衛星電源放電調節電路優化設計與可靠性研究

李冬輝，王 偉， 周大鈞，姚樂樂，李鴻宇

(1.天津大學電氣與自動化工程學院，天津300072；2.Department of Electrical Engineering,State University of New York at Buffalo,New York 14260)

衛星電源放電調節電路優化設計與可靠性研究

李冬輝1，王 偉1， 周大鈞1，姚樂樂1，李鴻宇2

(1.天津大學電氣與自動化工程學院，天津300072；2.Department of Electrical Engineering,State University of New York at Buffalo,New York 14260)

針對衛星電源工作環境惡劣的特點，提出了一種對基于HE-Boost放電電路進行穩健性設計與優化的方法。在電路設計方面，基于某衛星實際情況，采用跨導控制方式，并對其建模分析，得到相應傳函與參數；在優化與可靠性方面，采用穩健性設計：通過對電路進行靈敏度及參數掃描分析，實現參數優化；通過應力分析、最壞情況分析以及模擬一種故障模式，驗證元器件在一定范圍內變動或失效時，多模塊并聯電路的母線電壓依舊穩定。綜上，該方法適用于衛星電源電路等對可靠性要求較高的場所。

HE-Boost；放電電路；穩健設計；最壞情況分析；可靠性

Abstract:Considering the satellite Power Conditioning Unit(PCU)works in hash environment,a robust design and optimization based on HE-Boost Topology was proposed in battery discharge regulator(BDR).In term of design for circuit,while transconductance control method was used and small-signal model was built,transfer function and parameter was achieved.In term of optimization design and reliability,a robust design was used.Suitable parameter was got from the parameter sweep and vary analysis; the bus voltage of multi-module parallel circuit remained stable,while components parameter were changed within a certain range or components get fail by stress analysis,a worst-case analysis(WCA)and one failure mode simulation.In conclusion,the robust design and optimization was suitable for satellite power circuit,especially for places which need higher requirements for reliability.

Key words:HE-Boost;BDR;robust design;worst case analysis;reliability

由于衛星的所處環境惡劣且發射成本一直處于較高的水平，因此對衛星的可靠性能要求就比較高。電源控制器(PCU)作為衛星電源系統控制中心，其作用最為關鍵，為衛星提供能量，協調衛星工作期間蓄電池與太陽能間能量平衡。目前，我國研制的衛星電源母線電壓有28、42 V和100 V三種等級。當衛星進入陰影區時，太陽電池陣不能滿足輸出功率，電源放電調節器(BDR)完成母線調節工作保持電壓穩定，蓄電池需要放電為母線提供電能，在這個階段中起重要作用。

文獻[1]從整體角度分析了衛星電源控制器的各模塊設計過程；文獻[2]分析了多種衛星電源系統放電調節模塊并聯均流技術；文獻[3]簡述了非隔離型HE-Boost電路拓撲結構；文獻[4]從平均值電流控制型Buck變換器控制系統的角度進行建模與分析，為本文提供建模分析依據；文獻[5-6]采用了試驗的方法(常見的試驗有熱學試驗、力學試驗、電磁兼容試驗等)來保障空間設備的可靠性；文獻[7]基于Saber軟件進行電路容差分析，但不夠全面。當前涉及到HE-boost文獻較少，建模分析幾乎沒有。

本文以42 V母線電壓PCU為平臺。首先從BDR電路工作原理及各個模塊控制設計與分析角度出發，給出參數確定方法；其次，由于當前涉及HE-Boost拓補建模文獻少之又少，本文進行建模分析，為后續穩健設計提供參數依據；根據穩健性設計流程，通過saber軟件對單個BDR電路進行優化分析。其中，靈敏度分析，找出敏感器件，并通過參數掃描，實現參數的微調與優化。待優化好后，需要對電路進行最壞情況分析，以保障電路器件在一定范圍內浮動時對母線輸出最大偏差的影響最小。當然還為確保電路器件滿足降額要求還需對其進行應力分析；最后，通過對跨導控制下，三個并聯均流控制的BDR進行故障模式仿真，確保器件損壞情況下，母線輸出依舊穩定。綜上實現了對放電電路的優化與可靠性分析。

1 BDR電路工作原理

本文中采用的是全調節母線方式,BDR調節電路在設計時引入了跨導控制，即各個調節模塊統一由主誤差放大器(MEA)控制，當MEA輸出信號在一定范圍內與BDR工作模式相對應時，BDR工作。這種方式有效解決了并聯工作電流輸出均衡問題。正常情況下全部BDR處于工作狀態。BDR采用熱備份方式工作，一組蓄電池配三個BDR，當1個失效時，母線輸出電壓依舊滿足設計要求，見圖1所示。

圖1 跨導控制

單個BDR原理如圖2所示，主電路中采用了HE-Boost電路進行功率調節。HE-Boost具有如下特點：高效率；功率FET可以用低壓驅動，簡化了門驅動電路；相對于其他拓撲來說，功率FET的開關損耗低；推挽FET漏極電壓被輸出電壓鉗位；輸入輸出電流連續。PWM控制采用了SG1525芯片進行控制，工作頻率為100 kHz。其內部主要由運算放大器、振蕩電路、電子基準、軟啟動電路和驅動電路等幾部分組成。

圖2 BDR原理圖

2 BDR電路建模分析

2.1 HE-Boost設計分析

HE-Boost原理圖如圖2虛線框內所示。包括了兩個并聯使用的MOS管，隔離正向壓降低的肖特基二極管，一個1∶1∶1∶1的變壓器。在保證供給負載能力連續的前提下能選用較小輸出濾波電容，而且減小放電過程對電池沖擊以增強電池壽命，提高可靠性的情況下，本文采用非重疊模式。電路的工作狀態可以簡化成4種模態：

模態 1：Q1、D1導通，Q2、D2、D3、D4關斷。流過 T1、T4電流幾乎相同，忽略勵磁電流的影響可得式(1)。

式中：i為輸出電流；Vbus為輸出電壓；Vg為輸入電壓；

模態 2：Q1、Q2關斷，D1、D2關斷，D3、D4導通。因為耦合系數為1，故耦合電感為0；i與iout相同，忽略勵磁電流的影響可得：

模態 3：Q2、D2導通，Q1、D1、D3、D4關斷。與模態 1 分析情況近似；

模態4：Q1、Q2關斷，與模態2相同，故不再贅述。

Q1、Q2具有相同的占空比D，一個等效開關周期內，電流變化量相同，故而得到電壓的輸出輸入比為2D+1。

經小信號建模分析可得，HE-Boost電路簡化小信號模型對于傳遞函數：

式中：Gvd(s)、Gid(s)分別為電流、電壓控制方式傳遞函數。

2.2 控制環路分析

當PCU工作在BDR域時，外部基準為母線誤差放大信號。電流控制器將電流反饋信號與電流設定基準信號比較放大后，通過SG1525形成一定占空比例的方波信號，控制HE-Boost的MOS管導通與斷開的控制電平。如此電路形成電流負反饋的控制環路，并通過對PWM方波信號占空比的調節來調整電流的大小，最終達到穩態。見圖3所示。

圖3 BDR控制環路圖

PWM控制采用SG1525，其內部運算放大器設計為電壓跟隨器，實際電路中采用的工作頻率約125 kHz。頻率計算公式見式(5)所示。

式中：RT=2.7 kΩ，RD=0.7 kΩ，CT=20 nF。

電流控制有兩部分組成：電流采樣與電流控制。電流采樣采用電流鏡采樣電路，比例系數見式(6)所示。電流控制采用PI控制。其傳遞函數為Hi(s)=RsK，其中比例系數K=820，采樣電阻Rs為3 mΩ。

式中：R3=10 kΩ；R4=51 kΩ；C3=2 nF。

主電路中，選用的鐵氧體磁芯型號為R2KB1，電感量為922 μH；兩個電感Lin和Lboost選用的金屬磁粉芯型號分別為Y125-330和 Y125-467，電感量分別為28 μH 和 142 μH。

3 BDR電路穩健設計

穩健設計是從整體的設計方面對衛星電源BDR進行設計的一種方法，有利于提高可靠性。通過saber軟件對BDR進行穩健設計，有利于找到易受環境影響的器件參數，并通過分析與優化使其可靠運行，具體流程為標稱設計，靈敏度、參數分析，最壞情況、應力分析，故障分析。

3.1 標稱設計

首先，BDR電路設計需要滿足一定的設計要求：輸入電壓范圍為24.5～37.5 V，輸出功率600 W，放電效率大于94%。在Saber仿真環境下建立主電路原理圖，見圖4所示。

圖4 BDR電路模型

根據設計要求，選取合適參數，32 V直流電源作為輸入電壓，輸出電阻為2.94 Ω，此過程為標稱設計。拓撲圖搭接結束后，開始進行常態分析。仿真結果如圖5所示。

圖5 母線電壓、放電電流與負載電流值

由圖6可知，使母線電壓穩定后平均值達到42.029 V，滿足母線輸出要求放電電流 (Iin)平均值是19.378 A，負載電流(Iout)為14.262 A，輸出電壓穩定。放電效率為輸出功率與輸入功率比，其值約為97.5%。

圖6 靈敏度分析仿真結果

3.2 靈敏度設計

考慮到衛星電源工作實際環境的惡劣，需要找出對母線電壓影響較大的器件或參數，以便后續工作的分析，即靈敏度分析。saber對BDR進行常態仿真分析后，發現輸出電壓達到了標稱要求，進而對其進行靈敏度分析。母線電壓輸出靈敏度分析結果如圖6所示。

圖7 參數掃描分析仿真結果

圖7為BDR電路母線電壓平均值的靈敏度其結果表明，相應參數對輸出變化的影響較小，系統電路較穩定。而這些參數中，對于母線電壓輸出值影響較大的是產生PWM波芯片的SG1525，其次是2.7 kΩ控制振蕩頻率的外接電阻r65。

3.3 參數掃描分析

根據靈敏度分析結果，這里僅以對外界電阻r65(SG1525中的RT)為例進行參數掃描分析，選取溫度對參數變化影響為2%，即參數變化范圍2.65～2.75 kΩ；并根據結果找到更加合適的參數值，達到優化的目的。

結合圖7仿真結果，在溫度影響下，BDR母線電壓輸出范圍穩定在(42±0.5)V，尤其是r65取2.72 kΩ時，波動最小，可以保證電路的穩定輸出。

3.4 最壞情況分析

最壞情況分析是研究器件在一定范圍內同時浮動對母線電壓輸出的影響。令電路參數值在表1浮動范圍內按照正態分布隨機取樣；對所取樣的參數值進行100次蒙特卡洛分析，檢驗在最壞情況下，母線電壓輸出；將分析結果與設計要求進行比較，給出分析結論。仿真結果如圖8所示。

由仿真結果看出，當考慮溫度老化等因素產生的元器件初始偏差對BDR電路各元器件造成的影響時，母線電壓穩定

表1 元器件參數偏差表

后，最大值的平均值為42.298 V；最小值的平均值為41.939 V，對應峰峰值小于250 mV，母線輸出電壓的漂移值在±0.5 V以內。由此可得衛星電源放電調節模塊運行在太空中(惡劣條件)時，仍能夠完成母線調節工作，使母線電壓輸出為42 V左右。

3.5 應力分析

應力分析主要用于檢驗衛星電源空間運行時各元器件的參數是否在本身的額定負荷范圍內。

由圖9，BDR電路應力分析數值均低于50%，滿足電路設計要求。

圖9 應力分析仿真結果

3.6 故障模式分析

當前設計中，衛星電源放電電路得到了優化，但還不能完全確定其可靠性，因此需要對電路進行故障模擬分析。這樣做的目的是確保某個BDR電路內部電路或元器件導致蓄電池組輸出過流(26±2)A后，該BDR失效，它與電源脫離，其他備份BDR模塊繼續工作，進而起到保護電路作用。過流保護電路功能一經觸發即處于鎖定狀態。

本次仿真在2 ms時，對第一個BDR電路進行過流模擬，即：輸入端加入脈沖電流(28.223 A)。仿真結果見圖10所示。

仿真結果表明，t=0.002 s時，BDR1電流i(BDR1)為28.223 A，大于允許范圍，電流保護電路產生關斷功率開關的信號，由于存在延時，t=0.00203 s時，i(BDR1)變為0，BDR1 電路失效。整個過程中整個放電電路母線電壓(Vbus)及流過另外兩路BDR電路電流不受影響，母線電壓依舊穩定，因此該電路可靠性得到了驗證。

圖10 故障模式仿真結果

4 結論

為了延長衛星電源壽命，增強可靠性，以基于HE-Boost的42 V電壓等級的BDR電路為例，將建模分析與穩健設計法相結合，對BDR電路進行優化設計，從而獲得較高的可靠性。首先通過以32 V作為輸入電壓BDR電路設計與saber常態仿真，得到穩定后平均母線電壓為42.029 V，且放電效率高于97%；其次，通過靈敏度分析，找到敏感器件SG1525的RT，并對其進行參數掃描，變化范圍為2.65～2.75 kΩ時，母線輸出電壓在(42±0.5)V以內；然后，對電路進行最壞情況分析，母線電壓穩定后，平均值介于 42.298～41.939 V，漂移值在±0.5 V以內，能驗證系統的可靠性；最后，對整個放電電路進行故障分析，當BDR1模塊的輸入過流較大時，即輸入電流突變到28.223 A時，該BDR1電路脫離蓄電池，且母線輸出電壓依舊維持在42.107 V，證明某個器件損壞導致電流驟升，電路較為可靠、運行完好。綜上穩健性設計能實現對放電電路的優化，優化后的電路具有較高可靠性。

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Optimization design and reliability of satellite power discharge circuit

LI Dong-hui1,WANG Wei1,ZHOU Da-jun1,YAO Le-le1,LI Hong-yu2
(1.School of Electrical Engineering and Automation,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2.Department of Electrical Engineering,State University of New York at Buffalo,New York 14260,USA)

TM 131

A

1002-087X(2017)09-1335-03

2017-02-21

李冬輝(1962—)，男，黑龍江省人，博士生導師，教授，主要研究方向為電力電子，計算機控制，故障診斷，樓宇自動化；王偉(1989—)，男，天津市人，碩士生，主要研究方向為電力電子。