一种空间能量泄放电路的制作方法

1.本发明涉及空间电源领域，特别涉及一种空间能量泄放电路。


背景技术：

2.航天器都需要通过光电阵列、核能、燃料电池等能量获取单元获得能量，保障航天器多个载荷的用电需求。
3.能量获取单元的能量输出无法自治控制，需要通过能量泄放电路实现多余能量的消耗，保障电池组、载荷等后端设备的用电安全。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种空间能量泄放电路，用于空间真空、原子氧、辐射等恶劣环境，以解决空间供电问题，实现高效率、高安全、高可靠能量调节和传输。
5.为实现上述目的，本发明提供一种空间能量泄放电路，其包含：能量获取单元、能量泄放主电路、超级二极管整流电路；所述能量泄放主电路包括：采样模块，其输入端与所述能量获取单元连接，接收能量生成采样信号；泄放功率管模块，其输入端与采样模块的输出端连接，输出端与接地端连接；反馈控制模块，其输入端与采样模块连接，接收采样信号以生成反馈控制信号，输出端与所述泄放功率管模块连接，控制泄放功率管模块的导通或关断；超级二极管整流电路，其输入端与能量泄放主电路的输出端连接，用于对能量泄放主电路输出的能量进行单方向能量整流；其中，当泄放功率管模块导通时，对接地端释放所述能量获取单元采集的多余能量；当泄放功率管模块关断时，能量获取单元获取的能量通过超级二极管整流电路单向整流后存储。
6.优选的，所述采样模块包括电流采样模块和电压采样模块；所述电流采样模块包括三个电连接端：功率输入端、功率输出端、采样信号输出端；所述功率输入端与能量获取单元电路连接，所述功率输出端与泄放功率管模块连接；所述采样信号输出端连接反馈控制模块；所述电流采样模块采集到能量获取单元获得的能量后，生成电流采样信号，通过采样信号输出端将所述电流采样信号传输给反馈控制模块；所述电压采样模块包括分压上电阻和分压下电阻，所述分压上电阻的正端与所述电流采样模块的功率输出端连接，负端与所述分压下电阻的正端连接；所述分压下电阻的负端与接地端连接，形成接地释放回路，用于释放多余能量。
7.优选的，所述反馈控制模块包括反馈控制电路和驱动电路；所述反馈控制电路具有三个电连接端：电流采样信号输入端、电压采样信号输入端和反馈控制脉冲输出端；所述电流采样信号输入端连接电流采样模块中的采样信号输出端，用于接收电流采样信号；电压信号输入端连接分压上电阻的负端和分压下电阻的正端，用于接收电压采样信号；所述反馈控制电路根据电流采样信号和电压采样信号，生成反馈控制信号，通过反馈控制脉冲输出端连接驱动电路的输入端，将反馈控制信号传输给驱动电路。
8.优选的，所述驱动电路的输出端与泄放功率管模块连接，用于将接收到的反馈控
制电路的反馈控制信号放大，实现泄放功率管模块的导通或关断。
9.优选的，所述反馈控制信号为脉冲信号，当反馈控制信号的脉冲输出信号为波峰时，所述泄放功率管模块的泄放功率管导通；当反馈控制信号的脉冲输出信号为波谷时，所述泄放功率管模块的泄放功率管断开。
10.优选的，所述泄放功率管模块用于实现能量获取单元的多余能量耗散及能量传输控制，其包括三个电连接端：第一栅端、第一漏端、第一源端；所述第一栅端与驱动电路的输出端连接，接收反馈控制信号；所述第一漏端连接电流采样模块的功率输出端及分压上电阻的正端，形成所述能量泄放主电路的输出端；所述第一源端连接分压下电阻的负端及接地端。
11.优选的，所述空间能量泄放电路还包括滤波阵列和电池组；所述滤波阵列用于超级二极管整流电路的滤波，其功率正端连接超级二极管整流电路的输出端和电池组的正端，其功率负端连接电池组的负端。
12.优选的，所述超级二极管整流电路包括超级二极管和超级二极管控制电路；所述超级二极管用于能量泄放主电路与电池组之间的单方向能量整流，其包括一个二极管和一个连接端口；所述连接端口包括三个电连接端：第二栅端、第二漏端、第二源端；其中，所述第二源端与二极管的正极连接，所述第二漏端与二极管的负极连接，所述超级二极管通过连接端口与超级二极管控制电路连接。
13.优选的，所述超级二极管控制电路包括：防浪涌tvs管、电流增大管、第一比较放大器和第二比较放大器；所述防浪涌tvs管用于超级二极管的浪涌保护，其包括两个电连接端：阴极和阳极；所述电流增大管用于将第一比较放大器输出端信号放大用来驱动超级二极管；所述第一比较放大器和第二比较放大器用于比较超级二极管的第二漏端和第二源端电压，产生控制超级二极管的导通或关断的判断信号；所述第一比较放大器和第二比较放大器具有三个电连接端：正输入端、负输入端、输出端。
14.优选的，所述第二栅端与防浪涌tvs管的阴极、电流增大管的集电极和第二比较放大器的输出端连接；所述第二漏端与滤波阵列的功率正端、第一比较放大器的正输入端和第二比较放大器的正输入端电连接；所述第二源端与能量泄放主电路的输出端、防浪涌tvs管的阳极、电流增大管的发射极、第一比较放大器的负输入端和第二比较放大器的负输入端电连接；通过第一比较放大器和第二比较放大器进行电压比较产生所述判断信号，若第二源端比第二漏端的电压高，则判断信号驱动超级二极管导通，使能量存储至电池组中；若第二源端比第二漏端的电压低，则判断信号驱动超级二极管关断，使能量通过接地释放回路泄放。
15.综上所述，与现有技术相比，本发明提供的一种空间能量泄放电路，具有如下有益效果：(1)能量获取单元通过能量泄放主电路、超级二极管整流电路、滤波阵列、电池组实现航天器安全供电；(2)能量获取单元可为光电阵列、核能、燃料电池等空间发电装置，使航天器能量获取方式适应范围广；(3)能量泄放主电路实现能量获取单元的多余能量耗散及能量传输控制；(4)超级二极管整流电路实现能量泄放主电路与电池组之间的单方向能量整流，采用超级二极管整流电路取代传统二极管，实现能量的低阻抗高效率传输；(5)电池组实现能量贮存，实现航天器在阴影期的能量供给。
附图说明
16.图1为本发明提供的一种空间能量泄放电路的电路原理图；
17.图2为本发明提供的一种空间能量泄放电路的反馈控制电路原理图。
具体实施方式
18.以下将结合本发明实施例中的附图1～附图2，对本发明实施例中的技术方案、构造特征、所达成目的及功效予以详细说明。
19.需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
20.本发明提供了一种空间能量泄放电路，如图1所示，该空间能量泄放电路包括：能量获取单元100、能量泄放主电路200、超级二极管整流电路300；所述能量泄放主电路200包括：采样模块201，其输入端与所述能量获取单元100连接，接收能量生成采样信号；泄放功率管模块202，其输入端与采样模块201的输出端连接，输出端与接地端连接；反馈控制模块203，其输入端与采样模块201连接，接收采样信号以生成反馈控制信号，输出端与所述泄放功率管模块202连接，控制泄放功率管模块202的导通或关断；超级二极管整流电路300，其输入端与能量泄放主电路200的输出端连接，用于对能量泄放主电路200输出的能量进行单方向能量整流；其中，当泄放功率管模块202导通时，对接地端释放所述能量获取单元100采集的多余能量；当泄放功率管模块202关断时，能量获取单元100获取的能量通过超级二极管整流电路300单向整流后存储。
21.其中，如图1所示，所述采样模块201包括电流采样模块211和电压采样模块212；具体的，所述电流采样模块211包括三个电连接端：功率输入端211a、功率输出端211b、采样信号输出端211c；所述功率输入端211a与能量获取单元100电路连接，所述功率输出端211b与泄放功率管模块202连接，所述采样信号输出端211c连接反馈控制模块203；所述电流采样模块211采集到能量获取单元100获得的能量后，生成电流采样信号，通过采样信号输出端211c将所述电流采样信号传输给反馈控制模块203。同样的，所述电压采样模块212包括分压上电阻2121和分压下电阻2122，所述分压上电阻2121的正端2121a与所述电流采样模块211的功率输出端211b连接，负端2121b与所述分压下电阻的正端2122a连接，所述分压下电阻的负端(2122b)与接地端连接，也就是说，电流采样模块211与分压上电阻2121和分压下电阻2122通过电路串联与接地端连接，形成接地释放回路，用于释放多余能量。
22.其中，如图1所示，所述反馈控制模块203包括反馈控制电路231和驱动电路232；具体的，所述反馈控制电路231具有三个电连接端：电流采样信号输入端231a、电压采样信号输入端231b和反馈控制脉冲输出端231c；所述电流采样信号输入端231a连接电流采样模块211中的采样信号输出端211c，用于接收电流采样信号；电压信号输入端231b连接分压上电阻的负端2121b和分压下电阻的正端2122a，用于接收电压采样信号；所述反馈控制电路231根据电流采样信号和电压采样信号，生成反馈控制信号，通过反馈控制脉冲输出端231c连接驱动电路232的输入端，将反馈控制信号传输给驱动电路232。所述驱动电路232的输出端与泄放功率管模块202连接，用于将接收到的反馈控制电路231的反馈控制信号放大，实现
泄放功率管模块202的开关切换驱动。需要说明的是，反馈控制电路231采用输入电流(即电流采样信号)、输出电压(即电压采样信号)双环反馈控制，提高了反馈控制电路的准确性。
23.其中，所述反馈控制信号为脉冲信号，当反馈控制信号的脉冲输出信号为波峰时，所述泄放功率管模块202的泄放功率管导通；当反馈控制信号的脉冲输出信号为波谷时，所述泄放功率管模块202的泄放功率管断开。
24.更进一步，图2为所述反馈控制电路原理图，所述反馈控制电路231包括：两组跟随电路2311、两组反馈补偿电路2312和取小电路2313；其中，一个跟随电路2311与一个反馈补偿电路2312对应连接；两组反馈补偿电路2312的输出端与取小电路2313连接；其中每组所述跟随电路2311包括一个第一运放组件2311a，其负端连接第一电阻r1，正端接地，用于接收采样信号(其中一组跟随电路2311接收电流采样信号，另一组跟随电路2311接收电压采样信号)，且该第一运放组件并联连接第二电阻r2，用于电压或电流的跟随输出；每组所述反馈补偿电路2312包括一个第二运放组件2312a，其负端经过一第三电阻r3与跟随电路2311连接，正端与参考信号vref连接，且该第二运放组件2312a并联连接电容电阻组件，用于采样信号的补偿调节。所述电容电阻组件包括串联连接的第四电阻r4和第一电容c1，其与第二电容c2并联形成电容电阻组件。
25.当电压采样值达到阈值vh时，取小电路2313选择电压输出，使反馈控制信号的脉冲输出信号为波峰，驱动泄放功率管模块202工作在恒压状态(即导通状态)；当电流采样值达到阈值vi时，取小电路选择电流输出，使反馈控制信号的脉冲输出信号为波谷，驱动泄放功率管模块202工作在限流状态(即关断状态)，实现输入电流、输出电压双输入反馈控制。
26.其中，所述泄放功率管模块202用于实现能量获取单元100的多余能量耗散及能量传输控制，如图1所示，其包括三个电连接端：第一栅端202a、第一漏端202b、第一源端202c；所述第一栅端202a与驱动电路232的输出端连接，接收反馈控制信号；所述第一漏端202b连接电流采样模块的功率输出端211b及分压上电阻的正端2121a，形成能量泄放主电路200的输出端；所述第一源端202c连接分压下电阻的负端2122b及接地端。需要说明的是，分压上电阻2121和分压下电阻2122通过阻值匹配设计获取电压采样信号提供给反馈控制电路231的电压采样信号输入端。当第一栅端202a接收到的反馈控制信号为导通，则能量获取单元100中的能量通过电流采样模块211从第一漏端202b输入至泄放功率管模块202，从第一源端202c输出至接地端，实现多余能量耗散；当第一栅端202a接收到的反馈控制信号为关断，即泄放功率管模块202处于断路状态，则能量获取单元100中的能量通过电流采样模块211直接传输至超级二极管整流电路300，进行能量的单方向整流。需要说明的是，所述能量获取单元100包括光电阵列、核能或燃料电池等空间发电装置。
27.进一步的，所述阻值匹配设计主要是保证负载上可获得最大输出功率。在直流情况下，负载阻抗(即分压上电阻2121和分压下电阻2122)等于信号源内阻(相当于提供能量的能量获取单元100的内阻)时，实现阻抗匹配。如果需要输出电流大，则选择小的负载电阻，即选择内阻值小于能量获取单元100内阻的分压上电阻2121和分压下电阻2122；如果需要输出电压大，则选择大的负载，即选择内阻值大于能量获取单元100内阻的分压上电阻2121和分压下电阻2122；如果需要输出功率最大，则选择和信号源内阻匹配的负载电阻，即选择与能量获取单元100内阻相等的分压上电阻2121和分压下电阻2122。
28.其中，如图1所示，所述空间能量泄放电路还包括滤波阵列400和电池组500；滤波
阵列400用于超级二极管整流电路300的滤波，其具有两个电连接端：功率正端400a、功率负端400b；所述功率正端400a连接超级二极管整流电路300的输出端和电池组500的正端，所述功率负端400b连接电池组500的负端且接地。需要说明的是，所述滤波阵列400包括多个容性器件，例如电容补偿柜，电容滤波器，电容倍压装置等。所述电池组500与滤波阵列400并路连接，将能量获取单元100的能量进行贮存，实现航天器在阴影期的能量供给。
29.进一步，如图1所示，所述超级二极管整流电路300包括超级二极管301和超级二极管控制电路302；所述超级二极管整流电路300的输入端与所述能量泄放主电路200的输出端电连接，超级二极管整流电路300的输出端与所述滤波阵列400的输入端(即功率正端400a)电连接。
30.其中，如图1所示，所述超级二极管301用于能量泄放主电路200与电池组500之间的单方向能量整流，其包括一个二极管d1和一个连接端口；所述连接端口包括三个电连接端：第二栅端301a、第二漏端301b和第二源端301c；其中，所述第二源端301c与二极管d1的正极连接，所述第二漏端301b与二极管d1的负极连接，所述超级二极管301通过连接端口与超级二极管控制电路302连接，实现对二极管d1导通或关断的控制。
31.所述超级二极管控制电路302包括：防浪涌tvs管321、电流增大管322、第一比较放大器323和第二比较放大器324；其中，所述防浪涌tvs管321用于超级二极管301的浪涌保护，其包括两个电连接端：阴极和阳极；所述电流增大管322用于将第一比较放大器323输出端信号放大用来驱动超级二极管301；所述第一比较放大器323和第二比较放大器324用于比较超级二极管301的第二漏端301b和第二源端301c电压，从而产生控制超级二极管301的导通或关断的判断信号，所述第一比较放大器323和第二比较放大器324都具有三个电连接端：正输入端、负输入端、输出端。
32.具体的，所述第二栅端301a与防浪涌tvs管321的阴极、电流增大管322的集电极和第二比较放大器324的输出端连接；第二漏端301b与滤波阵列400的功率正端400a、第一比较放大器323的正输入端和第二比较放大器324的正输入端电连接；第二源端301c与能量泄放主电路200的输出端、防浪涌tvs管321的阳极、电流增大管322的发射极、第一比较放大器323的负输入端和第二比较放大器324的负输入端电连接。
33.当所述能量获取单元100获得的能量通过第二漏端301b和第二源端301c进入述第一比较放大器323和第二比较放大器324进行电压比较产生所述判断信号，若第二源端301c比第二漏端301b的电压高(本实施例中第二源端301c比第二漏端301b的电压高1.2v)，则电流增大管322将第一比较放大器323输出端的判断信号(即导通信号)放大，以驱动超级二极管301导通，进而使能量流过超级二极管302经过滤波阵列400滤波后存储至电池组500中；反之，若第二源端301c比第二漏端301b的电压低，则电流增大管322将第一比较放大器323输出端的判断信号(即关断信号)放大，以驱动超级二极管301关断，使能量通过与接地端连接的分压上电阻2121和分压下电阻2122形成的接地释放回路进行泄放。
34.综上所述，与现有技术相比，本发明所提供的空间能量泄放电路具有安全性强、能量获取方式范围广、能够实现航天器再阴影期的供给和传输效率高等优势。
35.尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。