基于通信卫星TDMA载荷的电源控制器设计

赵秋山，王 凯，徐 伟，张泰峰，张 伟

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384)

基于通信卫星TDMA载荷的电源控制器设计

赵秋山，王 凯，徐 伟，张泰峰，张 伟

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384)

为满足通信卫星TDMA载荷的动态性能需求，提出了一种大功率电源控制器设计方法，其功率达21.6 kW，功率可扩展，采用100 V母线体制，介绍了其工作原理、模块构成和原理样机测试情况，能够满足未来通信卫星电源工程化的需求。

电源控制器;大功率通信卫星;卫星电源;TDMA有效载荷

近年来国外卫星技术迅速发展，一些卫星特别是地球同步轨道系列卫星趋于向大容量、大功率发展，大功率卫星的功率已经普遍达到或超过了10 kW量级，欧美正在发展15 kW至20 kW级的卫星平台，未来还可能增加到25 kW。在国外，20 kW级电源控制器技术已经成熟。美国波音公司在2002年就已经开发成功有效载荷功率达18 kW的卫星平台。

根据国内卫星技术的发展规划，在未来几年内地球静止轨道卫星将得到迅速发展，卫星的容量、性能和功率将有较大的提高，国内现有的卫星平台已不能满足设计需求。

卫星不断增大的功率需求和特殊载荷的动态需求对电源系统设计水平提出了新的要求，比如母线电压精度、输出阻抗、动态特性等。

本文针对未来通信卫星TDMA载荷的动态需求，给出了新一代大功率电源控制器的研究情况，阐述了其组成部分、工作原理和原理样机测试情况。

1 电源控制器的组成

基于通信卫星TDMA载荷的电源控制器构成如图1所示，其中电源控制器采用100 V全调节母线。配置南北太阳电池翼和南北锂离子蓄电池组，南北太阳电池翼设计为每翼12分阵，共24级分阵。南北锂离子蓄电池组每组由50 Ah单体5并22串联构成，每组250 Ah。电源控制设计功率21.6 kW，主要功能：光照期电源控制器调节太阳电池阵输出功率形成稳压供电母线，并完成蓄电池组充电；阴影期或太阳电池阵输出功率不足时，电源控制器调节蓄电池组输出功率形成稳压供电母线。其主要构成包括母线误差放大电路(MEA)、分流调节器(SR)、蓄电池充放电调节器(BCDR)和遥测遥控接口单元。

图1 基于通信卫星TDMA载荷的电源控制器架构示意图

电源控制器由26个模块组成，分别是14个充放电调节模块 (BCDR)、8个分流模块 (SUN)、2个遥测遥控模块(TMTC)、1个电容模块(CAPA)和1个背板模块(Back Board)。电源控制器的组成及实物照片如图2、图3所示。

电源控制器采用了模块化设计。这种设计的优势体现在设计、生产和测试，单个模块具有机械和电路功能的独立性，单个模块设计上的更改不会对整个产品带来影响；同时在生产和测试上，多个模块既可以同步并行开展工作，以减少生产和测试周期，也可以多个模块依照进度上的不同要求分布开展工作，具有很强的灵活性。

图2 基于通信卫星TDMA载荷的电源控制器产品图

图3 基于通信卫星TDMA载荷的电源控制器模块组成图

1.1 母线误差放大电路

母线误差放大电路是电源控制器的核心控制电路，母线误差放大(MEA)电路的主要功能是完成对误差信号(母线分压信号和电路基准信号之差)的放大和积分。母线误差放大电路的输出信号统一控制太阳电池阵的分流和蓄电池的充放电，保证卫星在轨的整个寿命期间母线电压稳定。

为提高电路的可靠度，母线误差放大器采用冗余表决2/4串并备份方式的设计，每一路主误差放大器全部相互独立。母线误差放大电路冗余表决示意图如图4所示。

图4 母线误差放大电路冗余表决示意图

针对大功率通信卫星有效载荷的TDMA负载特性，为满足载荷对电源系统动态性能的较高要求，文章提出了一种区别于三域控制模式的两域控制模式，两域控制模式的原理图如图5所示。

图5 母线误差放大电路两域控制示意图

相对三域控制而言，两域控制将BCR域和S3R域合并成一个SR域，在BDR域和S3R域设定死区，在这种控制模式下不采用独立的BCR域，而将BCR作为一个单独的母线负载。两域控制的主要特点是电源控制器的动态性能品质更优，特别是跨域动态性能。

1.2 分流调节器

分流调节器用于光照期太阳电池阵的功率调节，电源控制器设置24级分流调节器，单级分流能力最大20 A，其主拓扑采用新型Boost-S3R电路，如图6所示。基本工作原理：分流调节电路的状态由VMEA和每级电路基准决定，当负载减轻时，母线电压升高，误差信号VMEA电压升高，分流电路进入分流状态；反之，当负载加重，母线电压降低，误差信号VMEA电压降低，分流调节电路依次退出分流状态。

图6 Boost-S3R原理图

该新型Boost-S3R电路具有无损耗最大电流限制功能、防二极管短路失效功能和防MOSFET管短路失效功能，分流调节器模块内部不存在功率永久损失的失效模式 (只允许S3R故障后对母线供电而不允许对地分流)。

1.3 蓄电池充放电调节器

传统的电源控制器的充电调节器和放电调节器为两套相互独立并联运行的电路，充电调节器和放电调节器需要设计自己单独的输入输出保护和输入输出滤波电路，以防止单二极管短路失效、功率MOSFET管短路失效模式。本文设计的蓄电池充放电调节器是一种新型的充放电调节器，通过充电调节器和放电调节器共用输入输出保护、输入输出滤波电路、二次电源、脉冲产生电路等措施，达到简化电路、减少主功率器件、减少滤波器件的种类和数量，缩小了电路的体积和质量，还提高了电路的工作效率。

该蓄电池充放电调节器的原理框图如图7所示，放电调节器的功率拓扑采用Weinberg电路，电池电压范围为54～98 V，放电功率为1 800 W，最大2 000 W。充电调节器的功率拓扑采用Buck电路，采用恒流恒压充电，充电电流范围为0～3 A，充电电压范围为54～98 V。

图7 蓄电池充放电调节器原理框图

1.4 遥测遥控接口单元

遥测遥控接口单元包括两个相互冷备份的逻辑时序控制电路，主要完成PCU与综合电子之间的总线数据通信、执行遥控指令和上传遥测参数等功能。遥测遥控接口单元包含基于FPGA的逻辑控制管理单元、主备机切换电路、MEA电路、1553B总线通信电路、电池充电管理电路、母线过压保护电路、辅助电源等。

2 原理样机设计指标符合性

电源控制器通过总体验收测试，研制的21.6 kW PCU技术指标实测值满足合同指标，其技术指标在比功率、转换效率、母线纹波等方面优于国外PCU-NG技术指标，详细对比情况见表1所示。

表1 指标对比情况

3 结论

基于通信卫星TDMA载荷的电源控制器的研制成功，填补了国内空白，进一步提升了我国中高轨道长寿命卫星电源控制技术水平，满足了长寿命卫星在轨服务全寿命期的能源管理需求，为长寿命卫星平台技术的进步提供了有利的技术支持，社会与军事效益显著。

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Design of power conditioning unit based on communicate satellite TDMA payload

ZHAO Qiu-shan,WANG Kai,XU Wei,ZHANG Tai-feng,ZHANG Wei
(Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China)

To satisfy the dynamic response of the communicate satellite TDMA payload,a high power conditioning unit design method was proposed with power of 21.6 kW and extensible feature,and 100 V bus was used in the system.The working principle and module composition of the communicate satellite power system were introduced,and the test of engineering prototype was depicted, which met the future engineering requirements of the communicate satellite.

power conditioning unit(PCU);high power communicate satellite;satellite power system;TDMA payload

TM 57

A

1002-087 X(2017)07-1057-03

2016-12-15

赵秋山(1983—)，男，河南省人，工程师，主要研究方向为空间电源控制技术。