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計部，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。航天器接地系統是一個對高頻多點接地和對低頻單點接地的混合式接地系統。航天器的地包括結構地、一次地及二次地。其中：結構地是指整個航天器艙板結構的公共電位參考點。一次地是指一次電源設備(太陽電池陣、PCU、蓄電池組等)直流母線的公共電位參考點。二次地是指一次母線經過電壓變換后電源的公共電位參考點，包括遙測地、遙控地、總線地等。航天器通常設立多個公共接地樁，以PCU附近的接地樁作為基準地，其他接地樁與基準地之間的電阻通常小于10 mΩ，通過接地樁實現整個航天器設備結構的等電位。一次母線回線(負線)通過接地樁直接接地，有利于航天器的電磁兼容(EMC)設計；美國軍用標準、日本宇宙航空研究開發機構電氣系統設計規范、泰雷茲-阿萊尼亞航天公司電磁兼容要求規范等，均要求一次母線回線直接連接航天器結構地[1-5]。“國際空間站”日本希望號試驗艙(ISS/JEM)、NASA新一代對地觀測系統“土地”(TERRA)衛星、印度空間研究組織的制圖衛星-1(CARTOSAT-1)、意大利航天局的“地中海盆地觀測”(CSG)衛星的一次母線回線，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。

對于傳統的一次母線回線直接接地方案，一次母線短路故障是系統的單點故障。當一次母線正線與機殼發生短路時，一次母線回線與機殼直接搭接會造成一次母線正線與回線短路，進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險，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構地防止靜電放電(ESD)；連接器支架與機殼絕緣安裝，再通過高阻接航天器結構地[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殼搭接造成的母線短路。NASA的接地手冊中強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構地隔離設計[11]。該設計方案中，發電和儲能設備的電路地均不能與航天器結構地相連；一次母線地在PCU處采用合適的隔離阻抗與航天器結構連接。如果僅采用隔離電阻將一次母線地與航天器結構地相隔離，可能會導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。歐洲航天技術中心(ESTEC)也提出了電推進電源的高阻接地方案[12]。為避免電推進供電回線對結構地的泄露電流，對電推進的供電回線做高阻接地設計。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范圍有限，無法避免一次母線對機殼短路；采用一次回線高阻接地方案，對現有方案機電熱特性產生較大影響，如電氣隔離、EMC、散熱設計、力學設計等，需要對現有方案進行很大的改動并通過整器級分析驗證。

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。在分析的基礎上，提出一種既能降低一次母線短路風險，又減小對現有設計方案影響的高阻接地方案，并對接地方案關鍵特性進行了仿真分析。本文的研究結果可用于未來載人、深空、遙感航天器高可靠電源系統的接地方案。

1 影響分析及應對措施

一次母線采用高阻接地后，會對航天器電性能產生較大影響。首先，接地阻抗的變化會對故障電流大小產生影響。高阻接地后，母線對機殼搭接會改變機殼的電位，對安全間距、電氣隔離及人員安全產生影響。接地阻抗的變化也會影響設備EMC及ESD性能。本節將從高阻接地對短路電流、安全間距、電氣隔離、EMC、ESD及對人員觸電風險等方面進行詳細分析，作為對高阻接地進行改進設計的基礎。

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。根據高阻接地位置的不同，現有方案主要分為2種：方案1，一次母線回線單點高阻接地，機殼直接接地；方案2，設備機殼高阻接地、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的方案構成隔離阻抗網絡，如圖1所示，其中，C1，C2，C3，C4為高阻接地網絡電容，R1，R2為并聯電阻。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構短路時的電流；同時也不能過大，否則不能提供穩定的參考電位。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，具體的分析見第1.2.1節，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，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。電容設計主要從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。實際選用高阻阻抗時需要根據系統母線電壓，以及EMC和ESD試驗結果調整接地阻抗。

圖1 高阻網絡設計Fig.1 Design of high-impedance network

1.2 對航天器電性能影響分析及應對措施

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機殼短路，故障通路如圖2所示(紅線部分)。一次母線正線對設備機殼短路后，不會引起母線正線與回線短路，不會導致整個航天器失電。短路電流大小可以根據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構短路，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)。一次母線正線對設備機殼短路后，不會引起一次母線正線與母線回線短路，不會導致整個航天器失電。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構短路，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殼短路后造成母線正負短路，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，在母線正對機殼短路、母線正在傳輸路徑對結構短路后，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優于方案2。

1.2.2 對安全間距設計影響

一次母線正線與機殼短路后，由于機殼帶電，可能會出現機殼與PCB電路地、機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)，一旦任意一個設備機殼與電源正線短路，所有機殼均會帶電。因此，以下位置的安全間距需要重新核實。①PCU/PCDU或者一次電源供電的所有設備中的PCB電路地與機殼的安全間距。②PCU/PCDU及一次電源供電的所有設備的接插件如果存在接地針腳，需要核實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，某個設備機殼與母線正線短路后，其他設備的機殼不會帶電，僅故障設備存在PCB存在安全距離風險。如果需要滿足一次母線與機殼短路后安全距離的要求，需要對PCB安全距離進行檢查，并對不符合安全距離要求的位置進行重新設計。PCB板的體積會增加，具體增加的量需要根據實際情況評估。

圖4 方案1安全距離風險位置Fig.4 Risk position of safety distance for scheme 1

1.2.3 對電氣隔離設計影響

(1)對于方案1，高阻接地會對電氣隔離設計產生較大影響。為了保證PCU一次母線回線(地線)與整器完成高阻隔離設計，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)均不可與結構地及其他相關單機存在直接或間接(潛通路)連接關系。如果需要連接，應采用相應隔離方式。以某衛星為例，對于綜合電子分系統數據接口單元(DIU)中遙測遙控部分、PCU/配電器內部遙測采集等，如果改為一次母線回線單點高阻接地，且某設備發生一次母線正對地短路情況，由于機殼帶電，其電位等于一次母線正電位，如果部分設備未實現一次地與二次地的隔離，就會導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，采樣運算放大器的供電電壓與輸入信號電壓差達57 V，導致運算放大器損壞。

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

1.2.4 對EMC設計影響

在傳統方案中，一次母線的回線直接接結構地。這種接地方式有利于降低負載端的共模噪聲，以及從供電導線輻射出的噪聲。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)對于低頻設備，設備機殼應用高阻接地，未發現對整器EMC性能有明顯的影響。尤其是對PCU/PCDU，一次母線只用于供電，未作為敏感設備的信號線，只要將高壓回線與低壓回線進行嚴格隔離，低壓部分的敏感電路是不受影響的，高阻接地對PCU/PCDU等低頻設備EMC的影響有限。

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

(3)如果機殼采用高阻接地，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殼絕緣安裝后，重新設計屏蔽層與結構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內部地線與結構之間有阻容(RC)網絡(共模濾波電路)，其作用是消除PCU內部功率變換器(電池充電調節器(BCR)、電池放電調節器(BDR)、輔助電源(APS))工作時產生的高頻共模噪聲，RC網絡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，機殼接地方式更改會影響電源控制與配電單元的EMC，供電導線輻射和傳導到負載的噪聲信號會增加。對高頻敏感設備的影響需要通過鑒定件EMC試驗進行評估，具體需要對正常情況及故障情況(一次母線正線對機殼短路情況)做相關驗證項目。

1.2.5 對ESD放電設計影響

PCU，PDU，PCDU為了防止印制板、陶瓷板等的電荷積累，將其直接安裝在結構體上，PCU，PDU，PCDU等機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設備內部的孤立導體(DCDC機殼、繼電器、霍爾)外殼，采用了100 kΩ電阻接機殼處理方式。如果一次母線回線單點高阻接地或者機殼高阻接地，選擇合適的接地阻抗可以避免電源控制與配電單元機殼上累積靜電電荷。但是，需要對一次母線正線與機殼短路故障情況下(此時機殼帶電)表面放電進行試驗評估。

1.2.6 對地面測試人員安全設計影響

(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，故障電流匯入結構地，地面測試人員無觸電風險。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，由于機殼接地，人體被旁路，人體流過電流很小，無觸電風險。

圖6 方案1測試人員觸摸機殼情況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，流過人體的電流為28 mA，當母線電壓超過36 V時存在地面測試人員觸電風險。

圖7 方案2測試人員觸摸機殼情況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 表

2 改進方案及仿真驗證

2.1 改進方案

通過以上分析，高阻接地后能防止一次正對設備機殼發生短路后正線與回線短路造成的整器斷電，但會對現有設計產生較大影響。為了既能防止一次母線短路風險，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、關鍵機殼高阻接地方案(見圖8)，具體包括4點，分別對應圖8中的序號(1)至序號(4)。

圖8 一次回線直接接地、關鍵單機機殼高阻接地方案Fig.8 High-impedance grounding scheme for direct grounding of primary bus and high-impedance grounding of key equipment chassis

(1)關鍵單機機殼高阻接地。將PCU，PDU，PCDU等關鍵設備機殼高阻接地，防止一次正對設備機殼發生短路；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調整；關于散熱方式影響、EMC影響根據具體試驗結果進行相應更改。

(2)縮短未保護的一次母線。盡量通過熔斷器等保護一次母線用電設備，縮短未加保護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。屏蔽層需要與機殼絕緣安裝后，再通過其他方式接地。

關于短路故障影響，彌補了表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行雙重絕緣，縮短了未加保護的一次母線，可避免一次母線與整器艙體短路的風險。關于安全間距，本文改進方案與方案1，2相同，需要對PCB、接插件安全距離進行檢查，并對不符合安全距離要求的位置進行重新設計。關于電氣隔離，改進方案中一次母線未與整器結構高阻接地，只是部分關鍵單機的機殼高阻接地，不存在一次正線與機殼短路時會發生遙測采集通道、熱控通路的損毀。關于EMC的影響，相比于方案1和方案2，由于只對PCU，PDU，PCDU等關鍵設備機殼高阻接地，一次用電設備、高頻設備的接地方式不變，仍采用直接接地，故對高頻設備影響較小。此外，由于PCU等設備是低頻設備，機殼高阻接地對其影響也不大。關于地面測試人員的安全，需要采取安全措施防止觸電。關于ESD放電，改進方案的部分單機機殼高阻接地，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殼存在風險外，其余方面無影響。地面測試人員的安全風險可以通過漏電保護等方式解決。

2.2 仿真驗證

高阻接地會對航天器電性能產生較大影響，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行仿真分析。如果采用一次回線高阻接地、機殼直接接地的方案，需要保證PCU一次母線回線(地線)與整器完成高阻隔離設計，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)均不可與結構地及其他相關單機存在直接或間接連接關系。如果需要連接，應采用相應隔離方式。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生正線與機殼短路時各單機的狀態進行仿真。

2.2.1 高阻接地對遙測遙控接口影響

以某遙感衛星產品為例，對于綜合電子分系統DIU中遙測遙控部分、PCU/配電器內部遙測采集等，如果改為一次母線回線單點高阻接地且某設備發生一次母線正對地短路，此時機殼帶電，通過仿真觀察整器遙測采集通道運算放大器芯片的輸入電壓。系統母線電壓為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母線對機殼短路時系統的響應。U1為結構地與一次地之間的電壓差；U2為遙測電路正端輸入電壓；U3為遙測電路負端輸入電壓；電壓參考點為機殼地。

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

圖10 仿真原理Fig.10 Simulation diagram

當采用高阻接地、接地電阻為2 kΩ時，仿真結果如圖11所示。發生42 V母線對機殼短路之前，結構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，遙測電路負端輸入電壓U3為-0.1 V。當發生42 V母線對機殼短路后，機殼帶電，此時，結構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，遙測電路負端輸入電壓U3為-42 V。可見，高阻接地時，母線正線對機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，遙測電路的正負端輸入電壓達到了-37 V和-42 V，遠超過±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方案中PCU機殼高阻接地時的情況。同樣觀察結構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時的仿真結果如圖12所示，當發生42 V母線對機殼短路后，機殼帶電，此時，結構地與一次地之間的電壓差U1由0 V變為42 V，U2遙測電路正端輸入電壓始終為4.9 V，遙測電路負端輸入電壓U3始終為0 V。由此可見，采用機殼高阻接地方案，當母線正線與機殼短路時，不會造成遙測電路的損壞。

圖12 改進方案高阻接地電阻仿真結果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DIU熱控部分，如果一次母線改為單點高阻接地且某設備發生一次母線正對地短路，會發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為驅動上拉電壓，U5為控制信號電壓，U6為結構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時的仿真結果如圖15所示，當發生42 V母線對機殼短路后，機殼帶電，MOS管驅動上拉電壓U4由13.2 V上升為56.8 V，驅動控制信號電壓U5由3.7 V上升為47.3 V。結構地與一次地之間的電壓差U6由-1.7 V上升為42.0 V。由于驅動信號電壓為高，MOS管導通，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，機殼帶電后MOSFET的柵極電壓會達到56.8 V，驅動電路三極管的電壓也會達到47.3 V，從而導致功率器件損壞。

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

本文提出的改進方案仿真結果，如圖16所示。當發生42 V母線對機殼短路后，機殼帶電，MOS管驅動上拉電壓U4始終為14.8 V，驅動控制信號電壓U5始終為5.3 V。發生短路設備結構地與一次地之間電壓差U6由0 V上升為42.0 V。由于MOS驅動信號為高，加熱回路的電流始終為4.2 A。

通過以上的仿真結果可以看出：改進方案無需對現有遙測電路和熱控儀電路進行修改，在母線正線與機殼短路時，不會使一次、二次未隔離遙測采集通道運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 改進方案高阻接地電阻仿真結果Fig.16 Simulation results of high-impedance grounding of improled scheme

3 結束語

相比于傳統接地方案，高阻接地方案可防止一次母線對結構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，高阻接地會造成遙測采集通道、熱控通路的損毀。關于EMC的影響，本文只進行了定性分析，高阻接地后一次母線回線與整個航天器結構地之間接地高頻阻抗發生很大變化，其潛在影響尤其是對于高頻敏感設備的電磁兼容影響需要通過整器級分析及測試驗證。基于以上的影響分析，本文逐一提出了應對措施。針對傳統高阻接地方案需要對現有航天器設計作較大幅度更改，特別是對中大功率、復雜型航天器，本文提出了一種改進的高阻接地方案，即一次回線直接接地，關鍵單機機殼高阻接地，這樣既能防止一次母線短路風險，又能使現有航天器設計改動最小，從而將高阻接地的影響降到最低，便于實施。

高阻接地還會對熱接口、機械接口產生影響。采用機殼高阻接地方案會影響PCU的散熱，因此需要對其進行專項的熱設計及驗證工作；此外，機殼高阻接地會影響設備的安裝及固定方式，需要進行結構專項分析及設計。