空间20 kW电源控制器研究

张伟，关振昆，张泰峰，赵秋山，邵兰娟

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384)

空间20 kW电源控制器研究

张伟，关振昆，张泰峰，赵秋山，邵兰娟

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384)

鉴于卫星的功率随着有效载荷的需求不断增大，未来卫星电源对高效率、大功率电源控制器的需求将变得迫切。为了实现电源控制器的20 kW功率设计，采用了100 V母线体制，设计了全新的分流调节器、优化了传统蓄电池充放电调节器及基于FPGA的高集成智能管理单元。原理样机能够完成20 kW功率输出，满足未来卫星电源工程化的需求。

电源控制器；分流调节器；蓄电池充放电调节器；FPGA

随着我国航天事业的不断进步，空间电源控制器的功率也在不断提升。为了适应我国下一代通信卫星及宽带广播卫星[1]等大容量卫星型号，特别是中高轨卫星平台、空间站等的需求，进行了空间20 kW级电源控制器的研究。20 kW电源控制器沿用空间100 V母线体制，以输出一条100 V全调节母线，200 A电流为基本设计功能，采用三域管理方式，由主误差放大器(MEA)统一协调顺序开关分流调节器(S3R)及充放电调节器(BCDR)，保证电源控制器在轨任何阶段为负载提供恒定的母线电压。20 kW电源控制器功率模块配置8个SUN模块及14个BCDR模块，保证20 kW功率输出能力，此外还包含2个遥测遥控(TMTC)模块、滤波电容模块及背板模块组成。

1 设计分析及创新

1.1 结构设计

结构设计是电源控制器设计中重要的设计思想之一，结构的设计涉及到电源控制器的力学性能、控制器内部热源的导热设计、以及EMC、辐照等方面的设计[2]。本项目电源控制器以电路功能划分，采用模块化的设计，功能相同电路的模块，位置可以任意互换，提高了控制器安装速度及缩短了可维修时间，同时结构内部采用了框架式的结构设计，发热器件安装于结构底部，此设计既保证了发热器件热量的导出，模块的质量也显著的降低。本项目采用框架式的结构设计，实现了控制器轻量化和模块化的设计。

1.2 全新的分流调节器

20 kW电源控制器的太阳电池方阵功率的调节采用S3R技术，可将一次电源母线稳定在100 V，实现全调节母线控制。由于母线电压与太阳电池阵实际的最佳工作点电压接近，太阳电池阵的利用率较高。但是为了满足电源控制器在光照期，太阳电池寿命末期依然能保证控制器20 kW的功率输出，单级S3R电路分流能力要求达16 A，单级功率1 600W。如此大的单级功率，本项目采取了较多的创新设计。首先，太阳电池阵直通母线的隔离二极管由传统的两并两串设计，改为两并设计，单级热耗至少减15W功率，但带来的风险是，单二极管失效时母线对地短路，项目中设计了防此二极管短路的保护电路。其次还设计了防止开关MOS管短路电路，目的是在任何时候，都能保证单级太阳电池阵不会被对地短接浪费空间宝贵的能量。

由于单级太阳电池阵功率16 A，必然导致太阳电池阵的寄生电容达几微法，因此分流MOS开关管在每周期导通时，将有非常大的峰值电流，极易造成MOS管损坏。本控制器设计了无损耗的峰值电流限制电路，保证开关峰值电流在40 A左右，极大地提高了分流电路的可靠性和安全性。

本项目中将3级S3R电路、保护电路及滤波组件等合成为一个光照调节(SUN)模块，全新设计的分流电路效率达到了99%。

1.3 控制器模块之间的能量传输

(1)20 kW电源控制器由于功率大，特别设计了一个与其他所有模块垂直插件安装的背板。背板相对于之前空间型号平台，除了有对控制器内部各功能之间传递遥控遥测信号指令，最重要的是承担了控制器模块之间的大功率电流传输。随着印制电路板(PCB)绝缘性能、散热水平以及敷铜水平等工艺的提高，通大电流的PCB应用已经在很多航空航天得到使用。20 kW电源控制器在设计中采用分散式供电方式，平衡SUN模块与BCDR模块的功率输出，极大地减少了各模块间电流传输的压力，使各模块可通过功率印制板进行电流传输，大大降低了整机情况下的内部电流传输损耗，较传统使用汇流铜条在体积、质量及便携式上都有明显的提升。

(2)本项目中经过充分的实验，验证了PCB在通大电流，应用于大功率方面的可行性。控制器中功率模块SUN模块及BCDR模块均采用此方法。电源控制器20 kW功率，200 A电流被均分配至8个SUN模块输出，每个SUN输出25 A电流。如图1所示，在控制器配置中最多两个BCDR模块经过背板汇流，然后通过就近一个SUN模块的PCB经背板相反方向由接插件输出BCDR功率。

图1 控制器模块配置图

(3)20 kW电源控制器采用模块热备份的思想，母线电压100 V，8个SUN模块，每个模块输出负载电流能力大于25 A，最高达35 A，即使有损坏模块依然保证20 kW功率输出。14个BCDR模块，每个模块100 V，1 800W功率，配置了14个BCDR，即使南北方向各有一个模块损坏，依然保证20 kW功率。

1.4 基于FPGA的高效集成智能管理

基于FPGA的TMTC电路，集成了多项功能。充电管理电路采用模数转换实现256档位的恒压和恒流的档位控制，提高了充电控制的精度。同时比传统采用模拟多路开关实现的档位控制，更加简化，速度更快及精度更高。由于目前FPGA内部已经集成存储器，锁相环等高级硬件模块，同时随着FPGA门数的增大及成熟的IP核，为将来不改变硬件通过更新软件扩展功能提供了可能。将FPGA成熟的功能电路做成ASIC，可以实现控制器中TMTC高度集成化，急剧缩小模块体积，提高TMTC处理速度和精度。

2 电源控制器的设计实现

20 kW电源控制器采用全调节母线方式，通过MEA统一协调各功率模块，分流调节器、放电调节器及充电调节器协调稳定工作。在光照期和地隐期均以稳定电压向母线供电，满足负载需求。电源控制器原理框图如图2。

2.1 中心误差放大电路

中心误差放大电路形成的误差信号，取自于母线，反映了母线电压的变化情况[3]。20 kW电源控制器工作期间，MEA统一协调各功率模块，保证母线电压稳定在100 V。为保证母线电压的精度和良好的动态调节特性，要求MEA电路具有一定的中频带宽，能够补偿系统的低频极点，且具有高的噪音抑制能力。作为电源控制器的核心控制电路，本项目中MEA采取2/4方式电路，有效提高了系统的可靠性和驱动能力，电路原理如图3。电源控制器内部的全部功率调节模块接收MEA电路统一控制，光照期太阳电池阵输出功率满足负载和充电要求时，电源控制器工作在S3R域，由分流调节器调节太阳电池阵电流稳定母线；太阳电池阵输出功率满足负载但不满足充电要求时，电源控制器工作在BCR域，由充电调节器调节充电电流稳定母线；地隐期或太阳电池阵功率不满足负载峰值时，电源控制器工作在BDR域，由放电调节器通过放电电流稳定母线。如图4，MEA三域控制示意图。

图2 电源控制器原理框图

图3 2/4主误差放大电路简图

图4 MEA三域控制示意图

2.2 SUN模块

光照调节模块(SUN)的设计主要包括S3R、母线滤波组件、保护电路等组成。20 kW电源控制器设置24级分流调节电路，单级分流能力为16 A，其中每三级设置于一个模块中，控制器共配置8个SUN模块。分流电路的状态由主误差放大信号和每级分流电路基准决定，系统平衡时分流电路只有一级处于开关调整状态，其它各级处于对地分流或直供母线状态。当负载减轻时，母线电压升高，MEA电压升高，24级分流电路依次进入分流状态；反之，当负载加重，母线电压降低，MEA电压降低，24个分流电路依次退出分流状态。通过对太阳电池阵电流的调节来保证母线电压的稳定，如图5分流调节电路原理示意图所示。

图5 分流调节电路原理示意图

设计中与母线的两个隔离二极管并联供电形式取代传统四个二极管串并联形式，还采取了防分流开关MOS管的短路保护，保护电路都是逐周期比较，具有响应速度快，抗干扰强，保护稳定的特点。同时由于太阳电池阵寄生电容的增大，不能采取传统的方法使分流开关管工作于线性区微秒级抑制峰值电流的措施，必然导致开关管热耗大。本项目采用了无损耗的峰值电流抑制方法，起到很好的效果。

2.3 BCDR模块

BCDR模块主要功能是在MEA信号控制下，调节蓄电池放电电流以满足负载功率需求，同时在电池电压反馈信号及智能管理单元控制下调节充电电流为蓄电池组完成恒流恒压充电。该模块主要包括电池端保护及滤波电路、电流采样电路、功率变换电路、驱动控制电路、母线端保护及滤波电路、指令接口及二次电源等电路。BCDR电路原理示意图如图6所示。

图6 BCDR电路原理示意图

BCDR模块在主功率回路上采用了共用元器件的设计，控制器配有14个BCDR模块，多模块并联工作，每个BCDR有独立的电流控制环，输出电流由主误差信号统一控制，采用输出阻抗调节多个BCDR的均流设计[4]。为了避免单个器件失效导致母线和蓄电池输出过载，BCDR模块在输入和输出端口设计了保护电路。保护电路功能一经触发即处于锁定状态，电路的解锁需要执行模块的断电加电指令。这种设计保证了电路的可靠性，另一方面降低了电路的功率损耗。

2.4 TMTC模块

TMTC模块是电源控制器的智能管理中心，包含基于FPGA的智能管理单元电路、1553B通信接口电路、编码及解码电路、信号变换电路、主备机切换电路、MEA电路、电池充放电自主管理电路、指令电路及辅助电源等。

3 测试结果

20 kW电源控制器如图7所示，经过测试，性能指标见表1。

图7 20 kW电源控制器图

4 结束语

通过对20 kW电源控制器的测试和环境试验，控制器能够满足空间20 kW级电源工程化的要求。该设备的研制成功，填补了国内空白，该设计方案、关键技术的解决、结构上、工艺上、电路上的突破及具体新电路的应用都对我国下一代大功率卫星电源控制器的研究具有指导意义。

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

[2]马世俊，韩国经，李文滋，等.卫星电源技术[M].北京：中国宇航出版社，2002：5-25.

[3]李钏，朱立宏，王保平，等.绕月飞行器用电源控制器设计及实现[J].电源技术，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

张伟(1981—)，男，山西省人，硕士，工程师，主要研究方向电路与系统及空间电源控制器。