空間20 kW電源控制器研究

張偉，關(guān)振昆，張?zhí)┓?，趙秋山，邵蘭娟

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384)

空間20 kW電源控制器研究

張偉，關(guān)振昆，張?zhí)┓?，趙秋山，邵蘭娟

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384)

鑒于衛(wèi)星的功率隨著有效載荷的需求不斷增大，未來衛(wèi)星電源對高效率、大功率電源控制器的需求將變得迫切。為了實現(xiàn)電源控制器的20 kW功率設(shè)計，采用了100 V母線體制，設(shè)計了全新的分流調(diào)節(jié)器、優(yōu)化了傳統(tǒng)蓄電池充放電調(diào)節(jié)器及基于FPGA的高集成智能管理單元。原理樣機能夠完成20 kW功率輸出，滿足未來衛(wèi)星電源工程化的需求。

電源控制器；分流調(diào)節(jié)器；蓄電池充放電調(diào)節(jié)器；FPGA

隨著我國航天事業(yè)的不斷進步，空間電源控制器的功率也在不斷提升。為了適應(yīng)我國下一代通信衛(wèi)星及寬帶廣播衛(wèi)星[1]等大容量衛(wèi)星型號，特別是中高軌衛(wèi)星平臺、空間站等的需求，進行了空間20 kW級電源控制器的研究。20 kW電源控制器沿用空間100 V母線體制，以輸出一條100 V全調(diào)節(jié)母線，200 A電流為基本設(shè)計功能，采用三域管理方式，由主誤差放大器(MEA)統(tǒng)一協(xié)調(diào)順序開關(guān)分流調(diào)節(jié)器(S3R)及充放電調(diào)節(jié)器(BCDR)，保證電源控制器在軌任何階段為負載提供恒定的母線電壓。20 kW電源控制器功率模塊配置8個SUN模塊及14個BCDR模塊，保證20 kW功率輸出能力，此外還包含2個遙測遙控(TMTC)模塊、濾波電容模塊及背板模塊組成。

1 設(shè)計分析及創(chuàng)新

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)構(gòu)設(shè)計是電源控制器設(shè)計中重要的設(shè)計思想之一，結(jié)構(gòu)的設(shè)計涉及到電源控制器的力學(xué)性能、控制器內(nèi)部熱源的導(dǎo)熱設(shè)計、以及EMC、輻照等方面的設(shè)計[2]。本項目電源控制器以電路功能劃分，采用模塊化的設(shè)計，功能相同電路的模塊，位置可以任意互換，提高了控制器安裝速度及縮短了可維修時間，同時結(jié)構(gòu)內(nèi)部采用了框架式的結(jié)構(gòu)設(shè)計，發(fā)熱器件安裝于結(jié)構(gòu)底部，此設(shè)計既保證了發(fā)熱器件熱量的導(dǎo)出，模塊的質(zhì)量也顯著的降低。本項目采用框架式的結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)了控制器輕量化和模塊化的設(shè)計。

1.2 全新的分流調(diào)節(jié)器

20 kW電源控制器的太陽電池方陣功率的調(diào)節(jié)采用S3R技術(shù)，可將一次電源母線穩(wěn)定在100 V，實現(xiàn)全調(diào)節(jié)母線控制。由于母線電壓與太陽電池陣實際的最佳工作點電壓接近，太陽電池陣的利用率較高。但是為了滿足電源控制器在光照期，太陽電池壽命末期依然能保證控制器20 kW的功率輸出，單級S3R電路分流能力要求達16 A，單級功率1 600W。如此大的單級功率，本項目采取了較多的創(chuàng)新設(shè)計。首先，太陽電池陣直通母線的隔離二極管由傳統(tǒng)的兩并兩串設(shè)計，改為兩并設(shè)計，單級熱耗至少減15W功率，但帶來的風(fēng)險是，單二極管失效時母線對地短路，項目中設(shè)計了防此二極管短路的保護電路。其次還設(shè)計了防止開關(guān)MOS管短路電路，目的是在任何時候，都能保證單級太陽電池陣不會被對地短接浪費空間寶貴的能量。

由于單級太陽電池陣功率16 A，必然導(dǎo)致太陽電池陣的寄生電容達幾微法，因此分流MOS開關(guān)管在每周期導(dǎo)通時，將有非常大的峰值電流，極易造成MOS管損壞。本控制器設(shè)計了無損耗的峰值電流限制電路，保證開關(guān)峰值電流在40 A左右，極大地提高了分流電路的可靠性和安全性。

本項目中將3級S3R電路、保護電路及濾波組件等合成為一個光照調(diào)節(jié)(SUN)模塊，全新設(shè)計的分流電路效率達到了99%。

1.3 控制器模塊之間的能量傳輸

(1)20 kW電源控制器由于功率大，特別設(shè)計了一個與其他所有模塊垂直插件安裝的背板。背板相對于之前空間型號平臺，除了有對控制器內(nèi)部各功能之間傳遞遙控遙測信號指令，最重要的是承擔了控制器模塊之間的大功率電流傳輸。隨著印制電路板(PCB)絕緣性能、散熱水平以及敷銅水平等工藝的提高，通大電流的PCB應(yīng)用已經(jīng)在很多航空航天得到使用。20 kW電源控制器在設(shè)計中采用分散式供電方式，平衡SUN模塊與BCDR模塊的功率輸出，極大地減少了各模塊間電流傳輸?shù)膲毫Γ垢髂K可通過功率印制板進行電流傳輸，大大降低了整機情況下的內(nèi)部電流傳輸損耗，較傳統(tǒng)使用匯流銅條在體積、質(zhì)量及便攜式上都有明顯的提升。

(2)本項目中經(jīng)過充分的實驗，驗證了PCB在通大電流，應(yīng)用于大功率方面的可行性?？刂破髦泄β誓KSUN模塊及BCDR模塊均采用此方法。電源控制器20 kW功率，200 A電流被均分配至8個SUN模塊輸出，每個SUN輸出25 A電流。如圖1所示，在控制器配置中最多兩個BCDR模塊經(jīng)過背板匯流，然后通過就近一個SUN模塊的PCB經(jīng)背板相反方向由接插件輸出BCDR功率。

圖1 控制器模塊配置圖

(3)20 kW電源控制器采用模塊熱備份的思想，母線電壓100 V，8個SUN模塊，每個模塊輸出負載電流能力大于25 A，最高達35 A，即使有損壞模塊依然保證20 kW功率輸出。14個BCDR模塊，每個模塊100 V，1 800W功率，配置了14個BCDR，即使南北方向各有一個模塊損壞，依然保證20 kW功率。

1.4 基于FPGA的高效集成智能管理

基于FPGA的TMTC電路，集成了多項功能。充電管理電路采用模數(shù)轉(zhuǎn)換實現(xiàn)256檔位的恒壓和恒流的檔位控制，提高了充電控制的精度。同時比傳統(tǒng)采用模擬多路開關(guān)實現(xiàn)的檔位控制，更加簡化，速度更快及精度更高。由于目前FPGA內(nèi)部已經(jīng)集成存儲器，鎖相環(huán)等高級硬件模塊，同時隨著FPGA門數(shù)的增大及成熟的IP核，為將來不改變硬件通過更新軟件擴展功能提供了可能。將FPGA成熟的功能電路做成ASIC，可以實現(xiàn)控制器中TMTC高度集成化，急劇縮小模塊體積，提高TMTC處理速度和精度。

2 電源控制器的設(shè)計實現(xiàn)

20 kW電源控制器采用全調(diào)節(jié)母線方式，通過MEA統(tǒng)一協(xié)調(diào)各功率模塊，分流調(diào)節(jié)器、放電調(diào)節(jié)器及充電調(diào)節(jié)器協(xié)調(diào)穩(wěn)定工作。在光照期和地隱期均以穩(wěn)定電壓向母線供電，滿足負載需求。電源控制器原理框圖如圖2。

2.1 中心誤差放大電路

中心誤差放大電路形成的誤差信號，取自于母線，反映了母線電壓的變化情況[3]。20 kW電源控制器工作期間，MEA統(tǒng)一協(xié)調(diào)各功率模塊，保證母線電壓穩(wěn)定在100 V。為保證母線電壓的精度和良好的動態(tài)調(diào)節(jié)特性，要求MEA電路具有一定的中頻帶寬，能夠補償系統(tǒng)的低頻極點，且具有高的噪音抑制能力。作為電源控制器的核心控制電路，本項目中MEA采取2/4方式電路，有效提高了系統(tǒng)的可靠性和驅(qū)動能力，電路原理如圖3。電源控制器內(nèi)部的全部功率調(diào)節(jié)模塊接收MEA電路統(tǒng)一控制，光照期太陽電池陣輸出功率滿足負載和充電要求時，電源控制器工作在S3R域，由分流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)太陽電池陣電流穩(wěn)定母線；太陽電池陣輸出功率滿足負載但不滿足充電要求時，電源控制器工作在BCR域，由充電調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)充電電流穩(wěn)定母線；地隱期或太陽電池陣功率不滿足負載峰值時，電源控制器工作在BDR域，由放電調(diào)節(jié)器通過放電電流穩(wěn)定母線。如圖4，MEA三域控制示意圖。

圖2 電源控制器原理框圖

圖3 2/4主誤差放大電路簡圖

圖4 MEA三域控制示意圖

2.2 SUN模塊

光照調(diào)節(jié)模塊(SUN)的設(shè)計主要包括S3R、母線濾波組件、保護電路等組成。20 kW電源控制器設(shè)置24級分流調(diào)節(jié)電路，單級分流能力為16 A，其中每三級設(shè)置于一個模塊中，控制器共配置8個SUN模塊。分流電路的狀態(tài)由主誤差放大信號和每級分流電路基準決定，系統(tǒng)平衡時分流電路只有一級處于開關(guān)調(diào)整狀態(tài)，其它各級處于對地分流或直供母線狀態(tài)。當負載減輕時，母線電壓升高，MEA電壓升高，24級分流電路依次進入分流狀態(tài)；反之，當負載加重，母線電壓降低，MEA電壓降低，24個分流電路依次退出分流狀態(tài)。通過對太陽電池陣電流的調(diào)節(jié)來保證母線電壓的穩(wěn)定，如圖5分流調(diào)節(jié)電路原理示意圖所示。

圖5 分流調(diào)節(jié)電路原理示意圖

設(shè)計中與母線的兩個隔離二極管并聯(lián)供電形式取代傳統(tǒng)四個二極管串并聯(lián)形式，還采取了防分流開關(guān)MOS管的短路保護，保護電路都是逐周期比較，具有響應(yīng)速度快，抗干擾強，保護穩(wěn)定的特點。同時由于太陽電池陣寄生電容的增大，不能采取傳統(tǒng)的方法使分流開關(guān)管工作于線性區(qū)微秒級抑制峰值電流的措施，必然導(dǎo)致開關(guān)管熱耗大。本項目采用了無損耗的峰值電流抑制方法，起到很好的效果。

2.3 BCDR模塊

BCDR模塊主要功能是在MEA信號控制下，調(diào)節(jié)蓄電池放電電流以滿足負載功率需求，同時在電池電壓反饋信號及智能管理單元控制下調(diào)節(jié)充電電流為蓄電池組完成恒流恒壓充電。該模塊主要包括電池端保護及濾波電路、電流采樣電路、功率變換電路、驅(qū)動控制電路、母線端保護及濾波電路、指令接口及二次電源等電路。BCDR電路原理示意圖如圖6所示。

圖6 BCDR電路原理示意圖

BCDR模塊在主功率回路上采用了共用元器件的設(shè)計，控制器配有14個BCDR模塊，多模塊并聯(lián)工作，每個BCDR有獨立的電流控制環(huán)，輸出電流由主誤差信號統(tǒng)一控制，采用輸出阻抗調(diào)節(jié)多個BCDR的均流設(shè)計[4]。為了避免單個器件失效導(dǎo)致母線和蓄電池輸出過載，BCDR模塊在輸入和輸出端口設(shè)計了保護電路。保護電路功能一經(jīng)觸發(fā)即處于鎖定狀態(tài)，電路的解鎖需要執(zhí)行模塊的斷電加電指令。這種設(shè)計保證了電路的可靠性，另一方面降低了電路的功率損耗。

2.4 TMTC模塊

TMTC模塊是電源控制器的智能管理中心，包含基于FPGA的智能管理單元電路、1553B通信接口電路、編碼及解碼電路、信號變換電路、主備機切換電路、MEA電路、電池充放電自主管理電路、指令電路及輔助電源等。

3 測試結(jié)果

20 kW電源控制器如圖7所示，經(jīng)過測試，性能指標見表1。

圖7 20 kW電源控制器圖

4 結(jié)束語

通過對20 kW電源控制器的測試和環(huán)境試驗，控制器能夠滿足空間20 kW級電源工程化的要求。該設(shè)備的研制成功，填補了國內(nèi)空白，該設(shè)計方案、關(guān)鍵技術(shù)的解決、結(jié)構(gòu)上、工藝上、電路上的突破及具體新電路的應(yīng)用都對我國下一代大功率衛(wèi)星電源控制器的研究具有指導(dǎo)意義。

[1]HOLLINGSWORTH T，GELONW，SZETO A.25 kW bus platform for communication satellites[J].AIAA，2010，28(9)：86-87.

[2]馬世俊，韓國經(jīng)，李文滋，等.衛(wèi)星電源技術(shù)[M].北京：中國宇航出版社，2002：5-25.

[3]李釧，朱立宏，王保平，等.繞月飛行器用電源控制器設(shè)計及實現(xiàn)[J].電源技術(shù)，2011，10：1255-1258.

[4]BOUHOURSG，ASPLANATO R，REBUFFEL C.A new generation of electrical power supply for telecom satellites[J].ESPC，2014，32(3)：20-41.

Research on 20 kW power conditioning unit for space

ZHANGWei，GUAN Zhen-kun，ZHANG Tai-feng，ZHAO Qiu-shan，SHAO Lan-juan
(Tianjin Institute ofPowerSources，Tianjin 300384，China)

In view of the increasing of satellite power w ith the increase of the payload，it is an urgent demand for power conditioning unit(PCU)w ith high efficiency and high power in the future satellite power supply.In order to achieve the PCU w ith 20 kW power，the system of 100 V bus was used，a new shunt regulator was designed，and the traditional battery charge and discharge regulator and the high integrated intelligentmanagement unit based on FPGA were optim ized.The engineering prototype could complete the 20 kW power output.Itmeets the future engineering requirements of spacecraftpayload.

power conditioning unit(PCU);shunt regulator;battery charge discharge regulator;FPGA

TM 57

A

1002-087X(2016)07-1438-03

2015-12-21

張偉(1981—)，男，山西省人，碩士，工程師，主要研究方向電路與系統(tǒng)及空間電源控制器。