張 偉，王 鍇，張?zhí)┓?，?偉，趙 超

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300384)

2019年我國(guó)利用“快舟一號(hào)甲”運(yùn)載火箭，在太原衛(wèi)星發(fā)射中心6 h內(nèi)兩次發(fā)射，將7顆小衛(wèi)星送入太空。目前各類(lèi)低軌星座衛(wèi)星，如鴻雁星座、虹云星座、國(guó)家互聯(lián)網(wǎng)星座等衛(wèi)星的發(fā)展，都使衛(wèi)星的生產(chǎn)、測(cè)試及交付周期縮短、衛(wèi)星電源控制器向著標(biāo)準(zhǔn)化模塊、器件種類(lèi)減少、成本降低以及型譜化和高比功率發(fā)展。商業(yè)低軌星座衛(wèi)星控制器的快速發(fā)展，迫使中高軌長(zhǎng)壽命大功率衛(wèi)星向型譜化高比功率方向發(fā)展，促使中高軌長(zhǎng)壽命衛(wèi)星的更新?lián)Q代。目前我國(guó)42 V電源控制器以北斗系統(tǒng)42 V中軌衛(wèi)星為主，電源控制器功率小于2.2 kW，質(zhì)量約30 kg，比功率小于74 W/kg，對(duì)于我國(guó)下一代中高軌衛(wèi)星在功率和比功率上都略顯不足，因此未雨綢繆，先期開(kāi)展適合下一代中高軌尤其優(yōu)先滿(mǎn)足下一代導(dǎo)航衛(wèi)星、Small-GEO的中軌衛(wèi)星用電源控制器，采用42 V母線，功率大于4.6 kW，比功率不小于175 W/kg。

1 電源控制器優(yōu)化

電源控制器作為衛(wèi)星電源分系統(tǒng)的控制中心，其主要功能是，在衛(wèi)星壽命周期內(nèi)協(xié)調(diào)太陽(yáng)電池陣和蓄電池組的能量傳輸和功率平衡，確保向衛(wèi)星提供穩(wěn)定可靠的一次母線[1]。在光照期，電源控制器的分流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)太陽(yáng)電池陣對(duì)星上負(fù)載供電，同時(shí)，通過(guò)電源控制器的充電調(diào)節(jié)器給蓄電池組充電；在地影期間，通過(guò)電源控制器的放電調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)蓄電池對(duì)星上負(fù)載供電，電源控制器配置有下位機(jī)用于和衛(wèi)星綜合電子實(shí)現(xiàn)信息交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器的遙控遙測(cè)。電源控制器主要包含順序開(kāi)關(guān)分流調(diào)節(jié)器(S3R)電路、放電調(diào)節(jié)器電路(BDR)、充電調(diào)節(jié)器電路(BCR)、遙測(cè)遙控電路(TMTC)、主誤差信號(hào)電路(MEA)、電池控制管理電路(BCM)、二次電源及母線電容等。

1.1 標(biāo)準(zhǔn)化功能模塊設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)電源控制器的型譜化和高比功率，首先要實(shí)現(xiàn)功能模塊的獨(dú)立性和互換性，采用模塊化設(shè)計(jì)，如圖1電源控制器配置圖。依據(jù)電源控制器的功能將控制器分為五種標(biāo)準(zhǔn)化模塊[2]。SUN模塊，主要包含S3R電路、多項(xiàng)保護(hù)電路、信號(hào)采樣電路及分布式母線電容；BCDR模塊主要包含BDR電路、BCR電路及輔助電源；TMTC模塊，主要包含控制器主控單元、BCM、MEA、DA檔位電路、過(guò)壓保護(hù)電路及二次電源；CAPA模塊是電地、結(jié)構(gòu)地、系統(tǒng)地設(shè)置處及補(bǔ)充母線電容；MotherBoard模塊，主要實(shí)現(xiàn)上述模塊之間的功率匯流、信號(hào)傳輸及提供地面測(cè)試接口。采用標(biāo)準(zhǔn)化的模塊設(shè)計(jì)，可以多臺(tái)套并行生產(chǎn)和調(diào)試，對(duì)于型譜化產(chǎn)品至關(guān)重要。

圖1 電源控制器配置圖

1.2 輕量化結(jié)構(gòu)方案

中高軌電源控制器的結(jié)構(gòu)通常占據(jù)控制器質(zhì)量的三分之一，材料選用鋁合金(2A12H112)，因此結(jié)構(gòu)上的減重是實(shí)現(xiàn)控制器高比功率的關(guān)鍵因素之一。圖2為控制器輕量化模塊化結(jié)構(gòu)示意圖，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)涉及到電源控制器的力學(xué)性能、控制器內(nèi)部熱源的導(dǎo)熱設(shè)計(jì)，以及EMC、輻照等方面的設(shè)計(jì)。本方案采用框架型結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)帶側(cè)壁的腔型結(jié)構(gòu)，同時(shí)整機(jī)配置上蓋板和側(cè)蓋板，發(fā)熱器件集中放置結(jié)構(gòu)底部。這種設(shè)計(jì)使結(jié)構(gòu)占控制器質(zhì)量的三分之一降到四分之一，使比功率得到大幅提升，大功率器件置于結(jié)構(gòu)底部可以實(shí)現(xiàn)大功率器件良好散熱。

圖2 電源控制器輕量化模塊化結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 工藝優(yōu)化方案

電源控制器屬于電子單機(jī)，在控制器的生產(chǎn)過(guò)程中存在笨重的金屬匯流條和大量信號(hào)電纜線，隨著衛(wèi)星功率增加，信號(hào)增多，電纜焊接不僅容易出錯(cuò)而且耗時(shí)耗力以及匯流條的使用極大降低了控制器比功率。本方案中采用多層PCB覆銅，代替?zhèn)鹘y(tǒng)匯流條和多層PCB繪制信號(hào)線代替大量電纜信號(hào)線，可有效提升控制器比功率及加快控制器研制周期。圖3為功率器件的集成。

圖3 功率器件的集成

2 電源控制器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

空間型譜化高比功率電源控制器，針對(duì)42 V母線4.6 kW輸出功率，通過(guò)MEA統(tǒng)一協(xié)調(diào)各功率調(diào)節(jié)器(分流調(diào)節(jié)器、放電調(diào)節(jié)器及充電調(diào)節(jié)器)穩(wěn)定母線。電源控制器原理框圖如圖4所示[1]。

圖4 電源控制器原理框圖

電源控制器配置有8個(gè)BCDR模塊，每個(gè)BDR輸出電流18 A，共8個(gè)BDR，其中A電池和B電池各冗余一個(gè)BDR，最壞情況下功率保證6個(gè)BDR輸出功率不小于4.6 kW；BCR輸出電流3.5 A，最大充電電流28 A；4個(gè)SUN模塊，每個(gè)SUN有3級(jí)Boost-S3R電路，每級(jí)分流調(diào)節(jié)能力15 A，12級(jí)可調(diào)能力180 A；TMTC模塊配置兩個(gè)，主備份設(shè)置，采用基于反熔絲的FPGA數(shù)字控制芯片(DICO)，也可依據(jù)型號(hào)要求單獨(dú)配置TMTC模塊其它類(lèi)型主芯片。

2.1 SUN模塊

光照調(diào)節(jié)(SUN)模塊的設(shè)計(jì)主要包括Boost-S3R電路、母線濾波電容、相關(guān)保護(hù)電路及信號(hào)變換電路等組成。電源控制器配置4個(gè)SUN模塊，每個(gè)SUN模塊設(shè)置3級(jí)Boost-S3R電路，單級(jí)分流能力為15 A。Boost-S3R可工作于分流態(tài)、開(kāi)關(guān)態(tài)及直供母線三種狀態(tài)。當(dāng)負(fù)載減輕時(shí)，MEA電壓升高，12級(jí)分流電路依次進(jìn)入分流狀態(tài)；反之，當(dāng)負(fù)載加重，MEA電壓降低，12個(gè)分流電路依次退出分流狀態(tài)?？刂破魍ㄟ^(guò)對(duì)太陽(yáng)電池陣電流的調(diào)節(jié)來(lái)保證母線電壓的穩(wěn)定，圖5為SUN模塊原理示意圖。

圖5 SUN模塊原理框圖

Boost-S3R與傳統(tǒng)S3R電路區(qū)別，調(diào)節(jié)電流能力由7.5 A提高到15 A；母線隔離二極管兩個(gè)串聯(lián)設(shè)計(jì)改為單管設(shè)計(jì)；MOS管采用雙管串聯(lián)設(shè)計(jì)。針對(duì)上述變化增加母線隔離二極管的防短路保護(hù)、分流MOS管的短路保護(hù)、針對(duì)單級(jí)方陣的大電流，采用無(wú)損耗峰值電流浪涌抑制功能及回差比較器故障常分流狀態(tài)保護(hù)電路、非隔離型高端MOS管驅(qū)動(dòng)電路。通過(guò)上述設(shè)計(jì)不僅提高了S3R電路的可靠性而且SUN模塊比功率得到極大提升，同時(shí)整機(jī)層面減少S3R級(jí)數(shù)，SUN模塊數(shù)，大幅提高了電源控制器整機(jī)的比功率。如圖6所示，高比功率SUN模塊，配合框架式結(jié)構(gòu)和無(wú)纜化設(shè)計(jì)提高了SUN比功率。

圖6 高比功率SUN模塊示意圖

2.2 BCDR模塊

BCDR模塊包含BDR電路和BCR電路，分別完成蓄電池的放電功能和充電功能，其次，模塊設(shè)計(jì)有APS輔助電源，實(shí)現(xiàn)對(duì)BCDR控制電路的供電。BCDR電路主要功能是在反應(yīng)母線電壓的主誤差信號(hào)控制下，調(diào)節(jié)蓄電池放電電流以滿(mǎn)足負(fù)載功率需求，同時(shí)在電池電壓反饋信號(hào)及智能管理單元控制下調(diào)節(jié)充電電流為蓄電池組完成恒流恒壓充電[3]。

工作于中軌的導(dǎo)航衛(wèi)星及中高軌衛(wèi)星，最長(zhǎng)地隱時(shí)長(zhǎng)與最短光照時(shí)長(zhǎng)比小于十分之一，因此可以設(shè)計(jì)每個(gè)BDR功率是BCR功率的10倍以?xún)?nèi)。設(shè)計(jì)BDR輸出電流18 A，BCR電流大于1.8 A即可，本方案設(shè)計(jì)充電最大電流3.5 A。由于BCR功率較小，可以考慮將BDR和BCR集成于一個(gè)模塊，且共用部分輸入輸出電路，且增加輸入輸出保護(hù)電路，實(shí)現(xiàn)模塊級(jí)故障保護(hù)，便于模塊型譜化設(shè)計(jì)，同時(shí)可以提高BCDR模塊比功率。BCDR模塊原理框圖如圖7所示。

圖7 BCDR模塊原理框圖

較傳統(tǒng)BCDR電路在功率拓?fù)渖喜捎脝蜯OS管和單二極管設(shè)計(jì)，增加模塊級(jí)輸入輸出保護(hù)電路，共用部分功率線路，可有效提高BCDR效率，同時(shí)BDR電流較目前設(shè)計(jì)電流能力16 A增加至18 A，BCR電路簡(jiǎn)化，通過(guò)提高BCDR共用電路、簡(jiǎn)化BCR電路、提高工作頻率，一個(gè)二次電源配置，配合框架式結(jié)構(gòu)和無(wú)纜化設(shè)計(jì)提高了BCDR比功率?？刂破髋渲?個(gè)BCDR，放電功率達(dá)4.6 kW，其中兩組電池各增加1個(gè)冗余BCDR，共計(jì)8個(gè)BCDR模塊，充電電流28 A。通過(guò)提升BCDR比功率進(jìn)而提升整機(jī)比功率。圖8為高比功率BCDR模塊示意圖。

圖8 高比功率BCDR模塊示意圖

2.3 TMTC模塊

TMTC模塊是電源控制器的智能管理中心，包含基于反熔絲的FPGA數(shù)字電路、1553B通信接口電路、信號(hào)變換電路、MEA電路、BCM電路、指令電路及輔助電源等。由于采用了基于反熔絲的FPGA的高集成電路，較目前TMTC模塊數(shù)字電路集成度得到大幅提升，質(zhì)量體積大幅減小。圖9為高集成TMTC模塊示意圖。

圖9 高集成TMTC模塊示意圖

2.4 CAPA模塊

CAPA模塊內(nèi)部設(shè)計(jì)有母線濾波電容及接地樁等。CAPA采用功率PCB代替目前的組件焊接電容排，可提高生產(chǎn)進(jìn)度和降低匯流排使用，減輕模塊質(zhì)量。

2.5 母板模塊

高比功率控制器采用各模塊垂直插于母板(Motherboard)模塊上，母板采用功率PCB替代匯流條，同時(shí)多層PCB可以實(shí)現(xiàn)各模塊之間的信號(hào)互聯(lián)，結(jié)構(gòu)采用框架型結(jié)構(gòu)，有效提高模塊比功率。圖10為母板模塊示意圖。

圖10 母板模塊示意圖

3 測(cè)試結(jié)果

42 V母線，型譜化高比功率電源控制器原理樣機(jī)如圖11所示，功率4.6 kW，比功率175 W/kg。經(jīng)過(guò)測(cè)試，性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

圖11 高比功率電源控制器原理樣機(jī)

表1 控制器測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)型譜化高比功率電源控制器原理樣機(jī)研制，該設(shè)計(jì)方案通過(guò)電路上的創(chuàng)新、結(jié)構(gòu)上、工藝上的優(yōu)化設(shè)計(jì)，較目前中高軌42 V母線主流長(zhǎng)壽命電源控制器，功率由2.2 kW提升至4.6 kW，質(zhì)量由30 kg降低至26 kg，比功率由74 W/kg提升至177 W/kg，對(duì)于我國(guó)下一代導(dǎo)航衛(wèi)星、Small-GEO等衛(wèi)星電源控制器具有借鑒意義。