采用合適的隔離阻抗將一次電源回線與航天器結(jié)構(gòu)地隔離設(shè)計(jì)[11]。該設(shè)計(jì)方案中，發(fā)電和儲能設(shè)備的電路地均不能與航天器結(jié)構(gòu)地相連；一次母線地在PCU處采用合適的隔離阻抗與航天器結(jié)構(gòu)連接。如果僅采用隔離電阻將一次母線地與航天器結(jié)構(gòu)地相隔離，可能會導(dǎo)致母線上引入更大共模噪聲。NASA伽利略號(Galileo)、卡西尼號(Cassini)等探測器均采用了高阻接地的方式。歐洲航天技術(shù)中心(ESTEC)也提出了電推進(jìn)電源的高阻接地方案[12]。為避免電推進(jìn)供電回線對結(jié)構(gòu)地的泄露電流，對電推進(jìn)的供電回線做高阻接地設(shè)計(jì)。目前，高阻接地方案存在以下問題：采用連接器殼高阻接地方案保護(hù)范圍有限，無法避免一次母線對機(jī)殼短路；采用一次回線高阻接地方案，對現(xiàn)有方案機(jī)電熱特性產(chǎn)生較大影響，如電氣隔離、EMC、散熱設(shè)計(jì)、力學(xué)設(shè)計(jì)等，需要對現(xiàn)有方案進(jìn)行很大的改動并通過整器級分析驗(yàn)證。

針對目前對高阻接地影響分析的缺失，本文首先深入分析了高阻接地對航天器電性能各方面的影響。在分析的基礎(chǔ)上，提出一種既能降低一次母線短路風(fēng)險(xiǎn)，又減小對現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案影響的高阻接地方案，并對接地方案關(guān)鍵特性進(jìn)行了仿真分析。本文的研究結(jié)果可用于未來載人、深空、遙感航天器高可靠電源系統(tǒng)的接地方案。

1 影響分析及應(yīng)對措施

一次母線采用高阻接地后，會對航天器電性能產(chǎn)生較大影響。首先，接地阻抗的變化會對故障電流大小產(chǎn)生影響。高阻接地后，母線對機(jī)殼搭接會改變機(jī)殼的電位，對安全間距、電氣隔離及人員安全產(chǎn)生影響。接地阻抗的變化也會影響設(shè)備EMC及ESD性能。本節(jié)將從高阻接地對短路電流、安全間距、電氣隔離、EMC、ESD及對人員觸電風(fēng)險(xiǎn)等方面進(jìn)行詳細(xì)分析，作為對高阻接地進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

1.1 高阻接地方案

一次母線回線通常在PCU、配電器(PDU)或者PCDU處接地，高阻接地的位置同樣選在靠近原來位置。根據(jù)高阻接地位置的不同，現(xiàn)有方案主要分為2種：方案1，一次母線回線單點(diǎn)高阻接地，機(jī)殼直接接地；方案2，設(shè)備機(jī)殼高阻接地、一次母線回線直接接地。高阻接地方案可參考NASA采用電阻與電容并聯(lián)的方案構(gòu)成隔離阻抗網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示，其中，C1，C2，C3，C4為高阻接地網(wǎng)絡(luò)電容，R1，R2為并聯(lián)電阻。在NASA-HDBK-4001手冊中指出：高阻接地阻抗不能過小，以限制一次母線與結(jié)構(gòu)短路時的電流；同時也不能過大，否則不能提供穩(wěn)定的參考電位。因此，高阻接地電阻的選擇需要考慮正線對機(jī)殼短路后的短路電流大小，以及靜電電荷泄放。其中：短路電流與母線電壓相關(guān)，具體的分析見第1.2.1節(jié)，通常故障電流限制在毫安級(最壞情況的功率損耗小于1 W)。Cassini探測器高阻接地采用2 kΩ電阻(母線電壓30 V)；Galileo探測器采用10 kΩ電阻(母線電壓30 V)；如果是100 V母線系統(tǒng)，通常需要大于10 kΩ。同時，千歐級的電阻可以避免ESD影響，靜電泄放通常要求電阻不大于100 kΩ。電容設(shè)計(jì)主要從EMC角度考慮，一般建議選用0.1 μF的電容。為保證一次母線的可靠性，可考慮采用自愈電容。實(shí)際選用高阻阻抗時需要根據(jù)系統(tǒng)母線電壓，以及EMC和ESD試驗(yàn)結(jié)果調(diào)整接地阻抗。

圖1 高阻網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)Fig.1 Design of high-impedance network

1.2 對航天器電性能影響分析及應(yīng)對措施

1.2.1 對短路電流影響

故障情況主要分析一次母線正線與PCU/PCDU機(jī)殼短路后，不同高阻接地方案對故障電流大小的影響。

(1)方案1中的一次母線正線與PCU/PCDU機(jī)殼短路，故障通路如圖2所示(紅線部分)。一次母線正線對設(shè)備機(jī)殼短路后，不會引起母線正線與回線短路，不會導(dǎo)致整個航天器失電。短路電流大小可以根據(jù)母線電壓和接地電阻求取，值為Udc/Zg。其中：Udc為一次母線電壓，Zg為高阻接地阻抗。另外，母線正線在傳輸路徑上與整個航天器結(jié)構(gòu)短路，也不會造成母線正線與母線回線的短路，短路電流仍為Udc/Zg。

圖2 方案1短路電流通路Fig.2 Short-circuit current loop of scheme 1

(2)方案2中一次母線正線與PCU/PCDU機(jī)殼短路后的故障通路，如圖3所示(紅線部分)。一次母線正線對設(shè)備機(jī)殼短路后，不會引起一次母線正線與母線回線短路，不會導(dǎo)致整個航天器失電。短路電流的大小為Udc/Zg。如果母線正線在傳輸路徑上與航天器結(jié)構(gòu)短路，仍然會造成母線正線與母線回線的短路。

圖3 方案2短路電流通路Fig.3 Short-circuit current loop of scheme 2

綜上所述，2種高阻接地方案都能避免一次母線正線對機(jī)殼短路后造成母線正負(fù)短路，均不會造成整器供電故障。相比而言，對于防止短路故障，方案1相對更優(yōu)，在母線正對機(jī)殼短路、母線正在傳輸路徑對結(jié)構(gòu)短路后，均不會造成母線正線與回線的短路。方案2僅能避免母線正線對機(jī)殼短路后母線正線與回線的短路。從防止短路故障角度看，方案1優(yōu)于方案2。

1.2.2 對安全間距設(shè)計(jì)影響

一次母線正線與機(jī)殼短路后，由于機(jī)殼帶電，可能會出現(xiàn)機(jī)殼與PCB電路地、機(jī)殼與電連接器接地針腳絕緣距離不夠的情況。需要注意的是，對于方案1(見圖4)，一旦任意一個設(shè)備機(jī)殼與電源正線短路，所有機(jī)殼均會帶電。因此，以下位置的安全間距需要重新核實(shí)。①PCU/PCDU或者一次電源供電的所有設(shè)備中的PCB電路地與機(jī)殼的安全間距。②PCU/PCDU及一次電源供電的所有設(shè)備的接插件如果存在接地針腳，需要核實(shí)其與電路地或者其他信號之間針腳的安全間距。對于方案2，某個設(shè)備機(jī)殼與母線正線短路后，其他設(shè)備的機(jī)殼不會帶電，僅故障設(shè)備存在PCB存在安全距離風(fēng)險(xiǎn)。如果需要滿足一次母線與機(jī)殼短路后安全距離的要求，需要對PCB安全距離進(jìn)行檢查，并對不符合安全距離要求的位置進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。PCB板的體積會增加，具體增加的量需要根據(jù)實(shí)際情況評估。

圖4 方案1安全距離風(fēng)險(xiǎn)位置Fig.4 Risk position of safety distance for scheme 1

1.2.3 對電氣隔離設(shè)計(jì)影響

(1)對于方案1，高阻接地會對電氣隔離設(shè)計(jì)產(chǎn)生較大影響。為了保證PCU一次母線回線(地線)與整器完成高阻隔離設(shè)計(jì)，需要保證PCU所有電接口：功率地線(回線)、遙測地線(回線)、遙控地線(回線)、總線地線(回線)均不可與結(jié)構(gòu)地及其他相關(guān)單機(jī)存在直接或間接(潛通路)連接關(guān)系。如果需要連接，應(yīng)采用相應(yīng)隔離方式。以某衛(wèi)星為例，對于綜合電子分系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口單元(DIU)中遙測遙控部分、PCU/配電器內(nèi)部遙測采集等，如果改為一次母線回線單點(diǎn)高阻接地，且某設(shè)備發(fā)生一次母線正對地短路情況，由于機(jī)殼帶電，其電位等于一次母線正電位，如果部分設(shè)備未實(shí)現(xiàn)一次地與二次地的隔離，就會導(dǎo)致某些通路上整星遙測采集通道芯片因共模輸入電壓超限而損毀，采樣運(yùn)算放大器的供電電壓與輸入信號電壓差達(dá)57 V，導(dǎo)致運(yùn)算放大器損壞。

(2)如果采用方案2(一次回線直接接地、機(jī)殼高阻接地)，由于機(jī)殼高阻接地，部分設(shè)備的一次母線正線與機(jī)殼短路不會造成一次地、二次地電位偏移，不會出現(xiàn)機(jī)殼帶電造成的器件過壓損毀。但是，需要保證任何一次地、二次地均絕不出現(xiàn)與機(jī)殼的潛在通過，避免接地潛在通路，電流通過機(jī)殼形成回流。否則，機(jī)殼高阻接地會導(dǎo)致設(shè)備回路中阻抗變化，從而造成工作異常。

1.2.4 對EMC設(shè)計(jì)影響

在傳統(tǒng)方案中，一次母線的回線直接接結(jié)構(gòu)地。這種接地方式有利于降低負(fù)載端的共模噪聲，以及從供電導(dǎo)線輻射出的噪聲。目前，高阻接地后對整器EMC影響暫無定量分析，定性分析如下。

(1)對于低頻設(shè)備，設(shè)備機(jī)殼應(yīng)用高阻接地，未發(fā)現(xiàn)對整器EMC性能有明顯的影響。尤其是對PCU/PCDU，一次母線只用于供電，未作為敏感設(shè)備的信號線，只要將高壓回線與低壓回線進(jìn)行嚴(yán)格隔離，低壓部分的敏感電路是不受影響的，高阻接地對PCU/PCDU等低頻設(shè)備EMC的影響有限。

(2)對于高頻設(shè)備，高阻接地后經(jīng)常由于阻抗匹配帶來信號問題。高頻敏感設(shè)備最佳接地方式是直接接地，如果采用方案2機(jī)殼高阻接地的方式，會對高頻設(shè)備影響較大。

(3)如果機(jī)殼采用高阻接地，總線屏蔽層的安裝方式需要改動。1553B屏蔽層如果直接與高阻接地的機(jī)殼連接，等效圖如圖5(a)所示，會影響屏蔽性能。因此，需要將連接屏蔽層的連接器外殼與機(jī)殼絕緣安裝后，重新設(shè)計(jì)屏蔽層與結(jié)構(gòu)地連接的安裝位置和安裝方式，圖5(b)提供了一種可能的更改方式。

圖5 總線屏蔽層影響Fig.5 Effect on shielding layer of data bus

(4)PCU內(nèi)部地線與結(jié)構(gòu)之間有阻容(RC)網(wǎng)絡(luò)(共模濾波電路)，其作用是消除PCU內(nèi)部功率變換器(電池充電調(diào)節(jié)器(BCR)、電池放電調(diào)節(jié)器(BDR)、輔助電源(APS))工作時產(chǎn)生的高頻共模噪聲，RC網(wǎng)絡(luò)影響整器接地高頻接地阻抗。PCU母線回線高阻接地后，一次母線回線接地阻抗變大，機(jī)殼接地方式更改會影響電源控制與配電單元的EMC，供電導(dǎo)線輻射和傳導(dǎo)到負(fù)載的噪聲信號會增加。對高頻敏感設(shè)備的影響需要通過鑒定件EMC試驗(yàn)進(jìn)行評估，具體需要對正常情況及故障情況(一次母線正線對機(jī)殼短路情況)做相關(guān)驗(yàn)證項(xiàng)目。

1.2.5 對ESD放電設(shè)計(jì)影響

PCU，PDU，PCDU為了防止印制板、陶瓷板等的電荷積累，將其直接安裝在結(jié)構(gòu)體上，PCU，PDU，PCDU等機(jī)殼與電路地線及整器艙板直接連接有助于電荷泄放，可以避免電荷積累。PCDU設(shè)備內(nèi)部的孤立導(dǎo)體(DCDC機(jī)殼、繼電器、霍爾)外殼，采用了100 kΩ電阻接機(jī)殼處理方式。如果一次母線回線單點(diǎn)高阻接地或者機(jī)殼高阻接地，選擇合適的接地阻抗可以避免電源控制與配電單元機(jī)殼上累積靜電電荷。但是，需要對一次母線正線與機(jī)殼短路故障情況下(此時機(jī)殼帶電)表面放電進(jìn)行試驗(yàn)評估。

1.2.6 對地面測試人員安全設(shè)計(jì)影響

(1)方案1中(見圖6)，在整器與地面地線接地良好的情況下，人體電阻大于接地電阻，故障電流匯入結(jié)構(gòu)地，地面測試人員無觸電風(fēng)險(xiǎn)。在短路回路中串有Zg阻抗，最大電流被限制。人體安全電流為10 mA，電阻為3.6 kΩ，母線電壓通常為28 V，42 V，100 V，由于機(jī)殼接地，人體被旁路，人體流過電流很小，無觸電風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 方案1測試人員觸摸機(jī)殼情況Fig.6 Situation of tester touching chassis for scheme 1

(2)方案2中(見圖7)，人體安全電流為10 mA，電阻為3.6 kΩ，如果母線電壓為100 V，由于人體電阻與接地電阻大小相當(dāng)，流過人體的電流為28 mA，當(dāng)母線電壓超過36 V時存在地面測試人員觸電風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 方案2測試人員觸摸機(jī)殼情況Fig.7 Situation of tester touching chassis for scheme 2

1.3 2種高阻接地方案對比

綜合以上分析，高阻接地方案對航天器電性能影響的總結(jié)如表1所示。

表1 高阻接地方案比較分析Table 1 Comparison and analysis of high-impedance grounding schemes

續(xù) 表

2 改進(jìn)方案及仿真驗(yàn)證

2.1 改進(jìn)方案

通過以上分析，高阻接地后能防止一次正對設(shè)備機(jī)殼發(fā)生短路后正線與回線短路造成的整器斷電，但會對現(xiàn)有設(shè)計(jì)產(chǎn)生較大影響。為了既能防止一次母線短路風(fēng)險(xiǎn)，同時將高阻接地的影響降到最低，可以采用一次回線直接接地、關(guān)鍵機(jī)殼高阻接地方案(見圖8)，具體包括4點(diǎn)，分別對應(yīng)圖8中的序號(1)至序號(4)。

圖8 一次回線直接接地、關(guān)鍵單機(jī)機(jī)殼高阻接地方案Fig.8 High-impedance grounding scheme for direct grounding of primary bus and high-impedance grounding of key equipment chassis

(1)關(guān)鍵單機(jī)機(jī)殼高阻接地。將PCU，PDU，PCDU等關(guān)鍵設(shè)備機(jī)殼高阻接地，防止一次正對設(shè)備機(jī)殼發(fā)生短路；高阻接地參照蓄電池組的絕緣安裝方式；PCB和接插件安全間距作相應(yīng)調(diào)整；關(guān)于散熱方式影響、EMC影響根據(jù)具體試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)更改。

(2)縮短未保護(hù)的一次母線。盡量通過熔斷器等保護(hù)一次母線用電設(shè)備，縮短未加保護(hù)的一次母線正線及回線。

(3)傳輸路徑上一次母線正線及回線雙重絕緣。這樣可以防止主功率鏈路傳輸路徑上發(fā)生短路。

(4)與PCU，PDU，PCDU連接的總線屏蔽層接地方式更改。屏蔽層需要與機(jī)殼絕緣安裝后，再通過其他方式接地。

關(guān)于短路故障影響，彌補(bǔ)了表1中方案2的劣勢，通過對傳輸路徑上的一次母線正線和回線進(jìn)行雙重絕緣，縮短了未加保護(hù)的一次母線，可避免一次母線與整器艙體短路的風(fēng)險(xiǎn)。關(guān)于安全間距，本文改進(jìn)方案與方案1，2相同，需要對PCB、接插件安全距離進(jìn)行檢查，并對不符合安全距離要求的位置進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。關(guān)于電氣隔離，改進(jìn)方案中一次母線未與整器結(jié)構(gòu)高阻接地，只是部分關(guān)鍵單機(jī)的機(jī)殼高阻接地，不存在一次正線與機(jī)殼短路時會發(fā)生遙測采集通道、熱控通路的損毀。關(guān)于EMC的影響，相比于方案1和方案2，由于只對PCU，PDU，PCDU等關(guān)鍵設(shè)備機(jī)殼高阻接地，一次用電設(shè)備、高頻設(shè)備的接地方式不變，仍采用直接接地，故對高頻設(shè)備影響較小。此外，由于PCU等設(shè)備是低頻設(shè)備，機(jī)殼高阻接地對其影響也不大。關(guān)于地面測試人員的安全，需要采取安全措施防止觸電。關(guān)于ESD放電，改進(jìn)方案的部分單機(jī)機(jī)殼高阻接地，積累的靜電電荷可通過高阻接地電阻泄放。綜上所述，本文提出的改進(jìn)方案除故障情況下母線電壓高于36 V時地面測試人員接觸機(jī)殼存在風(fēng)險(xiǎn)外，其余方面無影響。地面測試人員的安全風(fēng)險(xiǎn)可以通過漏電保護(hù)等方式解決。

2.2 仿真驗(yàn)證

高阻接地會對航天器電性能產(chǎn)生較大影響，由于對短路故障電流、安全間距、測試人員安全等的影響可以通過理論分析得比較清楚，因此下文主要對電氣隔離影響進(jìn)行仿真分析。如果采用一次回線高阻接地、機(jī)殼直接接地的方案，需要保證PCU一次母線回線(地線)與整器完成高阻隔離設(shè)計(jì)，保證PCU所有電接口回線(功率回線、遙測回線、遙控回線、總線回線)均不可與結(jié)構(gòu)地及其他相關(guān)單機(jī)存在直接或間接連接關(guān)系。如果需要連接，應(yīng)采用相應(yīng)隔離方式。以下分別對遙測遙控接口、加熱片控制電路在高阻接地情況下發(fā)生正線與機(jī)殼短路時各單機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行仿真。

2.2.1 高阻接地對遙測遙控接口影響

以某遙感衛(wèi)星產(chǎn)品為例，對于綜合電子分系統(tǒng)DIU中遙測遙控部分、PCU/配電器內(nèi)部遙測采集等，如果改為一次母線回線單點(diǎn)高阻接地且某設(shè)備發(fā)生一次母線正對地短路，此時機(jī)殼帶電，通過仿真觀察整器遙測采集通道運(yùn)算放大器芯片的輸入電壓。系統(tǒng)母線電壓為42 V，接地電阻參考Cassini探測器選擇了2 kΩ，故障后短路電流限制在21 mA，系統(tǒng)的電路原理見圖9，載荷熱控儀中一次地與二次地直接相連。仿真電路如圖10所示，主要觀察由正常工況到42 V母線對機(jī)殼短路時系統(tǒng)的響應(yīng)。U1為結(jié)構(gòu)地與一次地之間的電壓差；U2為遙測電路正端輸入電壓；U3為遙測電路負(fù)端輸入電壓；電壓參考點(diǎn)為機(jī)殼地。

圖9 高阻接地導(dǎo)致的電壓超限Fig.9 Overvoltage caused by high-impedance grounding

圖10 仿真原理Fig.10 Simulation diagram

當(dāng)采用高阻接地、接地電阻為2 kΩ時，仿真結(jié)果如圖11所示。發(fā)生42 V母線對機(jī)殼短路之前，結(jié)構(gòu)地與一次地之間的電壓差U1為0.1 V，遙測電路正端輸入電壓U2為4.8 V，遙測電路負(fù)端輸入電壓U3為-0.1 V。當(dāng)發(fā)生42 V母線對機(jī)殼短路后，機(jī)殼帶電，此時，結(jié)構(gòu)地與一次地之間的電壓差U1為42 V，遙測電路正端輸入電壓U2為-37 V，遙測電路負(fù)端輸入電壓U3為-42 V?？梢?，高阻接地時，母線正線對機(jī)殼短路不會造成母線正回線之間的短路，會造成母線電壓下降，如果存在一次地與二次地直接連接的情況，遙測電路的正負(fù)端輸入電壓達(dá)到了-37 V和-42 V，遠(yuǎn)超過±15 V的范圍，會讓遙測電路的芯片燒毀。

圖11 高阻接地仿真結(jié)果(一次、二次共地)Fig.11 Simulation results of high-impedance grounding(common grounding between primary bus and secondary bus)

下面仿真本文提出的改進(jìn)方案中PCU機(jī)殼高阻接地時的情況。同樣觀察結(jié)構(gòu)地與一次地之間的電壓差U1，遙測電路正端輸入電壓U2及遙測電路負(fù)端輸入電壓U3故障前后的值。高阻接地電阻為2 kΩ時的仿真結(jié)果如圖12所示，當(dāng)發(fā)生42 V母線對機(jī)殼短路后，機(jī)殼帶電，此時，結(jié)構(gòu)地與一次地之間的電壓差U1由0 V變?yōu)?2 V，U2遙測電路正端輸入電壓始終為4.9 V，遙測電路負(fù)端輸入電壓U3始終為0 V。由此可見，采用機(jī)殼高阻接地方案，當(dāng)母線正線與機(jī)殼短路時，不會造成遙測電路的損壞。

圖12 改進(jìn)方案高阻接地電阻仿真結(jié)果Fig.12 Simulation results of high-impedance grounding of improved scheme

2.2.2 高阻接地對加熱片控制電路影響

對于綜合電子分系統(tǒng)DIU熱控部分，如果一次母線改為單點(diǎn)高阻接地且某設(shè)備發(fā)生一次母線正對地短路，會發(fā)生所有熱控通路上控制占空比的MOSFET管柵極損毀，工作異常，如圖13所示，圖中DIU熱控部分存在地回路。通過仿真觀察這種情況下的MOSFET柵壓，仿真原理如圖14所示。U4為驅(qū)動上拉電壓，U5為控制信號電壓，U6為結(jié)構(gòu)地與一次地之間的電壓差，I1為加熱回路電流。

圖13 高阻接地造成的MOSFET管柵極損毀Fig.13 Damage of gate of MOSFET caused by high-impedance grounding

圖14 仿真原理Fig.14 Simulation diagram

高阻接地電阻為2 kΩ時的仿真結(jié)果如圖15所示，當(dāng)發(fā)生42 V母線對機(jī)殼短路后，機(jī)殼帶電，MOS管驅(qū)動上拉電壓U4由13.2 V上升為56.8 V，驅(qū)動控制信號電壓U5由3.7 V上升為47.3 V。結(jié)構(gòu)地與一次地之間的電壓差U6由-1.7 V上升為42.0 V。由于驅(qū)動信號電壓為高，MOS管導(dǎo)通，因此加熱回路電流為4.2 A。由此可以看出：由于一次地與二次地之間存在通路，機(jī)殼帶電后MOSFET的柵極電壓會達(dá)到56.8 V，驅(qū)動電路三極管的電壓也會達(dá)到47.3 V，從而導(dǎo)致功率器件損壞。

圖15 高阻接地有潛通路仿真結(jié)果Fig.15 Simulation results of high-impedance grounding with sneak paths

本文提出的改進(jìn)方案仿真結(jié)果，如圖16所示。當(dāng)發(fā)生42 V母線對機(jī)殼短路后，機(jī)殼帶電，MOS管驅(qū)動上拉電壓U4始終為14.8 V，驅(qū)動控制信號電壓U5始終為5.3 V。發(fā)生短路設(shè)備結(jié)構(gòu)地與一次地之間電壓差U6由0 V上升為42.0 V。由于MOS驅(qū)動信號為高，加熱回路的電流始終為4.2 A。

通過以上的仿真結(jié)果可以看出：改進(jìn)方案無需對現(xiàn)有遙測電路和熱控儀電路進(jìn)行修改，在母線正線與機(jī)殼短路時，不會使一次、二次未隔離遙測采集通道運(yùn)算放大器芯片的輸入電壓超過正常范圍而造成芯片損壞(見圖12)，也不會造成熱控儀中功率管柵極過壓損壞(見圖16)。

圖16 改進(jìn)方案高阻接地電阻仿真結(jié)果Fig.16 Simulation results of high-impedance grounding of improled scheme

3 結(jié)束語

相比于傳統(tǒng)接地方案，高阻接地方案可防止一次母線對結(jié)構(gòu)短路時造成整器斷電，提高整器的供電可靠性安全性，但是也會對航天器電性能帶來負(fù)面影響。本文主要分析了高阻接地對電接口的影響，高阻接地會造成部分元件安全間距不足；對于一次、二次未完全隔離單機(jī)，高阻接地會造成遙測采集通道、熱控通路的損毀。關(guān)于EMC的影響，本文只進(jìn)行了定性分析，高阻接地后一次母線回線與整個航天器結(jié)構(gòu)地之間接地高頻阻抗發(fā)生很大變化，其潛在影響尤其是對于高頻敏感設(shè)備的電磁兼容影響需要通過整器級分析及測試驗(yàn)證。基于以上的影響分析，本文逐一提出了應(yīng)對措施。針對傳統(tǒng)高阻接地方案需要對現(xiàn)有航天器設(shè)計(jì)作較大幅度更改，特別是對中大功率、復(fù)雜型航天器，本文提出了一種改進(jìn)的高阻接地方案，即一次回線直接接地，關(guān)鍵單機(jī)機(jī)殼高阻接地，這樣既能防止一次母線短路風(fēng)險(xiǎn)，又能使現(xiàn)有航天器設(shè)計(jì)改動最小，從而將高阻接地的影響降到最低，便于實(shí)施。

高阻接地還會對熱接口、機(jī)械接口產(chǎn)生影響。采用機(jī)殼高阻接地方案會影響PCU的散熱，因此需要對其進(jìn)行專項(xiàng)的熱設(shè)計(jì)及驗(yàn)證工作；此外，機(jī)殼高阻接地會影響設(shè)備的安裝及固定方式，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)專項(xiàng)分析及設(shè)計(jì)。