空间S4R电源系统的设计与实现

李建平，徐 伟，钱成喜

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384)

空间S4R电源系统的设计与实现

李建平，徐 伟，钱成喜

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384)

采用S4R功率调节技术能降低电源系统的控制难度，并具有较高的充电效率，同时能降低PCU的质量和热功耗，是一种具有广泛应用前景的卫星电源技术。介绍了一套42 V母线S4R功率调节技术空间电源系统，对S4R功率调节系统的技术特点、设计方法和实验情况进行分析总结。

S4R；42 V；电源实验系统

S4R功率调节技术于20世纪90年代中期由EAS电源研究室开发成功，S4R在S3R的基础上拓展增加了太阳电池阵的直接充电功能。S4R电源系统采用“两域”控制方式，与S3R系统[1]的“三域”控制方式相比，降低了一次电源系统控制的复杂程度，提高了电源系统跨域动态响应能力；由于S4R系统具有太阳电池阵的直接充电功能，不需要配置独立的BCR充电模块，可减轻电源控制器(PCU)的质量。S4R系统[2]中，太阳电池阵能直接为蓄电池组充电，使PCU具有更高的充电效率，同时降低PCU热功耗，降低PCU的热控难度。

S4R功率调节技术可以满足各种轨道航天器电源系统的应用需求，尤其适用于需要频繁地进行大电流充电的航天器电源系统。

1 S4R电源系统简介

如图1所示，42 V母线S4R电源系统主要包括S4R电源控制器、太阳方阵模拟器、锂离子蓄电池组、电子负载模拟器以及测试用的TM/TC、上位机等相关仪器设备。

1.1 S4R电源控制器

电源控制器是S4R功率调节技术电源系统的核心，电源控制器采用两域(S4R)全调节母线体制，实现母线电压调节、太阳电池阵模拟器输出功率的分流调节、蓄电池组模拟器充电控制及放电调节，以及实现产品过压、限流保护。

S4R功率调节系统的供电母线电压范围设计为 (42±0.3) V。本课题研制电源控制器采用两域(S4R)全调节母线体制，主要功能包括：

图1 S4R功率调节技术电源系统框图

(1)电源控制器一共包括12级顺序开关分流调节器，分别为6个S3R分流调节器和6个S4R分流调节器；

(2)在太阳电池阵输出功率满足整星负载的条件下，多余的输出功率才会通过S4R电路为蓄电池组提供充电；

(3)在阴影期或太阳阵输出功率不足时，则蓄电池组通过放电调节器给母线供电，并通过设计实现各个升压调节器均流控制；

(4)具备对蓄电池组进行均衡充电控制的能力；

(5)每个放电调节模块具有均流的能力。

1.2 太阳电池阵模拟器

对应电源控制器的12级分流调节器，系统一共设置了12级太阳电池阵模拟器，每级太阳电池阵模拟器分别对应于一个分流电路。太阳电池阵模拟器由Agilent公司生产，型号为E4351B，最大输出功率480 W。

1.3 锂离子蓄电池组

锂离子蓄电池组由中电18所研制，蓄电池组一共由9节容量为30 Ah的锂离子单体电池串联组成。每节单体电池的正常工作电压范围在3.3～4.1 V，整组蓄电池组的工作电压范围则控制在29.7～36.9 V。

1.4 电子负载

电子负载模拟器由德国H&H公司研制，型号为ZS3212 Electric Load，配置为120 V，150 A，3 000 W。

1.5 测试用仪器

本实验系统测试用仪器设备主要有：电源控制器专检设备TM/TC(包含上位机)、4通道Tektronix MSO4054示波器、Agilent 34401A数字万用表、KYORITSU KEW SNAP 2004电流卡钳表等。

2 S4R电源系统设计

2.1 系统设计

S4R系统为二域控制系统，电源控制器的主误差放大器(MEA)信号的整个有效范围分为两个区域，中间设置死区隔离。BDR工作对应一个区域，S3R电路和S4R电路对应另一个区域，S3R电路和S4R电路对应的区域是连续的，因此称为二域控制系统，见图2。

图2 MEA控制趋势示意图

主误差电压(Vmea)对应于母线输出功率。当母线输出功率较负载功率不足时(太阳电池阵供电不足或无输出)，主误差电压控制放电调节器工作；当母线输出功率较负载功率过剩时，主误差电压控制S4R电路中的充电调节电路工作；若太阳电池阵输出功率大于负载功率和充电功率，主误差电压控制S4R电路中分流调节电路工作，达到母线输出功率与负载功率平衡，这时充电电流受BEA电路控制(恒流限压模式)。

在S4R模块调节域中，MEA对于S3R、S4R电路单元的控制完全相同，只是S4R电路单元设置在低端，S3R电路单元设置在高端。在S4R电路中独立设置了充电与分流的逻辑控制电路，保证充电过程必须在分流域内进行，也就是说S4R电路只能将太阳电池阵产生的功率供给负载后所剩的功率进行充电，再将满足负载和充电后的其余功率分流。S4R对太阳电池阵所产生功率的分配原则为先负载、再充电、后分流，因此供负载和充电过程、充电过程和分流过程不会发生冲突。

2.2 S4R电路设计

S3R技术与PWM分流技术相比有着电路简洁，热耗低，可靠性高等优点，S3R分流开关管控制电路由回差(施密特)比较器构成。

S4R电路是在S3R电路的基础上增加了一个串联充电开关管，使太阳电池阵能直接为蓄电池组充电。图3为S4R电路原理框图。

图3 S4R电路原理框图

在S4R电路中独立设置了供负载、充电与分流的逻辑控制电路，保证S4R对太阳电池阵所产生功率的分配原则为优先供负载、其次充电、最后分流。

2.3 放电调节电路(BDR)设计

当太阳方阵的输出功率不满足负载需求或处于轨道阴影期时，放电调节器完成母线调节工作。放电调节器采用热备份工作方式，各个模块的输出电流统一由主误差放大信号控制。

BDR设计采用升压调节电路，其原理框图如图4所示。

图4 BDR原理框图

放电调节器的核心单元由功率场效应管、整流二极管、电感等构成的Boost转换器和控制电路构成。由于环路控制的需要，必须获得输出电流的平均值，用于MEA的电导控制，调节主母线电压。输出电流采样设置在输入端，为确保电流采样信号免于电感电流的噪声干扰，电流采样电阻采用低电感电阻。每个BDR有独立的电流控制环，输出电流均接受主误差信号统一控制，从而实现了多个BDR的均流设计。

3 S4R电源系统实验验证

S4R功率调节系统由12级分流电路组成，根据负载和充电的需求状态，各级电路会处于不同的工作状态。

3.1 轻度负载工况

负载较轻时，太阳电池阵输出的电流之和在满足负载电流和充电电流需要的同时仍然有富裕，此时有两级分流级处于调整状态。有一级调整级处于分流/供负载调整状态，另一级调整级处于分流/充电调整状态，其余各级稳定处于供负载状态或充电状态或分流状态。该状态下充电电流受BEA信号控制，蓄电池组处于恒流充电或者恒压充电状态。实验波形如图5所示。

图5 轻负载时S4R实验波形

3.2 中度负载工况

中度负载时，太阳电池阵产生的电流之和不能同时满足负载电流和充电电流的需要，此时只有一级分流级在充电/分流/供负载三个状态之间调整，其余分流级稳定处于供负载状态或充电状态。该状态下调整级受MEA信号和BEA信号共同控制，蓄电池组处于恒流充电或者恒压充电状态。实验波形如图6所示。

图6 中度负载时S4R实验波形

3.3 重度负载工况

重度负载时，当太阳电池阵产生的电流之和不能同时满足负载电流和充电电流的需要，此时只有一级分流级在充电/供负载两个状态之间调整，其余分流级稳定处于供负载或充电状态。该状态下充电电流受MEA信号控制，蓄电池组充电电流不足，未达到恒流充电或者恒压充电状态。实验波形如图7所示。

图7 重负载时S4R实验波形

3.4 母线特性

(1)母线纹波和工作频率

母线纹波与回差比较器的回差值、母线电压的衰减比例和MEA电路的放大倍数有关。

分流电路的工作频率与母线纹波、太阳电池阵电流和母线滤波电容值有关，当调整级分流开关管的开关占空比系数=50%时，分流电路的工作频率最大。

通过设计和实验验证表明，S4R电路调节的母线纹波特性较好。实验波形如图8所示，母线纹波为172 mV，工作频率为1.25 kHz。

图8 母线纹波实验波形

(2)瞬态特性

瞬态特性是考量电源系统输出特性的一个重要指标，瞬时负载跃变会造成母线电压的瞬时变化。通过实验验证表明，基于限频开关分流调节技术的S4R功率调节系统能够非常好的实现输出母线的稳压功能，具有非常好的瞬态特性。从图9可以看出负载跃变时母线电压波动不大于220 mV。

图9 负载跃变波形(负载变重)

4 结论

通过一套基于S4R功率调节技术的空间电源系统的设计和实现，介绍了S4R系统的技术特点、设计方法和实验结果。文中对S4R功率调节电路的工作原理和控制策略进行介绍以及对S4R功率调节系统的各种工作状态进行分析，并给出了相应的实验验证结果，其分析思路和实验结果可以为空间S4R电源系统设计提供参考。

基于S4R拓扑原理设计和试验验证,证实了高效率、低质量的串联开关与开关分流模块结合组成的S4R拓扑结构设计,实现分流、充电模块一体化,在太阳电池分阵接口设计不变化的情况下使得电源系统拓扑结构简化。

采用S4R的电源系统的电池组充电电压会钳制太阳电池阵的工作电压,方阵的功率利用率不充分,但由于串联充电开关高效调节,可以弥补方阵功率利用率较低的不足。

空间电源S4R拓扑结构可以在大功率GEO、LEO卫星平台中使用。

[1]SULIVAN O,WEINBER G.The sequential switching shunt regulator S3R[C]//Proceedings of the third ESTEC spacecraft power conditioning seminar.Noordwijk,Netherlands:The third ESTEC spacecraft power conditioning seminar,1977:123-131.

[2]CAPEL A,PEROL P.Comparative performance evaluation between the S4R and the S3R regulator bus topologies[J].IEEE,2001(4): 1963-1969.

Design and realization of S4R regulation technology power system

S4R power regulation technology was used to reduce control difficulty of power system and advances charge efficiency.The weight and volume of PCU could be decreased through the using of S4R power system.S4R power regulation technology was an abroad foreground application.A S4R regulation technology experimentation system with 42 V bus was introduced,and the design and realization of S4R power system were analyzed.

S4R;42 V;power experimentation system

TM 615

A

1002-087 X(2015)10-2218-04

2015-03-21

李建平(1982—)，男，福建省人，工程师，硕士，主要研究方向为空间电源系统及电源控制设备。