空間電源系統(tǒng)MPPT升降壓調(diào)節(jié)器研究

張 偉，王 鍇，孫洪彬，趙春陽，趙 超

(1.中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384；2.長光衛(wèi)星技術(shù)有限公司，吉林長春130000)

空間電源系統(tǒng)是深空探測器、衛(wèi)星等空間飛行器電能產(chǎn)生、存儲、變換、傳輸和分配的重要組成分系統(tǒng)，在飛行器全壽命期內(nèi)為飛行器提供穩(wěn)定的能量來源，其性能直接決定著飛行器的功率能力以及壽命兩個關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，是空間飛行器不可或缺的組成部分。目前，空間飛行器尤其衛(wèi)星電源系統(tǒng)，大多采用太陽電池作為空間電源系統(tǒng)的發(fā)電單元、蓄電池作為儲能單元。空間飛行器在光照期，控制器通過調(diào)節(jié)太陽電池為負(fù)載優(yōu)先供電，多余能量存儲蓄電池；當(dāng)工作于地影期，蓄電池通過控制器放電，滿足負(fù)載用電需求，控制器與配電器(PCDU)起著調(diào)節(jié)太陽電池陣、負(fù)載及充電功率平衡的同時完成電源的配電。MPPT 升降壓調(diào)節(jié)器又是空間電源系統(tǒng)控制器與配電器(PCDU)的核心電路，通過成功研制單個MPPT 升降壓調(diào)節(jié)器，利用多個調(diào)節(jié)器的順序調(diào)控或者多個調(diào)節(jié)器的并聯(lián)控制，實現(xiàn)PCDU 單機功率的擴展，本文只針對單個MPPT 升降壓調(diào)節(jié)器進行研究。

1 MPPT 升降壓調(diào)節(jié)器設(shè)計

1.1 主功率拓?fù)?/h3>

當(dāng)前，空間電源系統(tǒng)控制器中常用的非隔離升壓拓?fù)溆袉蜝oost、交錯Boost、He-Boost、Super-Boost、Weinberg 等拓?fù)潆娐罚歉綦x降壓拓?fù)溆袉蜝uck、Super-Buck 等拓?fù)潆娐罚ㄟ^以上升降壓電路的組合，實現(xiàn)非隔離升降壓的拓?fù)渲饕蠧UK 拓?fù)洌珺3R 拓?fù)浼癏 橋型拓?fù)涞取?/p>

CUK 拓?fù)淇梢詫崿F(xiàn)升降壓功能，但是CUK 拓?fù)潆娐沸枰獌蓚€電感和一個電容(不指濾波電容)；輸出是負(fù)電壓；電容作為儲能元件，提供電流比較小，增大電容勢必使拓?fù)潴w積質(zhì)量增大，因此不適合空間應(yīng)用。圖1 為CUK 拓?fù)潆娐穲D。

圖1 CUK拓?fù)?/p>

B3R 包括三個拓?fù)鋄1]，在太陽電池陣與儲能電池之間為Buck 和Super-Boost 拓?fù)洌趦δ茈姵睾湍妇€之間Super-Buck 拓?fù)洹崿F(xiàn)升降壓為Buck 和Super-Boost 的組合，系統(tǒng)主要用于太陽電池陣電流較大[2]、單模塊功率需求大的場合，功率器件和磁性器件使用較多，電路控制較復(fù)雜。圖2為B3R 拓?fù)潆娐穲D。

圖2 B3R 拓?fù)?/p>

圖3 為本文研究的升降壓拓?fù)浞桨福m合每級方陣電流不大于6 A 的控制器中使用。

圖3 MPPT升降壓拓?fù)?/p>

升降壓拓?fù)涞膶崿F(xiàn)使用兩個MOS 管，兩個二極管及一個電感，是一個H 橋電路。當(dāng)電路工作于降壓模式時，MOS1 工作于開關(guān)狀態(tài)，MOS2 工作于完全開路態(tài)，電路為Buck 拓?fù)洌瑢崿F(xiàn)降壓功能；當(dāng)電路工作于升壓狀態(tài)，MOS1 工作于完全導(dǎo)通態(tài)，MOS2 工作于開關(guān)狀態(tài)，電路為Boost 拓?fù)洌瑢崿F(xiàn)升壓功能，通過MOS1 和MOS2 的工作狀態(tài)變換，最終實現(xiàn)升降壓功能。拓?fù)湓诳刂浦械年P(guān)鍵是變換器升降壓狀態(tài)切換過程中需連續(xù)，不必增加直通電路和切換電路仍能實現(xiàn)各工作狀態(tài)的平滑切換。

MPPT 升降壓調(diào)節(jié)器具有如下優(yōu)點：

(1)升降壓拓?fù)湫问胶唵危骷伲煽啃愿撸?/p>

(2)二極管D2的存在易實現(xiàn)多級電路的并聯(lián)；

(3)硬件電路實現(xiàn)MPPT 功能；

(4)升降壓狀態(tài)切換過程動態(tài)連續(xù)。

1.2 升降壓狀態(tài)切換控制

升降壓狀態(tài)切換控制電路是保證拓?fù)湓谏祲汗ぷ鳡顟B(tài)的自動切換，不僅要實現(xiàn)狀態(tài)的快速切換，而且需要保證連續(xù)可靠，如圖3 所示框圖PWM 切換電路。電路在實現(xiàn)的過程中設(shè)置降壓電路的PWM1 和升壓電路的PWM2 的鋸齒波，在PWM1 與PWM2 之間的鋸齒波設(shè)置死區(qū)電壓，PI 調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的誤差信號會隨太陽電池方陣輸入電壓與蓄電池電壓的差值，產(chǎn)生3～7.5 V 誤差信號，由控制PWM1 的降壓，到等壓的直通，再到控制PWM2 的升壓連續(xù)控制過程，反之，控制方式相反。此種方式，較數(shù)字電路控制等其他方式升降壓過程不連續(xù)，以及需要增加MOS 管實現(xiàn)輸入與輸出電壓相同時的直通路控制具有明顯優(yōu)勢。

1.3 MPPT 電路

太陽電池陣的最大功率跟蹤控制方法較多，本方案采用電導(dǎo)增量法。電導(dǎo)增量法控制精確，響應(yīng)速度比較快，適用于空間環(huán)境條件變化較快的場合[3-4]。MPPT 電路原理如圖3所示，控制原理如圖4 所示。

圖4 MPPT控制原理示意圖

由式(1)的意義可知，通過設(shè)計類似push-pull 電路，使得在P1點時電壓逐漸下降，當(dāng)下降 ||ΔV 后，功率點到達(dá)P2點，同時電壓逐漸上升，電流逐漸下降，當(dāng)下降 ||ΔI 后，到達(dá)P1點后再向P2點移動，反復(fù)循環(huán)，則當(dāng)ΔV 足夠小時，功率點在最大功率點很小的范圍內(nèi)波動，實現(xiàn)動態(tài)最大功率點的定位[5]。

2 MPPT 升降壓調(diào)節(jié)器仿真與實驗

為了證明方案的可行性，進行了仿真和實驗驗證。搭建了空間不調(diào)節(jié)母線控制拓?fù)洌妇€電壓即蓄電池電壓，電壓可多檔位控制，本項目采用50 V 母線電壓，進行升降壓調(diào)節(jié)器的驗證。

MPPT 升降壓調(diào)節(jié)器主要參數(shù)：

輸出電壓：(50±1)V；

輸出功率：300 W;

輸入電壓(太陽電池陣最大功率點電壓)：30～70 V；

輸入電流(太陽電池陣最大功率點電流)：5 A；

MPPT 跟蹤精度：≥98.5%；

升壓效率：≥94.5%；

降壓效率：≥95.5%。

圖5 是調(diào)節(jié)器工作于降壓模式的仿真，其中CH_A 為輸入方陣電壓65 V、CH_B 為輸出母線電壓50 V、CH_C 為MOS1 驅(qū)動波形及CH_D 為MOS2 驅(qū)動波形。

圖5 工作于降壓模式的仿真1

圖6 是調(diào)節(jié)器工作于降壓模式的仿真，其中CH_A 為輸出母線電壓、CH_B 為PWM1 鋸齒波、CH_C 為誤差信號及CH_D 為PWM2 鋸齒波。

圖6 工作于降壓模式的仿真2

圖7 是調(diào)節(jié)器工作于升壓模式的仿真，其中CH_A 為輸入方陣電壓33 V、CH_B 為輸出母線電壓50 V、CH_C 為MOS1 驅(qū)動波形及CH_D 為MOS2 驅(qū)動波形。

圖7 工作于升壓模式的仿真1

圖8 是調(diào)節(jié)器工作于升壓模式的仿真，其中CH_A 為輸出母線電壓、CH_B 為PWM1 鋸齒波、CH_C 為誤差信號及CH_D 為PWM2 鋸齒波。

圖8 工作于升壓模式的仿真2

圖9 是調(diào)節(jié)器工作于輸入電壓與輸出電壓相等模式的仿真，其中CH_A 為輸入方陣電壓、CH_B 為輸出母線電壓、CH_C 為MOS1 驅(qū)動波形及CH_D 為MOS2 驅(qū)動波形。

圖9 工作于直通模式的仿真1

圖10 是調(diào)節(jié)器工作于輸入電壓與輸出電壓相等模式的仿真，其中CH_A 為輸出母線電壓、CH_B 為PWM1 鋸齒波、CH_C 為誤差信號及CH_D 為PWM2 鋸齒波。

圖10 工作于直通模式的仿真2

圖11 是太陽電池陣工作于最大功率點時，方陣電壓與電流仿真波形，圖12 是H 橋升降壓電路實際測試太陽電池方陣的最大功率點跟蹤時波形，MPPT 跟蹤精度達(dá)到98.5%。通過輸入電壓65 V(如圖5)和輸入電壓33 V(如圖7)，輸出電壓50 V 工況下對調(diào)節(jié)器進行仿真和原理樣機的測試，調(diào)節(jié)器在方陣電流5 A 時，升壓效率達(dá)到94.5%，降壓效率達(dá)到95.5%，參數(shù)滿足輸入要求，本文電路拓?fù)淇梢詫崿F(xiàn)升降壓調(diào)節(jié)及MPPT 控制。

圖11 MPPT仿真波形

圖12 太陽電池陣實際測試波形

3 結(jié)束語

通過對MPPT 升降壓調(diào)節(jié)器進行電路仿真和原理樣機的研制及測試，證明了方案的可行性，對空間電源飛行器在太陽電池陣和蓄電池組組合的電源系統(tǒng)具有指導(dǎo)意義。