衛(wèi)星電源控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和降壓變換器仿真研究

樸海國(guó)

摘 要： 對(duì)衛(wèi)星電源系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹，比較了傳統(tǒng)電源功率控制結(jié)構(gòu)和改進(jìn)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，并簡(jiǎn)要說(shuō)明其控制方法，研究衛(wèi)星電源系統(tǒng)中直流母線與負(fù)載間的降壓變換器參數(shù)和控制策略設(shè)計(jì)過(guò)程，給出參數(shù)計(jì)算方法，通過(guò)Matlab軟件仿真驗(yàn)證了所采用方法的正確性。

關(guān)鍵詞： 衛(wèi)星電源； S3R； S4R； 降壓變換器

中圖分類號(hào)： TN967.6?34； TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）21?0102?02

Simulation research on control structure of satellite power system and buck converter

PIAO Hai?guo

（Shanghai Institute of Space Power?sources， Shanghai 200245， China）

Abstract： The control structure of the satellite power system is introduced. The characteristics of traditional power control structure and the improved one are compared. The control methods of them are described briefly. The design process of buck converter parameters and control strategy between the DC bus and load in the satellite power system is studied. A parameters calculating method is given. The correctness of the method was verified with Matlab simulation software.

Keywords： satellite power supply； S3R； S4R； buck converter

0 引 言

近年來(lái)我國(guó)航天技術(shù)迅速發(fā)展，空間飛行器總類繁多，功能越來(lái)越全面，覆蓋民用、軍事的各個(gè)方面，目前空間飛行器主要指地球衛(wèi)星和空間站等。由于其功能的擴(kuò)展對(duì)供電系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高，主要包括容量上、供電穩(wěn)定性和抗負(fù)載擾動(dòng)等幾個(gè)方面?，F(xiàn)有空間電源主要包含化學(xué)電源（如熱電池、鋰電池、鋅銀電池、氫鎳電池、鎘鎳電池等）、太陽(yáng)電池陣?蓄電池組聯(lián)合電源和核電源，其中以太陽(yáng)電池陣?蓄電池組電源為空間電源的主力。

由于在空間中太陽(yáng)光照強(qiáng)度、負(fù)載功率、蓄電池充電功率等的變化，均會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星電源系統(tǒng)直流母線電壓發(fā)生大幅度變化。傳統(tǒng)的衛(wèi)星總線拓?fù)洳捎肧3R（sequential switching shunt regulator）分流調(diào)節(jié)方式，通過(guò)控制太陽(yáng)電池陣的輸出分流消耗或向負(fù)載供電，從而保證電源在衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間保持電能供應(yīng)和負(fù)載消耗的平衡，向負(fù)載提供穩(wěn)定工作電壓。S3R在 1977 年第三屆 ESA 空間能源會(huì)議上提出，地球同步軌道通訊衛(wèi)星電源系統(tǒng)一般都采用此類調(diào)節(jié)技術(shù)[1]。但是，由于S3R拓?fù)渲胁捎锚?dú)立的充、放電模塊，導(dǎo)致其體積和總量較大；同時(shí)，由于其充電控制器和放電控制器均直接與電源母線相聯(lián)，若衛(wèi)星采用 28 V等低母線電壓體系時(shí)，S3R蓄電池組的充電電壓會(huì)受到較大限制。對(duì)此提出改進(jìn)的S4R（sequential switching shunt series regulator）控制系統(tǒng)，如圖1所示[2]。

圖1 基于S4R技術(shù)的電源管理框圖

圖中串聯(lián)調(diào)節(jié)系統(tǒng)由多個(gè)獨(dú)立模塊組成，均包含一個(gè)分流調(diào)節(jié)器（SR）和一個(gè)蓄電池組充電控制器（BCR），并與一個(gè)太陽(yáng)能電池陣單元相連。太陽(yáng)電池分陣在光照充足的情況下，既能對(duì)母線負(fù)載供電，又能為蓄電池組充電。這種控制方式可最大限度地利用太陽(yáng)電池陣輸出功率，效率可高達(dá)99%。整個(gè)系統(tǒng)由電源控制協(xié)調(diào)各模塊工作，基本原理是太陽(yáng)電池陣輸出首先滿足衛(wèi)星負(fù)載的需求，其次再對(duì)蓄電池充電，在蓄電池和負(fù)載需求均得到滿足后，多余的能量從分流電路以熱的形式消耗掉。

1 Buck變換器設(shè)計(jì)

在空間飛行器中，直流母線電壓需要滿足蓄電池充電和各種負(fù)載工作的需要，同時(shí)要考慮線路損耗等因素，因此直流母線電壓較高，通常取100 V；負(fù)載側(cè)供電需要高效率DC/DC變換器，作為空間電源系統(tǒng)的核心。由于負(fù)載工作電壓較低，通常采用降壓（Buck）變換。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 Buck變換器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

假設(shè)開關(guān)管[T1]在0～[t1]期間導(dǎo)通時(shí)，電感[L1]中的電流線性增加，電流上升增量為：

[ΔI1+=0t1Us-U0L1dt=Us-U0L1DonTs] （1）

當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)，電感中的電流線性下降，電流減少量為：

[ΔI1-=t1t2U0L1dt=U0L1（1-Don）Ts] （2）

若電感中電流臨界連續(xù)，則[ΔI1+=ΔI1-=2I0，]此時(shí)電感值應(yīng)為：

[L1=R2（1-Don）Ts] （3）

負(fù)載通常需要電流連續(xù)，因此Buck變換器中電感取值應(yīng)大于[L1]并留有一定余量。變換器中電容的選取與紋波電壓大小有關(guān)，流經(jīng)電容的電流[IC=I1-I0，]對(duì)電容充電產(chǎn)生的紋波電壓為[3]：

[ΔU0=U08L1C（1-Don）T2s] （4）

通常取電壓紋波為輸出電壓的1%，由此可計(jì)算出電容最小取值。

開關(guān)管控制采用電壓閉環(huán)的PI控制，PI調(diào)節(jié)器輸出參考信號(hào)與三角波比較生成觸發(fā)脈，沖控制開關(guān)管T1工作，控制原理如圖3所示。圖中[v*dc]為直流電壓給定值，[vdc]為電壓反饋值。

圖3 直流電壓控制原理

2 仿真及分析

根據(jù)上述原理設(shè)計(jì)空間電源中的降壓變換器，輸入電壓為100 V，輸出電壓為28 V，則開關(guān)管占空比為[Don=][28100=0.28；]阻性負(fù)載為20 Ω，開關(guān)頻率為10 kHz，輸出電壓紋波為1%，計(jì)算得到電流臨界連續(xù)時(shí)電感值為[Lmin=]0.72 mH；考慮負(fù)載等效電阻值的波動(dòng)，實(shí)際電感取2.5倍[Lmin，][L1=]1.8 mH；電容最小值[Cmin=]50 μF，為提高輸出波形質(zhì)量，實(shí)際電容[C1]取500 μF。

利用Matlab搭建仿真模型，直流電壓給定值為28 V，PI調(diào)節(jié)器參數(shù)為比例系數(shù)[Kp=]2.5，[Ki=]35。設(shè)置[t=]0.15 s時(shí)，負(fù)載由20 Ω突增到10 Ω，即負(fù)載增大一倍，得到仿真結(jié)果如圖4所示。穩(wěn)態(tài)時(shí)能夠跟蹤給定值；負(fù)載增加后，由于電流增加，因此直流電壓紋波略微增大，但都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值1%。

圖4 突加負(fù)載時(shí)直流電壓相應(yīng)曲線

3 結(jié) 論

利用Buck變換器實(shí)現(xiàn)了空間電源直流母線到負(fù)載的降壓變換，控制部分采用基于PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)控制方法，根據(jù)電壓、電流關(guān)系設(shè)計(jì)了濾波電感和直流電容的取值范圍，利用仿真驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的Buck變換器能夠?qū)崿F(xiàn)所需的電壓變換，具有較好的動(dòng)、靜態(tài)性能。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬鑫，張東來(lái)，徐殿國(guó).S3R & S4R控制策略分析及仿真[J].測(cè)控技術(shù)，2007，26（6）：45?47.

[2] CAPELA P P. Comparative performance evaluation between the S4R and the S3R regulated bus topologies [C]// 2001 IEEE 32nd Annual Conference on Power Electronics Specialists. [S.l.]： PESC， 2001（4）： 1963?1969.

[3] 林飛，杜欣.電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真[M].北京：中國(guó)電力出版社，2009.

[4] 李艷，張菁.采用LC濾波的大功率本安Buck開關(guān)變換器[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（12）：137?138.

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[6] 楊玲玲，丁馳竹，夏淵.基于ARM的激光電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（20）：159?162.

[ΔU0=U08L1C（1-Don）T2s] （4）

通常取電壓紋波為輸出電壓的1%，由此可計(jì)算出電容最小取值。

開關(guān)管控制采用電壓閉環(huán)的PI控制，PI調(diào)節(jié)器輸出參考信號(hào)與三角波比較生成觸發(fā)脈，沖控制開關(guān)管T1工作，控制原理如圖3所示。圖中[v*dc]為直流電壓給定值，[vdc]為電壓反饋值。

圖3 直流電壓控制原理

2 仿真及分析

根據(jù)上述原理設(shè)計(jì)空間電源中的降壓變換器，輸入電壓為100 V，輸出電壓為28 V，則開關(guān)管占空比為[Don=][28100=0.28；]阻性負(fù)載為20 Ω，開關(guān)頻率為10 kHz，輸出電壓紋波為1%，計(jì)算得到電流臨界連續(xù)時(shí)電感值為[Lmin=]0.72 mH；考慮負(fù)載等效電阻值的波動(dòng)，實(shí)際電感取2.5倍[Lmin，][L1=]1.8 mH；電容最小值[Cmin=]50 μF，為提高輸出波形質(zhì)量，實(shí)際電容[C1]取500 μF。

利用Matlab搭建仿真模型，直流電壓給定值為28 V，PI調(diào)節(jié)器參數(shù)為比例系數(shù)[Kp=]2.5，[Ki=]35。設(shè)置[t=]0.15 s時(shí)，負(fù)載由20 Ω突增到10 Ω，即負(fù)載增大一倍，得到仿真結(jié)果如圖4所示。穩(wěn)態(tài)時(shí)能夠跟蹤給定值；負(fù)載增加后，由于電流增加，因此直流電壓紋波略微增大，但都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值1%。

圖4 突加負(fù)載時(shí)直流電壓相應(yīng)曲線

3 結(jié) 論

利用Buck變換器實(shí)現(xiàn)了空間電源直流母線到負(fù)載的降壓變換，控制部分采用基于PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)控制方法，根據(jù)電壓、電流關(guān)系設(shè)計(jì)了濾波電感和直流電容的取值范圍，利用仿真驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的Buck變換器能夠?qū)崿F(xiàn)所需的電壓變換，具有較好的動(dòng)、靜態(tài)性能。

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[ΔU0=U08L1C（1-Don）T2s] （4）

通常取電壓紋波為輸出電壓的1%，由此可計(jì)算出電容最小取值。

開關(guān)管控制采用電壓閉環(huán)的PI控制，PI調(diào)節(jié)器輸出參考信號(hào)與三角波比較生成觸發(fā)脈，沖控制開關(guān)管T1工作，控制原理如圖3所示。圖中[v*dc]為直流電壓給定值，[vdc]為電壓反饋值。

圖3 直流電壓控制原理

2 仿真及分析

根據(jù)上述原理設(shè)計(jì)空間電源中的降壓變換器，輸入電壓為100 V，輸出電壓為28 V，則開關(guān)管占空比為[Don=][28100=0.28；]阻性負(fù)載為20 Ω，開關(guān)頻率為10 kHz，輸出電壓紋波為1%，計(jì)算得到電流臨界連續(xù)時(shí)電感值為[Lmin=]0.72 mH；考慮負(fù)載等效電阻值的波動(dòng)，實(shí)際電感取2.5倍[Lmin，][L1=]1.8 mH；電容最小值[Cmin=]50 μF，為提高輸出波形質(zhì)量，實(shí)際電容[C1]取500 μF。

利用Matlab搭建仿真模型，直流電壓給定值為28 V，PI調(diào)節(jié)器參數(shù)為比例系數(shù)[Kp=]2.5，[Ki=]35。設(shè)置[t=]0.15 s時(shí)，負(fù)載由20 Ω突增到10 Ω，即負(fù)載增大一倍，得到仿真結(jié)果如圖4所示。穩(wěn)態(tài)時(shí)能夠跟蹤給定值；負(fù)載增加后，由于電流增加，因此直流電壓紋波略微增大，但都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值1%。

圖4 突加負(fù)載時(shí)直流電壓相應(yīng)曲線

3 結(jié) 論

利用Buck變換器實(shí)現(xiàn)了空間電源直流母線到負(fù)載的降壓變換，控制部分采用基于PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)控制方法，根據(jù)電壓、電流關(guān)系設(shè)計(jì)了濾波電感和直流電容的取值范圍，利用仿真驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的Buck變換器能夠?qū)崿F(xiàn)所需的電壓變換，具有較好的動(dòng)、靜態(tài)性能。

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