衛(wèi)星電源放電調(diào)節(jié)電路優(yōu)化設(shè)計(jì)與可靠性研究

李冬輝，王 偉， 周大鈞，姚樂樂，李鴻宇

(1.天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津300072；2.Department of Electrical Engineering,State University of New York at Buffalo,New York 14260)

衛(wèi)星電源放電調(diào)節(jié)電路優(yōu)化設(shè)計(jì)與可靠性研究

李冬輝1，王 偉1， 周大鈞1，姚樂樂1，李鴻宇2

(1.天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津300072；2.Department of Electrical Engineering,State University of New York at Buffalo,New York 14260)

針對(duì)衛(wèi)星電源工作環(huán)境惡劣的特點(diǎn)，提出了一種對(duì)基于HE-Boost放電電路進(jìn)行穩(wěn)健性設(shè)計(jì)與優(yōu)化的方法。在電路設(shè)計(jì)方面，基于某衛(wèi)星實(shí)際情況，采用跨導(dǎo)控制方式，并對(duì)其建模分析，得到相應(yīng)傳函與參數(shù)；在優(yōu)化與可靠性方面，采用穩(wěn)健性設(shè)計(jì)：通過對(duì)電路進(jìn)行靈敏度及參數(shù)掃描分析，實(shí)現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化；通過應(yīng)力分析、最壞情況分析以及模擬一種故障模式，驗(yàn)證元器件在一定范圍內(nèi)變動(dòng)或失效時(shí)，多模塊并聯(lián)電路的母線電壓依舊穩(wěn)定。綜上，該方法適用于衛(wèi)星電源電路等對(duì)可靠性要求較高的場所。

HE-Boost；放電電路；穩(wěn)健設(shè)計(jì)；最壞情況分析；可靠性

Abstract:Considering the satellite Power Conditioning Unit(PCU)works in hash environment,a robust design and optimization based on HE-Boost Topology was proposed in battery discharge regulator(BDR).In term of design for circuit,while transconductance control method was used and small-signal model was built,transfer function and parameter was achieved.In term of optimization design and reliability,a robust design was used.Suitable parameter was got from the parameter sweep and vary analysis; the bus voltage of multi-module parallel circuit remained stable,while components parameter were changed within a certain range or components get fail by stress analysis,a worst-case analysis(WCA)and one failure mode simulation.In conclusion,the robust design and optimization was suitable for satellite power circuit,especially for places which need higher requirements for reliability.

Key words:HE-Boost;BDR;robust design;worst case analysis;reliability

由于衛(wèi)星的所處環(huán)境惡劣且發(fā)射成本一直處于較高的水平，因此對(duì)衛(wèi)星的可靠性能要求就比較高。電源控制器(PCU)作為衛(wèi)星電源系統(tǒng)控制中心，其作用最為關(guān)鍵，為衛(wèi)星提供能量，協(xié)調(diào)衛(wèi)星工作期間蓄電池與太陽能間能量平衡。目前，我國研制的衛(wèi)星電源母線電壓有28、42 V和100 V三種等級(jí)。當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)入陰影區(qū)時(shí)，太陽電池陣不能滿足輸出功率，電源放電調(diào)節(jié)器(BDR)完成母線調(diào)節(jié)工作保持電壓穩(wěn)定，蓄電池需要放電為母線提供電能，在這個(gè)階段中起重要作用。

文獻(xiàn)[1]從整體角度分析了衛(wèi)星電源控制器的各模塊設(shè)計(jì)過程；文獻(xiàn)[2]分析了多種衛(wèi)星電源系統(tǒng)放電調(diào)節(jié)模塊并聯(lián)均流技術(shù)；文獻(xiàn)[3]簡述了非隔離型HE-Boost電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；文獻(xiàn)[4]從平均值電流控制型Buck變換器控制系統(tǒng)的角度進(jìn)行建模與分析，為本文提供建模分析依據(jù)；文獻(xiàn)[5-6]采用了試驗(yàn)的方法(常見的試驗(yàn)有熱學(xué)試驗(yàn)、力學(xué)試驗(yàn)、電磁兼容試驗(yàn)等)來保障空間設(shè)備的可靠性；文獻(xiàn)[7]基于Saber軟件進(jìn)行電路容差分析，但不夠全面。當(dāng)前涉及到HE-boost文獻(xiàn)較少，建模分析幾乎沒有。

本文以42 V母線電壓PCU為平臺(tái)。首先從BDR電路工作原理及各個(gè)模塊控制設(shè)計(jì)與分析角度出發(fā)，給出參數(shù)確定方法；其次，由于當(dāng)前涉及HE-Boost拓補(bǔ)建模文獻(xiàn)少之又少，本文進(jìn)行建模分析，為后續(xù)穩(wěn)健設(shè)計(jì)提供參數(shù)依據(jù)；根據(jù)穩(wěn)健性設(shè)計(jì)流程，通過saber軟件對(duì)單個(gè)BDR電路進(jìn)行優(yōu)化分析。其中，靈敏度分析，找出敏感器件，并通過參數(shù)掃描，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的微調(diào)與優(yōu)化。待優(yōu)化好后，需要對(duì)電路進(jìn)行最壞情況分析，以保障電路器件在一定范圍內(nèi)浮動(dòng)時(shí)對(duì)母線輸出最大偏差的影響最小。當(dāng)然還為確保電路器件滿足降額要求還需對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力分析；最后，通過對(duì)跨導(dǎo)控制下，三個(gè)并聯(lián)均流控制的BDR進(jìn)行故障模式仿真，確保器件損壞情況下，母線輸出依舊穩(wěn)定。綜上實(shí)現(xiàn)了對(duì)放電電路的優(yōu)化與可靠性分析。

1 BDR電路工作原理

本文中采用的是全調(diào)節(jié)母線方式,BDR調(diào)節(jié)電路在設(shè)計(jì)時(shí)引入了跨導(dǎo)控制，即各個(gè)調(diào)節(jié)模塊統(tǒng)一由主誤差放大器(MEA)控制，當(dāng)MEA輸出信號(hào)在一定范圍內(nèi)與BDR工作模式相對(duì)應(yīng)時(shí)，BDR工作。這種方式有效解決了并聯(lián)工作電流輸出均衡問題。正常情況下全部BDR處于工作狀態(tài)。BDR采用熱備份方式工作，一組蓄電池配三個(gè)BDR，當(dāng)1個(gè)失效時(shí)，母線輸出電壓依舊滿足設(shè)計(jì)要求，見圖1所示。

圖1 跨導(dǎo)控制

單個(gè)BDR原理如圖2所示，主電路中采用了HE-Boost電路進(jìn)行功率調(diào)節(jié)。HE-Boost具有如下特點(diǎn)：高效率；功率FET可以用低壓驅(qū)動(dòng)，簡化了門驅(qū)動(dòng)電路；相對(duì)于其他拓?fù)鋪碚f，功率FET的開關(guān)損耗低；推挽FET漏極電壓被輸出電壓鉗位；輸入輸出電流連續(xù)。PWM控制采用了SG1525芯片進(jìn)行控制，工作頻率為100 kHz。其內(nèi)部主要由運(yùn)算放大器、振蕩電路、電子基準(zhǔn)、軟啟動(dòng)電路和驅(qū)動(dòng)電路等幾部分組成。

圖2 BDR原理圖

2 BDR電路建模分析

2.1 HE-Boost設(shè)計(jì)分析

HE-Boost原理圖如圖2虛線框內(nèi)所示。包括了兩個(gè)并聯(lián)使用的MOS管，隔離正向壓降低的肖特基二極管，一個(gè)1∶1∶1∶1的變壓器。在保證供給負(fù)載能力連續(xù)的前提下能選用較小輸出濾波電容，而且減小放電過程對(duì)電池沖擊以增強(qiáng)電池壽命，提高可靠性的情況下，本文采用非重疊模式。電路的工作狀態(tài)可以簡化成4種模態(tài)：

模態(tài) 1：Q1、D1導(dǎo)通，Q2、D2、D3、D4關(guān)斷。流過 T1、T4電流幾乎相同，忽略勵(lì)磁電流的影響可得式(1)。

式中：i為輸出電流；Vbus為輸出電壓；Vg為輸入電壓；

模態(tài) 2：Q1、Q2關(guān)斷，D1、D2關(guān)斷，D3、D4導(dǎo)通。因?yàn)轳詈舷禂?shù)為1，故耦合電感為0；i與iout相同，忽略勵(lì)磁電流的影響可得：

模態(tài) 3：Q2、D2導(dǎo)通，Q1、D1、D3、D4關(guān)斷。與模態(tài) 1 分析情況近似；

模態(tài)4：Q1、Q2關(guān)斷，與模態(tài)2相同，故不再贅述。

Q1、Q2具有相同的占空比D，一個(gè)等效開關(guān)周期內(nèi)，電流變化量相同，故而得到電壓的輸出輸入比為2D+1。

經(jīng)小信號(hào)建模分析可得，HE-Boost電路簡化小信號(hào)模型對(duì)于傳遞函數(shù)：

式中：Gvd(s)、Gid(s)分別為電流、電壓控制方式傳遞函數(shù)。

2.2 控制環(huán)路分析

當(dāng)PCU工作在BDR域時(shí)，外部基準(zhǔn)為母線誤差放大信號(hào)。電流控制器將電流反饋信號(hào)與電流設(shè)定基準(zhǔn)信號(hào)比較放大后，通過SG1525形成一定占空比例的方波信號(hào)，控制HE-Boost的MOS管導(dǎo)通與斷開的控制電平。如此電路形成電流負(fù)反饋的控制環(huán)路，并通過對(duì)PWM方波信號(hào)占空比的調(diào)節(jié)來調(diào)整電流的大小，最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)。見圖3所示。

圖3 BDR控制環(huán)路圖

PWM控制采用SG1525，其內(nèi)部運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)為電壓跟隨器，實(shí)際電路中采用的工作頻率約125 kHz。頻率計(jì)算公式見式(5)所示。

式中：RT=2.7 kΩ，RD=0.7 kΩ，CT=20 nF。

電流控制有兩部分組成：電流采樣與電流控制。電流采樣采用電流鏡采樣電路，比例系數(shù)見式(6)所示。電流控制采用PI控制。其傳遞函數(shù)為Hi(s)=RsK，其中比例系數(shù)K=820，采樣電阻Rs為3 mΩ。

式中：R3=10 kΩ；R4=51 kΩ；C3=2 nF。

主電路中，選用的鐵氧體磁芯型號(hào)為R2KB1，電感量為922 μH；兩個(gè)電感Lin和Lboost選用的金屬磁粉芯型號(hào)分別為Y125-330和 Y125-467，電感量分別為28 μH 和 142 μH。

3 BDR電路穩(wěn)健設(shè)計(jì)

穩(wěn)健設(shè)計(jì)是從整體的設(shè)計(jì)方面對(duì)衛(wèi)星電源BDR進(jìn)行設(shè)計(jì)的一種方法，有利于提高可靠性。通過saber軟件對(duì)BDR進(jìn)行穩(wěn)健設(shè)計(jì)，有利于找到易受環(huán)境影響的器件參數(shù)，并通過分析與優(yōu)化使其可靠運(yùn)行，具體流程為標(biāo)稱設(shè)計(jì)，靈敏度、參數(shù)分析，最壞情況、應(yīng)力分析，故障分析。

3.1 標(biāo)稱設(shè)計(jì)

首先，BDR電路設(shè)計(jì)需要滿足一定的設(shè)計(jì)要求：輸入電壓范圍為24.5～37.5 V，輸出功率600 W，放電效率大于94%。在Saber仿真環(huán)境下建立主電路原理圖，見圖4所示。

圖4 BDR電路模型

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選取合適參數(shù)，32 V直流電源作為輸入電壓，輸出電阻為2.94 Ω，此過程為標(biāo)稱設(shè)計(jì)。拓?fù)鋱D搭接結(jié)束后，開始進(jìn)行常態(tài)分析。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 母線電壓、放電電流與負(fù)載電流值

由圖6可知，使母線電壓穩(wěn)定后平均值達(dá)到42.029 V，滿足母線輸出要求放電電流 (Iin)平均值是19.378 A，負(fù)載電流(Iout)為14.262 A，輸出電壓穩(wěn)定。放電效率為輸出功率與輸入功率比，其值約為97.5%。

圖6 靈敏度分析仿真結(jié)果

3.2 靈敏度設(shè)計(jì)

考慮到衛(wèi)星電源工作實(shí)際環(huán)境的惡劣，需要找出對(duì)母線電壓影響較大的器件或參數(shù)，以便后續(xù)工作的分析，即靈敏度分析。saber對(duì)BDR進(jìn)行常態(tài)仿真分析后，發(fā)現(xiàn)輸出電壓達(dá)到了標(biāo)稱要求，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行靈敏度分析。母線電壓輸出靈敏度分析結(jié)果如圖6所示。

圖7 參數(shù)掃描分析仿真結(jié)果

圖7為BDR電路母線電壓平均值的靈敏度其結(jié)果表明，相應(yīng)參數(shù)對(duì)輸出變化的影響較小，系統(tǒng)電路較穩(wěn)定。而這些參數(shù)中，對(duì)于母線電壓輸出值影響較大的是產(chǎn)生PWM波芯片的SG1525，其次是2.7 kΩ控制振蕩頻率的外接電阻r65。

3.3 參數(shù)掃描分析

根據(jù)靈敏度分析結(jié)果，這里僅以對(duì)外界電阻r65(SG1525中的RT)為例進(jìn)行參數(shù)掃描分析，選取溫度對(duì)參數(shù)變化影響為2%，即參數(shù)變化范圍2.65～2.75 kΩ；并根據(jù)結(jié)果找到更加合適的參數(shù)值，達(dá)到優(yōu)化的目的。

結(jié)合圖7仿真結(jié)果，在溫度影響下，BDR母線電壓輸出范圍穩(wěn)定在(42±0.5)V，尤其是r65取2.72 kΩ時(shí)，波動(dòng)最小，可以保證電路的穩(wěn)定輸出。

3.4 最壞情況分析

最壞情況分析是研究器件在一定范圍內(nèi)同時(shí)浮動(dòng)對(duì)母線電壓輸出的影響。令電路參數(shù)值在表1浮動(dòng)范圍內(nèi)按照正態(tài)分布隨機(jī)取樣；對(duì)所取樣的參數(shù)值進(jìn)行100次蒙特卡洛分析，檢驗(yàn)在最壞情況下，母線電壓輸出；將分析結(jié)果與設(shè)計(jì)要求進(jìn)行比較，給出分析結(jié)論。仿真結(jié)果如圖8所示。

由仿真結(jié)果看出，當(dāng)考慮溫度老化等因素產(chǎn)生的元器件初始偏差對(duì)BDR電路各元器件造成的影響時(shí)，母線電壓穩(wěn)定

表1 元器件參數(shù)偏差表

后，最大值的平均值為42.298 V；最小值的平均值為41.939 V，對(duì)應(yīng)峰峰值小于250 mV，母線輸出電壓的漂移值在±0.5 V以內(nèi)。由此可得衛(wèi)星電源放電調(diào)節(jié)模塊運(yùn)行在太空中(惡劣條件)時(shí)，仍能夠完成母線調(diào)節(jié)工作，使母線電壓輸出為42 V左右。

3.5 應(yīng)力分析

應(yīng)力分析主要用于檢驗(yàn)衛(wèi)星電源空間運(yùn)行時(shí)各元器件的參數(shù)是否在本身的額定負(fù)荷范圍內(nèi)。

由圖9，BDR電路應(yīng)力分析數(shù)值均低于50%，滿足電路設(shè)計(jì)要求。

圖9 應(yīng)力分析仿真結(jié)果

3.6 故障模式分析

當(dāng)前設(shè)計(jì)中，衛(wèi)星電源放電電路得到了優(yōu)化，但還不能完全確定其可靠性，因此需要對(duì)電路進(jìn)行故障模擬分析。這樣做的目的是確保某個(gè)BDR電路內(nèi)部電路或元器件導(dǎo)致蓄電池組輸出過流(26±2)A后，該BDR失效，它與電源脫離，其他備份BDR模塊繼續(xù)工作，進(jìn)而起到保護(hù)電路作用。過流保護(hù)電路功能一經(jīng)觸發(fā)即處于鎖定狀態(tài)。

本次仿真在2 ms時(shí)，對(duì)第一個(gè)BDR電路進(jìn)行過流模擬，即：輸入端加入脈沖電流(28.223 A)。仿真結(jié)果見圖10所示。

仿真結(jié)果表明，t=0.002 s時(shí)，BDR1電流i(BDR1)為28.223 A，大于允許范圍，電流保護(hù)電路產(chǎn)生關(guān)斷功率開關(guān)的信號(hào)，由于存在延時(shí)，t=0.00203 s時(shí)，i(BDR1)變?yōu)?，BDR1 電路失效。整個(gè)過程中整個(gè)放電電路母線電壓(Vbus)及流過另外兩路BDR電路電流不受影響，母線電壓依舊穩(wěn)定，因此該電路可靠性得到了驗(yàn)證。

圖10 故障模式仿真結(jié)果

4 結(jié)論

為了延長衛(wèi)星電源壽命，增強(qiáng)可靠性，以基于HE-Boost的42 V電壓等級(jí)的BDR電路為例，將建模分析與穩(wěn)健設(shè)計(jì)法相結(jié)合，對(duì)BDR電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而獲得較高的可靠性。首先通過以32 V作為輸入電壓BDR電路設(shè)計(jì)與saber常態(tài)仿真，得到穩(wěn)定后平均母線電壓為42.029 V，且放電效率高于97%；其次，通過靈敏度分析，找到敏感器件SG1525的RT，并對(duì)其進(jìn)行參數(shù)掃描，變化范圍為2.65～2.75 kΩ時(shí)，母線輸出電壓在(42±0.5)V以內(nèi)；然后，對(duì)電路進(jìn)行最壞情況分析，母線電壓穩(wěn)定后，平均值介于 42.298～41.939 V，漂移值在±0.5 V以內(nèi)，能驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性；最后，對(duì)整個(gè)放電電路進(jìn)行故障分析，當(dāng)BDR1模塊的輸入過流較大時(shí)，即輸入電流突變到28.223 A時(shí)，該BDR1電路脫離蓄電池，且母線輸出電壓依舊維持在42.107 V，證明某個(gè)器件損壞導(dǎo)致電流驟升，電路較為可靠、運(yùn)行完好。綜上穩(wěn)健性設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)對(duì)放電電路的優(yōu)化，優(yōu)化后的電路具有較高可靠性。

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Optimization design and reliability of satellite power discharge circuit

LI Dong-hui1,WANG Wei1,ZHOU Da-jun1,YAO Le-le1,LI Hong-yu2
(1.School of Electrical Engineering and Automation,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2.Department of Electrical Engineering,State University of New York at Buffalo,New York 14260,USA)

TM 131

A

1002-087X(2017)09-1335-03

2017-02-21

李冬輝(1962—)，男，黑龍江省人，博士生導(dǎo)師，教授，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮樱?jì)算機(jī)控制，故障診斷，樓宇自動(dòng)化；王偉(1989—)，男，天津市人，碩士生，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮印?/p>