張 猛，于國慶，劉繼奎，崔赪旻，王友平

(北京控制工程研究所，北京100190)

0 引言

太陽電池陣——蓄電池組電源系統(tǒng)是目前應(yīng)用最為廣泛的航天器電源系統(tǒng).由于太陽電池陣在壽命初期和末期輸出功率變化很大，同時(shí)能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還要考慮留有一定的功率裕度，因此需要對(duì)太陽電池陣的輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓調(diào)節(jié)，對(duì)輸出功率進(jìn)行分流調(diào)節(jié).太陽電池陣分流調(diào)節(jié)是根據(jù)母線電壓的高低直接調(diào)節(jié)太陽電池陣的輸出功率(包括線性分流調(diào)節(jié)和開關(guān)分流調(diào)節(jié)兩種方式)使母線電壓達(dá)到規(guī)定的要求［1］.

太陽帆板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(SADM，solar array drive mechanism)支撐并驅(qū)動(dòng)太陽翼對(duì)日定向，并在太陽翼和星體之間傳輸功率和電信號(hào)［2］.SADM由功率傳輸模塊(盤環(huán)或柱環(huán))完成功率傳輸功能，在SADM生產(chǎn)測試過程中，需要對(duì)功率環(huán)電傳輸?shù)目煽啃赃M(jìn)行充分的驗(yàn)證，如絕緣測試、耐壓測試和功率傳輸能力測試及其他環(huán)境適應(yīng)性測試.功率傳輸能力測試時(shí)通常采用額定傳輸電流驗(yàn)證或額定傳輸功率驗(yàn)證，測試過程中功率環(huán)環(huán)間的電壓基本保持穩(wěn)定.開關(guān)分流調(diào)節(jié)過程中，處于開關(guān)分流的電池陣通道的電壓在0 V和母線電壓之間跳變，而傳統(tǒng)的SADM功率傳輸驗(yàn)證方法并未充分驗(yàn)證應(yīng)用過程中開關(guān)分流工況對(duì)電傳輸可靠性的影響.因此，提出了一種采用太陽電池陣模擬器(SAS，solar array simulator)及電子負(fù)載構(gòu)成的SADM產(chǎn)品測試時(shí)電池陣開關(guān)分流模擬方法，給出了該方法的系統(tǒng)組成及試驗(yàn)結(jié)果.應(yīng)用該方法可以進(jìn)一步提高SADM產(chǎn)品研制過程中功率傳輸通路可靠性驗(yàn)證的充分性.

1 太陽電池陣分流方式

根據(jù)分流調(diào)節(jié)器開關(guān)管的工作方式，可將穩(wěn)壓分流調(diào)節(jié)技術(shù)分為線性分流調(diào)節(jié)和開關(guān)分流調(diào)節(jié)兩種方式.線性分流調(diào)節(jié)器對(duì)多余太陽電池陣能量處理的本質(zhì)是將其產(chǎn)生的功率消耗在調(diào)節(jié)器中，發(fā)熱量較大，對(duì)大功率通信衛(wèi)星熱控分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)影響較大.與線性分流調(diào)節(jié)技術(shù)相比，開關(guān)分流調(diào)節(jié)技術(shù)可大幅度降低分流調(diào)節(jié)器的功耗、體積和重量.開關(guān)分流調(diào)節(jié)技術(shù)又可細(xì)分為脈沖調(diào)寬(PWM，pulsewidth modulation)式、順序開關(guān)分流調(diào)節(jié)器(S3R，sequential switching shunt regulator)式和順序開關(guān)分流串聯(lián)調(diào)節(jié)器(S4R，sequential switching shunt series regulator)式［3-6］.

下面以順序開關(guān)分流調(diào)節(jié)器為例介紹SADM功率環(huán)電壓、電流工況.

圖1所示為分流調(diào)節(jié)器位于星內(nèi)時(shí)S3R分流調(diào)節(jié)原理.圖中把太陽電池陣分成n個(gè)相同的級(jí)(可理解為n個(gè)分陣，每個(gè)分陣電流依次為I1，I2，…，In)，每一級(jí)的正端通過一個(gè)分流開關(guān)管T連接到地，并通過隔離二極管D連接到正母線，母線電容為CBUS.開關(guān)管T的狀態(tài)決定了該級(jí)的能量是傳遞給負(fù)載母線還是被分流掉.S3R中所有的分流電路均由電壓采樣Vs控制，在各個(gè)滯環(huán)比較電路中，參考電壓值(VREF_1，VREF_2，…，VREF_n)依次遞增，門限電壓也依次增加改變，使得第1級(jí)到第n級(jí)逐級(jí)被調(diào)節(jié)、關(guān)斷，因此被稱為順序開關(guān)分流調(diào)節(jié).分流調(diào)節(jié)器工作時(shí)，始終有一級(jí)處于調(diào)節(jié)狀態(tài)，設(shè)占空比為d(0＜d＜1)，其他級(jí)中有m級(jí)開關(guān)管關(guān)斷，則分流狀態(tài)的級(jí)的個(gè)數(shù)為n-(m+1)［6］.

圖1 順序開關(guān)式分流調(diào)節(jié)器Fig.1 Sequential switching shunt regulator

假設(shè)SADM有n個(gè)功率傳輸通路(包括n個(gè)正向傳輸通路)分別與n個(gè)分陣連接，m個(gè)通路處于未分流狀態(tài)，其正向傳輸通路電壓為母線電壓，則n-(m+1)個(gè)正向傳輸通路電壓接近0 V，處于分流調(diào)節(jié)狀態(tài)的1個(gè)正向通路電壓在0 V和母線電壓之間跳變.

2 SADM功率傳輸驗(yàn)證方法

SADM的研制過程中，需要對(duì)功率傳輸通路進(jìn)行充分的絕緣、耐壓和功率傳輸能力測試.通常情況下，SADM的功率傳輸能力測試采用兩種方法:一種是額定傳輸電流測試;另一種是額定傳輸功率測試.

額定傳輸電流測試時(shí)，每個(gè)功率導(dǎo)電環(huán)通額定電流，而導(dǎo)電環(huán)上并不施加額定電壓載荷.該種方法所需測試設(shè)備較少，測試效率較高，導(dǎo)電環(huán)的絕緣和耐壓能力利用兆歐表和絕緣耐壓測試儀完成.

額定傳輸功率測試時(shí)，每個(gè)功率導(dǎo)電環(huán)通額定電流，并且施加額定電壓載荷.該種方法需要SAS(或直流電源)和電子負(fù)載等構(gòu)成功率測試系統(tǒng).實(shí)際測試過程中，還可以將全部正向環(huán)施加額定電壓，也可以將全部或部分功率環(huán)設(shè)計(jì)成高低壓間隔方式，驗(yàn)證更為惡劣條件下的功率傳輸安全性，相比于額定傳輸電流能力測試，該種方法測試覆蓋性較為全面.采用額定傳輸功率測試時(shí)，也需要利用兆歐表和絕緣耐壓測試儀完成導(dǎo)電環(huán)的絕緣和耐壓能力測試.

某型號(hào)SADM為盤式導(dǎo)電環(huán)，正面10環(huán)，由外向內(nèi)編號(hào)為1～10，背面10環(huán)，由外向內(nèi)編號(hào)為11～20，單環(huán)傳輸電流4 A.該SADM進(jìn)行額定傳輸功率測試時(shí)，功率環(huán)采用3種工況:1)奇數(shù)環(huán)高電位，偶數(shù)環(huán)低電位;2)偶數(shù)環(huán)高電位，奇數(shù)環(huán)低電位;3)正面導(dǎo)電環(huán)均為高電位.圖2所示為奇數(shù)環(huán)高電位、偶數(shù)環(huán)低電位的功率傳輸能力測試系統(tǒng)連接圖.圖中X06為與太陽電池陣連接的功率接插件，采用下圖連接方法，功率傳輸測試過程中SADM能夠連續(xù)單方向旋轉(zhuǎn)，易于完成噪聲測試、轉(zhuǎn)動(dòng)精度測試及轉(zhuǎn)動(dòng)壽命試驗(yàn)等連續(xù)單方向旋轉(zhuǎn)測試項(xiàng)目.

圖2 功率環(huán)測試原理圖Fig.2 Power-ring testing schematic diagram

3 開關(guān)分流模擬方法

額定傳輸電流測試和額定傳輸功率測試方法均未模擬開關(guān)分流應(yīng)用時(shí)處于開關(guān)調(diào)節(jié)狀態(tài)的通路電壓跳變工況，為此，設(shè)計(jì)了開關(guān)分流模擬方法.考慮到被測產(chǎn)品的安全性和長期測試試驗(yàn)的可靠性，開關(guān)分流模擬測試系統(tǒng)均以標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)，其核心是由SAS模擬太陽電池陣，利用可以設(shè)置短路和開路兩種不同工況的電子負(fù)載模擬分流調(diào)節(jié)開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷.

3.1 太陽電池陣模擬

傳統(tǒng)SADM產(chǎn)品測試過程中，常采用直流電源設(shè)置功率傳輸通路的工況，直流電源工作在穩(wěn)態(tài)，其輸出電壓和電流保持不變.太陽電池開關(guān)分流過程中，處于分流調(diào)節(jié)中的分陣輸出電壓是跳變的，即輸出電壓在0 V和母線電壓之間跳變，相應(yīng)的輸出電流基本穩(wěn)定在分陣額定輸出電流.

由于常規(guī)的直流電源輸出端口并聯(lián)有很大的儲(chǔ)能電容以保證負(fù)載變化的時(shí)候輸出電壓穩(wěn)定，若使用直流電源模擬太陽電池陣，在以較高的開關(guān)頻率模擬分流調(diào)節(jié)時(shí)，直流電源輸出電壓會(huì)因?yàn)閮?chǔ)能電容的存在而保持基本不變，導(dǎo)致無法模擬分陣分流時(shí)輸出壓在0 V和母線電壓之間跳變的工況.因此，需要利用輸出動(dòng)態(tài)特性較好的SAS來模擬處于開關(guān)分流狀態(tài)的太陽電池陣［7］，用直流電源模擬處于未分流和完全分流的分陣.

3.2 分流調(diào)節(jié)模擬

為實(shí)現(xiàn)分流調(diào)節(jié)器分流開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷功能，要求SADM功率傳輸測試系統(tǒng)中的電子負(fù)載能夠設(shè)置兩種不同的工作狀態(tài)，并可以在兩種工作狀態(tài)之間自動(dòng)高速切換.經(jīng)調(diào)研，德國H＆H公司生產(chǎn)的ZS系列電子負(fù)載可以滿足使用要求.ZS系列電子負(fù)載可以設(shè)置A、B兩種工作狀態(tài)，且兩種工作狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間可以通過旋鈕調(diào)節(jié)，每種工作狀態(tài)持續(xù)時(shí)間調(diào)節(jié)范圍為0.0～100.0 ms，時(shí)間調(diào)節(jié)當(dāng)量為0.1 ms，理論上A、B兩種工況的切換頻率可以做到5～5 000 Hz.具體選用的電子負(fù)載型號(hào)為ZS3012，其最大輸入電壓120 V，功率3 000 W.

3.3 模擬系統(tǒng)構(gòu)成

太陽電池陣分流調(diào)節(jié)時(shí)，SADM功率盤環(huán)中一個(gè)正向通道的功率環(huán)處于調(diào)節(jié)狀態(tài)，負(fù)向通路均處于低電平.如果按照圖1的構(gòu)成方式將直流電源和SAS與SADM轉(zhuǎn)動(dòng)部分連接，電子負(fù)載與SADM固定部分連接，將功率傳輸正向通路和負(fù)向通路工作電壓設(shè)置成與實(shí)際使用工況一致，那么SADM無法單方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)，即無法完成跑合、零位精度、整圈噪聲等測試項(xiàng)目;因而通常采用圖2所示連接方式，即在SADM轉(zhuǎn)動(dòng)部分利用導(dǎo)線將各環(huán)依次連接，直流電源、SAS和電子負(fù)載均與SADM固定部分連接.采用此種連接方式模擬分流調(diào)節(jié)時(shí)，將至少有兩個(gè)環(huán)處于分流調(diào)節(jié)狀態(tài).依據(jù)上述分析，設(shè)計(jì)如圖3所示的功率傳輸通路開關(guān)分流模擬原理圖.圖3中盤環(huán)外側(cè)的第 1、11、2、12、3、13 環(huán)設(shè)置為低電位，模擬完全分流狀態(tài)，第4、14環(huán)模擬開關(guān)分流狀態(tài)，第5、15、6、16、7、17、8、18、9、19、10、20 環(huán)設(shè)置為高電位，模擬分陣供電狀態(tài)，功率盤環(huán)正面和背面均只有一個(gè)電壓變化的界面.若在SADM固定端和轉(zhuǎn)動(dòng)端采用不同的連接方式，可以將不同的環(huán)設(shè)置成開關(guān)分流狀態(tài)，如奇數(shù)環(huán)高電位、偶數(shù)環(huán)處于開關(guān)分流狀態(tài)等.相比于傳統(tǒng)的額定傳輸電流能力測試和額定傳輸功率測試方法，采用開關(guān)分流模擬測試方法，能夠進(jìn)一步提高SADM產(chǎn)品研制中功率傳輸通路可靠性驗(yàn)證的充分性.

圖3 功率傳輸通路開關(guān)分流模擬原理圖Fig.3 Switching shunt simulation schematic diagram in power-ring testing

4 試驗(yàn)結(jié)果

按照圖3所示測試系統(tǒng)連接直流電源、SAS、電子負(fù)載、SADM.SAS選用安捷倫公司生產(chǎn)的E4360A，單通道最高輸出功率600W，輸出電壓120V，電流5A.將E4360A設(shè)置為固定輸出，輸出電壓100V，電流4A.電子負(fù)載ZS3012工作模式可設(shè)置為電流模式、電壓模式、電阻模式和功率模式，理論上ZS3012動(dòng)態(tài)工作4種工作模式中的任何一種，都可以通過設(shè)置A、B兩種工況來實(shí)現(xiàn)通道電壓在0 V和100 V之間跳變，而通道電流基本穩(wěn)定在4A.但受限于SAS和電子負(fù)載內(nèi)部閉環(huán)控制最高頻率及其配合情況，各種模式的試驗(yàn)結(jié)果存在一定差異.下面分別對(duì)ZS3012設(shè)置為電流模式、電壓模式、電阻模式時(shí)的通道電壓、電流進(jìn)行測試.

圖4～6分別為ZS3012設(shè)置為電流、電阻和電壓模式時(shí)分流通道的電壓和電流波形.試驗(yàn)測試結(jié)果表明分流通道的電壓在母線電壓與0 V電壓之間跳變，電流基本穩(wěn)定在SAS設(shè)定的最大輸出電流4 A，分流開關(guān)時(shí)刻的電壓和電流有較為明顯的暫態(tài)調(diào)節(jié)過程.電子負(fù)載在3種模式時(shí)的分流頻率模擬范圍差異較大，電流模式可以實(shí)現(xiàn)200 Hz的分流開關(guān)頻率，電阻模式可以實(shí)現(xiàn)500 Hz的分流開關(guān)頻率，受限于暫態(tài)調(diào)節(jié)過程電壓較大的波動(dòng)，電壓模式只能達(dá)到100 Hz左右.ZS3012工作在電阻模式時(shí)，通道電壓的上升沿和下降沿較陡，而電流模式時(shí)則較為平緩.

圖4 電流模式時(shí)分流通道的電壓和電流波形Fig.4 Voltage and current waveforms of a switching shunt channel in current mode

圖5 電阻模式時(shí)分流通道的電壓和電流波形Fig.5 Voltage and current waveforms of a switching shunt channel in resistance mode

圖6 電壓模式時(shí)分流通道的電壓和電流波形Fig.6 Voltage and current waveforms of a switching shunt channel in voltage mode

開關(guān)分流調(diào)節(jié)的開關(guān)頻率與母線的紋波、分陣電流、母線濾波電容、負(fù)載對(duì)該分陣需要電流等參數(shù)相關(guān)，采用限頻開關(guān)分流調(diào)節(jié)技術(shù)的開關(guān)頻率在0～2 kHz之間［8］.受限于使用的SAS及電子負(fù)載性能，所提的模擬方法最高開關(guān)頻率只有500 Hz左右，實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要進(jìn)一步降低開關(guān)頻率以使模擬系統(tǒng)更加穩(wěn)定.

5 結(jié)論

本文提出了一種SADM產(chǎn)品測試時(shí)的電池陣開關(guān)分流模擬方法，利用SAS模擬處于開關(guān)分流狀態(tài)的太陽電池陣，采用可以設(shè)置兩種工作狀態(tài)并自動(dòng)高速切換的電子負(fù)載模擬分流開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，給出了該方法的系統(tǒng)組成及試驗(yàn)結(jié)果，表明該方法可以在SADM產(chǎn)品測試時(shí)最大限度的模擬太陽電池陣開關(guān)分流時(shí)功率導(dǎo)電環(huán)的電壓跳變工況，進(jìn)一步提高了SADM產(chǎn)品研制中功率傳輸通路可靠性驗(yàn)證的充分性.

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