一種應(yīng)用于空間環(huán)境的太陽(yáng)電池陣升壓變換器

代 磊，魯 偉，張 明，李海津，張?zhí)┓?/p>

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300384；2.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

電源分系統(tǒng)是衛(wèi)星核心組成部分之一，負(fù)責(zé)為衛(wèi)星提供持續(xù)和可靠的能源供給。隨著大型軍事航天裝備有效載荷供電需求的不斷提升，高空間/時(shí)間分辨率綜合化環(huán)境態(tài)勢(shì)感知與監(jiān)測(cè)裝備對(duì)電源系統(tǒng)的功率容量與供電品質(zhì)提出了非常嚴(yán)苛的要求。衛(wèi)星平臺(tái)要求供電母線為高精度的穩(wěn)定母線，合成孔徑雷達(dá)(SAR)載荷以及脈沖負(fù)載要求母線滿(mǎn)足瞬時(shí)強(qiáng)脈沖功率需求，瞬時(shí)功率甚至超過(guò)平臺(tái)功率的10 倍以上[1-2]。

衛(wèi)星的電源分系統(tǒng)主要由實(shí)現(xiàn)功率能量調(diào)配的電源控制器(PCU)、實(shí)現(xiàn)電能存儲(chǔ)的蓄電池和將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)換為電能的太陽(yáng)電池陣組成[3]。傳統(tǒng)衛(wèi)星電源控制器大多采用全調(diào)節(jié)母線電源系統(tǒng)，若按照峰值功率需求配備太陽(yáng)電池陣和蓄電池組，質(zhì)量約為按平均功率設(shè)計(jì)的10 倍左右，大功率電源控制器也會(huì)帶來(lái)平臺(tái)質(zhì)量大幅增加、技術(shù)實(shí)施難度急劇增大的問(wèn)題。SAR 遙感衛(wèi)星的特殊用電需求對(duì)衛(wèi)星電源分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了極大的挑戰(zhàn)[4]。

短時(shí)大功率脈沖的SAR 載荷在啟動(dòng)和工作過(guò)程中存在的劇烈的電壓和電流波動(dòng)會(huì)對(duì)母線產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁干擾(EMI)，如果SAR 載荷與衛(wèi)星公用載荷共用一條母線，產(chǎn)生的EMI 將影響控制、測(cè)控和數(shù)管等關(guān)鍵分系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，因此絕大多數(shù)的SAR 衛(wèi)星基本上配備了兩條母線，其中一條全調(diào)節(jié)母線提供衛(wèi)星平臺(tái)載荷磁干擾，如果SAR 載荷與衛(wèi)星公用載荷共用一條母線，產(chǎn)生的電磁干擾將影響衛(wèi)星其它關(guān)鍵分系統(tǒng)用電需求，另外一條不調(diào)節(jié)母線提供SAR 載荷用電需求，使得SAR 載荷工作過(guò)程中產(chǎn)生的電壓電流的劇烈震蕩不會(huì)影響平臺(tái)載荷。大多數(shù)的SAR 載荷供電來(lái)源是不調(diào)節(jié)母線，相較于全調(diào)節(jié)母線，不調(diào)節(jié)母線具有輸出阻抗低的優(yōu)點(diǎn)，可滿(mǎn)足短期峰值負(fù)載和強(qiáng)脈沖負(fù)載的供電需求。

國(guó)內(nèi)外SAR 衛(wèi)星電源系統(tǒng)特點(diǎn)如表1 所示[5]。國(guó)外的SAR 衛(wèi)星為了最大限度發(fā)揮電池的功率輸出能力，基本上都采用了最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)SAR 衛(wèi)星不調(diào)節(jié)母線的功率需求，我國(guó)雖然也有發(fā)射成功的SAR 衛(wèi)星[2]，但SAR載荷的母線依然采用傳統(tǒng)的S3R 技術(shù)，這對(duì)太陽(yáng)電池控制體積、質(zhì)量和成本等方面提出了巨大的挑戰(zhàn)[1]。隨著遙感、偵察任務(wù)需求以及載荷水平的不斷提升，衛(wèi)星平臺(tái)及載荷對(duì)電源系統(tǒng)提出了嚴(yán)苛又迫切的要求。目前國(guó)內(nèi)外SAR 遙感衛(wèi)星峰值功率已達(dá)到20 kW 量級(jí)，正朝著20～100 kW 的方向發(fā)展，傳統(tǒng)基于S3R 技術(shù)的衛(wèi)星電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案已難以適應(yīng)新的技術(shù)要求。因此，為了滿(mǎn)足SAR 載荷的功率需求，急需探索新的空間電源供電方案。

表1 國(guó)內(nèi)外SAR 衛(wèi)星電源系統(tǒng)

雖然MPPT 技術(shù)屬于串聯(lián)式開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器，變換器的效率相較于S3R 等并聯(lián)式調(diào)節(jié)器偏低，但在光照條件變化的情況下，依然能夠使得變換器工作在太陽(yáng)電池陣能夠輸出的最大功率點(diǎn)，提高了太陽(yáng)電池陣的利用率，MPPT 技術(shù)適合于太陽(yáng)光照變化較大或者太陽(yáng)電池工作溫度變化劇烈的空間飛行器[6]。對(duì)于高脈沖高功率載荷的SAR 衛(wèi)星，為了保證載荷的高可靠性工作，也經(jīng)常采用MPPT 技術(shù)對(duì)太陽(yáng)電池陣進(jìn)行調(diào)節(jié)[7-8]。

本文針對(duì)SAR 對(duì)空間電源系統(tǒng)SAR 載荷的功率特殊要求，研制了一種采用Superboost 拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)MPPT 的變換器。Superboost 的輸出直接掛在SAR 載荷的母線上，SAR 載荷的蓄電池也直接掛在母線上，可以通過(guò)模塊的并聯(lián)實(shí)現(xiàn)整個(gè)電源系統(tǒng)SAR 載荷的功率輸出的擴(kuò)容，如圖1 所示。本文介紹了電路拓?fù)浜蚆PPT 技術(shù)，采用電力電子仿真軟件PSMI 對(duì)變換器進(jìn)行了仿真，搭建了試驗(yàn)平臺(tái)(輸入50～75 V，輸出80～100 V，單模塊功率680 W)，驗(yàn)證了仿真及設(shè)計(jì)的正確性。

圖1 電源系統(tǒng)框圖

1 變換器介紹

1.1 Superboost 拓?fù)涔ぷ髟?/h3>

Boost-MPPT 電源控制器單模塊拓?fù)潆娐啡鐖D2 所示，電路輸出與輸出端口電流連續(xù)，具有較小的電流紋波和良好的電磁兼容性。同樣，Boost-MPPT 電源控制器可以采用多模塊并聯(lián)的方式，以滿(mǎn)足不同等級(jí)的功率需求。

圖2 變換器電路圖

Superboost 變換器和Boost 變換器均是實(shí)現(xiàn)輸出電壓高于輸入電壓的不隔離式直流變換器，但是Boost 變換器只有輸入端的電感，輸出端無(wú)濾波電感，只能保證輸入的電感電流連續(xù)而不能保證輸出電流連續(xù)，輸出電容上紋波電流大，對(duì)輸出電容的交流紋波和可靠性均提出了很高的要求。Superboost 在Boost 變換器的基礎(chǔ)上增加一個(gè)電感和一個(gè)電容，保證了輸入和輸出電流的連續(xù)性，降低了輸入和輸出濾波的難度。Superboost 變換器效率高和功率密度高的優(yōu)點(diǎn)能夠很好地滿(mǎn)足空間需求[9-11]。

Superboost 由M1、變換器D1、D2、L1、L2、C1、C2組成，其中二極管D2是為了實(shí)現(xiàn)多模塊并聯(lián)使用而增加的。當(dāng)電容C1和C2足夠大時(shí)，可以認(rèn)為電容上UC1和UC2電壓均為輸出電壓Uout。流過(guò)電感L1和L2的電流iL1和iL2之和等于輸入電流iin。圖3 為變換器兩個(gè)工作模態(tài)等效電路。

圖3 變換器兩個(gè)工作模態(tài)等效電路

工作于模態(tài)一[t0,t1]時(shí)，在t0時(shí)刻，MOS 管M1導(dǎo)通，二極管D1反偏截止。電感L1兩端承受的電壓為Vin，電感L2兩端承受的電壓為Vin，電感L1和L2的電流iL1和iL2均線性增長(zhǎng)。

當(dāng)t=t1時(shí)，電感電流iL1和iL2均達(dá)到最大值iL1max和iL2max。在工作模態(tài)一時(shí)，電感電流iL1的增長(zhǎng)量為：

電感電流iL2的增長(zhǎng)量為：

工作于模態(tài)二時(shí)，MOS 管M1截止，二極管導(dǎo)通，電感L1兩端承受的電壓為Vin-Vout，電感L2兩端承受的電壓為Vin-Vout，電感L1和L2的電流iL1和iL2均線性減小。

當(dāng)t=t2時(shí)，電流iL1和iL2均達(dá)到最小值iL1min和iL2min。在工作模態(tài)二時(shí)，電流iL1的減少量為：

電流iL2的減少量為：

由此可見(jiàn)，Superboost 變換器在MOS 管導(dǎo)通時(shí)，電感L1和L2均進(jìn)入儲(chǔ)能階段，同時(shí)與電容C1和C2一同向負(fù)載提供了能量，MOS 管截止時(shí)，電源、電感L1和L2共同向負(fù)載提供能量，同時(shí)給C1和C2充電。

變換器工作的主要波形圖如圖4 所示。

圖4 變換器的工作波形圖

輸入輸出電壓關(guān)系滿(mǎn)足式(5)：

其中D為MOS 管驅(qū)動(dòng)的占空比：

1.2 MPPT 基本原理

空間用電源控制器針對(duì)太陽(yáng)電池的調(diào)制方式可以分為串聯(lián)型調(diào)節(jié)與并聯(lián)型調(diào)節(jié)。采用并聯(lián)式的調(diào)節(jié)方式(如S3R、S4R)往往需要考慮壽命末期光照強(qiáng)度、溫度、輻照損失等條件的影響，為了保證壽命末期依然能夠滿(mǎn)足衛(wèi)星壽命需求，電路設(shè)計(jì)上均是太陽(yáng)電池陣工作在最佳工作點(diǎn)的左方，這將無(wú)法充分利用太陽(yáng)電池的輸出能力。

而串聯(lián)式(如MPPT)調(diào)節(jié)方式使太陽(yáng)電池始終工作在最大功率點(diǎn)狀態(tài)，在太陽(yáng)電池的全壽命周期內(nèi)，電源系統(tǒng)能夠最大限度地利用太陽(yáng)電池的輸出功率。相較于并聯(lián)式調(diào)節(jié)方式，串聯(lián)式調(diào)節(jié)方式降低了鋰電池的放電深度，提高了鋰電池的可靠性。圖5 為MPPT 與S3R 模式的太陽(yáng)電池初期、末期工作點(diǎn)，無(wú)論在壽命初期還是在壽命末期均可以最大化地利用太陽(yáng)電池。

圖5 MPPT與S3R 模式的太陽(yáng)電池初末期工作點(diǎn)

對(duì)太陽(yáng)電池的MPPT 可以通過(guò)軟件與硬件的方式實(shí)現(xiàn)。雖然軟件算法在地面光伏發(fā)電領(lǐng)域技術(shù)已經(jīng)非常成熟，在空間領(lǐng)域也有歐空局(ESA)采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)實(shí)現(xiàn)MPPT 算法的成功經(jīng)驗(yàn)，但由于空間應(yīng)用的特殊條件及高可靠性要求，空間用電源系統(tǒng)的MPPT 實(shí)現(xiàn)大多采用硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

MPPT 的控制算法有很多，其中增量電導(dǎo)法具有控制邏輯簡(jiǎn)單、控制效果好、在光照強(qiáng)度劇烈變化的情況下依然能夠追蹤和追蹤過(guò)程中無(wú)明顯毛刺的典型特點(diǎn)，因此本次研究采用的是電導(dǎo)增量法。電導(dǎo)增量法可以用太陽(yáng)電池的P-V 曲線來(lái)說(shuō)明，變換器工作在太陽(yáng)電池的最大功率點(diǎn)的斜率為0，在最大功率點(diǎn)的左側(cè)斜率為正，最大功率點(diǎn)的右側(cè)斜率為負(fù)。已知P=VI恒成立，求導(dǎo)可以得出：

在最大功率點(diǎn)時(shí)，滿(mǎn)足式(8)：

電導(dǎo)增量法通過(guò)比較瞬時(shí)電導(dǎo)與增量電導(dǎo)的大小，來(lái)判斷太陽(yáng)電池工作的電壓方向，進(jìn)而得到最大功率點(diǎn)，如圖6 所示。

圖6 電導(dǎo)增量法示意圖

MPPT 電路的功能框圖如圖7 所示。變換器可以分為功率與控制兩個(gè)部分。MPPT 控制電路對(duì)功率電路中太陽(yáng)電池陣電壓和電流進(jìn)行采樣，通過(guò)采樣保持電路對(duì)當(dāng)前電流和電壓值與前一狀態(tài)的值進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比，通過(guò)RS 觸發(fā)器輸出狀態(tài)的變化實(shí)現(xiàn)改變太陽(yáng)電池的工作點(diǎn)，從而使得變換器工作在最大功率點(diǎn)PMAX(VMAX，IMAX)附近，從而使變換器實(shí)現(xiàn)了電導(dǎo)增量的控制算法。

圖7 MPPT功能框圖

2 仿真校驗(yàn)與試驗(yàn)情況

2.1 仿真情況

在PSIM 軟件中搭建了仿真電路，設(shè)置太陽(yáng)電池陣初期開(kāi)路電壓70 V，短路電流10 A，最大功率點(diǎn)電壓65 V，電流9.5 A。蓄電池通過(guò)電源與二極管模擬，蓄電池電壓即母線電壓，為90 V。

圖8 為最大功率跟蹤太陽(yáng)電池陣電壓電流波形圖，變換器很好地追蹤到了最大功率點(diǎn)。

圖8 最大功率跟蹤太陽(yáng)電池陣電壓電流波形圖

圖9 為仿真電路中電感L1和L2的電流和電容C1兩端電壓的波形圖，可知電感L1和L2的電流和電容C1電壓理論分析與仿真一致。

圖9 Superboost功率變換部分仿真波形圖

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

搭建試驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)置太陽(yáng)電池陣初期開(kāi)路電壓70 V，短路電流10 A，最大功率點(diǎn)電壓65 V，電流9 A，蓄電池電壓為90 V。對(duì)太陽(yáng)電池的電壓與電流進(jìn)行了測(cè)試，如圖10 所示，可以看出變換器很好地追蹤到了太陽(yáng)電池的最大功率點(diǎn)。

測(cè)試了太陽(yáng)電池陣不同最大功率點(diǎn)(電壓相同，均為70 V，電流不同)和不同母線電壓情況下的變換器的效率，具體測(cè)試結(jié)果如圖11 所示。

圖11 效率測(cè)試圖

3 結(jié)論

針對(duì)SAR 衛(wèi)星對(duì)空間電源系統(tǒng)提出的特殊功率需求，本文研制了一種采用MPPT 技術(shù)升壓式變換器，對(duì)硬件電路實(shí)現(xiàn)的MPPT 的原理和本文采用的功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Superboost 變換器工作原理進(jìn)行了介紹，對(duì)變換器進(jìn)行了仿真與設(shè)計(jì)，搭建了試驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)表明本文所設(shè)計(jì)的變換器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)電池最大工作點(diǎn)很好地追蹤，同時(shí)變換器效率可達(dá)98.5%。本文的研究為后續(xù)我國(guó)SAR 衛(wèi)星中要采用的MPPT 技術(shù)提供了一種切實(shí)可行的方案。