國外星載大電流直流開關(guān)電源均流技術(shù)綜述

方唱凱 王衛(wèi)國 郭顯鑫 高波

(1 蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000)(2 紹興文理學(xué)院電氣自動化系，浙江紹興 312000)

衛(wèi)星電源系統(tǒng)是衛(wèi)星最基本的組成部分，其主要功能是為衛(wèi)星正常運行提供穩(wěn)定的電能供給，并對電能進行儲存、分配和控制。隨著通信、數(shù)據(jù)處理類設(shè)備如調(diào)制器、解調(diào)器、路由器、信號接收處理機等的發(fā)展，要求處理的數(shù)據(jù)量越來越大，數(shù)據(jù)處理的速度越來越快。設(shè)備所采用的FPGA、數(shù)字信號處理器(DSP)、CPU等核心芯片對供電電源的電壓越來越低、電流越來越大——降低供電電壓、提高供電電流才能提高這類芯片的工作頻率。近年來，低電壓大電流的FPGA芯片在宇航領(lǐng)域開始得到應(yīng)用。最新應(yīng)用到宇航領(lǐng)域的FPGA 為1.0 V，供電電流為二十幾安培，對供電電源的要求為1.0 V/30 A。

國內(nèi)某衛(wèi)星某設(shè)備供電電源電壓1.2 V，工作電流為8 A，峰值電流17 A——用電設(shè)備為FPGA。另有衛(wèi)星某設(shè)備供電電源為3.5 V和5.4 V，工作電流分別為15 A和10 A，峰值電流分別為18 A和13 A。某衛(wèi)星關(guān)鍵載荷要求28 V/70 A供電，保護電流要求90 A?？臻g站某設(shè)備電源要求5 V/60 A供電。

美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(ANSI)于2012年發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)ANSI / VITA 62.0《模塊化電源標(biāo)準(zhǔn)(Modular Power Supply Standard)》[1]，用于高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄓ糜嬎銠C總線(VPX)機柜的電源模塊接口P3、P4、P5、P6輸出電流達到40 A。

大電流電源的應(yīng)用需求隨著航天器各設(shè)備電流容量的提高以及微處理器工作頻率的提高而呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。因此本文研究的重點是根據(jù)國外大電流并聯(lián)均流電源的研究情況，提出通過采用并聯(lián)電源系統(tǒng)，解決大電流、大功率供電問題，同時應(yīng)用均流技術(shù)提高衛(wèi)星電源系統(tǒng)可靠性的建議。

1 衛(wèi)星電源系統(tǒng)概述

衛(wèi)星電源系統(tǒng)是衛(wèi)星上產(chǎn)生、儲存、變換、調(diào)節(jié)和分配電能的衛(wèi)星分系統(tǒng)。一般衛(wèi)星電源系統(tǒng)主要是由太陽電池陣(發(fā)電)、蓄電池組(儲能)及電源控制裝置(控制)等組成，在光照期間太陽電池陣通過光電轉(zhuǎn)換把光能轉(zhuǎn)換為電能，為負載供電及蓄電池充電，在星蝕期間由蓄電池組為負載供電。一次電源系統(tǒng)主要負責(zé)電能的產(chǎn)生與存儲，二次電源系統(tǒng)則直接向用電設(shè)備供電。衛(wèi)星電源系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星電源系統(tǒng)框圖Fig.1 Satellite power system block diagram

隨著空間技術(shù)的不斷發(fā)展，要求衛(wèi)星的壽命越來越長，星上設(shè)備功率越來越大，衛(wèi)星所搭載的處理器頻率越來越高，同時需要衛(wèi)星電源產(chǎn)品具備可靠度高、轉(zhuǎn)換效率高、質(zhì)量輕、體積小、可實現(xiàn)功率擴展等諸多特性。衛(wèi)星電源模塊并聯(lián)是解決衛(wèi)星電源系統(tǒng)大電流供電的發(fā)展方向，模塊的并聯(lián)均流技術(shù)是實現(xiàn)大功率衛(wèi)星電源系統(tǒng)的基礎(chǔ)技術(shù)。并聯(lián)衛(wèi)星電源系統(tǒng)具有如下優(yōu)點[2]。

1)降低元器件的額定值和提高工作頻率

采用電源并聯(lián)的方式解決大電流負載供電，每一個電源的輸出電流和功率都降低了，開關(guān)器件、整流器件、變壓器、扼流圈等的額定值，可以選擇和利用的元器件種類多了，可以選擇的廠商也多了。由于元器件的電流、功率額定值降低了，寄生參數(shù)減小了，可以提高工作頻率，在大功率應(yīng)用場合，并聯(lián)工作的電源的體積較單一電源小，質(zhì)量輕。

2)提高效率和可靠性

并聯(lián)電源相對于單一電源，在并聯(lián)電源能均流的情況下，并聯(lián)電源在平均承擔(dān)輸出電流和輸出功率的情況下，同時平均承擔(dān)了自耗，減小了單一電源的功率元器件的熱耗，降低了自身的溫度，提高了工作可靠性，且散熱的代價和成本因為散熱措施的簡化而降低，熱管理難度降低。

3)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計

采用并聯(lián)均流技術(shù)的電源模塊，每一個模塊的功率降低了，體積減小了。設(shè)計上，采用通用的元器件，可以采用標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計。設(shè)計的移植性更好，這對提高生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)周期大有裨益。

4)模塊化

可以使得大容量的電源設(shè)計變得簡單，功率的增加依靠并聯(lián)的電源模塊的數(shù)量的增加即可。系統(tǒng)的設(shè)計更加簡單，可以根據(jù)負載的變化，迅速地重構(gòu)電源系統(tǒng)，電源的設(shè)計和應(yīng)用更加靈活。

5)冗余設(shè)計

采用并聯(lián)電源的供配電系統(tǒng)設(shè)計，依靠單電源的并聯(lián)提高電源系統(tǒng)的輸出能力，可以采用冗余設(shè)計，提高電源的工作可靠性，這種新型供配電方式如圖2所示。圖2的并聯(lián)供電電源系統(tǒng)中，共使用了M+N個電源模塊，其中，M個電源模塊的輸出功率就可以滿足使用要求，N個電源模塊的輸出功率作為功率冗余。正常工作時每一個模塊的輸出功率為其輸出能力的M/(M+N)，倘若其中一個或者幾個模塊出現(xiàn)故障，故障模塊被隔離，依靠其余模塊為負載供電，其余模塊的輸出功率增加。備份的程度可以根據(jù)用戶的需求進行定制，備份方式更加靈活，備份的代價和成本相對小。

圖2 并聯(lián)供電電源系統(tǒng)Fig.2 Parallel power supply system

理想的、完全相同特性的直流/直流(DC/DC)變換器多模塊并聯(lián)，不需要均流即可構(gòu)成大功率衛(wèi)星電源系統(tǒng)。但實際上，真正保證各并聯(lián)模塊特性完全一致是不可能的，不一致就可能造成相并聯(lián)的各模塊輸出電流有差異不均流，不均流就可能造成電、熱應(yīng)力不平衡而導(dǎo)致各模塊輸出不均流進一步加劇，從而影響系統(tǒng)特性和可靠運行。均流技術(shù)是對系統(tǒng)中各并聯(lián)模塊的輸出電流進行控制，保證衛(wèi)星電源系統(tǒng)的輸出電流盡可能按各個模塊的數(shù)量均攤，從而確保整個衛(wèi)星電源系統(tǒng)的可靠性。

2 主要均流方法概述

均流技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展出了多種均流方法，如圖3所示。從控制方法來說，有模擬的方法，如無源均流(Droop)法、主從均流法、最大電流自動均流法和平均電流自動均流方法；也有數(shù)字控制的方法，數(shù)字控制的方法，用程序來進行脈寬控制和均流控制，還能實現(xiàn)遠程通信以及故障診斷等智能特性，但是這將大大增加電路的成本和復(fù)雜性，所以性價比不高。

圖3 均流方法圖Fig.3 Diagram of current sharing method

2.1 無源均流法

無源均流法，是在各個單個電源模塊的輸出端串接電阻以提高輸出阻抗實現(xiàn)并聯(lián)的方法。無源均流法，也叫Droop法、下垂法、輸出電壓傾斜法，控制原理如圖4所示。圖4中，RS為電流監(jiān)測電阻，當(dāng)模塊的輸出電流較大時，電阻RS上的電壓增大，模塊輸出端的電壓減小，供給負載的電流自動減小，從而實現(xiàn)均流[3-5]。輸出電壓隨著負載的加大，而減小，故而稱為Droop法。

Droop法的優(yōu)點是電路簡單，易于實現(xiàn)。其缺點是負載調(diào)整率較差——輸出電流小時，輸出電壓高；反之，輸出電壓低。此外，其效率比較低。均流誤差的大小，取決于RS的大小，RS越大，電源模塊的輸出阻抗越大，均流誤差越小。但是，RS越大，RS的功耗越大，其選擇比較困難。RS的散熱也成問題，代價比較大。電源的效率因為RS損失比較大，效率低。

圖4 Droop均流控制電路原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of Droop current sharing control

2.2 有源均流法——主從均流法

主從均流法控制電路原理如圖5所示。Vref為電壓參考信號，Vf為輸出電壓反饋信號，主模塊電壓運算放大器根據(jù)Vref和Vf，得到誤差控制電壓Ve。所有從電源模塊的電壓運算放大器連接成電壓跟隨器，接收主電源模塊的誤差控制電壓Ve，形成相同的誤差控制電壓。整個電源系統(tǒng)的輸出電壓由主DC/DC電源變換器進行控制，從DC/DC電源變換器通過調(diào)節(jié)自身本來的輸出電壓，以實現(xiàn)輸出電流的跟隨和控制，從而實現(xiàn)了各個電源模塊的均流[6]。

主從均流法并聯(lián)供電系統(tǒng)，可以使得電源獲得較好的均流特性、瞬態(tài)特性，其從電源模塊也可以進行M+N的冗余設(shè)計。但是其缺點也明顯——雖然從模塊發(fā)生故障時，主模塊可以正常工作；但是，主模塊一旦失效，整個并聯(lián)供電系統(tǒng)失效。主模塊為單一模塊，成為可靠性的瓶頸。此外，均流母線(CSB)傳遞的是電源模塊閉環(huán)控制所需要的誤差電壓信號，誤差電壓信號頻帶寬，容易受噪聲的干擾。

主從均流法并聯(lián)電源模塊的均流誤差主要取決于模塊參數(shù)的一致性。

圖5 主從均流法控制電路原理示意圖Fig.5 Schematic diagram of master-slave current sharing control

2.3 平均電流自動均流法(有源均流法)

民主法，也稱為自動均流法，根據(jù)均流母線傳遞的電流信號，自動均流法可以分為平均電流自動均流法和最大電流自動均流法。

平均電流自動均流法控制電路原理示意如圖6所示，需要一個調(diào)整運算放大器比較均流母線電壓Vbus和輸出電流信號電壓Vc，得到一個調(diào)整電壓Va疊加到參考電壓Vref，形成電壓誤差放大器的參考電壓Vr，從而調(diào)整電源模塊的控制環(huán)路實現(xiàn)均流[3-5]。

平均電流自動均流法可以實現(xiàn)精確均流，但是不容錯，倘若某一個電源模塊進入限流工作狀態(tài)，或者不工作，都將拉低均流母線，從而使得電源模塊的輸出電壓下降，甚至不工作。解決該問題的辦法是自動將故障模塊從均流母線上切除，也就是各個電源的電流信號通過一個開關(guān)連接到均流母線上，一旦子電源的電流信號出現(xiàn)短路等故障時，開關(guān)自動斷開，均流母線的信號仍然是剩余各個電源的輸出電流的平均信號，在剩余子電源功率容量足夠的情況下，仍然是平均電流自動均流。這個方法需要增加開關(guān)并且增加故障識別和判斷電路以及開關(guān)切換電路，復(fù)雜性增加，僅在高可靠應(yīng)用場合適用。

圖6 平均電流自動均流法控制電路原理示意圖Fig.6 Schematic diagram of the average current automatic current sharing control

2.4 最大電流自動均流法(有源均流法)

最大電流自動均流法電路原理示意如圖7所示，最大電流自動均流法和平均電流自動均流法相似，將和均流母線通信的器件由電阻R更換成了二極管D，只有電流最大的電源模塊的電流信號可以和均流母線進行通信。

圖7 最大電流自動均流法控制電路原理示意圖Fig.7 Schematic diagram of the maximum current automatic current sharing control

最大電流自動均流法中，調(diào)整放大比較電源模塊的電流信號和最大電流信號，通過改變誤差電壓放大器的參考電壓，調(diào)整電源模塊的閉環(huán)控制，實現(xiàn)均流[3-5]。

最大電流自動均流法中，主從模塊不斷交替——不斷有從模塊挑戰(zhàn)主模塊的地位，成為主模塊，并聯(lián)供電電源系統(tǒng)輸出電壓可能存在低頻振蕩。最大電流自動均流法并聯(lián)的電源，主電源和從電源因為二極管的電壓降，而存在差異；并且二極管的引入，二極管正向壓降的差異將極大影響到均流的效果，并且很難調(diào)整二極管正向電壓降的差異——每一個作為主電源的輸出和從電源的輸出的誤差會因為二極管正向電壓降的差異而不同。不同于平均電流自動均流法，可以通過電阻并聯(lián)，進而獲得幾乎相等的電阻值。

盡管最大電流自動均流法存在低頻振蕩以及均流誤差的問題，最大電流自動均流法是目前國際通用的做法，獲得了美國德州儀器(TI)等國際大公司的支持，而得以成熟發(fā)展。TI公司開發(fā)的均流控制芯片UC3902、UC3907正是基于最大電流自動均流的思想[7]。UC3907內(nèi)置單向緩沖放大器以解決最大電流均流法存在的均流誤差的問題，UC3907、UC2907、UC1907系列芯片是同一類芯片對應(yīng)商業(yè)級、工業(yè)級、軍級的型號，目前UC3907尚在生產(chǎn)，而UC1907已經(jīng)停產(chǎn)。

2.5 數(shù)字化均流方法

并聯(lián)使用的多個電源模塊，使用模擬均流控制技術(shù)可以精確地實現(xiàn)均流，并實現(xiàn)冗余系統(tǒng)，但模擬均流技術(shù)存在的固有缺陷難以克服。而采用數(shù)字化技術(shù)實現(xiàn)均流控制，控制方法靈活，容易做到并聯(lián)系統(tǒng)中某個模塊發(fā)生故障時不影響其他模塊的正常運行。

數(shù)字方式實現(xiàn)電源模塊問的自動均流，各模塊必須具備數(shù)據(jù)交換能力，將模塊自身輸出電流、輸出電壓、溫度等參數(shù)傳輸給控制模塊。控制模塊對各個電源模塊進行監(jiān)控和管理，可檢測電源模塊的數(shù)量，設(shè)置電源模塊工作方式，輸出電壓與輸出電流值；接收各電源模塊發(fā)送的信息，判斷模塊的工作狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)有故障模塊時，立即隔離該模塊，并啟動備份模塊接替故障模塊的工作；接收各模塊輸出電壓、電流信息，求出模塊間電壓、電流的平均值并與各模塊輸出電壓、電流值進行比較，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的均流精度要求計算出某個需進行怎樣的調(diào)整并對模塊發(fā)送調(diào)整信息，通過調(diào)節(jié)達到電源系統(tǒng)均流要求。

采用數(shù)字均流方法的關(guān)鍵是，模塊間采用何種通信方式能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠與高速交換，同時又能使通信接口簡單。在控制電路中嵌入單片機(或DSP控制器)，通過單片機內(nèi)部的通信模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，不僅實現(xiàn)電源模塊之間的數(shù)據(jù)通信，也可實現(xiàn)電源模塊與電源控制單元(PCU)下位機的通信。單片機(或DSP控制器)有多種總線模式可供選擇，CAN總線支持分布式和實時控制，具有很好的可靠性、實用性和靈活性，能夠滿足均流控制的實時通信需求[8]。

實現(xiàn)均流輸出，即首先獲得每一個子電源變換器的輸出電流信息，然后按照一定的方式進行模塊間的電流通信，取得各個子電源變換器的均流信號，各個子電源變換器比較均流信號和自身的電流信號，得出均流誤差信號，均流誤差信號參與到脈沖寬度調(diào)制(PWM)的調(diào)整中，進行輸出電流調(diào)整，實現(xiàn)各個子電源變換器輸出電流的均衡。

綜上所述，Droop法實現(xiàn)起來簡單，存在低負載調(diào)整的問題；主從法實現(xiàn)均流，電路也不復(fù)雜，但是均流母線傳遞的是寬頻帶的均流信號，容易受擾，并且主模塊失效，整個系統(tǒng)失效；最大電流自動均流法，由于不斷有子模塊“競爭”主模塊的地位，存在著低頻振蕩的問題；平均電流自動均流法，存在著某一個模塊失效，拉低均流母線電壓導(dǎo)致電路失效的問題。不同于模擬均流方法，數(shù)字自動均流控制更加靈活，可以簡化硬件電路，增強抗干擾能力，提高控制系統(tǒng)的可靠性，通用性強，均流控制精度高，使得電源系統(tǒng)的智能化程度更高，性能更強，但是這也使得均流成本大大增加，需要考慮性價比因素。

3 國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的研究情況

在高可靠DC/DC變換器領(lǐng)域，標(biāo)準(zhǔn)化電壓(+3.3 V、+5 V、+12 V、+15 V、+28 V)大電流的負載供電采用的是基于商業(yè)級現(xiàn)貨技術(shù)(COTS)的具有均流功能DC/DC變換器并聯(lián)供電[8]。為先進的FPGA提供1 V/30 A供電的電壓調(diào)節(jié)模塊(VRM)、或者負載點電源(POL)，如PDH0500、PDH1200等，目前為TI公司壟斷。TI公司的VRM為均流控制的交錯并聯(lián)降壓式(Buck))非隔離變換器。

美國的國際主流公司Interpoint公司、IR公司、VPT公司和Vicor公司，為NASA供貨。ESA的主要DC/DC變換器供貨商為法國的Alcatel ETCA公司。

Interpoint公司的MOR系列產(chǎn)品具有并聯(lián)功能，其并聯(lián)功能引腳為以輸出回線為參考的共享(Share)引腳，為單線并聯(lián)。最多可以并聯(lián)5個MOR模塊，實現(xiàn)最高500 W的輸出功率。在并聯(lián)時，所有的輸出正和輸出正線(+Sense)端必須接在一起，所有的負輸出和輸出回線(-Sense)端接在一起。當(dāng)產(chǎn)品不需要并聯(lián)功能時，Share引腳必須懸空。MOR電源模塊最大輸出電流(單路、低電壓輸出的MOR283R3S)為20 A，均流電路需要的輸出電流信息采用電流變壓器采樣，電流采樣電路復(fù)雜、占據(jù)的空間大。

IR公司AFL系列的DC/DC產(chǎn)品具有并聯(lián)均流的功能，通過將模塊的Share引腳連接在一起實現(xiàn)均流，IR公司AFL系列電源模塊實現(xiàn)均流的同時實現(xiàn)模塊的溫度均衡。IR公司AFL系列的DC/DC產(chǎn)品采用分流器進行電流采樣，分流器的功耗大，可能為散熱付出代價，或者成為可靠性瓶頸。IR公司AFL系列的DC/DC產(chǎn)品的優(yōu)勢在于能夠熱應(yīng)力自動均流——倘若并聯(lián)應(yīng)用的某一個DC/DC電源產(chǎn)品工作溫度升高，其輸出電流能夠自動減小，以補償溫度導(dǎo)致的應(yīng)力。

Vicor公司的DC/DC產(chǎn)品分為微型(Micro)、小型(Mini)、全型(Maxi)3個系列。Maxi系列產(chǎn)品單模塊輸出功率高達600 W，輸出電壓為1～54 V，通過并聯(lián)(PR)引腳實現(xiàn)模塊的并聯(lián)工作，以增大輸出功率或組成冗余陣列。PR引腳是一個可以在模塊之間發(fā)送和接收信息的雙向端口。PR母線上的脈沖信號可以使每一個DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊中的高頻開關(guān)同步操作，從而實現(xiàn)負載均流。

無論NASA的主要DC/DC變換器供貨商Interpoint、IR等公司，還是ESA的主要DC/DC變換器供貨商Alcatel ETCA公司，均采用了厚膜工藝技術(shù)，除Alcatel ETCA公司外，均流技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)產(chǎn)品化、系列化，其均流技術(shù)實現(xiàn)情況見表1，但是其均流的精度相對比較低只有10%。

表1 國際主流公司具有均流功能的大功率電源模塊拓撲及輸出電流、輸出功率列表Table 1 List of high-power power supply module topologies, output currents and output powers of international mainstream companies with products having current sharing function

對于冗余并聯(lián)電源，按照設(shè)計，某一子模塊或者某幾個子模塊故障，如輸出端整流管短路、濾波電容短路，但是剩下的子模塊還能提供需求的功率，如果故障能被隔離，該電源還能使用，還能繼續(xù)工作，這對于航天、航空、礦用機車等高可靠應(yīng)用場合，異常重要。

故障隔離的通用辦法是在輸出端加上二極管做隔離保護，二極管隔離保護電路簡單，易于實現(xiàn)。但是在電流大的應(yīng)用場合，其功耗較大，散熱難度增加，難以散熱，并且二極管的壓降一般在0.3～0.7 V，例如在1.2 V等輸出電壓的低電壓應(yīng)用場合，顯得不適宜。尤其是二極管的壓降隨溫度、電流變化而變化，二極管的引入，必將犧牲電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

采用金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)和控制電路代替隔離二極管，由于MOSFET的導(dǎo)通電阻可以做到幾個毫歐姆，甚至小于一個毫歐姆，可以很好地解決二極管隔離保護電路帶來的一系列問題[9]。但是MOSFET導(dǎo)通后——柵源極加驅(qū)動電壓后，其電流是雙向?qū)ǖ?，可以從漏極流向源極，也可以是源極流向漏極，這是MOSFET相對于二極管做隔離使用時不同之一，要求控制電路能夠快速并準(zhǔn)確的檢測故障，從而馬上關(guān)閉MOSFET，以保障容錯功能的正常發(fā)揮。

Vicor公司下屬的Picor公司專門針對這個問題，研制生產(chǎn)了專門的有源門電路做并聯(lián)電源輸出端故障隔離用，其代表性的產(chǎn)品是PI2001和PI2121系列。PI2121系列有源門電路將MOSFET管和控制電路封裝在一起，目前有8 V/24 A、15 V/15 A、30 V/12 A這3種型號可供選擇。如果PI2121不能滿足要求，可以選擇控制電路PI2001，自行配置MOSFET，形成需要的隔離保護電路。

并聯(lián)電源系統(tǒng)的均流技術(shù)，在航天、導(dǎo)彈、艦船、飛機等高可靠應(yīng)用領(lǐng)域，主要使用的DC/DC直流開關(guān)電源，一部分產(chǎn)品為進口的貨架式厚膜電源產(chǎn)品，一部分產(chǎn)品為國內(nèi)研制。國內(nèi)研制生產(chǎn)單位主要是航天科技集團和中電集團的一些下屬單位，主要均流技術(shù)應(yīng)用尚沒有相關(guān)報道，厚膜工藝的直流開關(guān)電源產(chǎn)品在航天領(lǐng)域獲得了搭載的機會，并沒有正式應(yīng)用。

國內(nèi)外的技術(shù)狀態(tài)總結(jié)如下：國外主要的航天領(lǐng)域電源供應(yīng)商都對均流技術(shù)獨立開展了相應(yīng)的研究，電路拓撲結(jié)構(gòu)主要為單端正激的28 V輸入母線，均可支持單雙路輸出，根據(jù)需求可配置66～120 W功率輸出，最大輸出功率為600 W，但是均流模塊數(shù)均不超過5個，均流精度也不高為10%，在故障隔離模塊，采用MOSFET管解決了傳統(tǒng)二極管隔離電路產(chǎn)生的問題；國內(nèi)均流技術(shù)的研究較少，主要應(yīng)用于民用領(lǐng)域，未見在航天領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用。

4 發(fā)展展望

隨著數(shù)據(jù)處理、通信技術(shù)的發(fā)展，宇航電子設(shè)備越來越復(fù)雜、功能越來越強，需要的電源電壓種類越來越多、電源電流越來越大、電源電流動態(tài)特性越來越高。宇航電子設(shè)備從傳統(tǒng)的±15 V、±12 V、+5 V、+3.3 V等電壓種類電源供電，發(fā)展到目前±15 V、±12 V、+5 V、+3.3 V、+2.5 V、+1.8 V、+1.5 V、+1.2 V、+1.0 V、+0.9 V等電壓種類供電。高性能的FPGA、DSP、CPU等器件的核電源電壓從2.1～3.5 V降低到1.0～1.8 V；電流從5 A提高到20～30 A，未來可能到達50 A[1]。芯片在睡眠模式和工作模式間轉(zhuǎn)換時，供電電流的變化率從(1×109) A/s提高到(5×109)A/s。供電電源的容差從±5%下降到了±3%，3.3 V供電電源的±165 mV的電源容差下降到了1.0 V供電電源的±30 mV的電源容差。美國Xilinx公司Virtex-7系列FPGA芯片，核電源電壓為1.0 V，電源電壓容差±30 mV。低電壓、大電流、高電流變化率電源的FPGA、DSP、CPU等大規(guī)模集成芯片要求電源PCB板級臨近供電[1,10]。

在低壓大電流領(lǐng)域，如果采用單一電源大電流輸出供電通常存在以下問題。

(1)半導(dǎo)體器件電流容量明顯不夠。IR等國際主流功率半導(dǎo)體器件公司的產(chǎn)品，目前基本滿足大部分開關(guān)電源對功率MOSFET和功率二極管的電流、電壓要求，但是由于抗輻照、降額設(shè)計等特殊要求，對器件的參數(shù)要求更高，航天應(yīng)用的高可靠功率器件的選擇范圍相對較小，個別應(yīng)用場合，部分高可靠器件無法滿足應(yīng)用需求。

(2)開關(guān)速度、開關(guān)頻率不能滿足要求。由開關(guān)MOSFET開關(guān)過程的分析可知，柵極電路的時間常數(shù)τ是影響開關(guān)速度的重要參數(shù)，同時，現(xiàn)代電力電子學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)，利用柵極電荷Qg計算開關(guān)速度、設(shè)計驅(qū)動電路比使用輸入電容Ciss更加準(zhǔn)確、更加方便，柵極電荷Qg越高，電路的開關(guān)速度越低，開關(guān)頻率越低[11]。以航天器常用MOSFET器件IRHE67230和IRHMS67260的柵極電荷Qg為例，8 A的IRHE67230和45A的IRHMS67260的Qg分別為50 nC和240 nC，也就是說開關(guān)頻率相差接近5倍，單一電源中大容量功率器件的引入，使得開關(guān)電源的開關(guān)頻率大幅度下降，隨之，變壓器、電感器、電容器的體積大幅度提高，這是難以接受的。

(3)熱應(yīng)力大大增強，散熱代價提高。航天應(yīng)用的特殊性之一是功率器件的散熱只能依靠傳導(dǎo)、輻射散熱，不能采用地面設(shè)備采用的風(fēng)冷、水冷等措施。對于航天產(chǎn)品而言，目前通用做法是對大于0.3 W的器件，必須采取強制散熱措施。對于如28 V/70 A輸出的開關(guān)電源，如果采用單個變換器供電，倘若采用傳統(tǒng)的低導(dǎo)通壓降的肖特基二極管做整流器件，以0.2 V的壓降進行初略計算，其功耗為14 W，即使該器件為TO-254AA封裝，或者是SMD-2封裝，電源的效率、可靠性都降低。即使可以通過主動散熱等措施降低器件的工作溫度至其可以接受的范圍，然而，這些措施必然帶來散熱的復(fù)雜性，甚至高昂的代價。

因此，并聯(lián)電源系統(tǒng)在解決星上日益繁多的大電流用電設(shè)備的供電問題有重要的應(yīng)用，而為了保證各并聯(lián)電源模塊長期穩(wěn)定的運行，需要對各模塊使用均流技術(shù)提高衛(wèi)星電源系統(tǒng)的可靠性和壽命。

并聯(lián)電源系統(tǒng)有利于實現(xiàn)航天器電源的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化。研制出一系列標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的電源變換器，當(dāng)電源變換器的輸出電流需求變化時，只需要按需求增減并聯(lián)的電源變換器的數(shù)量，從而縮短研制周期，提高生產(chǎn)效率。

同時，在考慮選用哪種均流控制方法時，由于各種均流方法都有其優(yōu)缺點，針對不同的衛(wèi)星平臺，應(yīng)根據(jù)其母線電壓功率及壽命選擇不同的均流方法。

例如，對于短時衛(wèi)星電源系統(tǒng)，可選用無源均流法實現(xiàn)模塊間的均流，此方法無須外加專用的均流控制電路，模塊之間不需要建立聯(lián)系，各模塊獨立調(diào)節(jié)。此方法雖然均流調(diào)節(jié)精度不高，但簡單經(jīng)濟，可以滿足多數(shù)系統(tǒng)的要求。無源均流法在提高均流性能的同時會導(dǎo)致模塊電壓調(diào)整率的下降，在電源系統(tǒng)運行一段時間后均流性能會下降，因此該方法適用于短時衛(wèi)星電源系統(tǒng)。對于在軌時間較長的衛(wèi)星電源系統(tǒng)，可選用數(shù)字均流控制方法。雖然數(shù)字均流控制方法難度較大，成本較高，但是控制精度高，硬件電路簡單，響應(yīng)速度快，抗干擾能力強，控制靈活，通用性強，單模塊發(fā)生故障時不影響電源系統(tǒng)的正常工作。在不改變硬件的情況下，通過軟件實現(xiàn)控制系統(tǒng)的升級，并能通過通信接口實現(xiàn)對電源系統(tǒng)的遠程控制。

最后，在宇航領(lǐng)域，為進一步發(fā)揮并聯(lián)型電源系統(tǒng)冗余功能，做到高可靠應(yīng)用，無論是選擇哪一種均流控制方法，需要在各個并聯(lián)應(yīng)用的電源變換器的輸出端采用故障隔離電路。而數(shù)字均流控制在故障檢測和故障隔離擁有先天性的優(yōu)勢，數(shù)字控制方法的發(fā)展也將是我國未來航天領(lǐng)域電源發(fā)展的重點和趨勢。

5 結(jié)束語

由于并聯(lián)使用的DC/DC變換器模塊特性并不完全一致，輸出電壓高的模塊可能承擔(dān)更多負載，而有的模塊則可能輕載甚至空載運行，結(jié)果導(dǎo)致分擔(dān)電流多的模塊熱應(yīng)力大，降低了電源系統(tǒng)整體的可靠性。均流技術(shù)就是對系統(tǒng)中各并聯(lián)電源的輸出電流加以控制，盡可能均分系統(tǒng)輸入總電流，確保并聯(lián)電源系統(tǒng)長期可靠地運行。本文就均流技術(shù)及其應(yīng)用做了簡要分析，任何一個新技術(shù)的發(fā)展都是一個逐步完善的過程，隨著星載用電設(shè)備等對大電流直流開關(guān)電源的需求逐步增加，進一步開展并聯(lián)電源以及均流技術(shù)的研究，以符合航天系統(tǒng)應(yīng)用對更高性能和可靠性的同時追求。在進行工程設(shè)計時，也應(yīng)該根據(jù)具體情況選用合適的均流方法來實現(xiàn)自動均流。