一種地面模擬太陽電池陣開關分流方法研究

張 猛，于國慶，劉繼奎，崔赪旻，王友平

(北京控制工程研究所，北京100190)

0 引言

太陽電池陣——蓄電池組電源系統是目前應用最為廣泛的航天器電源系統.由于太陽電池陣在壽命初期和末期輸出功率變化很大，同時能源系統設計中還要考慮留有一定的功率裕度，因此需要對太陽電池陣的輸出電壓進行穩壓調節，對輸出功率進行分流調節.太陽電池陣分流調節是根據母線電壓的高低直接調節太陽電池陣的輸出功率(包括線性分流調節和開關分流調節兩種方式)使母線電壓達到規定的要求［1］.

太陽帆板驅動機構(SADM，solar array drive mechanism)支撐并驅動太陽翼對日定向，并在太陽翼和星體之間傳輸功率和電信號［2］.SADM由功率傳輸模塊(盤環或柱環)完成功率傳輸功能，在SADM生產測試過程中，需要對功率環電傳輸的可靠性進行充分的驗證，如絕緣測試、耐壓測試和功率傳輸能力測試及其他環境適應性測試.功率傳輸能力測試時通常采用額定傳輸電流驗證或額定傳輸功率驗證，測試過程中功率環環間的電壓基本保持穩定.開關分流調節過程中，處于開關分流的電池陣通道的電壓在0 V和母線電壓之間跳變，而傳統的SADM功率傳輸驗證方法并未充分驗證應用過程中開關分流工況對電傳輸可靠性的影響.因此，提出了一種采用太陽電池陣模擬器(SAS，solar array simulator)及電子負載構成的SADM產品測試時電池陣開關分流模擬方法，給出了該方法的系統組成及試驗結果.應用該方法可以進一步提高SADM產品研制過程中功率傳輸通路可靠性驗證的充分性.

1 太陽電池陣分流方式

根據分流調節器開關管的工作方式，可將穩壓分流調節技術分為線性分流調節和開關分流調節兩種方式.線性分流調節器對多余太陽電池陣能量處理的本質是將其產生的功率消耗在調節器中，發熱量較大，對大功率通信衛星熱控分系統的設計影響較大.與線性分流調節技術相比，開關分流調節技術可大幅度降低分流調節器的功耗、體積和重量.開關分流調節技術又可細分為脈沖調寬(PWM，pulsewidth modulation)式、順序開關分流調節器(S3R，sequential switching shunt regulator)式和順序開關分流串聯調節器(S4R，sequential switching shunt series regulator)式［3-6］.

下面以順序開關分流調節器為例介紹SADM功率環電壓、電流工況.

圖1所示為分流調節器位于星內時S3R分流調節原理.圖中把太陽電池陣分成n個相同的級(可理解為n個分陣，每個分陣電流依次為I1，I2，…，In)，每一級的正端通過一個分流開關管T連接到地，并通過隔離二極管D連接到正母線，母線電容為CBUS.開關管T的狀態決定了該級的能量是傳遞給負載母線還是被分流掉.S3R中所有的分流電路均由電壓采樣Vs控制，在各個滯環比較電路中，參考電壓值(VREF_1，VREF_2，…，VREF_n)依次遞增，門限電壓也依次增加改變，使得第1級到第n級逐級被調節、關斷，因此被稱為順序開關分流調節.分流調節器工作時，始終有一級處于調節狀態，設占空比為d(0＜d＜1)，其他級中有m級開關管關斷，則分流狀態的級的個數為n-(m+1)［6］.

圖1 順序開關式分流調節器Fig.1 Sequential switching shunt regulator

假設SADM有n個功率傳輸通路(包括n個正向傳輸通路)分別與n個分陣連接，m個通路處于未分流狀態，其正向傳輸通路電壓為母線電壓，則n-(m+1)個正向傳輸通路電壓接近0 V，處于分流調節狀態的1個正向通路電壓在0 V和母線電壓之間跳變.

2 SADM功率傳輸驗證方法

SADM的研制過程中，需要對功率傳輸通路進行充分的絕緣、耐壓和功率傳輸能力測試.通常情況下，SADM的功率傳輸能力測試采用兩種方法:一種是額定傳輸電流測試;另一種是額定傳輸功率測試.

額定傳輸電流測試時，每個功率導電環通額定電流，而導電環上并不施加額定電壓載荷.該種方法所需測試設備較少，測試效率較高，導電環的絕緣和耐壓能力利用兆歐表和絕緣耐壓測試儀完成.

額定傳輸功率測試時，每個功率導電環通額定電流，并且施加額定電壓載荷.該種方法需要SAS(或直流電源)和電子負載等構成功率測試系統.實際測試過程中，還可以將全部正向環施加額定電壓，也可以將全部或部分功率環設計成高低壓間隔方式，驗證更為惡劣條件下的功率傳輸安全性，相比于額定傳輸電流能力測試，該種方法測試覆蓋性較為全面.采用額定傳輸功率測試時，也需要利用兆歐表和絕緣耐壓測試儀完成導電環的絕緣和耐壓能力測試.

某型號SADM為盤式導電環，正面10環，由外向內編號為1～10，背面10環，由外向內編號為11～20，單環傳輸電流4 A.該SADM進行額定傳輸功率測試時，功率環采用3種工況:1)奇數環高電位，偶數環低電位;2)偶數環高電位，奇數環低電位;3)正面導電環均為高電位.圖2所示為奇數環高電位、偶數環低電位的功率傳輸能力測試系統連接圖.圖中X06為與太陽電池陣連接的功率接插件，采用下圖連接方法，功率傳輸測試過程中SADM能夠連續單方向旋轉，易于完成噪聲測試、轉動精度測試及轉動壽命試驗等連續單方向旋轉測試項目.

圖2 功率環測試原理圖Fig.2 Power-ring testing schematic diagram

3 開關分流模擬方法

額定傳輸電流測試和額定傳輸功率測試方法均未模擬開關分流應用時處于開關調節狀態的通路電壓跳變工況，為此，設計了開關分流模擬方法.考慮到被測產品的安全性和長期測試試驗的可靠性，開關分流模擬測試系統均以標準設備實現，其核心是由SAS模擬太陽電池陣，利用可以設置短路和開路兩種不同工況的電子負載模擬分流調節開關管的導通和關斷.

3.1 太陽電池陣模擬

傳統SADM產品測試過程中，常采用直流電源設置功率傳輸通路的工況，直流電源工作在穩態，其輸出電壓和電流保持不變.太陽電池開關分流過程中，處于分流調節中的分陣輸出電壓是跳變的，即輸出電壓在0 V和母線電壓之間跳變，相應的輸出電流基本穩定在分陣額定輸出電流.

由于常規的直流電源輸出端口并聯有很大的儲能電容以保證負載變化的時候輸出電壓穩定，若使用直流電源模擬太陽電池陣，在以較高的開關頻率模擬分流調節時，直流電源輸出電壓會因為儲能電容的存在而保持基本不變，導致無法模擬分陣分流時輸出壓在0 V和母線電壓之間跳變的工況.因此，需要利用輸出動態特性較好的SAS來模擬處于開關分流狀態的太陽電池陣［7］，用直流電源模擬處于未分流和完全分流的分陣.

3.2 分流調節模擬

為實現分流調節器分流開關管的導通和關斷功能，要求SADM功率傳輸測試系統中的電子負載能夠設置兩種不同的工作狀態，并可以在兩種工作狀態之間自動高速切換.經調研，德國H＆H公司生產的ZS系列電子負載可以滿足使用要求.ZS系列電子負載可以設置A、B兩種工作狀態，且兩種工作狀態持續的時間可以通過旋鈕調節，每種工作狀態持續時間調節范圍為0.0～100.0 ms，時間調節當量為0.1 ms，理論上A、B兩種工況的切換頻率可以做到5～5 000 Hz.具體選用的電子負載型號為ZS3012，其最大輸入電壓120 V，功率3 000 W.

3.3 模擬系統構成

太陽電池陣分流調節時，SADM功率盤環中一個正向通道的功率環處于調節狀態，負向通路均處于低電平.如果按照圖1的構成方式將直流電源和SAS與SADM轉動部分連接，電子負載與SADM固定部分連接，將功率傳輸正向通路和負向通路工作電壓設置成與實際使用工況一致，那么SADM無法單方向連續旋轉，即無法完成跑合、零位精度、整圈噪聲等測試項目;因而通常采用圖2所示連接方式，即在SADM轉動部分利用導線將各環依次連接，直流電源、SAS和電子負載均與SADM固定部分連接.采用此種連接方式模擬分流調節時，將至少有兩個環處于分流調節狀態.依據上述分析，設計如圖3所示的功率傳輸通路開關分流模擬原理圖.圖3中盤環外側的第 1、11、2、12、3、13 環設置為低電位，模擬完全分流狀態，第4、14環模擬開關分流狀態，第5、15、6、16、7、17、8、18、9、19、10、20 環設置為高電位，模擬分陣供電狀態，功率盤環正面和背面均只有一個電壓變化的界面.若在SADM固定端和轉動端采用不同的連接方式，可以將不同的環設置成開關分流狀態，如奇數環高電位、偶數環處于開關分流狀態等.相比于傳統的額定傳輸電流能力測試和額定傳輸功率測試方法，采用開關分流模擬測試方法，能夠進一步提高SADM產品研制中功率傳輸通路可靠性驗證的充分性.

圖3 功率傳輸通路開關分流模擬原理圖Fig.3 Switching shunt simulation schematic diagram in power-ring testing

4 試驗結果

按照圖3所示測試系統連接直流電源、SAS、電子負載、SADM.SAS選用安捷倫公司生產的E4360A，單通道最高輸出功率600W，輸出電壓120V，電流5A.將E4360A設置為固定輸出，輸出電壓100V，電流4A.電子負載ZS3012工作模式可設置為電流模式、電壓模式、電阻模式和功率模式，理論上ZS3012動態工作4種工作模式中的任何一種，都可以通過設置A、B兩種工況來實現通道電壓在0 V和100 V之間跳變，而通道電流基本穩定在4A.但受限于SAS和電子負載內部閉環控制最高頻率及其配合情況，各種模式的試驗結果存在一定差異.下面分別對ZS3012設置為電流模式、電壓模式、電阻模式時的通道電壓、電流進行測試.

圖4～6分別為ZS3012設置為電流、電阻和電壓模式時分流通道的電壓和電流波形.試驗測試結果表明分流通道的電壓在母線電壓與0 V電壓之間跳變，電流基本穩定在SAS設定的最大輸出電流4 A，分流開關時刻的電壓和電流有較為明顯的暫態調節過程.電子負載在3種模式時的分流頻率模擬范圍差異較大，電流模式可以實現200 Hz的分流開關頻率，電阻模式可以實現500 Hz的分流開關頻率，受限于暫態調節過程電壓較大的波動，電壓模式只能達到100 Hz左右.ZS3012工作在電阻模式時，通道電壓的上升沿和下降沿較陡，而電流模式時則較為平緩.

圖4 電流模式時分流通道的電壓和電流波形Fig.4 Voltage and current waveforms of a switching shunt channel in current mode

圖5 電阻模式時分流通道的電壓和電流波形Fig.5 Voltage and current waveforms of a switching shunt channel in resistance mode

圖6 電壓模式時分流通道的電壓和電流波形Fig.6 Voltage and current waveforms of a switching shunt channel in voltage mode

開關分流調節的開關頻率與母線的紋波、分陣電流、母線濾波電容、負載對該分陣需要電流等參數相關，采用限頻開關分流調節技術的開關頻率在0～2 kHz之間［8］.受限于使用的SAS及電子負載性能，所提的模擬方法最高開關頻率只有500 Hz左右，實際應用時需要進一步降低開關頻率以使模擬系統更加穩定.

5 結論

本文提出了一種SADM產品測試時的電池陣開關分流模擬方法，利用SAS模擬處于開關分流狀態的太陽電池陣，采用可以設置兩種工作狀態并自動高速切換的電子負載模擬分流開關管的導通與關斷，給出了該方法的系統組成及試驗結果，表明該方法可以在SADM產品測試時最大限度的模擬太陽電池陣開關分流時功率導電環的電壓跳變工況，進一步提高了SADM產品研制中功率傳輸通路可靠性驗證的充分性.

［1］馬世俊，王遠征，盧浩琳，等.衛星電源技術［M］.北京:宇航出版社，2001:242.

［2］高星，王友平.太陽帆板驅動機構的現狀和近期發展方向［J］.控制工程，2001(5):55-68.

［3］GARRIGOS A，CARRASCO J A，BLANES J M，et al.A power conditioning unit for high power GEO satellites based on the sequential switching shunt series regulator［C］//IEEE Melecon 2006.New York:IEEE，2006:1186-1189.

［4］郭顯鑫，郭祖佑，王衛國.空間電源功率調節技術綜述［J］.上海航天，2010，27(3):30-39.GUO X X，GUO Z Y，WANG W G.Review on power conditioning unit for spacecraft［J］.Aerospace Shanghai，2010，27(3):30-39.

［5］趙長江.航天器太陽電池陣分流技術研究［J］.航天器工程，2009，18(3):41-47.ZHAO C J.Technology of solar cell array shunt-regulation on spacecraft［J］.Spacecraft Engineering，2009，18(3):41-47.

［6］王旭東，李虹，鄭瓊林，等.順序開關分流調節電路參數設計及仿真分析［J］.電力電子，2011(4):11-15.WANG X D，LI H，ZHENG Q L.Design and simulation analysis on sequential switching shunt regulator circuit［J］.Power Electronics，2011(4):11-15.

［7］PRAMADA P，GOWRISHANKARA C K.Switched mode power supply based solar array unit［C］//International Conference on Circuits，Power and Computing Technologies.New York:IEEE，2013:600-604.

［8］趙長江，陳洪濤，王芳.航天器電源限頻開關分流調節技術的研究［C］//第九屆中國宇航學會空間能源學術年會.北京:中國宇航學會，2005:287-292.