卫星电源分流调节器的研究

付文学，韩献堂，梁芳

（中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384）

卫星电源分流调节器的研究

付文学，韩献堂，梁芳

（中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384）

卫星一次电源系统分流调节器采用顺序-局部-线性分流方式。对卫星电源系统光照区母线电压调节的必要性、分流调节器扩能改造的必要性及其应用前景进行论述，着重对方案的选择与论证、设计依据、产品的设计与计算以及分流调节器的温控设计做了详细介绍。

电源系统；卫星电源；航天器电源；分流调节器；顺序-局部-线性分流

现代通信技术的不断发展，对通信卫星的承载能力提出了更高的要求。目前，卫星寿命较短，功率小，8年寿命末期只有1688 W，难以适应卫星的需要；而预研的卫星功率又太大（约10 kW）。因此，研制一种介于两者之间，并且适用2000～4000 W电源系统的分流调节器是十分必要的。卫星电源系统改造的目标是：卫星电源系统的功率从1688 W增加到4000 W，阴影区的功率也将由1250 W增加到3550 W。

大功率大电流是电源系统的主要特点，热设计是分流调节器设计中需要重点解决的问题。分流调节器调节的功率要比原分流调节器增加2倍多，其发热功率也大大增加。因此在分流调节器的设计过程中，应尽可能降低分流调节器的功耗，对发热量较大的元器件的散热方式和散热效果进行科学的热分析并做出合理的热设计，并通过热验证实验加以验证。

1 分流调节方案的选择

分流调节器方案选择的基点是电源系统的总体方案不变。在现有的条件下，可供选择的分流调节方案有两种：开关顺序分流调节器(S3R)，集成化的顺序-局部-线性分流调节器[1]。

开关顺序分流调节[2]是目前许多大功率卫星电源系统普遍采用的母线电压调节方式。开关分流调节的突出优点是功耗小，单级分流电流较大，其体积和质量都可以做得较小；太阳电池阵无需设立抽头。其缺点是母线电压的纹波大，电磁兼容性较差。国内抗辐照性能好、截止频率高的宇航级场效应管难以解决。因此，本文放弃了开关分流调节方案，选择了集成化的顺序-局部-线性分流调节方案，即集成化的顺序-局部-线性分流调节器。作为最后确定的分流调节器方案，对顺序-局部-线性分流调节方案在以下方面做出了改进。

1.1 将分流调节电路集成化、模块化

集成化、模块化是星上设备的发展方向。分流电路的集成化、模块化已经成熟。分流调节器的所有分流调节电路除个别参数外，电路的结构和参数基本一致，很容易实现集成化、模块化。分流厚膜电路模块为双列直插式，金属外壳，壳体的大小为36mm×29mm×5mm，质量约15 g。每块厚膜电路里有四级分流电路，分流厚膜电路的设计可靠、性能稳定、安全有效。既顺应了集成化、模块化的发展方向，又提高了可靠性，延长了系统的使用寿命，是行之有效的分流调节方案。

1.2 分流调整管改为扁平封装的大功率晶体管

分流调节器中占据较大体积的元器件是大功率晶体管。为了缩小分流调节器的体积，减轻分流调节器的质量，改用扁平封装的同型号的大功率晶体管。分流调节器的底板是散热面，大功率晶体管安装在底板上，有利于散热，质量也可相应减轻。并且大功率晶体管的热阻非常低，仅0.5 W/℃，更有利于底板的散热。

1.3 太阳电池阵隔离二极管由原来的硅二极管改为肖特基二极管

隔离二极管的功耗就是二极管正向压降所产生的功耗。二极管的正向压降越低，隔离二极管的功耗越小。采用肖特基二极管可以较大地降低隔离二极管的功耗。

1.4 设立独立的充电阵

充电阵[3]不再在主母线上叠加，而是单独设立充电阵。但除涓流阵A(D)外，充电阵B(E)、C(F)在电池组充满后仍向主阵供电。目的是为了使太阳电池阵串联片数保持一致，以便于提高太阳电池阵的布片系数。

1.5 降低太阳电池电路的抽头点位置

处在线性分流状态的分流调整管功耗是局部-线性-顺序分流调节器功耗的主要组成部分。线性分流级的功耗与太阳电池阵抽头点位置有关。太阳电池阵抽头点的位置越高，分流调节器的线性级功耗越大。但抽头点的位置要确保太阳电池阵抽头点以上部分的开路电压在太阳电池阵的温度最低时，仍不超过母线电压[1]。

太阳电池电路中间抽头点的位置与太阳电池阵出影时的最低温度、光照区的母线电压等一系列参数有关。

如图1所示，太阳电池阵分为“上部”、“下部”两部分，中间为抽头点。设上部太阳电池阵的串联片数为u，下部太阳电池阵的串联片数为l，则太阳电池阵的总串联片数s为：

图1 局部分流调节框图

从减少分流调节器的发热功耗考虑，太阳电池电路的抽头点位置越低越好。但抽头点的位置必须满足下述要求：即在太阳电池阵的温度最低时，太阳电池电路上部（即抽头点以上的部分）的开路电压，加上分流调整管Q的饱和压降（为分析简单起见，暂时忽略不计），必须低于光照区的母线电压，否则就有可能发生该分流的分阵不能全部分流，从而出现多级分流电路同时处于线性区域的状况，起不到调节母线电压的作用。即：

将式（1）、式（2）和式（4）代入式（3），得到：

式（5）表明，局部分流调节器的太阳电池阵抽头系数取决于寿命初期稳定温度下单体电池最佳功率点的电压mp、单体电池最大可能开路电压ocmax和总的电压衰降系数。

太阳电池阵的串联片数为126片（少数为125片）。按上述公式计算，抽头点应在太阳电池电路负端以上80片附近。为了增加安全系数，太阳电池电路的实际抽头点选择在太阳电池电路负端以上84片处。

2 电路设计

2.1 分流电路设计

图2为分流电路[1]的框图。

图2 分流电路框图

每级分流电路实际上是一个有比较功能的电压负反馈恒流源[1]。对于任何一级分流电路来说，当母线误差电压低于它的参考电压时，分流调整管处在截止状态；当母线误差电压大于或等于参考电压时，分流调整管开始进入线性区域，进行分流。母线误差电压上升，分流电流增大；母线误差电压下降，分流电流减少。当母线误差电压大于参考电压一定数值时，分流调整管饱和[1]。

每级分流电路的线性工作区域为0.1V。为防止两级和两级以上的分流电路同时进入线性区域，相邻两级分流电路之间有0.2V的死区。

分流调节器的工作温度为－30～+60℃。

分流调节器安装在星外，其温度环境十分恶劣。光照面和阴影面，光照区和阴影区环境温度相差200℃以上。分流调节器本身的发热功率又变化很大，在影区的发热功率最小，只有2.5 W左右；而光照区的发热功率（包括线性级的功耗和饱和级的功耗，当隔离二极管放置在分流调节器中时，还包括隔离二极管的功耗）可达20 W。因此，分流调节器温控设计的好坏是分流调节器成功的关键。

线性级的最大功耗发生在线性级分流调整管Q2将要进入饱和区域以前（Q1为分流驱动管），此时：

此时有：

将式（2）、式（4）、式（8）代入式（7），得：

因此有：

按式(10)计算的结果，分流调节器线性级的最大功耗约为40 W。加上分流调整电路的饱和级和隔离二极管以及二次电源的功耗，分流调节器的最大功耗可达60 W。分流调节器的功耗曲线如图3所示。

图3 分流调节器的功耗曲线

2.2 分流调节器温控设计

分流调节器温控设计的任务是：在光照区，当分流调节器的发热功耗处于最大值（约60 W）时，必须把分流调节器的温度控制在60℃以下；在阴影区，出影时分流调节器的温度不能低于－30℃。为确保上述指标的实现，分流调节器在温控方面采取了如下措施。

2.2.1 被动温控措施

（1）将底板作为散热面。根据分流调节器的最大发热功率，由专业技术部计算出确保最高温度不超过上限值所需要的发射率。

（2）正面覆盖多层镀铝薄膜，以反射太阳垂直照射所产生的热量。

（3）增大接触热阻，降低阴影区温度下降的速率，分流调节器的压紧点套筒用热阻较大的钛合金制造。分流调节器的6个安装耳片与碳纤维横梁之间装有隔热垫片，并用热阻大的钛螺钉固定。

2.2.2 主动温控措施

分流调节器有14 W加热功率，加热片贴在分流调节器底板上。控制方式为温度控制。温度低于或等于14℃时加热器接通，等于或高于18℃时加热器断开。

3 结论

分流调节器鉴定样机的研制按照总体部的要求同步进行，经过方案论证—电路设计—电路调试—整机组装、调试—鉴定实验，最后完成鉴定评审。实验结果表明：分流调节器的结构稳定，运行正常，电性能正常，实验结果符合设计要求；母线电压稳定在(42±0.5)V[3]，各项指标及性能均满足设计要求。

[1]石菊园，曹阳，张洪周.东方红三号卫星一次电源分流调节器[R].北京：中国空间技术研究院，2000.

[2]石菊园，孙德全，蒋钦琳.卫星电源技术[M].北京：宇航出版社，2001：188-275.

[3]王远征.东方红三号卫星一次电源[R].北京：中国空间技术研究院，2000.

Satellite power flow study of corresponding regulator

FU Wen-xue,HAN Xian-tang,LIANG Fang

Themeasure of local-linear-sequentially current shunting was adopted by the satellite's shunt regulator. The necessity of a regulatedmain bus and amplification for the shunt regulator were presented.A discussion of the prospected amplification wasmade.The design options and demonstrations of projects were stressed.A detailed introduction of the design for regulating temperature of shunt regulator wasmade.

electrical power system;satellite power sources;spacecraft power supply;shunt regulator; local-linear-sequentially shunt the current

TM 91

A

1002-087 X(2014)10-1883-02

2014-05-29

付文学(1978—)，男，安徽省人，工程师，主要研究方向为空间电源产品。