衛(wèi)星用型譜化高比功率電源控制器研究

張 偉，王 鍇，張?zhí)┓澹?偉，趙 超

(中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300384)

2019年我國利用“快舟一號甲”運(yùn)載火箭，在太原衛(wèi)星發(fā)射中心6 h內(nèi)兩次發(fā)射，將7顆小衛(wèi)星送入太空。目前各類低軌星座衛(wèi)星，如鴻雁星座、虹云星座、國家互聯(lián)網(wǎng)星座等衛(wèi)星的發(fā)展，都使衛(wèi)星的生產(chǎn)、測試及交付周期縮短、衛(wèi)星電源控制器向著標(biāo)準(zhǔn)化模塊、器件種類減少、成本降低以及型譜化和高比功率發(fā)展。商業(yè)低軌星座衛(wèi)星控制器的快速發(fā)展，迫使中高軌長壽命大功率衛(wèi)星向型譜化高比功率方向發(fā)展，促使中高軌長壽命衛(wèi)星的更新?lián)Q代。目前我國42 V電源控制器以北斗系統(tǒng)42 V中軌衛(wèi)星為主，電源控制器功率小于2.2 kW，質(zhì)量約30 kg，比功率小于74 W/kg，對于我國下一代中高軌衛(wèi)星在功率和比功率上都略顯不足，因此未雨綢繆，先期開展適合下一代中高軌尤其優(yōu)先滿足下一代導(dǎo)航衛(wèi)星、Small-GEO的中軌衛(wèi)星用電源控制器，采用42 V母線，功率大于4.6 kW，比功率不小于175 W/kg。

1 電源控制器優(yōu)化

電源控制器作為衛(wèi)星電源分系統(tǒng)的控制中心，其主要功能是，在衛(wèi)星壽命周期內(nèi)協(xié)調(diào)太陽電池陣和蓄電池組的能量傳輸和功率平衡，確保向衛(wèi)星提供穩(wěn)定可靠的一次母線[1]。在光照期，電源控制器的分流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)太陽電池陣對星上負(fù)載供電，同時，通過電源控制器的充電調(diào)節(jié)器給蓄電池組充電；在地影期間，通過電源控制器的放電調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)蓄電池對星上負(fù)載供電，電源控制器配置有下位機(jī)用于和衛(wèi)星綜合電子實現(xiàn)信息交互，實現(xiàn)對控制器的遙控遙測。電源控制器主要包含順序開關(guān)分流調(diào)節(jié)器(S3R)電路、放電調(diào)節(jié)器電路(BDR)、充電調(diào)節(jié)器電路(BCR)、遙測遙控電路(TMTC)、主誤差信號電路(MEA)、電池控制管理電路(BCM)、二次電源及母線電容等。

1.1 標(biāo)準(zhǔn)化功能模塊設(shè)計

為實現(xiàn)電源控制器的型譜化和高比功率，首先要實現(xiàn)功能模塊的獨(dú)立性和互換性，采用模塊化設(shè)計，如圖1電源控制器配置圖。依據(jù)電源控制器的功能將控制器分為五種標(biāo)準(zhǔn)化模塊[2]。SUN模塊，主要包含S3R電路、多項保護(hù)電路、信號采樣電路及分布式母線電容；BCDR模塊主要包含BDR電路、BCR電路及輔助電源；TMTC模塊，主要包含控制器主控單元、BCM、MEA、DA檔位電路、過壓保護(hù)電路及二次電源；CAPA模塊是電地、結(jié)構(gòu)地、系統(tǒng)地設(shè)置處及補(bǔ)充母線電容；MotherBoard模塊，主要實現(xiàn)上述模塊之間的功率匯流、信號傳輸及提供地面測試接口。采用標(biāo)準(zhǔn)化的模塊設(shè)計，可以多臺套并行生產(chǎn)和調(diào)試，對于型譜化產(chǎn)品至關(guān)重要。

圖1 電源控制器配置圖

1.2 輕量化結(jié)構(gòu)方案

中高軌電源控制器的結(jié)構(gòu)通常占據(jù)控制器質(zhì)量的三分之一，材料選用鋁合金(2A12H112)，因此結(jié)構(gòu)上的減重是實現(xiàn)控制器高比功率的關(guān)鍵因素之一。圖2為控制器輕量化模塊化結(jié)構(gòu)示意圖，結(jié)構(gòu)的設(shè)計涉及到電源控制器的力學(xué)性能、控制器內(nèi)部熱源的導(dǎo)熱設(shè)計，以及EMC、輻照等方面的設(shè)計。本方案采用框架型結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)帶側(cè)壁的腔型結(jié)構(gòu)，同時整機(jī)配置上蓋板和側(cè)蓋板，發(fā)熱器件集中放置結(jié)構(gòu)底部。這種設(shè)計使結(jié)構(gòu)占控制器質(zhì)量的三分之一降到四分之一，使比功率得到大幅提升，大功率器件置于結(jié)構(gòu)底部可以實現(xiàn)大功率器件良好散熱。

圖2 電源控制器輕量化模塊化結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 工藝優(yōu)化方案

電源控制器屬于電子單機(jī)，在控制器的生產(chǎn)過程中存在笨重的金屬匯流條和大量信號電纜線，隨著衛(wèi)星功率增加，信號增多，電纜焊接不僅容易出錯而且耗時耗力以及匯流條的使用極大降低了控制器比功率。本方案中采用多層PCB覆銅，代替?zhèn)鹘y(tǒng)匯流條和多層PCB繪制信號線代替大量電纜信號線，可有效提升控制器比功率及加快控制器研制周期。圖3為功率器件的集成。

圖3 功率器件的集成

2 電源控制器的設(shè)計實現(xiàn)

空間型譜化高比功率電源控制器，針對42 V母線4.6 kW輸出功率，通過MEA統(tǒng)一協(xié)調(diào)各功率調(diào)節(jié)器(分流調(diào)節(jié)器、放電調(diào)節(jié)器及充電調(diào)節(jié)器)穩(wěn)定母線。電源控制器原理框圖如圖4所示[1]。

圖4 電源控制器原理框圖

電源控制器配置有8個BCDR模塊，每個BDR輸出電流18 A，共8個BDR，其中A電池和B電池各冗余一個BDR，最壞情況下功率保證6個BDR輸出功率不小于4.6 kW；BCR輸出電流3.5 A，最大充電電流28 A；4個SUN模塊，每個SUN有3級Boost-S3R電路，每級分流調(diào)節(jié)能力15 A，12級可調(diào)能力180 A；TMTC模塊配置兩個，主備份設(shè)置，采用基于反熔絲的FPGA數(shù)字控制芯片(DICO)，也可依據(jù)型號要求單獨(dú)配置TMTC模塊其它類型主芯片。

2.1 SUN模塊

光照調(diào)節(jié)(SUN)模塊的設(shè)計主要包括Boost-S3R電路、母線濾波電容、相關(guān)保護(hù)電路及信號變換電路等組成。電源控制器配置4個SUN模塊，每個SUN模塊設(shè)置3級Boost-S3R電路，單級分流能力為15 A。Boost-S3R可工作于分流態(tài)、開關(guān)態(tài)及直供母線三種狀態(tài)。當(dāng)負(fù)載減輕時，MEA電壓升高，12級分流電路依次進(jìn)入分流狀態(tài)；反之，當(dāng)負(fù)載加重，MEA電壓降低，12個分流電路依次退出分流狀態(tài)。控制器通過對太陽電池陣電流的調(diào)節(jié)來保證母線電壓的穩(wěn)定，圖5為SUN模塊原理示意圖。

圖5 SUN模塊原理框圖

Boost-S3R與傳統(tǒng)S3R電路區(qū)別，調(diào)節(jié)電流能力由7.5 A提高到15 A；母線隔離二極管兩個串聯(lián)設(shè)計改為單管設(shè)計；MOS管采用雙管串聯(lián)設(shè)計。針對上述變化增加母線隔離二極管的防短路保護(hù)、分流MOS管的短路保護(hù)、針對單級方陣的大電流，采用無損耗峰值電流浪涌抑制功能及回差比較器故障常分流狀態(tài)保護(hù)電路、非隔離型高端MOS管驅(qū)動電路。通過上述設(shè)計不僅提高了S3R電路的可靠性而且SUN模塊比功率得到極大提升，同時整機(jī)層面減少S3R級數(shù)，SUN模塊數(shù)，大幅提高了電源控制器整機(jī)的比功率。如圖6所示，高比功率SUN模塊，配合框架式結(jié)構(gòu)和無纜化設(shè)計提高了SUN比功率。

圖6 高比功率SUN模塊示意圖

2.2 BCDR模塊

BCDR模塊包含BDR電路和BCR電路，分別完成蓄電池的放電功能和充電功能，其次，模塊設(shè)計有APS輔助電源，實現(xiàn)對BCDR控制電路的供電。BCDR電路主要功能是在反應(yīng)母線電壓的主誤差信號控制下，調(diào)節(jié)蓄電池放電電流以滿足負(fù)載功率需求，同時在電池電壓反饋信號及智能管理單元控制下調(diào)節(jié)充電電流為蓄電池組完成恒流恒壓充電[3]。

工作于中軌的導(dǎo)航衛(wèi)星及中高軌衛(wèi)星，最長地隱時長與最短光照時長比小于十分之一，因此可以設(shè)計每個BDR功率是BCR功率的10倍以內(nèi)。設(shè)計BDR輸出電流18 A，BCR電流大于1.8 A即可，本方案設(shè)計充電最大電流3.5 A。由于BCR功率較小，可以考慮將BDR和BCR集成于一個模塊，且共用部分輸入輸出電路，且增加輸入輸出保護(hù)電路，實現(xiàn)模塊級故障保護(hù)，便于模塊型譜化設(shè)計，同時可以提高BCDR模塊比功率。BCDR模塊原理框圖如圖7所示。

圖7 BCDR模塊原理框圖

較傳統(tǒng)BCDR電路在功率拓?fù)渖喜捎脝蜯OS管和單二極管設(shè)計，增加模塊級輸入輸出保護(hù)電路，共用部分功率線路，可有效提高BCDR效率，同時BDR電流較目前設(shè)計電流能力16 A增加至18 A，BCR電路簡化，通過提高BCDR共用電路、簡化BCR電路、提高工作頻率，一個二次電源配置，配合框架式結(jié)構(gòu)和無纜化設(shè)計提高了BCDR比功率。控制器配置6個BCDR，放電功率達(dá)4.6 kW，其中兩組電池各增加1個冗余BCDR，共計8個BCDR模塊，充電電流28 A。通過提升BCDR比功率進(jìn)而提升整機(jī)比功率。圖8為高比功率BCDR模塊示意圖。

圖8 高比功率BCDR模塊示意圖

2.3 TMTC模塊

TMTC模塊是電源控制器的智能管理中心，包含基于反熔絲的FPGA數(shù)字電路、1553B通信接口電路、信號變換電路、MEA電路、BCM電路、指令電路及輔助電源等。由于采用了基于反熔絲的FPGA的高集成電路，較目前TMTC模塊數(shù)字電路集成度得到大幅提升，質(zhì)量體積大幅減小。圖9為高集成TMTC模塊示意圖。

圖9 高集成TMTC模塊示意圖

2.4 CAPA模塊

CAPA模塊內(nèi)部設(shè)計有母線濾波電容及接地樁等。CAPA采用功率PCB代替目前的組件焊接電容排，可提高生產(chǎn)進(jìn)度和降低匯流排使用，減輕模塊質(zhì)量。

2.5 母板模塊

高比功率控制器采用各模塊垂直插于母板(Motherboard)模塊上，母板采用功率PCB替代匯流條，同時多層PCB可以實現(xiàn)各模塊之間的信號互聯(lián)，結(jié)構(gòu)采用框架型結(jié)構(gòu)，有效提高模塊比功率。圖10為母板模塊示意圖。

圖10 母板模塊示意圖

3 測試結(jié)果

42 V母線，型譜化高比功率電源控制器原理樣機(jī)如圖11所示，功率4.6 kW，比功率175 W/kg。經(jīng)過測試，性能指標(biāo)見表1。

圖11 高比功率電源控制器原理樣機(jī)

表1 控制器測試結(jié)果

4 結(jié)束語

通過對型譜化高比功率電源控制器原理樣機(jī)研制，該設(shè)計方案通過電路上的創(chuàng)新、結(jié)構(gòu)上、工藝上的優(yōu)化設(shè)計，較目前中高軌42 V母線主流長壽命電源控制器，功率由2.2 kW提升至4.6 kW，質(zhì)量由30 kg降低至26 kg，比功率由74 W/kg提升至177 W/kg，對于我國下一代導(dǎo)航衛(wèi)星、Small-GEO等衛(wèi)星電源控制器具有借鑒意義。