方 圓，楊肖鋒，覃思明，顧豪杰

（1.中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院，上海 201203；2.上?？臻g電源研究所，上海 200245；3.上海公安局國際機場分局，上海 201202）

0 引 言

本文以衛(wèi)星S3R型功率調(diào)節(jié)的電源系統(tǒng)為研究對象，著重分析了系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要因素——輸出阻抗，完成了輸出阻抗的測量，確定了穩(wěn)定性的指標和有效評價，以解決負載多樣性對電源系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生的干擾問題，提高系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。

1 衛(wèi)星電源系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法概述

衛(wèi)星電源系統(tǒng)與星上負載主要采用級聯(lián)直流的方式進行傳輸。用Zo和Zi分別表示電源系統(tǒng)輸出阻抗和負載輸入阻抗，V1out和V1in分別為電源系統(tǒng)的輸出電壓和輸入電壓，V2out和V2in分別為后級整個負載系統(tǒng)的輸出電壓和輸入電壓。在當前的整個供配電系統(tǒng)中，傳遞函數(shù)為：

2 S3R型功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出阻抗的影響因素分析

電源系統(tǒng)作為衛(wèi)星的重要分系統(tǒng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性直接影響衛(wèi)星功能的實施和應用。目前，各種軌道衛(wèi)星采用S3R三域型電源系統(tǒng)的拓撲架構較多，見圖1。S3R功率調(diào)節(jié)電源系統(tǒng)的主要原理是采用三域控制的全調(diào)節(jié)母線，對三域分為分流調(diào)節(jié)（SR）、放電調(diào)節(jié)（BDR）和充電控制（BCR）。三域各自的EA（Error Amplif i er）均來自于系統(tǒng)主MEA（Main error Amplif i er），形成統(tǒng)一的誤差放大器反饋系統(tǒng)。

圖1 S3R功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理框圖

整個電源系統(tǒng)拓撲中，功率環(huán)路共有三種狀態(tài)，即充電態(tài)、分流態(tài)和放電態(tài)。環(huán)路增益、拓撲參數(shù)等因素影響系統(tǒng)的輸出阻抗。如果輸出阻抗將三態(tài)的工作模式以傳遞函數(shù)來表達后匯總，計算量較大，且中間不確定因素較多。電源阻抗可以用同一頻段下電壓與電流的相量比值來表示。等效圖見圖2。

圖2中，從電源輸出和負載輸入的通路的正負端注入某一頻率的正弦交流擾動電流Ip，Is和IL分別為擾動后產(chǎn)生的流入電源輸出方向和負載方向的交流相量。兩點之間將產(chǎn)生正弦交流電壓則有IL，其中電源輸出阻抗為Zs，負載輸入阻抗為ZL。

圖2 系統(tǒng)等效輸出阻抗定義

由于電源系統(tǒng)是一個非線性系統(tǒng)，阻抗在不同的工作點上都不同，但存在一個近似線性動態(tài)區(qū)間。因此，測量時單一頻率注入幅值較小的正弦激勵電流產(chǎn)生電壓擾動，通過上述公式進行計算測量結果[1]。

實際的衛(wèi)星電源系統(tǒng)非常復雜，信號環(huán)路不僅有電壓環(huán)反饋系統(tǒng)，還有電流環(huán)反饋系統(tǒng)。此外，各類功率器件的寄生電感、寄生電容和寄生二極管等參數(shù)，均會影響系統(tǒng)輸出等效阻抗的變化。因此，研究輸出阻抗的變化應在實際測量中評價，理論計算作為輔助驗證。

3 輸出阻抗測量及穩(wěn)定性指標確定

3.1 測量方法選擇

為了避免因理論模型構建不準確影響評價結果，產(chǎn)生較大誤差，采用電流電壓測量法進行測量。電流電壓測量法是測量電源的輸出阻抗的傳統(tǒng)方法，基本原理是注入一個掃頻的電流信號到DUT，測量DUT兩端的電壓和所注入的電流信號，測某一頻點的電壓/電流即可得到此頻點下的阻抗，如圖3所示。

圖3 電流電壓測量法簡化圖

1 Ω電阻附近連線的分布電感的阻抗引起的測量誤差很難完全消除，這個方法不適用于精確測量毫歐級阻抗，只適用于測量類似衛(wèi)星電源歐姆級別的輸出阻抗。

3.2 測量試驗及結果

采用的網(wǎng)絡分析儀為E5061B，設置如下：

（1）[Preset]（OK）將儀表狀態(tài)設置為預置狀態(tài)；

（2）[Meas],(Measurement Port)->Gain-phase.選擇測試的模式；Gain-phase Set up->(T input Z=1 MΩ，T Attenuator=0dB,R input Z=1MΩ，R Attenuator=20dB)；

（3）[Start],10HZ,[Stop] 1MHz,根據(jù)需求設置測試的頻率范圍；

（4）[Sweep Setup],(Power),0dB,設置輸出功率不要太高；

（5）[Avg],(IFBW Auto->ON)，（IFBW Auto Limit）,10HZ；

（6）[Scale],(Scale/div)=50mvdB/div,Reference position =0dB;Reference Value=0dB；

（7）[format],linmag.

設置完成進行校準，分別將T端口和R端口連至相同點進行直通響應校準。注意，將激勵信號源的功率降至-5 dBm以下，防止過載。校準完成后，分別測試輕載、中載、重載電源變換器輸出阻抗。

圖4中虛框為電源系統(tǒng)的PCDU（電源控制器），后級負載用電子負載代替。用變壓器把網(wǎng)絡分析儀E5061B的正弦激勵信號源的地懸浮起來，利用其內(nèi)部高阻接收端測量電子負載的交流電壓和電流。IR為電子負載的測量電壓→T（test）端口，IR為流過1 Ω電阻的交流電流→R（ref）端口。它的比值就是被測PCDU的輸出阻抗其中VT和VR分別為電子負載和1 Ω電阻上的交流電壓實測值?？梢钥闯?，網(wǎng)絡分析儀測量結果是PCDU輸出的阻抗和負載等效阻抗的并聯(lián)值。由于PCDU的輸出等效阻抗遠遠小于電子負載的阻抗，因此測量結果可以近似等效為PCDU的阻抗（從衛(wèi)星上來看，即電源系統(tǒng)的輸出等效阻抗）。需要說明的是，圖中1 mF的隔直電容器是為了防止輸出端的直流信號串入變壓器和1 Ω的電阻，同時也可提高在低頻測量范圍下的信噪比。

圖4 阻抗測量具體測試連接圖

3.3 穩(wěn)定性指標確定

從衛(wèi)星電源系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)來看，當且僅當輸入與輸出阻抗關系符合|Z0|＜＜|Zi|時（但實際往往無法滿足該要求，或兩者的增益裕度不足），可適當在系統(tǒng)輸出正端增加電感或增加并聯(lián)電容，改變前后級的輸入、輸出阻抗匹配關系。因此，工程應用中應兼顧整體結構尺寸、母線動態(tài)響應時間等影響因素，綜合選擇電源系統(tǒng)輸出阻抗改進方案，使整個系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

4 結 論

綜上所述，衛(wèi)星電源系統(tǒng)設計影響著整星負載系統(tǒng)的輸入穩(wěn)定性。通過對其輸出穩(wěn)定性分析方法進行研究，可以明確系統(tǒng)穩(wěn)定性的判斷依據(jù)。在此基礎上，采用建模和仿真分析確定在全頻率下電源輸出阻抗的主要影響因素，進而利用網(wǎng)絡分析儀對電源輸出阻抗進行測量，確定電源穩(wěn)定性評價指標，為衛(wèi)星電源系統(tǒng)設計提供依據(jù)，確保電源系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。