楊雙景 曾毅 陳世杰 鮑恩竹 李旭麗

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

電源系統(tǒng)是衛(wèi)星的重要組成部分，是衛(wèi)星產(chǎn)生、存儲、調(diào)節(jié)和分配電能的系統(tǒng)。目前，世界上90%以上的衛(wèi)星采用太陽電池陣-蓄電池組電源系統(tǒng)(Solar Array-batteries Power Supply System，SA-B)，一般由太陽電池陣、蓄電池組和電源控制器組成[1-2]。光照期利用太陽電池陣發(fā)電，通過電源控制器為星上負(fù)載供電和蓄電池組充電；陰影期蓄電池組通過電源控制器為星上負(fù)載供電。因此，電源控制器中有蓄電池組放電模塊(Battery Discharge Regulator,BDR)和蓄電池組充電模塊(Battery Charge Regulator,BCR)。隨著衛(wèi)星的快速發(fā)展，對衛(wèi)星上設(shè)備的質(zhì)量和體積提出了較高的要求。為了降低衛(wèi)星電源系統(tǒng)的質(zhì)量和體積，20世紀(jì)80年代初美國學(xué)者首次提出用雙向直流變換器，同時實現(xiàn)蓄電池組充電和放電功能，并在某些小衛(wèi)星上實現(xiàn)應(yīng)用。隨后，越來越多的學(xué)者和工程技術(shù)人員開展了衛(wèi)星雙向直流變換器的研究，提出了多種雙向直流變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。我國清華大學(xué)、浙江大學(xué)和南京航空航天大學(xué)等高校在民用雙向直流變換器拓?fù)浼皯?yīng)用方面開展了相關(guān)研究，并在新能源單車和汽車上實現(xiàn)了應(yīng)用。中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所、上海空間電源技術(shù)研究所也開展了星載雙向直流變換器的應(yīng)用研究。星載雙向直流變換器將BDR和BCR合二為一，實現(xiàn)了公用，減輕了電源控制器的質(zhì)量，降低了成本，其應(yīng)用將成為未來星載電源系統(tǒng)蓄電池組充放電模塊設(shè)計的一種趨勢[3-8]。

本文根據(jù)蓄電池組能量雙向流動的特點，提出了一種雙向耦合電感升降壓直流變換器設(shè)計，實現(xiàn)了蓄電池組放電和充電兩種功能。該雙向變換器具有較高的升壓比，降低了蓄電池串聯(lián)數(shù)量，從而降低了電源系統(tǒng)的質(zhì)量和體積，提高了整個系統(tǒng)的工作效率。工作在升壓模式下，該變換器具有傳統(tǒng)Boost變換器的全部優(yōu)點，同時通過選擇耦合電感的匝比來降低變換器的占空比，克服了傳統(tǒng)Boost變換器占空比不宜過大的限制。工作在降壓模式時，該變換器充分繼承了傳統(tǒng)Buck電路的優(yōu)點，并且具有更大的降壓比。該變換器采用單個開關(guān)管實現(xiàn)升壓或降壓功能，具有控制電路簡單、電路損耗小、效率高、電源系統(tǒng)的可靠性高等優(yōu)點。

1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

本文提出分析的雙向耦合電感型升降壓變換器利用兩個開關(guān)管、兩個二極管和一個耦合電感實現(xiàn)電能的雙向流動，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中，電感L1和L2繞在同一個磁芯上形成耦合電感，L1定義為初級，匝數(shù)為n1；L2定義為次級，匝數(shù)為n2；電感匝比定義為N=n2/n1。VL為蓄電池組電壓，VH為衛(wèi)星一次母線電壓。T1、T2為功率MOS管，D1、D2為功率二極管，C1、C2為輸入輸出濾波電容，RL為衛(wèi)星一次母線負(fù)載電阻。

該變換器可以在兩種模式工作，升壓模式(Boost)和降壓模式(Buck)。升壓模式為蓄電池組通過變換器為衛(wèi)星負(fù)載提供電能，降壓模式為衛(wèi)星一次母線為蓄電池組充電。

1.1 Boost工作模式

變換器工作在Boost模式時，蓄電池組通過變換器放電，向衛(wèi)星一次母線輸送功率，為衛(wèi)星上負(fù)載提供電能。此時，變換器有兩個工作狀態(tài)，其工作原理如下。

(1)狀態(tài)1：MOS管T1導(dǎo)通，MOS管T2關(guān)斷，蓄電池組放電電流流經(jīng)L1、T1，電感L1儲能。L2同名端為正，二極管D2反向截止，負(fù)載由輸出電容C2供電。

(2)狀態(tài)2：MOS管T1關(guān)斷，MOS管T2關(guān)斷，蓄電池組放電電流流經(jīng)L1、L2、D2，給輸出電容C2充電和負(fù)載供電。

變換器工作在Boost工作模式時，工作原理及主要波形如圖2所示。圖2中，Vgs1為開關(guān)管T1的驅(qū)動電壓波形，iL1為電感L1電流波形，iL2為電感L2電流波形，iT1為MOS管T1電流波形。

MOS管T1的占空比定義為

(1)

式中：Ton1為MOS管T1導(dǎo)通時間，Toff1為MOS管T1關(guān)斷時間。

由電感L1和L2每匝伏-秒平衡原理，經(jīng)簡化可得占空比d1與輸入和輸出電壓的關(guān)系為

(2)

從式(2)可以看出，變換器的占空比不僅與輸入電壓和輸出電壓有關(guān)，還與耦合電感的匝比有關(guān)。因此可以通過選擇合適的匝比，配置變換器的占空比，電路設(shè)計更加靈活。耦合電感的電感值由輸入電流上升量決定。

(3)

式中：fs1為開關(guān)管T1的開關(guān)頻率，ΔiL1為電感L1輸入電流的上升量。

1.2 Buck工作模式

變換器工作在Buck模式時，衛(wèi)星一次母線通過變換器為蓄電池組充電。變換器同樣有兩個工作狀態(tài)，如圖3所示，其工作原理如下。

(1)狀態(tài)1：MOS管T2導(dǎo)通，MOS管T1關(guān)斷，電流流經(jīng)T2、L2，L1、蓄電池組；電感L1和L2儲能；二極管D1反向截止，直流母線給蓄電池組充電。

(2)狀態(tài)2：MOS管T2關(guān)斷，MOS管T1關(guān)斷，電感L1電流不能突變，通過蓄電二極管D1續(xù)流，蓄電池組繼續(xù)充電。

變換器工作在Buck工作模式時工作原理及主要波形如圖3所示。圖3中Vgs2為MOS管T2的驅(qū)動電壓波形，iL1和iT1為電感L1和開關(guān)管T1電流波形，iD1為二極管D1的電流波形。

MOS管T2的占空比定義為

(4)

式中：Ton2為MOS管T2導(dǎo)通時間，Toff2為MOS管T2關(guān)斷時間。由于電感L1和L2每匝伏-秒平衡原理，經(jīng)簡化可得輸出電壓與輸入電壓和占空比d2的關(guān)系為

(5)

從式(5)中可以看出，由于引入了電感匝比，該變換器輸出電壓比傳統(tǒng)的Buck變換器有更大的降壓比。當(dāng)Boost變換器主功率電路參數(shù)設(shè)計確定后，Buck電路參數(shù)即確定，根據(jù)耦合電感值可以推出Buck電路電感電流上升量為

(6)

式中：fs2為開關(guān)管T2的開關(guān)頻率。

2 控制策略及閉環(huán)控制

2.1 Boost工作模式控制策略及閉環(huán)控制

當(dāng)變換器工作在Boost模式時，蓄電池組通過變換器向母線輸出功率，為負(fù)載提供電能。因此，變換器輸出電壓為衛(wèi)星一次母線，應(yīng)具有較快的響應(yīng)速度，以滿足負(fù)載用電需求。電流控制模式將變換器的全部變量作為反饋加以控制，并且整個系統(tǒng)等效為一階系統(tǒng)，具有帶寬大、系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點，故選用電流控制模式。圖4給出了變換器工作在Boost模式時平均等效電路模型，圖5給出了采用峰值電流控制模式時的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖5中，Vref為電壓外環(huán)的參考電壓，Iref為電流內(nèi)環(huán)的參考電壓，Gkv(s)為輸出電壓環(huán)傳遞函數(shù)，F(xiàn)v為誤差電壓到占空比的傳遞函數(shù)，Ki1為電感電流采樣系數(shù)，Ko1為一次母線電壓采樣系數(shù)，Gid(s)為占空比到電流傳遞函數(shù)，Gvi(s)為電感電流到輸出電壓的傳遞函數(shù)。

結(jié)合圖4和圖5，經(jīng)過計算，電流內(nèi)環(huán)等效為一常量，其增益定義為Kc，推導(dǎo)出未經(jīng)補償前系統(tǒng)的控制到輸出的傳遞函數(shù)為

(7)

由式(7)可知，峰值電流控制模式下，整個系統(tǒng)為一階系統(tǒng)，存在一個右半平面的零點。一階系統(tǒng)在低頻段幅頻特性是以-20 dB/dec下降的，且在右半平面處與0 dB線平行，因此，系統(tǒng)的頻帶很寬，動態(tài)響應(yīng)速度快，這是電流控制模式的優(yōu)點。為使整個負(fù)載范圍內(nèi)系統(tǒng)穩(wěn)定，需要配置補償網(wǎng)絡(luò)。比例積分調(diào)節(jié)具有無直流靜差的特點，因此采用比例積分調(diào)節(jié)作為輸出電壓環(huán)設(shè)計。校正后整個系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

(8)

式中：Kp為比例系數(shù)，Ki為積分系數(shù)。

2.2 Buck工作模式控制策略及閉環(huán)控制

當(dāng)變換器工作在Buck模式時，衛(wèi)星一次電源母線向蓄電池組充電。為了延長蓄電池組使用壽命，采用恒流-恒壓充電模式。充電初期采用恒流充電，當(dāng)蓄電池組電壓達(dá)到恒壓充電閾值時轉(zhuǎn)為恒壓充電。整個充電過程中，變換器輸出電壓被箝位在蓄電池組電壓，因此系統(tǒng)不需要較快的響應(yīng)速度，采用單環(huán)控制策略。變換器充電控制原理如圖6所示，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。圖7中，Ko為蓄電池組電壓采樣系數(shù)，Ki為蓄電池充電電流采樣系數(shù)，Gki(s)為電流環(huán)傳遞函數(shù)，Vm為脈寬調(diào)制器(PWM)調(diào)制器增益，Gvd(s)為占空比到輸出電壓傳遞函數(shù)，Giv(s)為輸出電壓到充電電流的傳遞函數(shù)。

充電初期，蓄電池組電壓較低，輸出電壓采樣值較小，輸出電壓環(huán)路處于正向飽和狀態(tài)。此時，蓄電池組電流環(huán)以Iref作為參考進(jìn)行恒流充電。當(dāng)蓄電池組電壓上升到給定值時，輸出電壓環(huán)退飽和，開始調(diào)節(jié)，對蓄電池組以恒壓方式充電。利用比例積分調(diào)節(jié)具有無直流靜差的特點，電壓環(huán)和電流環(huán)均采用比例積分調(diào)節(jié)。根據(jù)圖7,可以推導(dǎo)出恒流充電開環(huán)傳遞函數(shù)和恒壓充電開環(huán)傳遞為

(9)

式中：Kpi為電流環(huán)比例系數(shù)；Kii為電流環(huán)積分系數(shù)；Kpv為電壓環(huán)比例系數(shù)；Kiv為電壓環(huán)積分系數(shù)。

3 仿真驗證

3.1 仿真參數(shù)設(shè)計

以某衛(wèi)星電源系統(tǒng)設(shè)計為例，蓄電池組電壓范圍為32 V～37 V，一次母線電壓為42 V，負(fù)載為2800 W。蓄電池組放電調(diào)節(jié)功能由6路BDR模塊組成，每路BDR模塊輸出功率為700 W，其中兩個模塊為備份；蓄電池組充電調(diào)節(jié)功能由4路BCR模塊組成，每路BCR模塊輸出功率為150 W。

根據(jù)圖2所示，當(dāng)變換器工作在升壓模式時，MOS管T1關(guān)斷，二極管D2導(dǎo)通時，MOS管T1承受電壓應(yīng)力，當(dāng)MOS管T1導(dǎo)通，二極管D2關(guān)斷時，MOS管T1承受電流應(yīng)力。同理可以分析出變換器工作降壓模式時，電路中器件的電壓和電流應(yīng)力。設(shè)計雙向耦合電感匝比N=1，根據(jù)已知條件，可以計算出雙向變換器各功率器件電壓和電流應(yīng)力如表1所示。

表1 雙向變換器開關(guān)器件的應(yīng)力Table 1 Voltage and current stress of thebi-directional converter

注：ILave為蓄電池平均電流，IHave為一次母線平均電流。根據(jù)表1計算值，考慮衛(wèi)星設(shè)計降額要求，可以選取相應(yīng)的MOS管和二極管的型號。

升壓模式：選取MOS管T1的開關(guān)頻率fs1=100 kHz，輸入電流紋波ΔIi取1 A，耦合電感量取32 μH。比例積分補償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)選取為Kp=0.008 2，Ki=1.621。

降壓模式：選取MOS管T2的開關(guān)頻率fs2=100 kHz，蓄電池恒流段充電電流設(shè)為5 A；恒壓段充電電壓設(shè)為36 V。當(dāng)蓄電池組電壓上升至恒壓段閾值36 V后，轉(zhuǎn)為恒壓充電。比例積分補償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)選取為Kp=0.01，Ki=1.332。

3.2 仿真結(jié)果分析

用Psim仿真軟件對Boost變換器進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖8所示。仿真結(jié)果表明：變換器工作穩(wěn)定，耦合電感電流波形、MOS管電流波形與1.1節(jié)分析結(jié)果一致。

用Psim仿真軟件建立模型對Buck變換器進(jìn)行仿真。由于蓄電池充電至閾值電壓時間較長，在0.3 s時設(shè)置蓄電池組電壓為36 V，仿真結(jié)果如圖9所示。從圖9中可以看出：恒流段蓄電池組穩(wěn)態(tài)充電電流為5 A，與理論值一致。恒壓段蓄電池組充電電流下降為4.3 A，蓄電池組電壓穩(wěn)定在36 V，與理論值一致。恒流段充電電流和恒壓段充電電壓平穩(wěn)，MOS管電流波形與1.2節(jié)分析結(jié)果一致，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

4 原理樣機試驗驗證

本文搭建了雙向耦合電感型升降壓變換器原理樣機，其主要參數(shù)與第3節(jié)一致。圖10和圖11分別給出了變換器工作在升壓模式和降壓模式下的主要波形。圖10中綠色曲線為MOS管的驅(qū)動波形，粉紅色曲線為耦合電感L2的電流波形。圖11中綠色曲線為MOS管的驅(qū)動波形，粉紅色曲線是二極管D1的電流波形，藍(lán)色曲線是耦合電感L2的電流波形。從圖10中可以看出，當(dāng)MOS管關(guān)斷時電感L2續(xù)流；從圖11中可以看出，當(dāng)MOS管關(guān)斷時二極管D1續(xù)流，與仿真分析結(jié)果一致。同時可以看出，變換器在兩種工作模式下波形平穩(wěn)，變換器環(huán)路參數(shù)設(shè)計合理、工作穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

本文介紹了雙向耦合電感型升降壓變換器的工作原理，給出了系統(tǒng)的控制框圖并設(shè)計了變換器在不同工作模式下的閉環(huán)反饋控制環(huán)路。在此基礎(chǔ)上，建立了仿真模型并搭建了原理樣機，進(jìn)行了試驗驗證，結(jié)果表明：雙向耦合電感型升降壓變換器可以同時實現(xiàn)蓄電池組的充電和放電功能。該變換器相對傳統(tǒng)的升壓和降壓變換器具有更大的升壓和降壓比，同時通過設(shè)計功率雙向流動，提高了電源控制器的功率密度，可減輕電源控制設(shè)備的質(zhì)量，有效地指導(dǎo)電源控

制設(shè)備充電調(diào)節(jié)模塊和放電調(diào)節(jié)模塊的設(shè)計。

參考文獻(xiàn)(References)

[1] 帕特爾.航天器電源系統(tǒng)[M].韓波，陳琦，崔曉婷，譯.北京：中國宇航出版社，2010

Patel M R. Space power system[M]. Han Bo, Chen Qi, Cui Xiaoting, translated. Beijing: China Astronautics Press, 2010 (in Chinese)

[2] Capel A, Perol P. Comparative performance evalution between the S4R and the S3R regulated bus topologies[C]//Proceedings of the 32thPower Electronics Specialists Conference. New York: IEEE,2001: 1963-1969

[3] Iwade T, Komiyama S, Tanimura Y, et al. A novel small-scale UPS using a parallel redundant operation system[C]// The 25thInternational Telecommunications Energy Conference, INTELC’03.Yokohama: Intelec. org， 2003: 480-484

[4] Hirachi K, Kajiyama K, Isokane S, et al. Coupled inductor assisted bidirectional chopper for small-scale battery energy storage system[J]. Electronics Letters, 2003, 39(20):1467-1469

[5] Jain M, Jain P K. Analysis of a bi-direcitonal DC-DC converter topology for low power application[C]//IEEE 1997 Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering, 1997 Engineering Innovation: Voyage of Discovery. New York：IEEE，1997:548-551

[6] Toni Fabio Catalano, Stefano Costantini. Sentinel-1 EPS architecture and power conversion trade-off[C]//Proceedings of the 9th European Space Power Conference. Paris: ESA, 2011:1-8

[7] 楊雙景，趙長江.一種大功率SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)設(shè)計[J]. 航天器工程，2017，26(3)：57-63

Yang Shuangjing, Zhao Changjiang. Design of power supply system for high power SAR satellite[J]. Spacecraft Engineering, 2017,26(3):57-63 (in Chinese)

[8] 喬明，朱立穎，李小飛，等. SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)設(shè)計與仿真研究[J]. 航天器工程，2015，24(2)：45-50

Qiao Ming, Zhu Liying, Li Xiaofei, et al. Design and simulation on power supply system of SAR satellite[J]. Spacecraft Engineering, 2015,24(2):45-50 (in Chinese)