衛(wèi)星電源分流調(diào)節(jié)器的研究

付文學(xué)，韓獻(xiàn)堂，梁芳

（中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384）

衛(wèi)星電源分流調(diào)節(jié)器的研究

付文學(xué)，韓獻(xiàn)堂，梁芳

（中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384）

衛(wèi)星一次電源系統(tǒng)分流調(diào)節(jié)器采用順序-局部-線性分流方式。對衛(wèi)星電源系統(tǒng)光照區(qū)母線電壓調(diào)節(jié)的必要性、分流調(diào)節(jié)器擴能改造的必要性及其應(yīng)用前景進(jìn)行論述，著重對方案的選擇與論證、設(shè)計依據(jù)、產(chǎn)品的設(shè)計與計算以及分流調(diào)節(jié)器的溫控設(shè)計做了詳細(xì)介紹。

電源系統(tǒng)；衛(wèi)星電源；航天器電源；分流調(diào)節(jié)器；順序-局部-線性分流

現(xiàn)代通信技術(shù)的不斷發(fā)展，對通信衛(wèi)星的承載能力提出了更高的要求。目前，衛(wèi)星壽命較短，功率小，8年壽命末期只有1688 W，難以適應(yīng)衛(wèi)星的需要；而預(yù)研的衛(wèi)星功率又太大（約10 kW）。因此，研制一種介于兩者之間，并且適用2000～4000 W電源系統(tǒng)的分流調(diào)節(jié)器是十分必要的。衛(wèi)星電源系統(tǒng)改造的目標(biāo)是：衛(wèi)星電源系統(tǒng)的功率從1688 W增加到4000 W，陰影區(qū)的功率也將由1250 W增加到3550 W。

大功率大電流是電源系統(tǒng)的主要特點，熱設(shè)計是分流調(diào)節(jié)器設(shè)計中需要重點解決的問題。分流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)的功率要比原分流調(diào)節(jié)器增加2倍多，其發(fā)熱功率也大大增加。因此在分流調(diào)節(jié)器的設(shè)計過程中，應(yīng)盡可能降低分流調(diào)節(jié)器的功耗，對發(fā)熱量較大的元器件的散熱方式和散熱效果進(jìn)行科學(xué)的熱分析并做出合理的熱設(shè)計，并通過熱驗證實驗加以驗證。

1 分流調(diào)節(jié)方案的選擇

分流調(diào)節(jié)器方案選擇的基點是電源系統(tǒng)的總體方案不變。在現(xiàn)有的條件下，可供選擇的分流調(diào)節(jié)方案有兩種：開關(guān)順序分流調(diào)節(jié)器(S3R)，集成化的順序-局部-線性分流調(diào)節(jié)器[1]。

開關(guān)順序分流調(diào)節(jié)[2]是目前許多大功率衛(wèi)星電源系統(tǒng)普遍采用的母線電壓調(diào)節(jié)方式。開關(guān)分流調(diào)節(jié)的突出優(yōu)點是功耗小，單級分流電流較大，其體積和質(zhì)量都可以做得較??；太陽電池陣無需設(shè)立抽頭。其缺點是母線電壓的紋波大，電磁兼容性較差。國內(nèi)抗輻照性能好、截止頻率高的宇航級場效應(yīng)管難以解決。因此，本文放棄了開關(guān)分流調(diào)節(jié)方案，選擇了集成化的順序-局部-線性分流調(diào)節(jié)方案，即集成化的順序-局部-線性分流調(diào)節(jié)器。作為最后確定的分流調(diào)節(jié)器方案，對順序-局部-線性分流調(diào)節(jié)方案在以下方面做出了改進(jìn)。

1.1 將分流調(diào)節(jié)電路集成化、模塊化

集成化、模塊化是星上設(shè)備的發(fā)展方向。分流電路的集成化、模塊化已經(jīng)成熟。分流調(diào)節(jié)器的所有分流調(diào)節(jié)電路除個別參數(shù)外，電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)基本一致，很容易實現(xiàn)集成化、模塊化。分流厚膜電路模塊為雙列直插式，金屬外殼，殼體的大小為36mm×29mm×5mm，質(zhì)量約15 g。每塊厚膜電路里有四級分流電路，分流厚膜電路的設(shè)計可靠、性能穩(wěn)定、安全有效。既順應(yīng)了集成化、模塊化的發(fā)展方向，又提高了可靠性，延長了系統(tǒng)的使用壽命，是行之有效的分流調(diào)節(jié)方案。

1.2 分流調(diào)整管改為扁平封裝的大功率晶體管

分流調(diào)節(jié)器中占據(jù)較大體積的元器件是大功率晶體管。為了縮小分流調(diào)節(jié)器的體積，減輕分流調(diào)節(jié)器的質(zhì)量，改用扁平封裝的同型號的大功率晶體管。分流調(diào)節(jié)器的底板是散熱面，大功率晶體管安裝在底板上，有利于散熱，質(zhì)量也可相應(yīng)減輕。并且大功率晶體管的熱阻非常低，僅0.5 W/℃，更有利于底板的散熱。

1.3 太陽電池陣隔離二極管由原來的硅二極管改為肖特基二極管

隔離二極管的功耗就是二極管正向壓降所產(chǎn)生的功耗。二極管的正向壓降越低，隔離二極管的功耗越小。采用肖特基二極管可以較大地降低隔離二極管的功耗。

1.4 設(shè)立獨立的充電陣

充電陣[3]不再在主母線上疊加，而是單獨設(shè)立充電陣。但除涓流陣A(D)外，充電陣B(E)、C(F)在電池組充滿后仍向主陣供電。目的是為了使太陽電池陣串聯(lián)片數(shù)保持一致，以便于提高太陽電池陣的布片系數(shù)。

1.5 降低太陽電池電路的抽頭點位置

處在線性分流狀態(tài)的分流調(diào)整管功耗是局部-線性-順序分流調(diào)節(jié)器功耗的主要組成部分。線性分流級的功耗與太陽電池陣抽頭點位置有關(guān)。太陽電池陣抽頭點的位置越高，分流調(diào)節(jié)器的線性級功耗越大。但抽頭點的位置要確保太陽電池陣抽頭點以上部分的開路電壓在太陽電池陣的溫度最低時，仍不超過母線電壓[1]。

太陽電池電路中間抽頭點的位置與太陽電池陣出影時的最低溫度、光照區(qū)的母線電壓等一系列參數(shù)有關(guān)。

如圖1所示，太陽電池陣分為“上部”、“下部”兩部分，中間為抽頭點。設(shè)上部太陽電池陣的串聯(lián)片數(shù)為u，下部太陽電池陣的串聯(lián)片數(shù)為l，則太陽電池陣的總串聯(lián)片數(shù)s為：

圖1 局部分流調(diào)節(jié)框圖

從減少分流調(diào)節(jié)器的發(fā)熱功耗考慮，太陽電池電路的抽頭點位置越低越好。但抽頭點的位置必須滿足下述要求：即在太陽電池陣的溫度最低時，太陽電池電路上部（即抽頭點以上的部分）的開路電壓，加上分流調(diào)整管Q的飽和壓降（為分析簡單起見，暫時忽略不計），必須低于光照區(qū)的母線電壓，否則就有可能發(fā)生該分流的分陣不能全部分流，從而出現(xiàn)多級分流電路同時處于線性區(qū)域的狀況，起不到調(diào)節(jié)母線電壓的作用。即：

將式（1）、式（2）和式（4）代入式（3），得到：

式（5）表明，局部分流調(diào)節(jié)器的太陽電池陣抽頭系數(shù)取決于壽命初期穩(wěn)定溫度下單體電池最佳功率點的電壓mp、單體電池最大可能開路電壓ocmax和總的電壓衰降系數(shù)。

太陽電池陣的串聯(lián)片數(shù)為126片（少數(shù)為125片）。按上述公式計算，抽頭點應(yīng)在太陽電池電路負(fù)端以上80片附近。為了增加安全系數(shù)，太陽電池電路的實際抽頭點選擇在太陽電池電路負(fù)端以上84片處。

2 電路設(shè)計

2.1 分流電路設(shè)計

圖2為分流電路[1]的框圖。

圖2 分流電路框圖

每級分流電路實際上是一個有比較功能的電壓負(fù)反饋恒流源[1]。對于任何一級分流電路來說，當(dāng)母線誤差電壓低于它的參考電壓時，分流調(diào)整管處在截止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)母線誤差電壓大于或等于參考電壓時，分流調(diào)整管開始進(jìn)入線性區(qū)域，進(jìn)行分流。母線誤差電壓上升，分流電流增大；母線誤差電壓下降，分流電流減少。當(dāng)母線誤差電壓大于參考電壓一定數(shù)值時，分流調(diào)整管飽和[1]。

每級分流電路的線性工作區(qū)域為0.1V。為防止兩級和兩級以上的分流電路同時進(jìn)入線性區(qū)域，相鄰兩級分流電路之間有0.2V的死區(qū)。

分流調(diào)節(jié)器的工作溫度為－30～+60℃。

分流調(diào)節(jié)器安裝在星外，其溫度環(huán)境十分惡劣。光照面和陰影面，光照區(qū)和陰影區(qū)環(huán)境溫度相差200℃以上。分流調(diào)節(jié)器本身的發(fā)熱功率又變化很大，在影區(qū)的發(fā)熱功率最小，只有2.5 W左右；而光照區(qū)的發(fā)熱功率（包括線性級的功耗和飽和級的功耗，當(dāng)隔離二極管放置在分流調(diào)節(jié)器中時，還包括隔離二極管的功耗）可達(dá)20 W。因此，分流調(diào)節(jié)器溫控設(shè)計的好壞是分流調(diào)節(jié)器成功的關(guān)鍵。

線性級的最大功耗發(fā)生在線性級分流調(diào)整管Q2將要進(jìn)入飽和區(qū)域以前（Q1為分流驅(qū)動管），此時：

此時有：

將式（2）、式（4）、式（8）代入式（7），得：

因此有：

按式(10)計算的結(jié)果，分流調(diào)節(jié)器線性級的最大功耗約為40 W。加上分流調(diào)整電路的飽和級和隔離二極管以及二次電源的功耗，分流調(diào)節(jié)器的最大功耗可達(dá)60 W。分流調(diào)節(jié)器的功耗曲線如圖3所示。

圖3 分流調(diào)節(jié)器的功耗曲線

2.2 分流調(diào)節(jié)器溫控設(shè)計

分流調(diào)節(jié)器溫控設(shè)計的任務(wù)是：在光照區(qū)，當(dāng)分流調(diào)節(jié)器的發(fā)熱功耗處于最大值（約60 W）時，必須把分流調(diào)節(jié)器的溫度控制在60℃以下；在陰影區(qū)，出影時分流調(diào)節(jié)器的溫度不能低于－30℃。為確保上述指標(biāo)的實現(xiàn)，分流調(diào)節(jié)器在溫控方面采取了如下措施。

2.2.1 被動溫控措施

（1）將底板作為散熱面。根據(jù)分流調(diào)節(jié)器的最大發(fā)熱功率，由專業(yè)技術(shù)部計算出確保最高溫度不超過上限值所需要的發(fā)射率。

（2）正面覆蓋多層鍍鋁薄膜，以反射太陽垂直照射所產(chǎn)生的熱量。

（3）增大接觸熱阻，降低陰影區(qū)溫度下降的速率，分流調(diào)節(jié)器的壓緊點套筒用熱阻較大的鈦合金制造。分流調(diào)節(jié)器的6個安裝耳片與碳纖維橫梁之間裝有隔熱墊片，并用熱阻大的鈦螺釘固定。

2.2.2 主動溫控措施

分流調(diào)節(jié)器有14 W加熱功率，加熱片貼在分流調(diào)節(jié)器底板上。控制方式為溫度控制。溫度低于或等于14℃時加熱器接通，等于或高于18℃時加熱器斷開。

3 結(jié)論

分流調(diào)節(jié)器鑒定樣機的研制按照總體部的要求同步進(jìn)行，經(jīng)過方案論證—電路設(shè)計—電路調(diào)試—整機組裝、調(diào)試—鑒定實驗，最后完成鑒定評審。實驗結(jié)果表明：分流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，運行正常，電性能正常，實驗結(jié)果符合設(shè)計要求；母線電壓穩(wěn)定在(42±0.5)V[3]，各項指標(biāo)及性能均滿足設(shè)計要求。

[1]石菊園，曹陽，張洪周.東方紅三號衛(wèi)星一次電源分流調(diào)節(jié)器[R].北京：中國空間技術(shù)研究院，2000.

[2]石菊園，孫德全，蔣欽琳.衛(wèi)星電源技術(shù)[M].北京：宇航出版社，2001：188-275.

[3]王遠(yuǎn)征.東方紅三號衛(wèi)星一次電源[R].北京：中國空間技術(shù)研究院，2000.

Satellite power flow study of corresponding regulator

FU Wen-xue,HAN Xian-tang,LIANG Fang

Themeasure of local-linear-sequentially current shunting was adopted by the satellite's shunt regulator. The necessity of a regulatedmain bus and amplification for the shunt regulator were presented.A discussion of the prospected amplification wasmade.The design options and demonstrations of projects were stressed.A detailed introduction of the design for regulating temperature of shunt regulator wasmade.

electrical power system;satellite power sources;spacecraft power supply;shunt regulator; local-linear-sequentially shunt the current

TM 91

A

1002-087 X(2014)10-1883-02

2014-05-29

付文學(xué)(1978—)，男，安徽省人，工程師，主要研究方向為空間電源產(chǎn)品。