QC案例：高軌衛星高重量比功率PCDU研制

◆ “電源科技”QC小組 / 文

QC案例：高軌衛星高重量比功率PCDU研制

◆ “電源科技”QC小組 / 文

空間飛行器的研制重量資源有限，功率需求也越來越大，供配電系統的重量占整個飛行器重量較大的比例。供配電系統中的電源控制器負責太陽電池陣和蓄電池組產生能量的變換與傳輸，飛行器的全部能量傳輸都要經過電源控制器，電源控制器的高重量比功率設計顯得尤為重要。據美國航空航天局(NASA)統計，衛星每公斤發射成本約1萬美金。若電源控制器重量比功率過低，則同樣的負載功率需要的重量就會增加，會增加飛行器的重量。另外，隨著高軌通信衛星對大功率電源控制器需求的日益提高，高軌通信衛星對能源的要求極為苛刻，提高電源控制器的重量比功率迫在眉睫。為了提高重量比功率，需要對現有的產品進行研究，將新的技術應用到電源控制器產品中，使電源控制器的重量比功率在現有的基礎上適當提高。

1．選擇課題

1）類似國外PCDU研制

國外PCDU不僅包括傳統的功率調節與配電，火工品起爆控制等功能，還包括加熱器控制、推進系統配電等功能。將多臺單機設備集成在一臺設備中，集成度較高。國內沒有相關研究。國外PCDU設備的功率質量比在164W/ kg～425W/kg之間。

2）高重量比功率PCU研制

PCU（功率調節單元）為國內普遍應用的產品，主要包括功率調節功能。其他的配電功能，火工品起爆控制等功能在其他分系統的控制單機設備內。我國對PCU產品具有豐富的研制經驗，成熟度高，可在其基礎上改進。然而，國內PCU設備功率質量比為68W/ kg～133W/kg。PCU集成度不高，不適合未來發展趨勢。

3）高重量比功率PCDU研制

傳統PCDU除包括PCU外，還包括配電單元，火工品起爆控制，智能接口單元等。高重量比功率PCDU集成度高，而PCDU中包括PCU，具有良好的繼承性，可在繼承的基礎上改進。PCDU不但具有高的集成度，其中各個集成模塊均有技術基礎和技術支持。從電路技術研究角度，可進一步改進充電分流電路和放電電路的技術，通過減少元器件和提高效率達到降低重量并減少損耗的目的。從結構材料研究角度，可選擇較輕的結構材料減輕重量。

因此，最終從技術可行性、應用前景、技術提升以及技術風險，確定高軌衛星PCDU研制為研究課題。

2．設定目標

針對高軌衛星PCDU調查研究已經以往經驗實驗，小組最終設定高軌衛星高重量PCDU研制的指標為：重量比功率達到350W/ kg。其中，PCDU要供給飛行器能量，需設定PCDU的輸出功率范圍從7.2kW～21.6kW，質量不超過60kg。

（1）母線電壓：全調節母線為100.3±0.29V；

（2）母線紋波：峰-峰值不大于400mVp-p（0～20MH）。

3．提出方案并確定最佳方案

為滿足高軌衛星大容量需求，QC小組成員極力推行高軌衛星高重量比功率PCDU研制集成化、模塊化。集成化設計主要通過元器件表貼化和功率印制板化得以實現。模塊化設計主要采取相同電路功能固化，使得功率增減轉變成模塊的增減。其中配電模塊由繼電器組成，不進行方案選擇，采用固化設計。

高軌衛星高重量比功率PCDU系統圖如圖1所示，在保證安全可靠性情況下，對于結構材料，選擇更加優質材料使其密度小、重量輕具有良好導熱性能，機械性能；對于電路拓撲及控制方法，選擇高效拓撲和高性能控制方法；對于元器件，選擇低成本，高可靠性元器件。統籌兼顧三者，均衡優化，制定最佳方案。

（1）通過對S4R控制、S3R控制和混合控制3種方案的比較分析，S3R電路方案由于重量較輕，體積小，易于調試。確定S3R控制分流電路為最佳方案。

（2）通過對B U C K電路、B U C K電路+L C電路和SuperBuck電路3種方案的比較分析，SuperBuck電路由于具有效率高，電感小、磁性元較輕、易穩定、輸入紋波小，確定SuperBuck電路為充電電路為最佳方案。

（3）通過對boost交錯并聯、Wenberg電路和Hi-Boost3種方案的比較分析，由于Hi-Boost電路具有效率非常高，可靠性好。確定為Hi-Boost電路為最佳方案。

（4）經過對比分析垂直下降法、主從設置法、平均電流自動均流法、外加均流控制器和雙環控制方法5種方法，雙環控制方法具有均流精度高，可靠性高，確定為最佳方案。

5）結構材料通過鎂合金和鋁合金對比分析，由于鎂合金以其低密度、輕質量和良好機械性能稱為最佳方案。

4．制定對策及對策實施

1）大功率寬范圍設計

大功率寬范圍主要實施，元器件表貼化設計和功率印制板化3結構模塊化，可有效降低重量體積，

圖1 高軌衛星高重量比功率PCDU框圖

提高高軌衛星PCDU比功率。

2）母線紋波、均流技術和放電電路效率

母線紋波、并聯均流控制技術、HI-BOOST電路效率采用正交實驗法。正交實驗法可有效找到影響因子，并確定影響程度，最終得到最佳參數。

5．鞏固措施并確認效果

高軌衛星高重量比功率PCDU由8個S3R模塊、14個BCDR模塊、2個TMTC模塊構成，最大輸出功率21.6kW，模塊重量為60Kg，重量比功率為360W/ kg。母線電壓100.3V，母線紋波為258mV，達到設計目標。為進一步鞏固成果，我們采取以下措施對研制成果加以鞏固，從2014年1月份開始至2014年2月份，對研制生產的PCDU進了1個月的正弦振動試驗、沖擊試驗、隨機振動試驗、加速度試驗、真空放電試驗、熱真空試驗等可靠性試驗。試驗期間，產品性能指標未發生變化，性能良好。

電源控制器重量比功率的提高適應未來航天發展要求，是我國航天領域電源分系統的技術儲備。我國航天活動進入高軌衛星領域，需求大容量、寬范圍的電源控制器產品，對電源控制器的重量比功率提出更高的要求。本次QC活動成果突破了國內電源控制器的重量比功率指標，并趕超了國際水平，為我國開展高軌衛星平臺建設打下了技術基礎。

（作者單位：上海空間電源研究所）