專利名稱：太陽能電池陣列的電弧猝熄裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及太陽能能源及其調(diào)節(jié)器，尤其涉及一種防止在太陽能電池板上、或者航天器的太陽能電池陣列驅(qū)動裝置(SADM)內(nèi)產(chǎn)生電弧的電路。
2.現(xiàn)有技術地同步通信衛(wèi)星的太陽能電池陣列板通過太陽能驅(qū)動設備每隔24小時將其陣列翼旋轉(zhuǎn)一次，而保持在日光配置(sunlightconfiguration)下。為了將太陽能電池產(chǎn)生的能量傳遞到衛(wèi)星機載電氣系統(tǒng)，在太陽能驅(qū)動設備內(nèi)配置滑動環(huán)和攔截刷組件。這種滑動環(huán)包括通過絕緣層隔離的同心導體環(huán)。
傳統(tǒng)的航天器能源系統(tǒng)包括用于調(diào)節(jié)航天器的主電源總線電壓的能量調(diào)節(jié)器。該調(diào)節(jié)器包括幾個用于對太陽能電池陣列的過電流進行分流，以產(chǎn)生經(jīng)過調(diào)節(jié)的電壓的電源中斷(power dump)級。美國專利4186336公開了一種電源中斷級。

圖1顯示了采用較新技術的在功能上等效的電路。通過DoD(Dump on Drive，中斷驅(qū)動)信號的控制，該級既可以處于中斷開(Dump ON)狀態(tài)，也可以處于中斷關(DumpOFF)狀態(tài)。電源中斷級3包括連接于太陽能陣列線路和大地之間的MOSFET晶體管M10，當該中斷級通過DoD信號被設定為開啟狀態(tài)(對應于該級的中斷開狀態(tài))時，該級分路(shunts)太陽能陣列電壓。該級進一步包括接入太陽能電池陣列和主電源總線的連線上的兩個串聯(lián)的阻斷二極管(blocking diodes)D1，D2，從而防止電流從電源總線回流到電源中斷級或太陽能電池陣列。
近些年，衛(wèi)星電源總線電壓不斷增加，并且人們已經(jīng)得知在衛(wèi)星機載電氣系統(tǒng)中存在的多種能量損失，這些能量損失導致航天器性能嚴重下降。這些能量損失是由于在太陽能電池陣列板上或甚至在太陽能電池陣列驅(qū)動裝置內(nèi)發(fā)生的持續(xù)電壓電弧帶來的損害造成的，從而導致了整個太陽能電池陣列翼的能量損失。這種電壓電弧的出現(xiàn)往往是由于一定形式的污染造成的。如果金屬微粒橫跨具有很大電勢差的兩個電導體(太陽能電池，滑動環(huán))，最初的電流流動就有可能使金屬微粒氣化。由于傳統(tǒng)的航天器分路調(diào)節(jié)器一般包括連接于太陽能電池陣列和主電源總線之間的兩個串聯(lián)的阻斷二極管D1，D2，因此，如果發(fā)生了需要比太陽能電池所能提供的電流更強的電流的電弧事件，那么太陽能電池陣列部分電壓將崩潰。
在微粒熔化之后，電弧就可能熄滅。但是，如果仍然存在足夠多的等離子并已發(fā)生局部的損害，就可能發(fā)生持續(xù)的電弧事件。如果出現(xiàn)后面的情況，由電弧事件產(chǎn)生的極度的熱量將迅速損壞所有的局部絕緣隔障，并很快導致持久的短路事件，從而導致航天器的持久的能量損失。
最初的電弧勢能可能很低，但是由于接觸點材料被侵蝕，電弧勢能通常會增加。
雖然這種電弧事件很少發(fā)生，但是為了保證衛(wèi)星的性能及其壽命，有必要防止這種電弧事件的發(fā)生。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明目的在于最大限度地減少由于在太陽能電池陣列中的或太陽能電池陣列驅(qū)動裝置內(nèi)的無控電弧事件，而引起的傳播(propagation)故障造成的嚴重能量損失。
為實現(xiàn)該目的，本發(fā)明提供了一種防止電弧事件發(fā)生的裝置，太陽能電池陣列板和控制設備提供主電源總線，所述控制設備包括用于控制太陽能電池陣列電壓的調(diào)節(jié)器，所述調(diào)節(jié)器包括用于作為控制信號的函數(shù)分路所述太陽能電池陣列電壓的電源中斷級。
根據(jù)本發(fā)明的裝置可包括壓降檢測電路，用于檢測由所述太陽能電池陣列板提供的所述太陽能電池陣列電壓的壓降，所述壓降檢測電路產(chǎn)生壓降檢測信號；以及電弧猝熄電路，包括用于產(chǎn)生輸出信號的裝置，所述輸出信號被輸出到電源中斷級作為控制信號，從而當所述壓降檢測電路檢測到壓降時，分路所述太陽能電池陣列電壓。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所述電弧猝熄電路進一步包括用于調(diào)整所述輸出信號的裝置，以在由所述壓降檢測信號提供的壓降檢測之后提供不做任何操作的時間較短的初始延時，并在所述初始延時后提供電弧猝熄脈沖以觸發(fā)所述電源中斷級從而分路所述太陽能電池陣列電壓。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所述電弧猝熄電路進一步包括用于控制所述初始延時的第一單穩(wěn)態(tài)芯片和用于控制所述電弧猝熄脈沖的寬度的第二單穩(wěn)態(tài)芯片。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所述初始延時被設定為大約19ms，并且所述電弧猝熄脈沖具有大約1.7s的寬度。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所述電弧猝熄電路進一步包括當壓降檢測電路檢測到所述太陽能電池陣列電壓的壓降時用于啟動新的電弧猝熄周期的裝置，所述電弧猝熄周期包括在所述電弧猝熄脈沖之前的所述初始延時。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所述壓降檢測電路包括用于將所述太陽能電池陣列電壓和主總線電壓進行比較的裝置。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所述電弧猝熄電路進一步包括用于在施加到電源中斷級之前，將所述控制信號與所述輸出信號進行合并的裝置。
通過下面結合附圖所進行的描述，將更容易理解本發(fā)明，并且將更容易理解本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點。
附圖簡要說明圖1示意地顯示了根據(jù)現(xiàn)有技術的包括電源中斷級的航空器太陽能電池陣列電壓調(diào)節(jié)器；圖2示意地顯示了根據(jù)本發(fā)明的配備有保護裝置的航空器太陽能電池陣列電壓調(diào)節(jié)器；圖3具體地顯示了圖2所示的保護裝置的壓降檢測電路；圖4具體地顯示了圖2所示的保護裝置的電弧猝熄(arcquenching)電路；以及圖5-圖9是顯示了圖2所示的保護裝置的操作的曲線圖。
實現(xiàn)本發(fā)明的最佳方式現(xiàn)在將詳細描述本發(fā)明的主要特征。圖2顯示了電壓調(diào)節(jié)器5的保護裝置，電壓調(diào)節(jié)器5包括如圖1所示的電源中斷級3。根據(jù)本發(fā)明的保護裝置包括壓降檢測電路1，用于檢測由太陽能電池陣列電壓(solar array voltage)中發(fā)生的電弧事件造成的壓降；以及電弧猝熄電路2，其利用由壓降檢測電路提供的檢測信號產(chǎn)生脈沖，以激活能量中斷電路3使其在一定時間為“開啟(ON)”狀態(tài)。
圖3具體地顯示了壓降檢測電路1。該電路包括pnp型晶體管T1，晶體管T1的基極通過電阻R1連接到太陽能電池陣列電壓VS，并通過電阻R2連接到總線電壓VB，晶體管T1的發(fā)射極連接到總線電壓，其集電極則提供壓降檢測信號VD。正常操作中，晶體管的基極電壓被反向偏置，從而使該晶體管不導通。因此，晶體管的集電極VD被拉底為0V。當電弧發(fā)生時，太陽能電池陣列電壓降低，因此太陽能電池陣列電壓和被調(diào)節(jié)的總線電壓之間出現(xiàn)電勢差。如果這種電勢差大于晶體管的額定基極-發(fā)射極結電壓(典型為0.7V)，則晶體管T1導通并使電流通過。因此，檢測到壓降，并且流過晶體管的集電極電流可用來操控電源中斷級3。
例如，R1＝470Ω，R2＝4.7kΩ，并且T1是2N2907A pnp晶體管。假設電源總線電壓VB為50V，除壓降檢測信號之外，正常運行時，電路中的各點約為50V，并且晶體管的基極的反向偏置電壓為1.4V，因此，晶體管的集電極電壓(VD)為0V。當電弧發(fā)生時，太陽能電池陣列電壓VS將降為約35V。因此，太陽能電池陣列電壓和總線電壓之間的電勢差約為15V。忽略晶體管極結(transistor junction)，電阻R2上的壓降VR2是VR2=(VB-VS)R2R1+R2=15·4705170=1.36V]]>
在上述條件下，晶體管T1導通，并且在晶體管T1的集電極處的壓降檢測信號VD升至約11V。
應當認識到，可以采用其他方法來檢測電弧事件。例如，可以將太陽能電池陣列部分的電流損耗作為監(jiān)視參數(shù)。
壓降檢測信號VD被提供到如圖4所示的電弧猝熄電路2上。該電路被優(yōu)選地設計為在壓降檢測后的很短時間不采取任何行動，從而有可能將引起短路的材料氣化。如果短路是持續(xù)的，則電弧猝熄電路2被設計為利用電源中斷級1在一段較長的時間將施加的電壓(太陽能電池陣列電壓Vs)短路，以熄滅所有產(chǎn)生的電弧。
為實現(xiàn)該目的，電弧猝熄電路3包括雙單穩(wěn)態(tài)多頻振蕩器，其接收壓降檢測信號VD作為觸發(fā)信號，從而首先觸發(fā)初始短延時，然后產(chǎn)生長持續(xù)時間的脈沖，該脈沖將電源中斷級1在一定時間設定為開啟(ON)狀態(tài)。
在圖4中，電弧猝熄電路3包括兩個單穩(wěn)態(tài)芯片I1，I2，每個單穩(wěn)態(tài)芯片具有兩個端子RC和C以將單穩(wěn)態(tài)芯片連接到并行的RC電路，該RC電路包括連接于端子R和RC之間的電容C3，C4，以及電阻R3，R4，該電阻R3，R4將RC端子連接至由電阻R5引入的電源電壓，并連接至與電容C1并聯(lián)的并與大地相連的齊納二極管Z1。電阻R5被選擇為，能夠從總線電壓提供適當?shù)碾娏鱽砑?stimulate)齊納二極管Z1，例如，通過VDD端子為單穩(wěn)態(tài)芯片提供15V的裝置。
各個單穩(wěn)態(tài)芯片I1，I2進一步包括用于觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)芯片的正觸發(fā)端+T和負觸發(fā)端-T。第一單穩(wěn)態(tài)芯片I1的負觸發(fā)端連接到由齊納二極管Z1提供的電源電壓，而第二單穩(wěn)態(tài)芯片I2的正觸發(fā)端連接到大地。如果提供到負觸發(fā)端-T的信號從高變成點，則該信號將觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)芯片，對于提供到正觸發(fā)端+T的信號，情況相反。
各單穩(wěn)態(tài)芯片進一步包括直接輸出Q和翻轉(zhuǎn)輸出Q，兩個單穩(wěn)態(tài)芯片的直接輸出Q均未使用(未連接)。第一單穩(wěn)態(tài)I1的翻轉(zhuǎn)輸出通過與非門(NAND)G3連接到第二單穩(wěn)態(tài)芯片I2的負觸發(fā)端-T，并且第二單穩(wěn)態(tài)芯片I2的翻轉(zhuǎn)輸出連接到第一單穩(wěn)態(tài)芯片的正觸發(fā)端+T。
各單穩(wěn)態(tài)芯片I1，I2進一步包括與大地相連的接地端和復位輸入端，兩個單穩(wěn)態(tài)芯片的復位輸入端均連接到與非門G3的另一個輸入，并經(jīng)過另一個作為翻轉(zhuǎn)器的與非門G2(其兩個輸入都連接到門G1的輸出)從與非門G1接收信號。與非門G1的一個輸入通過電阻R6接收壓降檢測信號VD，電阻R6和門G1的連接點通過電阻R7連接到地。門G1的另一個輸入通過與串聯(lián)的電阻R9和二極管D3相并聯(lián)的電阻R8接收DoD信號，并通過電容C2連接到地。該DoD信號也作為與非門G4的輸入。與非門G4的另一個輸入連接到第一單穩(wěn)態(tài)芯片I1的翻轉(zhuǎn)輸出Q。門G4的輸出是電弧猝熄電路的輸出Vo，并用于驅(qū)動電源中斷級3，特別用于驅(qū)動該級的MOSFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管)M10。
常態(tài)時，DoD信號和第一單穩(wěn)態(tài)芯片I1的輸出Q都為“高”。因此，門G4的輸出為“低”。
當壓降檢測電路1在太陽能電池陣列的電壓中檢測到壓降時，就向與非門G1施加約11V的電壓。由于根據(jù)定義，施加到門G1的另一個輸入的DoD信號也為高態(tài)(未中斷(no dumping))，因此門G1的輸出由“高”變成“低”。門G1的輸出信號通過門G2翻轉(zhuǎn)，以產(chǎn)生由“低”到“高”的信號，該信號去除了施加在單穩(wěn)態(tài)芯片I1，I2上的強制DC復位，并被提供給門G3。門G3的另一個輸入來自第一單穩(wěn)態(tài)芯片I1的翻轉(zhuǎn)輸出Q(常態(tài)為“高”)。由于兩個輸入都為“高”，門G3的輸出由“高”變成“低”。第一單穩(wěn)態(tài)芯片I1的翻轉(zhuǎn)輸出Q還被提供到與非門G4，與非門G4提供信號Vo以控制電源中斷級3的狀態(tài)。因此，在該初始階段，門G4的輸出保持為“低”。
由于門G3的輸出信號從“高”變成“低”，因此，在第二單穩(wěn)態(tài)芯片I2的負觸發(fā)端-T施加負脈沖，從而在其翻轉(zhuǎn)輸出Q觸發(fā)負脈沖。依靠所選電阻R4和電容C4的數(shù)值，在觸發(fā)為高態(tài)前，單穩(wěn)態(tài)芯片I2在一段很短的時間保持為狀態(tài)“低”。當這一段很短的時間結束時，第二單穩(wěn)態(tài)芯片I2的翻轉(zhuǎn)輸出Q最終從“低”變成“高”，正脈沖被施加到第一單穩(wěn)態(tài)芯片I1的正觸發(fā)端+T，以在其翻轉(zhuǎn)輸出Q觸發(fā)負脈沖。隨后，依靠所選電阻R3和電容C3的數(shù)值，第一單穩(wěn)態(tài)I1在一段較長的時間保持為“低”態(tài)。由于第一單穩(wěn)態(tài)I1的翻轉(zhuǎn)輸出Q直接與門G4相連，施加到電源中斷級3的信號Vo(門G4的輸出)從“低”變成“高”。因此，級3轉(zhuǎn)為開啟(ON)狀態(tài)(MOSFET M10導通)，從而將電壓源(太陽能電池陣列電壓)從初始電弧事件中移除。當這段較長的時間結束后，第一單穩(wěn)態(tài)I1的翻轉(zhuǎn)輸出Q的狀態(tài)由“低”變成“高”，門G4的輸出由“高”變成“低”，從而級3轉(zhuǎn)為關閉(OFF)狀態(tài)(未中斷)。
應當注意，由于門G1和G4的作用，電弧猝熄電路3和標準DoD調(diào)節(jié)信號并行工作，門G1保證該電路在正常的(nominal)中斷控制情況下不會觸發(fā)。
單穩(wěn)態(tài)芯片I1和I2能夠由單個雙穩(wěn)態(tài)CMOS集成電路(如CD4098)實現(xiàn)。同樣地，四個與非門G1-G4能夠由單個集成電路(如CD4093)實現(xiàn)。
圖5顯示了上述保護裝置的運行。在該圖中，上方的曲線11顯示了作為時間的函數(shù)的太陽能電池陣列電壓Vs，當電弧接觸點短路時，該電壓Vs降為0V。當由于短路材料的氣化(evaporation)這些點隨后被開路時，曲線11呈現(xiàn)了表示電弧開始的上升沿。中間的曲線12顯示了作為時間的函數(shù)壓降檢測電路1的輸出電壓VD。一旦檢測到太陽能電池陣列的電壓降低，壓降檢測信號呈現(xiàn)了激活電弧猝熄電路2的上升沿。下方的曲線13顯示了作為時間的函數(shù)的施加到電源中斷級3的電弧猝熄電路的輸出信號Vo。來自壓降檢測的初始延時(此期間電弧猝熄電路不起作用)應當足夠長從而能夠成功清除所有短路材料，但是也不能太長，因為電弧持續(xù)的時間越長，電弧發(fā)生部位受到的損壞越大。如上方的曲線11所示，初始延時之后是電弧猝熄脈沖，通過將太陽能電池陣列電源箝位至接近0V(電源中斷級3設置為開啟(ON)狀態(tài))以熄滅電弧。該電弧猝熄脈沖必須持續(xù)一定時間以分散等離子體并使得電弧發(fā)生部位冷卻(cool down)，從而確保不會再次產(chǎn)生電弧。電弧猝熄脈沖結束后，電弧猝熄電路2將電源中斷級3設置為關閉(OFF)狀態(tài)。因此，太陽能電壓被重置并且壓降檢查電路1的輸出電壓返回至0V。
在圖5所示的實施例中，從壓降檢測到產(chǎn)生電弧猝熄脈沖的初始延時被設為150ms，而電弧猝熄脈沖寬度限定為90ms，當R3＝R4＝1MΩ，C3＝0.22μF并且C4＝0.47μF時，即可獲得這些值。
圖6和圖7顯示了由電弧猝熄電路2產(chǎn)生的初始延時和電弧猝熄電路脈沖延時。在這些圖中，上方的曲線14，16以及下方的曲線15，17分別顯示了作為時間的函數(shù)的壓降檢測電路1的輸出電壓VD和電弧猝熄電路2的輸出電壓Vo，圖6中的時間尺度為200ms，圖7的時間尺度為1s。在圖6和圖7所示的實施例中，從壓降檢測到產(chǎn)生電弧猝熄脈沖的初始延時被設定為170ms，而電弧猝熄脈沖寬度被設定為1.7s，當R3＝R4＝1MΩ，C3＝4.7μF并且C4＝0.47μF時，即可獲得這些值圖7顯示了如果在第一電弧猝熄脈沖后太陽能電池陣列電壓Vs保持為“低”，則當被壓降檢測電路1檢測到時，將開始新的電弧猝熄周期(初始延時及隨后的電弧猝熄脈沖)。只要壓降檢測電路1檢測到太陽能電池陣列和總線電壓之間的壓降，這個電弧猝熄周期將一直重復。
圖8和圖9顯示了由電弧猝熄電路2產(chǎn)生的初始延時和電弧猝熄脈沖延時。在這些圖中，上方的曲線18，21顯示了作為時間的函數(shù)的太陽能電池陣列電壓Vs。中間的曲線19，22顯示了作為時間的函數(shù)的壓降檢測電路1的輸出信號VD。下方的曲線20，22顯示了作為時間的函數(shù)的電弧猝熄電路2的輸出電壓Vo，圖8中的時間尺度為20ms，圖9中的時間尺度為1s。在圖8和圖9所示的實施例中，從壓降檢測到產(chǎn)生電弧猝熄脈沖的初始延時被設定為19ms，而電弧猝熄脈沖寬度被設定為2.6s，當R3＝R4＝1MΩ，C3＝6.8μF并且C4＝0.1μF時，即可獲得這些值。圖9再一次地顯示了如果在第一電弧猝熄脈沖后太陽能電池陣列電壓Vs保持為“低”，則當被壓降檢測電路1檢測到時，將開始新的電弧猝熄周期。
初始延時和電弧猝熄脈沖寬度的優(yōu)選值分別為19ms和1.7s，當R3＝R4＝1MΩ，C3＝4.7μF并且C4＝0.1μF時，即可獲得這些值。
權利要求
1.一種防止電弧事件發(fā)生的裝置，太陽能電池陣列板和控制設備提供主電源總線，所述控制設備包括用于控制太陽能電池陣列電壓(Vs)的調(diào)節(jié)器，所述調(diào)節(jié)器包括電源中斷級(3)，用以作為控制信號(DoD)的函數(shù)來分路所述太陽能電池陣列電壓，其特征在于，所述裝置包括壓降檢測電路(1)，用于檢測由所述太陽能電池陣列板提供的所述太陽能電池陣列電壓的壓降，所述壓降檢測電路產(chǎn)生壓降檢測信號(VD)，以及電弧猝熄電路(2)，包括用于產(chǎn)生輸出信號(Vo)的裝置，所述輸出信號(Vo)作為所述控制信號(DoD)被提供到電源中斷級(3)，從而當所述壓降檢測電路檢測到壓降時，分路所述太陽能電池陣列電壓。
2.如權利要求1所述的裝置，其中，所述電弧猝熄電路(2)進一步包括用于調(diào)整所述輸出信號(Vo)的裝置，以在由所述壓降檢測信號(VD)提供的壓降檢測之后提供不做任何操作的較短時間的初始延時，并在所述初始延時后提供電弧猝熄脈沖，以觸發(fā)所述電源中斷級(3)，從而分路所述太陽能電池陣列電壓(Vs)。
3.如權利要求2所述的裝置，其中，所述電弧猝熄電路(2)進一步包括用于控制所述初始延時的第一單穩(wěn)態(tài)芯片(I2)，和用于控制所述電弧猝熄脈沖的寬度的第二單穩(wěn)態(tài)芯片(I1)。
4.如權利要求2或3所述的裝置，其中，所述初始延時被設定為大約19ms，并且所述電弧猝熄脈沖具有大約1.7s的寬度。
5.如權利要求2-4中任一項所述的裝置，其中，所述電弧猝熄電路(2)進一步包括當壓降檢測電路(1)檢測到所述太陽能電池陣列電壓(Vs)的壓降時用于啟動新的電弧猝熄周期的裝置，所述電弧猝熄周期包括在所述電弧猝熄脈沖之前的所述初始延時。
6.如權利要求1-5中任一項所述的裝置，其中，所述壓降檢測電路(1)包括用于將所述太陽能電池陣列電壓(Vs)和主總線電壓(VB)進行比較的裝置(T1)。
7.如權利要求1-6中任一項所述的裝置，其中，所述電弧猝熄電路(2)進一步包括用于在施加到電源中斷站(3)之前將所述控制信號(DoD)與所述輸出信號(Vo)進行合并的裝置(G1，G4)。
全文摘要
一種防止電弧事件發(fā)生的裝置，太陽能電池陣列板和控制設備提供主電源總線，控制裝置包括用于控制太陽能電池陣列電壓(Vs)的調(diào)節(jié)器(5)，調(diào)節(jié)器(5)包括用于根據(jù)控制信號而分路太陽能電池陣列電源電壓的電源中斷級(3)，該裝置包括壓降檢測電路(1)，當檢測到太陽能電池陣列電壓的壓降時產(chǎn)生壓降檢測信號(V
文檔編號B64G1/44GK1906556SQ200480040743
公開日2007年1月31日 申請日期2004年1月26日 優(yōu)先權日2004年1月26日
發(fā)明者詹姆斯·愛德華·海恩斯 申請人:歐洲航天局