大功率航天器并聯充電調節器的比較分析

張文爽 李峰 康慶

(中國空間技術研究院通信衛星事業部， 北京 100094)

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大功率航天器并聯充電調節器的比較分析

張文爽 李峰 康慶

(中國空間技術研究院通信衛星事業部， 北京 100094)

針對多個充電調節器(BCR)并聯的系統，建立了穩定度和效率的計算模型，并針對ETCA公司的兩代電源控制器(PCU)，利用計算模型比較了兩種BCR的功率拓展方案。根據工程應用中幾種較為典型的功率需求，分別對兩種方案進行了合理的配置，從穩定性、效率、可靠性等多方面加以比較并確立了較優的方案。最后，對性能較優方案進行了試驗，試驗結果表明：該方案效率和穩定性均滿足BCR設計要求，穩定性和效率計算模型準確，可為新一代BCR的設計提供參考。

充電調節器；效率；穩定性

1 引言

根據我國航天裝備的需求和發展規劃，我國現有衛星平臺已不能滿足新一代航天器的需求[1]。在未來5～15年內，衛星技術將得到迅速發展，衛星容量和性能都將得到較大的提高[1]。

新型衛星平臺中，輸出功率可能擴展到20 kW以上，蓄電池最大容量擴充到250 Ah以上，因此對充電模塊的充電功率需求也將大幅度增加。現有衛星平臺充電調節器(BCR)具備單臺最大2 kW的充電能力，對功率晶體管、功率整流二極管、功率電感的選用及設計已經構成了挑戰。大功率衛星平臺將需要更大的充電功率，僅僅依靠提高單個BCR充電功率非常困難，利用多個BCR模塊并聯對蓄電池組充電是大功率航天器的最佳選擇。

電源系統的效率和穩定性是航天器電源設計中需要考慮的重要因素。以往對于航天器電源系統的研究多數停留在整個電源系統或單個BCR模塊的層面上[2-4]，本文旨在對功率擴展后的多模塊BCR系統進行比對研究。首先建立了BCR并聯系統的穩定性和效率計算模型，以法國ETCA公司制造的兩代電源調節單元(PCU)為應用背景，在幾種典型功率需求下對兩種并聯方式的BCR進行了計算分析，并結合靈活性和可靠性，從應用角度給出了比對結果。搭建原理樣機對綜合性能占優的BCR并聯系統進行了效率和穩定性的測試，試驗結果表明：并聯系統具有良好的穩定性和效率指標，同時證明了計算模型的準確性。

2 數學建模

2.1 穩定性模型

BCR模塊通常由主電路、采樣電路、脈沖寬度調制(PWM)控制電路和主誤差放大器(MEA)電路組成[5]。根據經典控制理論，評估線性定常系統穩定性的方法有多種，包括勞斯穩定判據、Nyquist判據、波特圖中的Nyquist判據等[6]。波特圖對于穩定性的表征最為直觀，本文采用波特圖中的Nyquist判據對BCR模塊的穩定性進行分析。穩定性模型建立的基礎為小信號模型。大量文獻針對如何建立有效的變換器小信號模型進行了分析，提出了不同的建模方法[7-8]。本文采用狀態空間平均法對并聯系統進行穩定性建模。電源系統一般要求相位裕度為30°～60°，空間電源一般要求相位裕度大于60°，這樣可以使系統參數波動后，仍可以保持穩定[5]。

單個BCR模塊的系統框圖如圖1所示。

圖1 單個BCR控制框圖Fig.1 Block diagram of BCR control

(1)

電壓控制環的外環傳遞函數為

Tout=KVSAifGoutZCbus

(2)

式中：ZCbus為母線電容傳遞函數。多個BCR模塊并聯的系統框圖如圖2所示。

圖2 多個BCR控制框圖Fig.2 Block diagram of BCRs control

根據N個BCR模塊并聯工作的系統框圖，得出電壓控制環的外環傳遞函數為

Tout=NKVSAifGoutZCbus

(3)

2.2 效率模型

效率模型的建立依靠元器件參數的準確等效估算，對充電調節器建立效率計算模型，主要包括以下三方面的損耗。

1)電感損耗

電感損耗包括銅損和鐵損，即繞組損耗和磁芯損耗。其中，繞組損耗只計算直流電阻造成的損耗。磁芯損耗主要通過查詢廠家的損耗曲線估算，由Magnetics提供的公式計算。因此，銅損和鐵損分別為[10]

Pcu=(D·I)2·RL1+(D·I)2·RL2

(4)

PFE=P×VE

(5)

式中：RL1和RL2為濾波電感內阻；D為開關占空比；I為流過電感電流；P由計算電感峰值磁通密度查得；VE為磁芯體積。電感峰值磁通密度為

(6)

式中：Vin為母線輸入電壓；L為主電路電感；N1，N2為繞組匝數；Ae為磁芯截面積；fSW為開關頻率。

2)功率晶體管損耗

主開關MOS管的損耗主要包括導通損耗和開關損耗，為

Pmos=(D·I)2·Rds(on)+0.5·

D·I·Vds·tr·fSW

(7)

式中：Rds(on)為MOS管導通電阻；tr為MOS管導通所用時間；Vds為MOS管柵極和源極之間電壓。續流二極管的功耗為

Pd1=(1-D)·I·VF

(8)

式中：VF為二極管導通壓降。輸出二極管一直導通，功耗為

Pd2=I·VF

(9)

續流二極管反向恢復損耗為

Pd3=0.5Vrr·I·trr·fSW

(10)

式中：Vrr為續流二極管反向恢復電壓；trr為反向恢復時間。

3)其余器件功耗

其余器件功耗為

(11)

式中：Iin為輸入電流；Rin為輸入端等效電阻；Rout為輸出端等效電阻。所有損耗為

Pzong=PCU+PFE+PMOS+n1·Pd1+Pd2+Pd3+Pother+Pe

(12)

式中：n1為續流二極管的個數；Pe為其余器件功耗，Pother為估算的其他部分的損耗；對于多個BCR并聯的系統，計算單模塊的效率等于并聯后多個模塊的效率。

3 兩種BCR并聯系統的比較分析

本文研究的兩種BCR并聯系統需滿足最大充電功率4 kW的功率需求。本節對ETCA公司所用PCU中的兩種功率擴展方案進行比對分析(見表1)。

第一種方案為將單個最大充電功率為2 kW的BCR模塊進行功率擴展，直接將兩個大功率BCR模塊并聯。由于單模塊功率較大，最大充電電流為20 A，為減小輸入電流對母線的擾動，BCR以Superbuck為主拓撲[11]，最大充電功率為2 kW，支持兩模塊并聯。

表1 兩方案指標

注：質量為充電功率4 kW，放電功率21 kW時，兩種方案BCR和BDR質量總和。

第二種方案以雙向DC/DC變換器為啟發，將BCR與放電調節器(BDR)合并為一個充放電調節器(BCDR)模塊，并將多個模塊并聯。為減輕整個PCU的質量，BCR和BDR共用輸入輸出濾波和保護電路。由于在BCR模式下，雙向變換器只工作在其中一種模式，因此本文只分析其在此種模式下的工作狀態。此BCR每個模塊充電功率為250 W，最大支持16個模塊并聯。由于單模塊的功率降為250 W，BCR充電電流較小(<2.5 A)，且有輸入和輸出濾波器的存在，使得BCR對母線的擾動非常小。同時，由于Buck拓撲控制簡單，元器件少，有利于提高整機功率密度，因此選用Buck作為主功率拓撲。

圖3 兩種方案的環路特性Fig.3 Loop characteristics of two scheme

應用第2節建立的數學模型對兩種方案的穩定性和效率進行計算。兩個大功率模塊并聯后的環路特性和多個小功率模塊并聯后的環路特性如圖3所示。方案一相位裕度為68.6°。方案二模塊數量為16個，相位裕度為82.4°。多個模塊并聯的形式優于兩個大功率模塊并聯的形式。

計算蓄電池充電電壓為95 V時，兩種BCR結構的充電效率曲線估算結果見圖4。模型中變量取值見表2。

表2 效率計算模型中各個變量的取值

從效率曲線來看，當小功率模塊并聯的BCR系統保持16個模塊全部工作時，由于單個模塊充電電流較小，因此無法達到充電效率的最高點，效率方面并不占優勢。但在工程應用中，并非在所有功率需求下都須開啟16個模塊。下面對兩種并聯方案進行幾種典型功率模型的配置，其中效率所用數據為上文計算出的效率曲線，兩種方案的模塊個數均以系統效率最高為配置準則。配置方式見表3，工況為蓄電池充電電壓為95 V。

圖4 兩種方案效率估算結果圖Fig.4 Estimated efficiency of two scheme

功率需求/kW充電電流需求/A模塊個數每模塊充電電流/A效率/%模塊個數每模塊充電電流/A效率/%546160957320944729190958518952108152759586259561802021009588259562162521259571025956

對兩種方案的輸入功率和熱耗進行比對，見圖5和圖6。

圖5 輸入功率曲線Fig.5 Curve of input power

圖6 熱耗曲線Fig.6 Curve of thermal power

圖5和圖6表明，多個小功率模塊根據不同的功率需求設置不同模塊數量之后，可將充電效率一直保持在自身效率曲線的較高點。從輸入功率角度和熱耗角度來看，方案一在效率方面的優勢明顯降低。

考慮PCU的整體結構，從總體角度考慮，多模塊并聯方式還具有如下幾個優點：

(1)可靠性更優，兩模塊并聯采取冷備份的方式，2∶1備份下，主份(或備份)BCR失效是1R級故障；多模塊并聯的采取N+1：N的熱備份方式，11∶10備份下，單份BCDR失效是3R級故障；后者故障等級明顯降低。

(2)對于不同功率等級的PCU，充電功率的需求配置更靈活。方案一中BCR考慮可靠性，至少須配備兩個模塊，遞進擋位是2 kW。多模塊并聯的BCR遞進擋位是250 W，更加靈活。新型大功率衛星平臺中，提出了更多樣化的功率需求，多模塊并聯方式對新平臺的適應性更強。

(3)由于將BCR與BDR合為BCDR一個模塊，可利用磁集成技術與BDR共用磁性元器件，降低成本，提高功率密度。利用方案一結構BCR時，功率為21 kW的PCU的預計質量約為61.6 kg，利用方案二擴展至21 kW時，質量僅需57 kg，功率密度較大。

4 試驗驗證與分析

本文針對綜合評估后水平占優的多個小功率并聯的BCR搭建了21 kW原理樣機，并進行了實驗測試。圖7為效率測試曲線與計算結果的比對，圖8為環路特性曲線的測試結果。

圖7 效率測試與計算曲線Fig.7 Curve of estimated and experiment efficiency

圖8 環路特性測試曲線Fig.8 Experiment curve of Loop characteristics

由圖7中可知，效率測試結果與計算結果誤差在一個百分點以內，最高點充電效率優于計算效率。由圖8可知，多模塊并聯BCR系統相角裕度為86°，大于60°，增益裕度為14 dB，大于10 dB。穿越頻率為2.2 kHz，除低頻和高頻噪聲波動較大之外，其余均與建模結果一致。

5 結束語

本文基于ETCA公司的兩代PCU，建立了BCR并聯系統的穩定性和效率計算模型，對兩種BCR并聯方案進行了效率和穩定性的計算，并結合可靠性和靈活性進行了比較，確立了多個小功率模塊并聯的優勢。搭建原理樣機對此BCR并聯系統的效率和穩定性進行了測試，結果表明，此系統具有較高的效率和穩定性，可為下一代衛星平臺中BCR的設計提供參考。

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(編輯：李多)

Contrastive Analysis on Parallel Battery Charge Regulator of High Power Communications Satellite

ZHANG Wenshuang LI Feng KANG Qing

(Institute of Telecommunication Satellite, China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China)

The paper sets up a model for calculation of stability and efficiency for parallel BCRs. For two generation PCUs from ETCA, this paper estimates their BCR’s stability and efficiency by using the modele. And then, two BCRs of different scheme are configured rationally according to several typical power demand in engineering and application, and compared in terms of stability, efficiency and reliability. Finally, tests are taken to the favorable scheme, which indicate that the stability and efficiency of the scheme can satisfy the need of BCR system, and the model is correct. It provides a reference for the design of next generation BCR.

battery charge regulator; efficiency; stability

2015-06-09；

2015-07-02

張文爽，女，碩士研究生，研究方向為航天器電源總體設計。Email：vansa.shuang@gmail.com。

V

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2015.04.013