国外星载大电流直流开关电源均流技术综述

方唱凯 王卫国 郭显鑫 高波

(1 兰州空间技术物理研究所，兰州 730000)(2 绍兴文理学院电气自动化系，浙江绍兴 312000)

卫星电源系统是卫星最基本的组成部分，其主要功能是为卫星正常运行提供稳定的电能供给，并对电能进行储存、分配和控制。随着通信、数据处理类设备如调制器、解调器、路由器、信号接收处理机等的发展，要求处理的数据量越来越大，数据处理的速度越来越快。设备所采用的FPGA、数字信号处理器(DSP)、CPU等核心芯片对供电电源的电压越来越低、电流越来越大——降低供电电压、提高供电电流才能提高这类芯片的工作频率。近年来，低电压大电流的FPGA芯片在宇航领域开始得到应用。最新应用到宇航领域的FPGA 为1.0 V，供电电流为二十几安培，对供电电源的要求为1.0 V/30 A。

国内某卫星某设备供电电源电压1.2 V，工作电流为8 A，峰值电流17 A——用电设备为FPGA。另有卫星某设备供电电源为3.5 V和5.4 V，工作电流分别为15 A和10 A，峰值电流分别为18 A和13 A。某卫星关键载荷要求28 V/70 A供电，保护电流要求90 A。空间站某设备电源要求5 V/60 A供电。

美国国家标准协会(ANSI)于2012年发布的标准ANSI / VITA 62.0《模块化电源标准(Modular Power Supply Standard)》[1]，用于高速数据传输的通用计算机总线(VPX)机柜的电源模块接口P3、P4、P5、P6输出电流达到40 A。

大电流电源的应用需求随着航天器各设备电流容量的提高以及微处理器工作频率的提高而呈现逐渐上升的趋势。因此本文研究的重点是根据国外大电流并联均流电源的研究情况，提出通过采用并联电源系统，解决大电流、大功率供电问题，同时应用均流技术提高卫星电源系统可靠性的建议。

1 卫星电源系统概述

卫星电源系统是卫星上产生、储存、变换、调节和分配电能的卫星分系统。一般卫星电源系统主要是由太阳电池阵(发电)、蓄电池组(储能)及电源控制装置(控制)等组成，在光照期间太阳电池阵通过光电转换把光能转换为电能，为负载供电及蓄电池充电，在星蚀期间由蓄电池组为负载供电。一次电源系统主要负责电能的产生与存储，二次电源系统则直接向用电设备供电。卫星电源系统框架如图1所示。

图1 卫星电源系统框图Fig.1 Satellite power system block diagram

随着空间技术的不断发展，要求卫星的寿命越来越长，星上设备功率越来越大，卫星所搭载的处理器频率越来越高，同时需要卫星电源产品具备可靠度高、转换效率高、质量轻、体积小、可实现功率扩展等诸多特性。卫星电源模块并联是解决卫星电源系统大电流供电的发展方向，模块的并联均流技术是实现大功率卫星电源系统的基础技术。并联卫星电源系统具有如下优点[2]。

1)降低元器件的额定值和提高工作频率

采用电源并联的方式解决大电流负载供电，每一个电源的输出电流和功率都降低了，开关器件、整流器件、变压器、扼流圈等的额定值，可以选择和利用的元器件种类多了，可以选择的厂商也多了。由于元器件的电流、功率额定值降低了，寄生参数减小了，可以提高工作频率，在大功率应用场合，并联工作的电源的体积较单一电源小，质量轻。

2)提高效率和可靠性

并联电源相对于单一电源，在并联电源能均流的情况下，并联电源在平均承担输出电流和输出功率的情况下，同时平均承担了自耗，减小了单一电源的功率元器件的热耗，降低了自身的温度，提高了工作可靠性，且散热的代价和成本因为散热措施的简化而降低，热管理难度降低。

3)标准化设计

采用并联均流技术的电源模块，每一个模块的功率降低了，体积减小了。设计上，采用通用的元器件，可以采用标准化的设计。设计的移植性更好，这对提高生产效率，缩短生产周期大有裨益。

4)模块化

可以使得大容量的电源设计变得简单，功率的增加依靠并联的电源模块的数量的增加即可。系统的设计更加简单，可以根据负载的变化，迅速地重构电源系统，电源的设计和应用更加灵活。

5)冗余设计

采用并联电源的供配电系统设计，依靠单电源的并联提高电源系统的输出能力，可以采用冗余设计，提高电源的工作可靠性，这种新型供配电方式如图2所示。图2的并联供电电源系统中，共使用了M+N个电源模块，其中，M个电源模块的输出功率就可以满足使用要求，N个电源模块的输出功率作为功率冗余。正常工作时每一个模块的输出功率为其输出能力的M/(M+N)，倘若其中一个或者几个模块出现故障，故障模块被隔离，依靠其余模块为负载供电，其余模块的输出功率增加。备份的程度可以根据用户的需求进行定制，备份方式更加灵活，备份的代价和成本相对小。

图2 并联供电电源系统Fig.2 Parallel power supply system

理想的、完全相同特性的直流/直流(DC/DC)变换器多模块并联，不需要均流即可构成大功率卫星电源系统。但实际上，真正保证各并联模块特性完全一致是不可能的，不一致就可能造成相并联的各模块输出电流有差异不均流，不均流就可能造成电、热应力不平衡而导致各模块输出不均流进一步加剧，从而影响系统特性和可靠运行。均流技术是对系统中各并联模块的输出电流进行控制，保证卫星电源系统的输出电流尽可能按各个模块的数量均摊，从而确保整个卫星电源系统的可靠性。

2 主要均流方法概述

均流技术经过多年的发展，已经发展出了多种均流方法，如图3所示。从控制方法来说，有模拟的方法，如无源均流(Droop)法、主从均流法、最大电流自动均流法和平均电流自动均流方法；也有数字控制的方法，数字控制的方法，用程序来进行脉宽控制和均流控制，还能实现远程通信以及故障诊断等智能特性，但是这将大大增加电路的成本和复杂性，所以性价比不高。

图3 均流方法图Fig.3 Diagram of current sharing method

2.1 无源均流法

无源均流法，是在各个单个电源模块的输出端串接电阻以提高输出阻抗实现并联的方法。无源均流法，也叫Droop法、下垂法、输出电压倾斜法，控制原理如图4所示。图4中，RS为电流监测电阻，当模块的输出电流较大时，电阻RS上的电压增大，模块输出端的电压减小，供给负载的电流自动减小，从而实现均流[3-5]。输出电压随着负载的加大，而减小，故而称为Droop法。

Droop法的优点是电路简单，易于实现。其缺点是负载调整率较差——输出电流小时，输出电压高；反之，输出电压低。此外，其效率比较低。均流误差的大小，取决于RS的大小，RS越大，电源模块的输出阻抗越大，均流误差越小。但是，RS越大，RS的功耗越大，其选择比较困难。RS的散热也成问题，代价比较大。电源的效率因为RS损失比较大，效率低。

图4 Droop均流控制电路原理示意图Fig.4 Schematic diagram of Droop current sharing control

2.2 有源均流法——主从均流法

主从均流法控制电路原理如图5所示。Vref为电压参考信号，Vf为输出电压反馈信号，主模块电压运算放大器根据Vref和Vf，得到误差控制电压Ve。所有从电源模块的电压运算放大器连接成电压跟随器，接收主电源模块的误差控制电压Ve，形成相同的误差控制电压。整个电源系统的输出电压由主DC/DC电源变换器进行控制，从DC/DC电源变换器通过调节自身本来的输出电压，以实现输出电流的跟随和控制，从而实现了各个电源模块的均流[6]。

主从均流法并联供电系统，可以使得电源获得较好的均流特性、瞬态特性，其从电源模块也可以进行M+N的冗余设计。但是其缺点也明显——虽然从模块发生故障时，主模块可以正常工作；但是，主模块一旦失效，整个并联供电系统失效。主模块为单一模块，成为可靠性的瓶颈。此外，均流母线(CSB)传递的是电源模块闭环控制所需要的误差电压信号，误差电压信号频带宽，容易受噪声的干扰。

主从均流法并联电源模块的均流误差主要取决于模块参数的一致性。

图5 主从均流法控制电路原理示意图Fig.5 Schematic diagram of master-slave current sharing control

2.3 平均电流自动均流法(有源均流法)

民主法，也称为自动均流法，根据均流母线传递的电流信号，自动均流法可以分为平均电流自动均流法和最大电流自动均流法。

平均电流自动均流法控制电路原理示意如图6所示，需要一个调整运算放大器比较均流母线电压Vbus和输出电流信号电压Vc，得到一个调整电压Va叠加到参考电压Vref，形成电压误差放大器的参考电压Vr，从而调整电源模块的控制环路实现均流[3-5]。

平均电流自动均流法可以实现精确均流，但是不容错，倘若某一个电源模块进入限流工作状态，或者不工作，都将拉低均流母线，从而使得电源模块的输出电压下降，甚至不工作。解决该问题的办法是自动将故障模块从均流母线上切除，也就是各个电源的电流信号通过一个开关连接到均流母线上，一旦子电源的电流信号出现短路等故障时，开关自动断开，均流母线的信号仍然是剩余各个电源的输出电流的平均信号，在剩余子电源功率容量足够的情况下，仍然是平均电流自动均流。这个方法需要增加开关并且增加故障识别和判断电路以及开关切换电路，复杂性增加，仅在高可靠应用场合适用。

图6 平均电流自动均流法控制电路原理示意图Fig.6 Schematic diagram of the average current automatic current sharing control

2.4 最大电流自动均流法(有源均流法)

最大电流自动均流法电路原理示意如图7所示，最大电流自动均流法和平均电流自动均流法相似，将和均流母线通信的器件由电阻R更换成了二极管D，只有电流最大的电源模块的电流信号可以和均流母线进行通信。

图7 最大电流自动均流法控制电路原理示意图Fig.7 Schematic diagram of the maximum current automatic current sharing control

最大电流自动均流法中，调整放大比较电源模块的电流信号和最大电流信号，通过改变误差电压放大器的参考电压，调整电源模块的闭环控制，实现均流[3-5]。

最大电流自动均流法中，主从模块不断交替——不断有从模块挑战主模块的地位，成为主模块，并联供电电源系统输出电压可能存在低频振荡。最大电流自动均流法并联的电源，主电源和从电源因为二极管的电压降，而存在差异；并且二极管的引入，二极管正向压降的差异将极大影响到均流的效果，并且很难调整二极管正向电压降的差异——每一个作为主电源的输出和从电源的输出的误差会因为二极管正向电压降的差异而不同。不同于平均电流自动均流法，可以通过电阻并联，进而获得几乎相等的电阻值。

尽管最大电流自动均流法存在低频振荡以及均流误差的问题，最大电流自动均流法是目前国际通用的做法，获得了美国德州仪器(TI)等国际大公司的支持，而得以成熟发展。TI公司开发的均流控制芯片UC3902、UC3907正是基于最大电流自动均流的思想[7]。UC3907内置单向缓冲放大器以解决最大电流均流法存在的均流误差的问题，UC3907、UC2907、UC1907系列芯片是同一类芯片对应商业级、工业级、军级的型号，目前UC3907尚在生产，而UC1907已经停产。

2.5 数字化均流方法

并联使用的多个电源模块，使用模拟均流控制技术可以精确地实现均流，并实现冗余系统，但模拟均流技术存在的固有缺陷难以克服。而采用数字化技术实现均流控制，控制方法灵活，容易做到并联系统中某个模块发生故障时不影响其他模块的正常运行。

数字方式实现电源模块问的自动均流，各模块必须具备数据交换能力，将模块自身输出电流、输出电压、温度等参数传输给控制模块。控制模块对各个电源模块进行监控和管理，可检测电源模块的数量，设置电源模块工作方式，输出电压与输出电流值；接收各电源模块发送的信息，判断模块的工作状态，发现有故障模块时，立即隔离该模块，并启动备份模块接替故障模块的工作；接收各模块输出电压、电流信息，求出模块间电压、电流的平均值并与各模块输出电压、电流值进行比较，根据系统设置的均流精度要求计算出某个需进行怎样的调整并对模块发送调整信息，通过调节达到电源系统均流要求。

采用数字均流方法的关键是，模块间采用何种通信方式能实现数据的可靠与高速交换，同时又能使通信接口简单。在控制电路中嵌入单片机(或DSP控制器)，通过单片机内部的通信模块实现数据通信，不仅实现电源模块之间的数据通信，也可实现电源模块与电源控制单元(PCU)下位机的通信。单片机(或DSP控制器)有多种总线模式可供选择，CAN总线支持分布式和实时控制，具有很好的可靠性、实用性和灵活性，能够满足均流控制的实时通信需求[8]。

实现均流输出，即首先获得每一个子电源变换器的输出电流信息，然后按照一定的方式进行模块间的电流通信，取得各个子电源变换器的均流信号，各个子电源变换器比较均流信号和自身的电流信号，得出均流误差信号，均流误差信号参与到脉冲宽度调制(PWM)的调整中，进行输出电流调整，实现各个子电源变换器输出电流的均衡。

综上所述，Droop法实现起来简单，存在低负载调整的问题；主从法实现均流，电路也不复杂，但是均流母线传递的是宽频带的均流信号，容易受扰，并且主模块失效，整个系统失效；最大电流自动均流法，由于不断有子模块“竞争”主模块的地位，存在着低频振荡的问题；平均电流自动均流法，存在着某一个模块失效，拉低均流母线电压导致电路失效的问题。不同于模拟均流方法，数字自动均流控制更加灵活，可以简化硬件电路，增强抗干扰能力，提高控制系统的可靠性，通用性强，均流控制精度高，使得电源系统的智能化程度更高，性能更强，但是这也使得均流成本大大增加，需要考虑性价比因素。

3 国内外相关技术的研究情况

在高可靠DC/DC变换器领域，标准化电压(+3.3 V、+5 V、+12 V、+15 V、+28 V)大电流的负载供电采用的是基于商业级现货技术(COTS)的具有均流功能DC/DC变换器并联供电[8]。为先进的FPGA提供1 V/30 A供电的电压调节模块(VRM)、或者负载点电源(POL)，如PDH0500、PDH1200等，目前为TI公司垄断。TI公司的VRM为均流控制的交错并联降压式(Buck))非隔离变换器。

美国的国际主流公司Interpoint公司、IR公司、VPT公司和Vicor公司，为NASA供货。ESA的主要DC/DC变换器供货商为法国的Alcatel ETCA公司。

Interpoint公司的MOR系列产品具有并联功能，其并联功能引脚为以输出回线为参考的共享(Share)引脚，为单线并联。最多可以并联5个MOR模块，实现最高500 W的输出功率。在并联时，所有的输出正和输出正线(+Sense)端必须接在一起，所有的负输出和输出回线(-Sense)端接在一起。当产品不需要并联功能时，Share引脚必须悬空。MOR电源模块最大输出电流(单路、低电压输出的MOR283R3S)为20 A，均流电路需要的输出电流信息采用电流变压器采样，电流采样电路复杂、占据的空间大。

IR公司AFL系列的DC/DC产品具有并联均流的功能，通过将模块的Share引脚连接在一起实现均流，IR公司AFL系列电源模块实现均流的同时实现模块的温度均衡。IR公司AFL系列的DC/DC产品采用分流器进行电流采样，分流器的功耗大，可能为散热付出代价，或者成为可靠性瓶颈。IR公司AFL系列的DC/DC产品的优势在于能够热应力自动均流——倘若并联应用的某一个DC/DC电源产品工作温度升高，其输出电流能够自动减小，以补偿温度导致的应力。

Vicor公司的DC/DC产品分为微型(Micro)、小型(Mini)、全型(Maxi)3个系列。Maxi系列产品单模块输出功率高达600 W，输出电压为1～54 V，通过并联(PR)引脚实现模块的并联工作，以增大输出功率或组成冗余阵列。PR引脚是一个可以在模块之间发送和接收信息的双向端口。PR母线上的脉冲信号可以使每一个DC/DC转换器模块中的高频开关同步操作，从而实现负载均流。

无论NASA的主要DC/DC变换器供货商Interpoint、IR等公司，还是ESA的主要DC/DC变换器供货商Alcatel ETCA公司，均采用了厚膜工艺技术，除Alcatel ETCA公司外，均流技术的应用已经产品化、系列化，其均流技术实现情况见表1，但是其均流的精度相对比较低只有10%。

表1 国际主流公司具有均流功能的大功率电源模块拓扑及输出电流、输出功率列表Table 1 List of high-power power supply module topologies, output currents and output powers of international mainstream companies with products having current sharing function

对于冗余并联电源，按照设计，某一子模块或者某几个子模块故障，如输出端整流管短路、滤波电容短路，但是剩下的子模块还能提供需求的功率，如果故障能被隔离，该电源还能使用，还能继续工作，这对于航天、航空、矿用机车等高可靠应用场合，异常重要。

故障隔离的通用办法是在输出端加上二极管做隔离保护，二极管隔离保护电路简单，易于实现。但是在电流大的应用场合，其功耗较大，散热难度增加，难以散热，并且二极管的压降一般在0.3～0.7 V，例如在1.2 V等输出电压的低电压应用场合，显得不适宜。尤其是二极管的压降随温度、电流变化而变化，二极管的引入，必将牺牲电源系统的稳定性。

采用金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和控制电路代替隔离二极管，由于MOSFET的导通电阻可以做到几个毫欧姆，甚至小于一个毫欧姆，可以很好地解决二极管隔离保护电路带来的一系列问题[9]。但是MOSFET导通后——栅源极加驱动电压后，其电流是双向导通的，可以从漏极流向源极，也可以是源极流向漏极，这是MOSFET相对于二极管做隔离使用时不同之一，要求控制电路能够快速并准确的检测故障，从而马上关闭MOSFET，以保障容错功能的正常发挥。

Vicor公司下属的Picor公司专门针对这个问题，研制生产了专门的有源门电路做并联电源输出端故障隔离用，其代表性的产品是PI2001和PI2121系列。PI2121系列有源门电路将MOSFET管和控制电路封装在一起，目前有8 V/24 A、15 V/15 A、30 V/12 A这3种型号可供选择。如果PI2121不能满足要求，可以选择控制电路PI2001，自行配置MOSFET，形成需要的隔离保护电路。

并联电源系统的均流技术，在航天、导弹、舰船、飞机等高可靠应用领域，主要使用的DC/DC直流开关电源，一部分产品为进口的货架式厚膜电源产品，一部分产品为国内研制。国内研制生产单位主要是航天科技集团和中电集团的一些下属单位，主要均流技术应用尚没有相关报道，厚膜工艺的直流开关电源产品在航天领域获得了搭载的机会，并没有正式应用。

国内外的技术状态总结如下：国外主要的航天领域电源供应商都对均流技术独立开展了相应的研究，电路拓扑结构主要为单端正激的28 V输入母线，均可支持单双路输出，根据需求可配置66～120 W功率输出，最大输出功率为600 W，但是均流模块数均不超过5个，均流精度也不高为10%，在故障隔离模块，采用MOSFET管解决了传统二极管隔离电路产生的问题；国内均流技术的研究较少，主要应用于民用领域，未见在航天领域的相关应用。

4 发展展望

随着数据处理、通信技术的发展，宇航电子设备越来越复杂、功能越来越强，需要的电源电压种类越来越多、电源电流越来越大、电源电流动态特性越来越高。宇航电子设备从传统的±15 V、±12 V、+5 V、+3.3 V等电压种类电源供电，发展到目前±15 V、±12 V、+5 V、+3.3 V、+2.5 V、+1.8 V、+1.5 V、+1.2 V、+1.0 V、+0.9 V等电压种类供电。高性能的FPGA、DSP、CPU等器件的核电源电压从2.1～3.5 V降低到1.0～1.8 V；电流从5 A提高到20～30 A，未来可能到达50 A[1]。芯片在睡眠模式和工作模式间转换时，供电电流的变化率从(1×109) A/s提高到(5×109)A/s。供电电源的容差从±5%下降到了±3%，3.3 V供电电源的±165 mV的电源容差下降到了1.0 V供电电源的±30 mV的电源容差。美国Xilinx公司Virtex-7系列FPGA芯片，核电源电压为1.0 V，电源电压容差±30 mV。低电压、大电流、高电流变化率电源的FPGA、DSP、CPU等大规模集成芯片要求电源PCB板级临近供电[1,10]。

在低压大电流领域，如果采用单一电源大电流输出供电通常存在以下问题。

(1)半导体器件电流容量明显不够。IR等国际主流功率半导体器件公司的产品，目前基本满足大部分开关电源对功率MOSFET和功率二极管的电流、电压要求，但是由于抗辐照、降额设计等特殊要求，对器件的参数要求更高，航天应用的高可靠功率器件的选择范围相对较小，个别应用场合，部分高可靠器件无法满足应用需求。

(2)开关速度、开关频率不能满足要求。由开关MOSFET开关过程的分析可知，栅极电路的时间常数τ是影响开关速度的重要参数，同时，现代电力电子学的研究发现，利用栅极电荷Qg计算开关速度、设计驱动电路比使用输入电容Ciss更加准确、更加方便，栅极电荷Qg越高，电路的开关速度越低，开关频率越低[11]。以航天器常用MOSFET器件IRHE67230和IRHMS67260的栅极电荷Qg为例，8 A的IRHE67230和45A的IRHMS67260的Qg分别为50 nC和240 nC，也就是说开关频率相差接近5倍，单一电源中大容量功率器件的引入，使得开关电源的开关频率大幅度下降，随之，变压器、电感器、电容器的体积大幅度提高，这是难以接受的。

(3)热应力大大增强，散热代价提高。航天应用的特殊性之一是功率器件的散热只能依靠传导、辐射散热，不能采用地面设备采用的风冷、水冷等措施。对于航天产品而言，目前通用做法是对大于0.3 W的器件，必须采取强制散热措施。对于如28 V/70 A输出的开关电源，如果采用单个变换器供电，倘若采用传统的低导通压降的肖特基二极管做整流器件，以0.2 V的压降进行初略计算，其功耗为14 W，即使该器件为TO-254AA封装，或者是SMD-2封装，电源的效率、可靠性都降低。即使可以通过主动散热等措施降低器件的工作温度至其可以接受的范围，然而，这些措施必然带来散热的复杂性，甚至高昂的代价。

因此，并联电源系统在解决星上日益繁多的大电流用电设备的供电问题有重要的应用，而为了保证各并联电源模块长期稳定的运行，需要对各模块使用均流技术提高卫星电源系统的可靠性和寿命。

并联电源系统有利于实现航天器电源的标准化、模块化。研制出一系列标准化、模块化的电源变换器，当电源变换器的输出电流需求变化时，只需要按需求增减并联的电源变换器的数量，从而缩短研制周期，提高生产效率。

同时，在考虑选用哪种均流控制方法时，由于各种均流方法都有其优缺点，针对不同的卫星平台，应根据其母线电压功率及寿命选择不同的均流方法。

例如，对于短时卫星电源系统，可选用无源均流法实现模块间的均流，此方法无须外加专用的均流控制电路，模块之间不需要建立联系，各模块独立调节。此方法虽然均流调节精度不高，但简单经济，可以满足多数系统的要求。无源均流法在提高均流性能的同时会导致模块电压调整率的下降，在电源系统运行一段时间后均流性能会下降，因此该方法适用于短时卫星电源系统。对于在轨时间较长的卫星电源系统，可选用数字均流控制方法。虽然数字均流控制方法难度较大，成本较高，但是控制精度高，硬件电路简单，响应速度快，抗干扰能力强，控制灵活，通用性强，单模块发生故障时不影响电源系统的正常工作。在不改变硬件的情况下，通过软件实现控制系统的升级，并能通过通信接口实现对电源系统的远程控制。

最后，在宇航领域，为进一步发挥并联型电源系统冗余功能，做到高可靠应用，无论是选择哪一种均流控制方法，需要在各个并联应用的电源变换器的输出端采用故障隔离电路。而数字均流控制在故障检测和故障隔离拥有先天性的优势，数字控制方法的发展也将是我国未来航天领域电源发展的重点和趋势。

5 结束语

由于并联使用的DC/DC变换器模块特性并不完全一致，输出电压高的模块可能承担更多负载，而有的模块则可能轻载甚至空载运行，结果导致分担电流多的模块热应力大，降低了电源系统整体的可靠性。均流技术就是对系统中各并联电源的输出电流加以控制，尽可能均分系统输入总电流，确保并联电源系统长期可靠地运行。本文就均流技术及其应用做了简要分析，任何一个新技术的发展都是一个逐步完善的过程，随着星载用电设备等对大电流直流开关电源的需求逐步增加，进一步开展并联电源以及均流技术的研究，以符合航天系统应用对更高性能和可靠性的同时追求。在进行工程设计时，也应该根据具体情况选用合适的均流方法来实现自动均流。