基于GaN 数字电源的搭载载荷系统设计及在轨验证

王佳宁, 颜晓虹

(1.航天科工空间工程发展有限公司, 北京 100854; 2.北京电子工程总体研究所, 北京 100854)

1 引言

随着航天技术的快速发展,航天器系统小型化、轻量化、智能化和柔性化的要求越来越高,对空间二次电源模块提出了严峻的挑战。高精度载荷及特种载荷的应用需要高性能二次电源模块来支持,基于宽禁带高性能开关器件实现通用的数字电源技术,可实现二次电源柔性化,增强空间电源系统应对复杂条件的能力,满足新一代空间产品系统小型化、轻量化、智能化和柔性化的发展需求[1-2]。

目前,航天电源中普遍采用硅基功率器件,然而硅基电力电子器件经过近60 年的长足发展,性能已经趋近其理论极限,不能满足航天电源高频、高效和高功率密度的要求,逐渐成为制约未来航天电源技术发展的瓶颈之一。GaN 作为一种宽禁带半导体材料,具有禁带宽度大、饱和电子漂移速度高、临界击穿电场大、化学性质稳定等特点,因而基于GaN 材料制造的开关器件具有通态电阻小、开关速度快、耐压高、耐高温等特点[3-4]。GaN 器件的应用大大提高了开关频率,降低了开关电源对储能元件电感、变压器、电容的要求,使无源器件的平面化成为可能,从而使开关电源系统的平面化成为可能,降低了二次电源模块体积。卡片式二次电源模块能够方便卫星系统的一体化设计,大大提高空间飞行器系统的功能密度[5-7]。

目前,中国航天领域的DC/DC 电源大多是采用模拟控制芯片,模块制造完成后,很多电源参数都已固定,无法再根据实际需要灵活调节,降低了电源模块的通用性和灵活性。此外,模拟器件还存在着一致性差、参数容易随环境变化而漂移的问题,严重影响整个电源模块的可靠性和寿命[8]。为了实现智能化的二次电源模块,需要采用数字控制技术来配置、监控和操作电源变换器。采用数字控制形式可以设置二次电源模块的工作参数、监控电源的工作,根据失效和报警执行正确的测量,从而能够极大地提高二次电源的智能化程度和可靠性。在航天电源的设计和研制中引入微控制器及新型数字控制技术是航天领域DC/DC 电源智能化发展的重要途径[9-10]。

高功率密度、高效率并具有抗辐照功能的GaN 数字电源可广泛用于需要稳定可靠的12 V、5 V 供电模块中,市场潜力巨大。本文研究的对象以新型GaN 器件为核心,在GaN 抗辐照加固、GaN 高频高效驱动、抗辐照航天数字电源控制芯片设计等领域都有创新及突破,产品性能超过了现有的国外主流电源模块供应厂商,可以实现国产化。

因此,选择一款以宽禁带功率器件为基础,重量轻、功率密度大、效率高、可靠性高、抗辐射能力强的GaN 数字电源为搭载载荷系统的核心部件,设计该搭载载荷系统并将该系统作为某型号卫星的在轨验证对象,验证GaN 数字电源的各项性能指标是否符合空间产品的使用要求,本研究主要针对基于GaN 数字电源的搭载载荷系统及其在轨验证的设计。

2 总体设计

2.1 总体设计方案

搭载载荷验证系统硬件组成包括搭载载荷系统和地面验证系统,搭载载荷系统包括电子负载、测量和信号处理电路、数字控制与指令数据收发电路以及GaN 数字电源模块等,如图1 所示。

图1 在轨验证系统的连接图Fig.1 Connection of the on-orbit verification system

图2 为基于GaN 数字电源搭载载荷系统的总体方案设计,主要包括数字电源模块、温度测量及信号调理子系统、电流和电压测量模块以及电子负载、接口电路等。其中,搭载载荷设备以平台28 V 电源作为输入,经稳压电路稳压处理后通过超高频数字电源进行电压变换。后级连接电子负载,电子负载电路通过星载计算机接收并处理地面验证系统的指令来实现模拟卫星负载的各种变化,采集GaN 数字电源输入、输出电压电流、各部位温度等工作信息, 判断数字电源的工作情况[11-13]。

图2 基于GaN 数字电源搭载载荷系统架构图Fig.2 Architecture diagram of the onboard load system based on GaN digital power

其中,根据测量得到输入、输出电压电流信号对GaN 数字电源功率损耗进行在轨评估。电压电流的测量信号通过数字控制芯片的处理可以得到GaN 数字电源在轨运行时的实时功率,结合温度判断电源的运行状态是否良好。该测量数据统一编码发给地面验证系统PC 终端,通过PC 终端进一步分析 GaN 数字电源在轨运行时的状态[14-15]。

2.2 GaN 数字电源模块

本文搭载项目选择中国一款先进的GaN 数字电源型号作为搭载载荷系统的核心部件,该GaN 数字电源模块采用超高频 DC/DC 的ClassΦ2 反激变换器拓扑结构,使用空心平面变压器作为隔离,副边采用电流型Class E 整流器。本体尺寸最大包络为55 mm×45 mm×12.7 mm,重量为100 g,其功率密度大于100 W/in3,输出功率60 W。相比传统反激式电源模块,该型号功率密度得到了较大提升。此功率密度等级下的传统电源模块开关频率为600 kHz 以内,峰值效率为77%左右,重量约150 g,而本型号的GaN 数字电源的开关频率可达10 MHz,开关频率的大幅提升令选型器件全部平面化和电感空心化,体积相比减小了45%,而空心电感节省了磁芯,重量相比减少了1/3。GaN 数字电源的高频谐振拓扑结构可以实现软开关,平均转化效率为83%,最大峰值可达88%,相比该功率等级下的传统二次电源效率提升了11%以上。

2.3 温度测量及信号调理子系统

温度变化影响整个GaN 数字电源的工作状态,温度的测量主要采用热敏电阻实现,测量点分布于空心变压器、主开关管和模块下壳。温度测量采用典型的温度测量电路图,如图3 所示。

图3 温度测量及调理电路Fig.3 Tem perature measuring and regulating circuit

测温电路的电源为2.5 V,由LM336-2.5 标准电源提供,R1、R2、R3 和热敏电阻组成测温电路,其输出由AD620 放大,其中R4 调节放大倍数,电容器起滤波作用,热敏电阻选择铂电阻。

试验选用开关频率为10 MHz 的GaN 数字电源空心平面变压器,其趋肤效应严重,交流等效电阻较大,会产生较大的损耗;同时因为频率提升至10 MHz,涡流引起的损耗也会随之提高。为了保证变压器正常工作,选用的GaN 数字电源,设计了恰当结构的空芯变压器,可以实现能量的快速隔离传送,且GaN 器件的封装一般采用贴片形式,散热部分分布在GaN 器件的底部,可以实现较好的散热效果。由于温度变化会影响数字电源内部参数的漂移,从而影响数字电源的正常工作,因此需要重点监控数字电源模块各部分的温度值来验证设计的合理性。

将热敏电阻安装在绕组表面,监控空心绕组的温度。GaN 器件散热部分分布在GaN 器件的底部,所以将热敏电阻安装在GaN 器件背面附近位置来监控GaN 器件的温度。对于整个数字电源温度的测量,可将热敏电阻安装在电源模块的下外壳处,再结合磁元件和GaN 器件的温度进行加权处理,最终得到整个GaN 数字电源的温度。

2.4 电流和电压测量

为了评估数字电源的工作状况,需要对数字电源的输入输出电压和电流进行采样,考虑空间辐射的问题,电流测量采用串联小电阻的形式,电压的测量采用分压电阻的形式,采样信号电压设计为0 ～5 V,最终信号均通过A/D 采样进行处理。电压电流测量采样电路分别如图4、图5 所示。由于数字电源的输入、输出电压电流均为直流信号,因此直接采用模拟运放对电阻两端电压信号进行处理,最终得到相应的电压电流信号。

图4 电流信号采样处理电路Fig.4 Sampling and processing circuit of the current signal

图5 电压信号采样处理电路Fig.5 Sampling and processing circuit of the voltage signal

2.5 电子负载的搭建

为了进行GaN 数字电源在轨验证,需要设计一个电子负载电路。该负载电路执行星载计算机的指令(来自于地面验证系统的指令),模拟卫星负载的各种变化,包括切换元器件、改变开关状态和改变微控制器引脚的逻辑电平、控制电阻支路的开通和关断等实现调节电子负载阻值大小等。

根据电子负载输入信号的类型,将整个系统分成两大类,一类是电流型,另一类是电压型。电子负载的核心控制器件是功率 MOS 管,可以把它们模拟成负载使用。当接上待测电源时,它们是电能消耗的主体,消耗的电能以热能的形式释放。电压型电子负载为同相放大电路,电流型电子负载为差分放大电路,如图6 所示。

图6 电压型/电流型电源的电子负载控制框图Fig.6 The electronic load control block diagram of voltage-type /current-type power supply

电子负载硬件电路设计包括数字控制电路、负载驱动电路、采样电路等,其硬件结构如图7所示。

图7 电子负载的硬件电路结构图Fig.7 Hardware circuit structure of the electronic load

2.6 稳压电路

为防止平台输入电源功率波动,在整星平台28 V 电源与数字电源入口之间设计稳压电路。监控稳压电路采用Super-Buck 拓扑结构,该电路输入端连接平台28 V 电源,为防止输入端电压受到其他卫星设备的影响,导致输出特性不稳定,所以需要连接稳压电路,将电压稳定在28 V±1 V。

2.7 接口电路设计

根据图2 所示载荷总体方案设计,需要留出4 个接口,分别是主功率电源接口、备用电源接口、辅助电源接口和通信接口。

1)主功率电源接口。需要与前一级稳压电路相连接,平台28 V 电源作为载荷系统的输入电源。

2)备用电源接口。备用电源接口将稳压电路和电子负载直连,由稳压电路控制电源的工作路线。

3)辅助电源接口。将数字电源的辅助电源连接在稳压电路输出端,该电气端口的电压可以稳定在28 V。

4)通信接口。用1 路RS-422 标准全双工串口总线用于该型载荷单机与卫星计算机之间的数据传输,例如采集超高频谐振变换器的工作状态信息,电子负载的工作模式控制,辅助电源的输入控制等。

3 在轨验证

二次电源模块是卫星电源系统的重要组成部分之一,其可靠性直接影响到卫星电源系统整体的工作状态。通过在轨验证试验,得到该电源模块的一系列在轨数据,可以对基于GaN 数字电源搭载载荷系统在太空环境下的可靠性进行验证。

3.1 地面验证终端软件系统

GaN 数字电源地面验证终端系统软件采用LabView 进行开发,该软件适用于信号采集分析和仪器控制的图形化编程。系统采用模块化设计,包括实时监测平台、遥控平台、GaN 数字电源在轨状态仿真平台、历史数据回放维护平台、故障诊断平台、参数设置和人机界面,如图8 所示。

图8 地面验证系统软件框架Fig.8 The software framework of the ground verification system

所有平台涉及到的相关数据,例如遥测数据、遥控指令发送状态的数据均需记录并回放。地面验证系统的遥测数据采样率为1 Hz,一般系统会持续运行,系统需要记录的数据量较大,系统采用SQL Server 作为数据库平台,实现对在轨数据的高效管理。

实时监测程序主要功能是实现数据的接收、转换分析、保存以及显示。地面验证系统主要监测GaN 数字电源主要的工作参数,系统的实时监测程序采用LabVIEW 中的队列进行处理。数据信号接收和分析处理分别放在2 个循环中并行执行,数据接收循环定时接收数据,并在信号分析处理循环分析和保存数据,数据接收循环中的数据通过队列传送到分析处理循环中,如果分析处理循环在指定的循环周期中来不及处理完当前接收的数据,数据可暂存在队列中,不会影响数据接收循环中的定时接收。

3.2 在轨试验内容

3.2.1 在轨验证流程

搭载载荷验证系统中,搭载载荷系统对电源的输入电压、输入电流、输出电压、输出电流以及核心部件温度进行实时监测,在轨运行时电子负载电路代替卫星负载,与地面验证系统构成了整个数字电源模块在轨验证系统。

温度变化会引起卫星电源内部元件的参数发生漂移,从而影响整个数字电源的工作状态,温度一旦失控将直接影响到整个数字电源的正常运行。因此,本项目的在轨验证过程中包含温度测量部分。

在轨验证的试验过程如下:卫星在轨运行的时候,平台28 V 输入电源经稳压后作为被测数字电源模块的输入,在被测数字电源模块中进行变换和调节,然后输出到电子负载,形成一个回路;通过地面验证终端系统软件发送数据指令,模拟卫星在轨运行时的各种负载变化情况(平均功率、短期功率、脉冲功率等),电子负载电路工作时需要设置其工作于恒流恒压模式下进行加载,地面验证系统工作程序流程如图9 所示。

图9 地面验证系统平台工作程序流程图Fig.9 The working procedure of the ground verification system platform

随后,载荷系统的电子负载电路收到遥控指令并做出相应的调整,地面验证系统评估卫星在轨运行时的工作情况。通过温度传感器和电压电流采样电路,对被测数字电源模块内部状况进行测量和信号处理,将采集的数据经过统一编码发送给地面验证系统终端PC 机。地面验证系统通过数据库对发送和接收的数据进行处理。最终,地面验证系统给出电源模块输入电压电流、输出电压电流、下壳温度、GaN 功率管温度、平面变压器温度等数据列表,可对这些数据进行拟合为变化曲线,通过这些数据评估GaN 数字电源能否性能和技术指标是否达到预定要求。

3.2.2 在轨验证判据

根据数据库内保存的输入电压电流、输出电压电流以及各个器件部位的温度,结合电子负载的调控情况进行相应的分析,与设计参数的正常范围进行对比,主要包括:各器件工作温度是否在正常范围内,输出电压是否稳定,输出电流(功率)是否超限,电源模块转换效率是否正常。验证GaN 数字电源的可靠性,系统设计的合理性,确保电源模块能够稳定高效地为系统供电,GaN数字电源主要设计参数如表1 所示。

表1 GaN 数字电源主要设计参数Table 1 Main design parameters of the GaN digital power

4 试验结果

通过对GaN 数字电源的载荷系统和地面验证系统的设计,并将该载荷作为搭载应用到某型号卫星上。该型号卫星已经成功发射入轨,地面验证系统能够正常接收搭载载荷的各项遥测数据,通过电子负载来模拟不同情况下的用电需求,并根据电子负载变化状态下的用电需求在轨上注GaN 数字电源的修改参数。通过在轨试验,得出不同状态下的测试结果。目前,各项测试结果正常,其中,以某时间段在轨试验为例,调节电子负载模拟在轨飞行工况。

试验时长接近一天,遥测数据离境存储,入境下传,遥测数据下传速率是每1 s 或10 s 下传一次,下壳温度和平面变压器实测在14 ～20 ℃范围内,GaN 功率管温度在15.5～20 ℃范围内变化,如图10～12 所示。对照表1,所测温度均在正常范围内变化,且工作期间温度稳定,未发生温度漂移,无温度剧烈变化,模块各部位温度相近,结合该数字电源输出电压、输出电流无剧烈扰动且工作在正常范围内。由此表明,该GaN 数字模块的结构和温控设计得当,并且以10 MHz 的超高开关频率在空间环境下正常工作,不会出现因温度剧烈变化和温度不均而影响数字电源工作的情况。

图10 下壳温度Fig.10 Lower shell tem perature

图11 GaN 功率管温度Fig.11 Tem perature of the GaN power tube

图12 平面变压器温度Fig.12 Temperature of the p lane transformer

GaN 数字电源模块输入电压电流和输出电压电流在轨测试数据如图13 ～16 所示,在轨试验过程中,由于电子负载的变化,可以通过地面上注修改GaN 数字电源的补偿器数值、过压过流保护值、软启动时间等电源模块参数,通过设置不同参数改变工作状态,可使偏离的遥测值重新回到原有的稳定状态,数字电源功能不受影响,如图15中个别输出电压遥测值出现较大偏离后又恢复稳定状态即为本次电源模块参数调整的测试结果。

图13 GaN 数字电源输入电压Fig.13 Input voltage of the GaN digital power module

图14 GaN 数字电源输入电流Fig.14 Input current of the GaN digital power module

图15 GaN 数字电源输出电压Fig.15 Output voltage of the GaN digital power module

图16 GaN 数字电源输出电流Fig.16 Output current of the GaN digital power modu le

试验测得的数字电源平均输入电压为28.4 V,平均输入电流为1.9 A,平均输出电压为11.9 V,平均输出电流为3.8 A,对照表1,以上结果皆在设计预期正常范围内。实测输出电压值上下波动很小,28 V 标称电压的实际遥测输入电压主要在28.6 ～28.9 V 之间,转换后12 V 标称电压的实际遥测输出电压主要在11.8 ～12.2 V 范围之间变化,输入电压和输出电压变化符合数字电源±1V 正常波动范围,输出电流3 ～4.2 A,小于5 A,输出功率范围36 ～52 W,不大于60 W,测试结果符合产品设计值。经计算,本次试验的平均转化效率可达到84%左右,实测数值达到预测结果。

对比GaN 数字电源的设计指标,目前在轨试验测试结果均符合GaN 数字电源的设计指标。结果表明:基于GaN 数字电源的搭载载荷系统和地面验证系统工作正常,实测结果符合设计指标结果。

5 结论

1) 本文在轨试验充分验证了GaN 数字电源产品能够符合空间产品的适应性,在轨试验数据符合产品设计指标,产品重量体积有较大程度减小,提高空间飞行器功率密度,可降低发射成本和难度。

2) GaN 数字电源抗干扰能力强,易于集成和测试,提升整机产品性能的稳定性和可靠性。

3) 可以借助软件算法实现对自身工作状态的检测与调整,对于不同任务需求,可以通过修改注入程序实现对任务的适应,具备在轨修改GaN数字电源工作参数功能,达到电源设计智能化。