一種應用于空間環境的太陽電池陣升壓變換器

代 磊，魯 偉，張 明，李海津，張泰峰

(1.中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300384；2.北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

電源分系統是衛星核心組成部分之一，負責為衛星提供持續和可靠的能源供給。隨著大型軍事航天裝備有效載荷供電需求的不斷提升，高空間/時間分辨率綜合化環境態勢感知與監測裝備對電源系統的功率容量與供電品質提出了非常嚴苛的要求。衛星平臺要求供電母線為高精度的穩定母線，合成孔徑雷達(SAR)載荷以及脈沖負載要求母線滿足瞬時強脈沖功率需求，瞬時功率甚至超過平臺功率的10 倍以上[1-2]。

衛星的電源分系統主要由實現功率能量調配的電源控制器(PCU)、實現電能存儲的蓄電池和將太陽光轉換為電能的太陽電池陣組成[3]。傳統衛星電源控制器大多采用全調節母線電源系統，若按照峰值功率需求配備太陽電池陣和蓄電池組，質量約為按平均功率設計的10 倍左右，大功率電源控制器也會帶來平臺質量大幅增加、技術實施難度急劇增大的問題。SAR 遙感衛星的特殊用電需求對衛星電源分系統的設計提出了極大的挑戰[4]。

短時大功率脈沖的SAR 載荷在啟動和工作過程中存在的劇烈的電壓和電流波動會對母線產生強烈的電磁干擾(EMI)，如果SAR 載荷與衛星公用載荷共用一條母線，產生的EMI 將影響控制、測控和數管等關鍵分系統的穩定工作，因此絕大多數的SAR 衛星基本上配備了兩條母線，其中一條全調節母線提供衛星平臺載荷磁干擾，如果SAR 載荷與衛星公用載荷共用一條母線，產生的電磁干擾將影響衛星其它關鍵分系統用電需求，另外一條不調節母線提供SAR 載荷用電需求，使得SAR 載荷工作過程中產生的電壓電流的劇烈震蕩不會影響平臺載荷。大多數的SAR 載荷供電來源是不調節母線，相較于全調節母線，不調節母線具有輸出阻抗低的優點，可滿足短期峰值負載和強脈沖負載的供電需求。

國內外SAR 衛星電源系統特點如表1 所示[5]。國外的SAR 衛星為了最大限度發揮電池的功率輸出能力，基本上都采用了最大功率點跟蹤(MPPT)技術，實現SAR 衛星不調節母線的功率需求，我國雖然也有發射成功的SAR 衛星[2]，但SAR載荷的母線依然采用傳統的S3R 技術，這對太陽電池控制體積、質量和成本等方面提出了巨大的挑戰[1]。隨著遙感、偵察任務需求以及載荷水平的不斷提升，衛星平臺及載荷對電源系統提出了嚴苛又迫切的要求。目前國內外SAR 遙感衛星峰值功率已達到20 kW 量級，正朝著20～100 kW 的方向發展，傳統基于S3R 技術的衛星電源系統的設計方案已難以適應新的技術要求。因此，為了滿足SAR 載荷的功率需求，急需探索新的空間電源供電方案。

表1 國內外SAR 衛星電源系統

雖然MPPT 技術屬于串聯式開關調節器，變換器的效率相較于S3R 等并聯式調節器偏低，但在光照條件變化的情況下，依然能夠使得變換器工作在太陽電池陣能夠輸出的最大功率點，提高了太陽電池陣的利用率，MPPT 技術適合于太陽光照變化較大或者太陽電池工作溫度變化劇烈的空間飛行器[6]。對于高脈沖高功率載荷的SAR 衛星，為了保證載荷的高可靠性工作，也經常采用MPPT 技術對太陽電池陣進行調節[7-8]。

本文針對SAR 對空間電源系統SAR 載荷的功率特殊要求，研制了一種采用Superboost 拓撲實現MPPT 的變換器。Superboost 的輸出直接掛在SAR 載荷的母線上，SAR 載荷的蓄電池也直接掛在母線上，可以通過模塊的并聯實現整個電源系統SAR 載荷的功率輸出的擴容，如圖1 所示。本文介紹了電路拓撲和MPPT 技術，采用電力電子仿真軟件PSMI 對變換器進行了仿真，搭建了試驗平臺(輸入50～75 V，輸出80～100 V，單模塊功率680 W)，驗證了仿真及設計的正確性。

圖1 電源系統框圖

1 變換器介紹

1.1 Superboost 拓撲工作原理

Boost-MPPT 電源控制器單模塊拓撲電路如圖2 所示，電路輸出與輸出端口電流連續，具有較小的電流紋波和良好的電磁兼容性。同樣，Boost-MPPT 電源控制器可以采用多模塊并聯的方式，以滿足不同等級的功率需求。

圖2 變換器電路圖

Superboost 變換器和Boost 變換器均是實現輸出電壓高于輸入電壓的不隔離式直流變換器，但是Boost 變換器只有輸入端的電感，輸出端無濾波電感，只能保證輸入的電感電流連續而不能保證輸出電流連續，輸出電容上紋波電流大，對輸出電容的交流紋波和可靠性均提出了很高的要求。Superboost 在Boost 變換器的基礎上增加一個電感和一個電容，保證了輸入和輸出電流的連續性，降低了輸入和輸出濾波的難度。Superboost 變換器效率高和功率密度高的優點能夠很好地滿足空間需求[9-11]。

Superboost 由M1、變換器D1、D2、L1、L2、C1、C2組成，其中二極管D2是為了實現多模塊并聯使用而增加的。當電容C1和C2足夠大時，可以認為電容上UC1和UC2電壓均為輸出電壓Uout。流過電感L1和L2的電流iL1和iL2之和等于輸入電流iin。圖3 為變換器兩個工作模態等效電路。

圖3 變換器兩個工作模態等效電路

工作于模態一[t0,t1]時，在t0時刻，MOS 管M1導通，二極管D1反偏截止。電感L1兩端承受的電壓為Vin，電感L2兩端承受的電壓為Vin，電感L1和L2的電流iL1和iL2均線性增長。

當t=t1時，電感電流iL1和iL2均達到最大值iL1max和iL2max。在工作模態一時，電感電流iL1的增長量為：

電感電流iL2的增長量為：

工作于模態二時，MOS 管M1截止，二極管導通，電感L1兩端承受的電壓為Vin-Vout，電感L2兩端承受的電壓為Vin-Vout，電感L1和L2的電流iL1和iL2均線性減小。

當t=t2時，電流iL1和iL2均達到最小值iL1min和iL2min。在工作模態二時，電流iL1的減少量為：

電流iL2的減少量為：

由此可見，Superboost 變換器在MOS 管導通時，電感L1和L2均進入儲能階段，同時與電容C1和C2一同向負載提供了能量，MOS 管截止時，電源、電感L1和L2共同向負載提供能量，同時給C1和C2充電。

變換器工作的主要波形圖如圖4 所示。

圖4 變換器的工作波形圖

輸入輸出電壓關系滿足式(5)：

其中D為MOS 管驅動的占空比：

1.2 MPPT 基本原理

空間用電源控制器針對太陽電池的調制方式可以分為串聯型調節與并聯型調節。采用并聯式的調節方式(如S3R、S4R)往往需要考慮壽命末期光照強度、溫度、輻照損失等條件的影響，為了保證壽命末期依然能夠滿足衛星壽命需求，電路設計上均是太陽電池陣工作在最佳工作點的左方，這將無法充分利用太陽電池的輸出能力。

而串聯式(如MPPT)調節方式使太陽電池始終工作在最大功率點狀態，在太陽電池的全壽命周期內，電源系統能夠最大限度地利用太陽電池的輸出功率。相較于并聯式調節方式，串聯式調節方式降低了鋰電池的放電深度，提高了鋰電池的可靠性。圖5 為MPPT 與S3R 模式的太陽電池初期、末期工作點，無論在壽命初期還是在壽命末期均可以最大化地利用太陽電池。

圖5 MPPT與S3R 模式的太陽電池初末期工作點

對太陽電池的MPPT 可以通過軟件與硬件的方式實現。雖然軟件算法在地面光伏發電領域技術已經非常成熟，在空間領域也有歐空局(ESA)采用現場可編程門陣列(FPGA)實現MPPT 算法的成功經驗，但由于空間應用的特殊條件及高可靠性要求，空間用電源系統的MPPT 實現大多采用硬件電路來實現。

MPPT 的控制算法有很多，其中增量電導法具有控制邏輯簡單、控制效果好、在光照強度劇烈變化的情況下依然能夠追蹤和追蹤過程中無明顯毛刺的典型特點，因此本次研究采用的是電導增量法。電導增量法可以用太陽電池的P-V 曲線來說明，變換器工作在太陽電池的最大功率點的斜率為0，在最大功率點的左側斜率為正，最大功率點的右側斜率為負。已知P=VI恒成立，求導可以得出：

在最大功率點時，滿足式(8)：

電導增量法通過比較瞬時電導與增量電導的大小，來判斷太陽電池工作的電壓方向，進而得到最大功率點，如圖6 所示。

圖6 電導增量法示意圖

MPPT 電路的功能框圖如圖7 所示。變換器可以分為功率與控制兩個部分。MPPT 控制電路對功率電路中太陽電池陣電壓和電流進行采樣，通過采樣保持電路對當前電流和電壓值與前一狀態的值進行實時對比，通過RS 觸發器輸出狀態的變化實現改變太陽電池的工作點，從而使得變換器工作在最大功率點PMAX(VMAX，IMAX)附近，從而使變換器實現了電導增量的控制算法。

圖7 MPPT功能框圖

2 仿真校驗與試驗情況

2.1 仿真情況

在PSIM 軟件中搭建了仿真電路，設置太陽電池陣初期開路電壓70 V，短路電流10 A，最大功率點電壓65 V，電流9.5 A。蓄電池通過電源與二極管模擬，蓄電池電壓即母線電壓，為90 V。

圖8 為最大功率跟蹤太陽電池陣電壓電流波形圖，變換器很好地追蹤到了最大功率點。

圖8 最大功率跟蹤太陽電池陣電壓電流波形圖

圖9 為仿真電路中電感L1和L2的電流和電容C1兩端電壓的波形圖，可知電感L1和L2的電流和電容C1電壓理論分析與仿真一致。

圖9 Superboost功率變換部分仿真波形圖

2.2 試驗驗證

搭建試驗平臺，設置太陽電池陣初期開路電壓70 V，短路電流10 A，最大功率點電壓65 V，電流9 A，蓄電池電壓為90 V。對太陽電池的電壓與電流進行了測試，如圖10 所示，可以看出變換器很好地追蹤到了太陽電池的最大功率點。

測試了太陽電池陣不同最大功率點(電壓相同，均為70 V，電流不同)和不同母線電壓情況下的變換器的效率，具體測試結果如圖11 所示。

圖11 效率測試圖

3 結論

針對SAR 衛星對空間電源系統提出的特殊功率需求，本文研制了一種采用MPPT 技術升壓式變換器，對硬件電路實現的MPPT 的原理和本文采用的功率拓撲結構Superboost 變換器工作原理進行了介紹，對變換器進行了仿真與設計，搭建了試驗平臺，試驗表明本文所設計的變換器可以實現對太陽電池最大工作點很好地追蹤，同時變換器效率可達98.5%。本文的研究為后續我國SAR 衛星中要采用的MPPT 技術提供了一種切實可行的方案。