QC案例：高轨卫星高重量比功率PCDU研制

◆ “电源科技”QC小组 / 文

QC案例：高轨卫星高重量比功率PCDU研制

◆ “电源科技”QC小组 / 文

空间飞行器的研制重量资源有限，功率需求也越来越大，供配电系统的重量占整个飞行器重量较大的比例。供配电系统中的电源控制器负责太阳电池阵和蓄电池组产生能量的变换与传输，飞行器的全部能量传输都要经过电源控制器，电源控制器的高重量比功率设计显得尤为重要。据美国航空航天局(NASA)统计，卫星每公斤发射成本约1万美金。若电源控制器重量比功率过低，则同样的负载功率需要的重量就会增加，会增加飞行器的重量。另外，随着高轨通信卫星对大功率电源控制器需求的日益提高，高轨通信卫星对能源的要求极为苛刻，提高电源控制器的重量比功率迫在眉睫。为了提高重量比功率，需要对现有的产品进行研究，将新的技术应用到电源控制器产品中，使电源控制器的重量比功率在现有的基础上适当提高。

1．选择课题

1）类似国外PCDU研制

国外PCDU不仅包括传统的功率调节与配电，火工品起爆控制等功能，还包括加热器控制、推进系统配电等功能。将多台单机设备集成在一台设备中，集成度较高。国内没有相关研究。国外PCDU设备的功率质量比在164W/ kg～425W/kg之间。

2）高重量比功率PCU研制

PCU（功率调节单元）为国内普遍应用的产品，主要包括功率调节功能。其他的配电功能，火工品起爆控制等功能在其他分系统的控制单机设备内。我国对PCU产品具有丰富的研制经验，成熟度高，可在其基础上改进。然而，国内PCU设备功率质量比为68W/ kg～133W/kg。PCU集成度不高，不适合未来发展趋势。

3）高重量比功率PCDU研制

传统PCDU除包括PCU外，还包括配电单元，火工品起爆控制，智能接口单元等。高重量比功率PCDU集成度高，而PCDU中包括PCU，具有良好的继承性，可在继承的基础上改进。PCDU不但具有高的集成度，其中各个集成模块均有技术基础和技术支持。从电路技术研究角度，可进一步改进充电分流电路和放电电路的技术，通过减少元器件和提高效率达到降低重量并减少损耗的目的。从结构材料研究角度，可选择较轻的结构材料减轻重量。

因此，最终从技术可行性、应用前景、技术提升以及技术风险，确定高轨卫星PCDU研制为研究课题。

2．设定目标

针对高轨卫星PCDU调查研究已经以往经验实验，小组最终设定高轨卫星高重量PCDU研制的指标为：重量比功率达到350W/ kg。其中，PCDU要供给飞行器能量，需设定PCDU的输出功率范围从7.2kW～21.6kW，质量不超过60kg。

（1）母线电压：全调节母线为100.3±0.29V；

（2）母线纹波：峰-峰值不大于400mVp-p（0～20MH）。

3．提出方案并确定最佳方案

为满足高轨卫星大容量需求，QC小组成员极力推行高轨卫星高重量比功率PCDU研制集成化、模块化。集成化设计主要通过元器件表贴化和功率印制板化得以实现。模块化设计主要采取相同电路功能固化，使得功率增减转变成模块的增减。其中配电模块由继电器组成，不进行方案选择，采用固化设计。

高轨卫星高重量比功率PCDU系统图如图1所示，在保证安全可靠性情况下，对于结构材料，选择更加优质材料使其密度小、重量轻具有良好导热性能，机械性能；对于电路拓扑及控制方法，选择高效拓扑和高性能控制方法；对于元器件，选择低成本，高可靠性元器件。统筹兼顾三者，均衡优化，制定最佳方案。

（1）通过对S4R控制、S3R控制和混合控制3种方案的比较分析，S3R电路方案由于重量较轻，体积小，易于调试。确定S3R控制分流电路为最佳方案。

（2）通过对B U C K电路、B U C K电路+L C电路和SuperBuck电路3种方案的比较分析，SuperBuck电路由于具有效率高，电感小、磁性元较轻、易稳定、输入纹波小，确定SuperBuck电路为充电电路为最佳方案。

（3）通过对boost交错并联、Wenberg电路和Hi-Boost3种方案的比较分析，由于Hi-Boost电路具有效率非常高，可靠性好。确定为Hi-Boost电路为最佳方案。

（4）经过对比分析垂直下降法、主从设置法、平均电流自动均流法、外加均流控制器和双环控制方法5种方法，双环控制方法具有均流精度高，可靠性高，确定为最佳方案。

5）结构材料通过镁合金和铝合金对比分析，由于镁合金以其低密度、轻质量和良好机械性能称为最佳方案。

4．制定对策及对策实施

1）大功率宽范围设计

大功率宽范围主要实施，元器件表贴化设计和功率印制板化3结构模块化，可有效降低重量体积，

图1 高轨卫星高重量比功率PCDU框图

提高高轨卫星PCDU比功率。

2）母线纹波、均流技术和放电电路效率

母线纹波、并联均流控制技术、HI-BOOST电路效率采用正交实验法。正交实验法可有效找到影响因子，并确定影响程度，最终得到最佳参数。

5．巩固措施并确认效果

高轨卫星高重量比功率PCDU由8个S3R模块、14个BCDR模块、2个TMTC模块构成，最大输出功率21.6kW，模块重量为60Kg，重量比功率为360W/ kg。母线电压100.3V，母线纹波为258mV，达到设计目标。为进一步巩固成果，我们采取以下措施对研制成果加以巩固，从2014年1月份开始至2014年2月份，对研制生产的PCDU进了1个月的正弦振动试验、冲击试验、随机振动试验、加速度试验、真空放电试验、热真空试验等可靠性试验。试验期间，产品性能指标未发生变化，性能良好。

电源控制器重量比功率的提高适应未来航天发展要求，是我国航天领域电源分系统的技术储备。我国航天活动进入高轨卫星领域，需求大容量、宽范围的电源控制器产品，对电源控制器的重量比功率提出更高的要求。本次QC活动成果突破了国内电源控制器的重量比功率指标，并赶超了国际水平，为我国开展高轨卫星平台建设打下了技术基础。

（作者单位：上海空间电源研究所）