一种应用于空间环境的太阳电池阵升压变换器

代 磊，鲁 伟，张 明，李海津，张泰峰

(1.中国电子科技集团公司第十八研究所，天津 300384；2.北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

电源分系统是卫星核心组成部分之一，负责为卫星提供持续和可靠的能源供给。随着大型军事航天装备有效载荷供电需求的不断提升，高空间/时间分辨率综合化环境态势感知与监测装备对电源系统的功率容量与供电品质提出了非常严苛的要求。卫星平台要求供电母线为高精度的稳定母线，合成孔径雷达(SAR)载荷以及脉冲负载要求母线满足瞬时强脉冲功率需求，瞬时功率甚至超过平台功率的10 倍以上[1-2]。

卫星的电源分系统主要由实现功率能量调配的电源控制器(PCU)、实现电能存储的蓄电池和将太阳光转换为电能的太阳电池阵组成[3]。传统卫星电源控制器大多采用全调节母线电源系统，若按照峰值功率需求配备太阳电池阵和蓄电池组，质量约为按平均功率设计的10 倍左右，大功率电源控制器也会带来平台质量大幅增加、技术实施难度急剧增大的问题。SAR 遥感卫星的特殊用电需求对卫星电源分系统的设计提出了极大的挑战[4]。

短时大功率脉冲的SAR 载荷在启动和工作过程中存在的剧烈的电压和电流波动会对母线产生强烈的电磁干扰(EMI)，如果SAR 载荷与卫星公用载荷共用一条母线，产生的EMI 将影响控制、测控和数管等关键分系统的稳定工作，因此绝大多数的SAR 卫星基本上配备了两条母线，其中一条全调节母线提供卫星平台载荷磁干扰，如果SAR 载荷与卫星公用载荷共用一条母线，产生的电磁干扰将影响卫星其它关键分系统用电需求，另外一条不调节母线提供SAR 载荷用电需求，使得SAR 载荷工作过程中产生的电压电流的剧烈震荡不会影响平台载荷。大多数的SAR 载荷供电来源是不调节母线，相较于全调节母线，不调节母线具有输出阻抗低的优点，可满足短期峰值负载和强脉冲负载的供电需求。

国内外SAR 卫星电源系统特点如表1 所示[5]。国外的SAR 卫星为了最大限度发挥电池的功率输出能力，基本上都采用了最大功率点跟踪(MPPT)技术，实现SAR 卫星不调节母线的功率需求，我国虽然也有发射成功的SAR 卫星[2]，但SAR载荷的母线依然采用传统的S3R 技术，这对太阳电池控制体积、质量和成本等方面提出了巨大的挑战[1]。随着遥感、侦察任务需求以及载荷水平的不断提升，卫星平台及载荷对电源系统提出了严苛又迫切的要求。目前国内外SAR 遥感卫星峰值功率已达到20 kW 量级，正朝着20～100 kW 的方向发展，传统基于S3R 技术的卫星电源系统的设计方案已难以适应新的技术要求。因此，为了满足SAR 载荷的功率需求，急需探索新的空间电源供电方案。

表1 国内外SAR 卫星电源系统

虽然MPPT 技术属于串联式开关调节器，变换器的效率相较于S3R 等并联式调节器偏低，但在光照条件变化的情况下，依然能够使得变换器工作在太阳电池阵能够输出的最大功率点，提高了太阳电池阵的利用率，MPPT 技术适合于太阳光照变化较大或者太阳电池工作温度变化剧烈的空间飞行器[6]。对于高脉冲高功率载荷的SAR 卫星，为了保证载荷的高可靠性工作，也经常采用MPPT 技术对太阳电池阵进行调节[7-8]。

本文针对SAR 对空间电源系统SAR 载荷的功率特殊要求，研制了一种采用Superboost 拓扑实现MPPT 的变换器。Superboost 的输出直接挂在SAR 载荷的母线上，SAR 载荷的蓄电池也直接挂在母线上，可以通过模块的并联实现整个电源系统SAR 载荷的功率输出的扩容，如图1 所示。本文介绍了电路拓扑和MPPT 技术，采用电力电子仿真软件PSMI 对变换器进行了仿真，搭建了试验平台(输入50～75 V，输出80～100 V，单模块功率680 W)，验证了仿真及设计的正确性。

图1 电源系统框图

1 变换器介绍

1.1 Superboost 拓扑工作原理

Boost-MPPT 电源控制器单模块拓扑电路如图2 所示，电路输出与输出端口电流连续，具有较小的电流纹波和良好的电磁兼容性。同样，Boost-MPPT 电源控制器可以采用多模块并联的方式，以满足不同等级的功率需求。

图2 变换器电路图

Superboost 变换器和Boost 变换器均是实现输出电压高于输入电压的不隔离式直流变换器，但是Boost 变换器只有输入端的电感，输出端无滤波电感，只能保证输入的电感电流连续而不能保证输出电流连续，输出电容上纹波电流大，对输出电容的交流纹波和可靠性均提出了很高的要求。Superboost 在Boost 变换器的基础上增加一个电感和一个电容，保证了输入和输出电流的连续性，降低了输入和输出滤波的难度。Superboost 变换器效率高和功率密度高的优点能够很好地满足空间需求[9-11]。

Superboost 由M1、变换器D1、D2、L1、L2、C1、C2组成，其中二极管D2是为了实现多模块并联使用而增加的。当电容C1和C2足够大时，可以认为电容上UC1和UC2电压均为输出电压Uout。流过电感L1和L2的电流iL1和iL2之和等于输入电流iin。图3 为变换器两个工作模态等效电路。

图3 变换器两个工作模态等效电路

工作于模态一[t0,t1]时，在t0时刻，MOS 管M1导通，二极管D1反偏截止。电感L1两端承受的电压为Vin，电感L2两端承受的电压为Vin，电感L1和L2的电流iL1和iL2均线性增长。

当t=t1时，电感电流iL1和iL2均达到最大值iL1max和iL2max。在工作模态一时，电感电流iL1的增长量为：

电感电流iL2的增长量为：

工作于模态二时，MOS 管M1截止，二极管导通，电感L1两端承受的电压为Vin-Vout，电感L2两端承受的电压为Vin-Vout，电感L1和L2的电流iL1和iL2均线性减小。

当t=t2时，电流iL1和iL2均达到最小值iL1min和iL2min。在工作模态二时，电流iL1的减少量为：

电流iL2的减少量为：

由此可见，Superboost 变换器在MOS 管导通时，电感L1和L2均进入储能阶段，同时与电容C1和C2一同向负载提供了能量，MOS 管截止时，电源、电感L1和L2共同向负载提供能量，同时给C1和C2充电。

变换器工作的主要波形图如图4 所示。

图4 变换器的工作波形图

输入输出电压关系满足式(5)：

其中D为MOS 管驱动的占空比：

1.2 MPPT 基本原理

空间用电源控制器针对太阳电池的调制方式可以分为串联型调节与并联型调节。采用并联式的调节方式(如S3R、S4R)往往需要考虑寿命末期光照强度、温度、辐照损失等条件的影响，为了保证寿命末期依然能够满足卫星寿命需求，电路设计上均是太阳电池阵工作在最佳工作点的左方，这将无法充分利用太阳电池的输出能力。

而串联式(如MPPT)调节方式使太阳电池始终工作在最大功率点状态，在太阳电池的全寿命周期内，电源系统能够最大限度地利用太阳电池的输出功率。相较于并联式调节方式，串联式调节方式降低了锂电池的放电深度，提高了锂电池的可靠性。图5 为MPPT 与S3R 模式的太阳电池初期、末期工作点，无论在寿命初期还是在寿命末期均可以最大化地利用太阳电池。

图5 MPPT与S3R 模式的太阳电池初末期工作点

对太阳电池的MPPT 可以通过软件与硬件的方式实现。虽然软件算法在地面光伏发电领域技术已经非常成熟，在空间领域也有欧空局(ESA)采用现场可编程门阵列(FPGA)实现MPPT 算法的成功经验，但由于空间应用的特殊条件及高可靠性要求，空间用电源系统的MPPT 实现大多采用硬件电路来实现。

MPPT 的控制算法有很多，其中增量电导法具有控制逻辑简单、控制效果好、在光照强度剧烈变化的情况下依然能够追踪和追踪过程中无明显毛刺的典型特点，因此本次研究采用的是电导增量法。电导增量法可以用太阳电池的P-V 曲线来说明，变换器工作在太阳电池的最大功率点的斜率为0，在最大功率点的左侧斜率为正，最大功率点的右侧斜率为负。已知P=VI恒成立，求导可以得出：

在最大功率点时，满足式(8)：

电导增量法通过比较瞬时电导与增量电导的大小，来判断太阳电池工作的电压方向，进而得到最大功率点，如图6 所示。

图6 电导增量法示意图

MPPT 电路的功能框图如图7 所示。变换器可以分为功率与控制两个部分。MPPT 控制电路对功率电路中太阳电池阵电压和电流进行采样，通过采样保持电路对当前电流和电压值与前一状态的值进行实时对比，通过RS 触发器输出状态的变化实现改变太阳电池的工作点，从而使得变换器工作在最大功率点PMAX(VMAX，IMAX)附近，从而使变换器实现了电导增量的控制算法。

图7 MPPT功能框图

2 仿真校验与试验情况

2.1 仿真情况

在PSIM 软件中搭建了仿真电路，设置太阳电池阵初期开路电压70 V，短路电流10 A，最大功率点电压65 V，电流9.5 A。蓄电池通过电源与二极管模拟，蓄电池电压即母线电压，为90 V。

图8 为最大功率跟踪太阳电池阵电压电流波形图，变换器很好地追踪到了最大功率点。

图8 最大功率跟踪太阳电池阵电压电流波形图

图9 为仿真电路中电感L1和L2的电流和电容C1两端电压的波形图，可知电感L1和L2的电流和电容C1电压理论分析与仿真一致。

图9 Superboost功率变换部分仿真波形图

2.2 试验验证

搭建试验平台，设置太阳电池阵初期开路电压70 V，短路电流10 A，最大功率点电压65 V，电流9 A，蓄电池电压为90 V。对太阳电池的电压与电流进行了测试，如图10 所示，可以看出变换器很好地追踪到了太阳电池的最大功率点。

测试了太阳电池阵不同最大功率点(电压相同，均为70 V，电流不同)和不同母线电压情况下的变换器的效率，具体测试结果如图11 所示。

图11 效率测试图

3 结论

针对SAR 卫星对空间电源系统提出的特殊功率需求，本文研制了一种采用MPPT 技术升压式变换器，对硬件电路实现的MPPT 的原理和本文采用的功率拓扑结构Superboost 变换器工作原理进行了介绍，对变换器进行了仿真与设计，搭建了试验平台，试验表明本文所设计的变换器可以实现对太阳电池最大工作点很好地追踪，同时变换器效率可达98.5%。本文的研究为后续我国SAR 卫星中要采用的MPPT 技术提供了一种切实可行的方案。