基于通信衛(wèi)星TDMA載荷的電源控制器設(shè)計

趙秋山，王 凱，徐 偉，張?zhí)┓?，?偉

(中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384)

基于通信衛(wèi)星TDMA載荷的電源控制器設(shè)計

趙秋山，王 凱，徐 偉，張?zhí)┓?，?偉

(中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384)

為滿足通信衛(wèi)星TDMA載荷的動態(tài)性能需求，提出了一種大功率電源控制器設(shè)計方法，其功率達(dá)21.6 kW，功率可擴(kuò)展，采用100 V母線體制，介紹了其工作原理、模塊構(gòu)成和原理樣機(jī)測試情況，能夠滿足未來通信衛(wèi)星電源工程化的需求。

電源控制器;大功率通信衛(wèi)星;衛(wèi)星電源;TDMA有效載荷

近年來國外衛(wèi)星技術(shù)迅速發(fā)展，一些衛(wèi)星特別是地球同步軌道系列衛(wèi)星趨于向大容量、大功率發(fā)展，大功率衛(wèi)星的功率已經(jīng)普遍達(dá)到或超過了10 kW量級，歐美正在發(fā)展15 kW至20 kW級的衛(wèi)星平臺，未來還可能增加到25 kW。在國外，20 kW級電源控制器技術(shù)已經(jīng)成熟。美國波音公司在2002年就已經(jīng)開發(fā)成功有效載荷功率達(dá)18 kW的衛(wèi)星平臺。

根據(jù)國內(nèi)衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃，在未來幾年內(nèi)地球靜止軌道衛(wèi)星將得到迅速發(fā)展，衛(wèi)星的容量、性能和功率將有較大的提高，國內(nèi)現(xiàn)有的衛(wèi)星平臺已不能滿足設(shè)計需求。

衛(wèi)星不斷增大的功率需求和特殊載荷的動態(tài)需求對電源系統(tǒng)設(shè)計水平提出了新的要求，比如母線電壓精度、輸出阻抗、動態(tài)特性等。

本文針對未來通信衛(wèi)星TDMA載荷的動態(tài)需求，給出了新一代大功率電源控制器的研究情況，闡述了其組成部分、工作原理和原理樣機(jī)測試情況。

1 電源控制器的組成

基于通信衛(wèi)星TDMA載荷的電源控制器構(gòu)成如圖1所示，其中電源控制器采用100 V全調(diào)節(jié)母線。配置南北太陽電池翼和南北鋰離子蓄電池組，南北太陽電池翼設(shè)計為每翼12分陣，共24級分陣。南北鋰離子蓄電池組每組由50 Ah單體5并22串聯(lián)構(gòu)成，每組250 Ah。電源控制設(shè)計功率21.6 kW，主要功能：光照期電源控制器調(diào)節(jié)太陽電池陣輸出功率形成穩(wěn)壓供電母線，并完成蓄電池組充電；陰影期或太陽電池陣輸出功率不足時，電源控制器調(diào)節(jié)蓄電池組輸出功率形成穩(wěn)壓供電母線。其主要構(gòu)成包括母線誤差放大電路(MEA)、分流調(diào)節(jié)器(SR)、蓄電池充放電調(diào)節(jié)器(BCDR)和遙測遙控接口單元。

圖1 基于通信衛(wèi)星TDMA載荷的電源控制器架構(gòu)示意圖

電源控制器由26個模塊組成，分別是14個充放電調(diào)節(jié)模塊 (BCDR)、8個分流模塊 (SUN)、2個遙測遙控模塊(TMTC)、1個電容模塊(CAPA)和1個背板模塊(Back Board)。電源控制器的組成及實物照片如圖2、圖3所示。

電源控制器采用了模塊化設(shè)計。這種設(shè)計的優(yōu)勢體現(xiàn)在設(shè)計、生產(chǎn)和測試，單個模塊具有機(jī)械和電路功能的獨立性，單個模塊設(shè)計上的更改不會對整個產(chǎn)品帶來影響；同時在生產(chǎn)和測試上，多個模塊既可以同步并行開展工作，以減少生產(chǎn)和測試周期，也可以多個模塊依照進(jìn)度上的不同要求分布開展工作，具有很強(qiáng)的靈活性。

圖2 基于通信衛(wèi)星TDMA載荷的電源控制器產(chǎn)品圖

圖3 基于通信衛(wèi)星TDMA載荷的電源控制器模塊組成圖

1.1 母線誤差放大電路

母線誤差放大電路是電源控制器的核心控制電路，母線誤差放大(MEA)電路的主要功能是完成對誤差信號(母線分壓信號和電路基準(zhǔn)信號之差)的放大和積分。母線誤差放大電路的輸出信號統(tǒng)一控制太陽電池陣的分流和蓄電池的充放電，保證衛(wèi)星在軌的整個壽命期間母線電壓穩(wěn)定。

為提高電路的可靠度，母線誤差放大器采用冗余表決2/4串并備份方式的設(shè)計，每一路主誤差放大器全部相互獨立。母線誤差放大電路冗余表決示意圖如圖4所示。

圖4 母線誤差放大電路冗余表決示意圖

針對大功率通信衛(wèi)星有效載荷的TDMA負(fù)載特性，為滿足載荷對電源系統(tǒng)動態(tài)性能的較高要求，文章提出了一種區(qū)別于三域控制模式的兩域控制模式，兩域控制模式的原理圖如圖5所示。

圖5 母線誤差放大電路兩域控制示意圖

相對三域控制而言，兩域控制將BCR域和S3R域合并成一個SR域，在BDR域和S3R域設(shè)定死區(qū)，在這種控制模式下不采用獨立的BCR域，而將BCR作為一個單獨的母線負(fù)載。兩域控制的主要特點是電源控制器的動態(tài)性能品質(zhì)更優(yōu)，特別是跨域動態(tài)性能。

1.2 分流調(diào)節(jié)器

分流調(diào)節(jié)器用于光照期太陽電池陣的功率調(diào)節(jié)，電源控制器設(shè)置24級分流調(diào)節(jié)器，單級分流能力最大20 A，其主拓?fù)洳捎眯滦虰oost-S3R電路，如圖6所示。基本工作原理：分流調(diào)節(jié)電路的狀態(tài)由VMEA和每級電路基準(zhǔn)決定，當(dāng)負(fù)載減輕時，母線電壓升高，誤差信號VMEA電壓升高，分流電路進(jìn)入分流狀態(tài)；反之，當(dāng)負(fù)載加重，母線電壓降低，誤差信號VMEA電壓降低，分流調(diào)節(jié)電路依次退出分流狀態(tài)。

圖6 Boost-S3R原理圖

該新型Boost-S3R電路具有無損耗最大電流限制功能、防二極管短路失效功能和防MOSFET管短路失效功能，分流調(diào)節(jié)器模塊內(nèi)部不存在功率永久損失的失效模式 (只允許S3R故障后對母線供電而不允許對地分流)。

1.3 蓄電池充放電調(diào)節(jié)器

傳統(tǒng)的電源控制器的充電調(diào)節(jié)器和放電調(diào)節(jié)器為兩套相互獨立并聯(lián)運行的電路，充電調(diào)節(jié)器和放電調(diào)節(jié)器需要設(shè)計自己單獨的輸入輸出保護(hù)和輸入輸出濾波電路，以防止單二極管短路失效、功率MOSFET管短路失效模式。本文設(shè)計的蓄電池充放電調(diào)節(jié)器是一種新型的充放電調(diào)節(jié)器，通過充電調(diào)節(jié)器和放電調(diào)節(jié)器共用輸入輸出保護(hù)、輸入輸出濾波電路、二次電源、脈沖產(chǎn)生電路等措施，達(dá)到簡化電路、減少主功率器件、減少濾波器件的種類和數(shù)量，縮小了電路的體積和質(zhì)量，還提高了電路的工作效率。

該蓄電池充放電調(diào)節(jié)器的原理框圖如圖7所示，放電調(diào)節(jié)器的功率拓?fù)洳捎肳einberg電路，電池電壓范圍為54～98 V，放電功率為1 800 W，最大2 000 W。充電調(diào)節(jié)器的功率拓?fù)洳捎肂uck電路，采用恒流恒壓充電，充電電流范圍為0～3 A，充電電壓范圍為54～98 V。

圖7 蓄電池充放電調(diào)節(jié)器原理框圖

1.4 遙測遙控接口單元

遙測遙控接口單元包括兩個相互冷備份的邏輯時序控制電路，主要完成PCU與綜合電子之間的總線數(shù)據(jù)通信、執(zhí)行遙控指令和上傳遙測參數(shù)等功能。遙測遙控接口單元包含基于FPGA的邏輯控制管理單元、主備機(jī)切換電路、MEA電路、1553B總線通信電路、電池充電管理電路、母線過壓保護(hù)電路、輔助電源等。

2 原理樣機(jī)設(shè)計指標(biāo)符合性

電源控制器通過總體驗收測試，研制的21.6 kW PCU技術(shù)指標(biāo)實測值滿足合同指標(biāo)，其技術(shù)指標(biāo)在比功率、轉(zhuǎn)換效率、母線紋波等方面優(yōu)于國外PCU-NG技術(shù)指標(biāo)，詳細(xì)對比情況見表1所示。

表1 指標(biāo)對比情況

3 結(jié)論

基于通信衛(wèi)星TDMA載荷的電源控制器的研制成功，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，進(jìn)一步提升了我國中高軌道長壽命衛(wèi)星電源控制技術(shù)水平，滿足了長壽命衛(wèi)星在軌服務(wù)全壽命期的能源管理需求，為長壽命衛(wèi)星平臺技術(shù)的進(jìn)步提供了有利的技術(shù)支持，社會與軍事效益顯著。

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Design of power conditioning unit based on communicate satellite TDMA payload

ZHAO Qiu-shan,WANG Kai,XU Wei,ZHANG Tai-feng,ZHANG Wei
(Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China)

To satisfy the dynamic response of the communicate satellite TDMA payload,a high power conditioning unit design method was proposed with power of 21.6 kW and extensible feature,and 100 V bus was used in the system.The working principle and module composition of the communicate satellite power system were introduced,and the test of engineering prototype was depicted, which met the future engineering requirements of the communicate satellite.

power conditioning unit(PCU);high power communicate satellite;satellite power system;TDMA payload

TM 57

A

1002-087 X(2017)07-1057-03

2016-12-15

趙秋山(1983—)，男，河南省人，工程師，主要研究方向為空間電源控制技術(shù)。