王佳寧, 顏曉虹

(1.航天科工空間工程發(fā)展有限公司, 北京 100854; 2.北京電子工程總體研究所, 北京 100854)

1 引言

隨著航天技術(shù)的快速發(fā)展,航天器系統(tǒng)小型化、輕量化、智能化和柔性化的要求越來越高,對(duì)空間二次電源模塊提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。高精度載荷及特種載荷的應(yīng)用需要高性能二次電源模塊來支持,基于寬禁帶高性能開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)通用的數(shù)字電源技術(shù),可實(shí)現(xiàn)二次電源柔性化,增強(qiáng)空間電源系統(tǒng)應(yīng)對(duì)復(fù)雜條件的能力,滿足新一代空間產(chǎn)品系統(tǒng)小型化、輕量化、智能化和柔性化的發(fā)展需求[1-2]。

目前,航天電源中普遍采用硅基功率器件,然而硅基電力電子器件經(jīng)過近60 年的長(zhǎng)足發(fā)展,性能已經(jīng)趨近其理論極限,不能滿足航天電源高頻、高效和高功率密度的要求,逐漸成為制約未來航天電源技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一。GaN 作為一種寬禁帶半導(dǎo)體材料,具有禁帶寬度大、飽和電子漂移速度高、臨界擊穿電場(chǎng)大、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn),因而基于GaN 材料制造的開關(guān)器件具有通態(tài)電阻小、開關(guān)速度快、耐壓高、耐高溫等特點(diǎn)[3-4]。GaN 器件的應(yīng)用大大提高了開關(guān)頻率,降低了開關(guān)電源對(duì)儲(chǔ)能元件電感、變壓器、電容的要求,使無源器件的平面化成為可能,從而使開關(guān)電源系統(tǒng)的平面化成為可能,降低了二次電源模塊體積?？ㄆ蕉坞娫茨K能夠方便衛(wèi)星系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì),大大提高空間飛行器系統(tǒng)的功能密度[5-7]。

目前,中國(guó)航天領(lǐng)域的DC/DC 電源大多是采用模擬控制芯片,模塊制造完成后,很多電源參數(shù)都已固定,無法再根據(jù)實(shí)際需要靈活調(diào)節(jié),降低了電源模塊的通用性和靈活性。此外,模擬器件還存在著一致性差、參數(shù)容易隨環(huán)境變化而漂移的問題,嚴(yán)重影響整個(gè)電源模塊的可靠性和壽命[8]。為了實(shí)現(xiàn)智能化的二次電源模塊,需要采用數(shù)字控制技術(shù)來配置、監(jiān)控和操作電源變換器。采用數(shù)字控制形式可以設(shè)置二次電源模塊的工作參數(shù)、監(jiān)控電源的工作,根據(jù)失效和報(bào)警執(zhí)行正確的測(cè)量,從而能夠極大地提高二次電源的智能化程度和可靠性。在航天電源的設(shè)計(jì)和研制中引入微控制器及新型數(shù)字控制技術(shù)是航天領(lǐng)域DC/DC 電源智能化發(fā)展的重要途徑[9-10]。

高功率密度、高效率并具有抗輻照功能的GaN 數(shù)字電源可廣泛用于需要穩(wěn)定可靠的12 V、5 V 供電模塊中,市場(chǎng)潛力巨大。本文研究的對(duì)象以新型GaN 器件為核心,在GaN 抗輻照加固、GaN 高頻高效驅(qū)動(dòng)、抗輻照航天數(shù)字電源控制芯片設(shè)計(jì)等領(lǐng)域都有創(chuàng)新及突破,產(chǎn)品性能超過了現(xiàn)有的國(guó)外主流電源模塊供應(yīng)廠商,可以實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。

因此,選擇一款以寬禁帶功率器件為基礎(chǔ),重量輕、功率密度大、效率高、可靠性高、抗輻射能力強(qiáng)的GaN 數(shù)字電源為搭載載荷系統(tǒng)的核心部件,設(shè)計(jì)該搭載載荷系統(tǒng)并將該系統(tǒng)作為某型號(hào)衛(wèi)星的在軌驗(yàn)證對(duì)象,驗(yàn)證GaN 數(shù)字電源的各項(xiàng)性能指標(biāo)是否符合空間產(chǎn)品的使用要求,本研究主要針對(duì)基于GaN 數(shù)字電源的搭載載荷系統(tǒng)及其在軌驗(yàn)證的設(shè)計(jì)。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)方案

搭載載荷驗(yàn)證系統(tǒng)硬件組成包括搭載載荷系統(tǒng)和地面驗(yàn)證系統(tǒng),搭載載荷系統(tǒng)包括電子負(fù)載、測(cè)量和信號(hào)處理電路、數(shù)字控制與指令數(shù)據(jù)收發(fā)電路以及GaN 數(shù)字電源模塊等,如圖1 所示。

圖1 在軌驗(yàn)證系統(tǒng)的連接圖Fig.1 Connection of the on-orbit verification system

圖2 為基于GaN 數(shù)字電源搭載載荷系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì),主要包括數(shù)字電源模塊、溫度測(cè)量及信號(hào)調(diào)理子系統(tǒng)、電流和電壓測(cè)量模塊以及電子負(fù)載、接口電路等。其中,搭載載荷設(shè)備以平臺(tái)28 V 電源作為輸入,經(jīng)穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓處理后通過超高頻數(shù)字電源進(jìn)行電壓變換。后級(jí)連接電子負(fù)載,電子負(fù)載電路通過星載計(jì)算機(jī)接收并處理地面驗(yàn)證系統(tǒng)的指令來實(shí)現(xiàn)模擬衛(wèi)星負(fù)載的各種變化,采集GaN 數(shù)字電源輸入、輸出電壓電流、各部位溫度等工作信息, 判斷數(shù)字電源的工作情況[11-13]。

圖2 基于GaN 數(shù)字電源搭載載荷系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.2 Architecture diagram of the onboard load system based on GaN digital power

其中,根據(jù)測(cè)量得到輸入、輸出電壓電流信號(hào)對(duì)GaN 數(shù)字電源功率損耗進(jìn)行在軌評(píng)估。電壓電流的測(cè)量信號(hào)通過數(shù)字控制芯片的處理可以得到GaN 數(shù)字電源在軌運(yùn)行時(shí)的實(shí)時(shí)功率,結(jié)合溫度判斷電源的運(yùn)行狀態(tài)是否良好。該測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)一編碼發(fā)給地面驗(yàn)證系統(tǒng)PC 終端,通過PC 終端進(jìn)一步分析 GaN 數(shù)字電源在軌運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)[14-15]。

2.2 GaN 數(shù)字電源模塊

本文搭載項(xiàng)目選擇中國(guó)一款先進(jìn)的GaN 數(shù)字電源型號(hào)作為搭載載荷系統(tǒng)的核心部件,該GaN 數(shù)字電源模塊采用超高頻 DC/DC 的ClassΦ2 反激變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),使用空心平面變壓器作為隔離,副邊采用電流型Class E 整流器。本體尺寸最大包絡(luò)為55 mm×45 mm×12.7 mm,重量為100 g,其功率密度大于100 W/in3,輸出功率60 W。相比傳統(tǒng)反激式電源模塊,該型號(hào)功率密度得到了較大提升。此功率密度等級(jí)下的傳統(tǒng)電源模塊開關(guān)頻率為600 kHz 以內(nèi),峰值效率為77%左右,重量約150 g,而本型號(hào)的GaN 數(shù)字電源的開關(guān)頻率可達(dá)10 MHz,開關(guān)頻率的大幅提升令選型器件全部平面化和電感空心化,體積相比減小了45%,而空心電感節(jié)省了磁芯,重量相比減少了1/3。GaN 數(shù)字電源的高頻諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)軟開關(guān),平均轉(zhuǎn)化效率為83%,最大峰值可達(dá)88%,相比該功率等級(jí)下的傳統(tǒng)二次電源效率提升了11%以上。

2.3 溫度測(cè)量及信號(hào)調(diào)理子系統(tǒng)

溫度變化影響整個(gè)GaN 數(shù)字電源的工作狀態(tài),溫度的測(cè)量主要采用熱敏電阻實(shí)現(xiàn),測(cè)量點(diǎn)分布于空心變壓器、主開關(guān)管和模塊下殼。溫度測(cè)量采用典型的溫度測(cè)量電路圖,如圖3 所示。

圖3 溫度測(cè)量及調(diào)理電路Fig.3 Tem perature measuring and regulating circuit

測(cè)溫電路的電源為2.5 V,由LM336-2.5 標(biāo)準(zhǔn)電源提供,R1、R2、R3 和熱敏電阻組成測(cè)溫電路,其輸出由AD620 放大,其中R4 調(diào)節(jié)放大倍數(shù),電容器起濾波作用,熱敏電阻選擇鉑電阻。

試驗(yàn)選用開關(guān)頻率為10 MHz 的GaN 數(shù)字電源空心平面變壓器,其趨膚效應(yīng)嚴(yán)重,交流等效電阻較大,會(huì)產(chǎn)生較大的損耗;同時(shí)因?yàn)轭l率提升至10 MHz,渦流引起的損耗也會(huì)隨之提高。為了保證變壓器正常工作,選用的GaN 數(shù)字電源,設(shè)計(jì)了恰當(dāng)結(jié)構(gòu)的空芯變壓器,可以實(shí)現(xiàn)能量的快速隔離傳送,且GaN 器件的封裝一般采用貼片形式,散熱部分分布在GaN 器件的底部,可以實(shí)現(xiàn)較好的散熱效果。由于溫度變化會(huì)影響數(shù)字電源內(nèi)部參數(shù)的漂移,從而影響數(shù)字電源的正常工作,因此需要重點(diǎn)監(jiān)控?cái)?shù)字電源模塊各部分的溫度值來驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。

將熱敏電阻安裝在繞組表面,監(jiān)控空心繞組的溫度。GaN 器件散熱部分分布在GaN 器件的底部,所以將熱敏電阻安裝在GaN 器件背面附近位置來監(jiān)控GaN 器件的溫度。對(duì)于整個(gè)數(shù)字電源溫度的測(cè)量,可將熱敏電阻安裝在電源模塊的下外殼處,再結(jié)合磁元件和GaN 器件的溫度進(jìn)行加權(quán)處理,最終得到整個(gè)GaN 數(shù)字電源的溫度。

2.4 電流和電壓測(cè)量

為了評(píng)估數(shù)字電源的工作狀況,需要對(duì)數(shù)字電源的輸入輸出電壓和電流進(jìn)行采樣,考慮空間輻射的問題,電流測(cè)量采用串聯(lián)小電阻的形式,電壓的測(cè)量采用分壓電阻的形式,采樣信號(hào)電壓設(shè)計(jì)為0 ～5 V,最終信號(hào)均通過A/D 采樣進(jìn)行處理。電壓電流測(cè)量采樣電路分別如圖4、圖5 所示。由于數(shù)字電源的輸入、輸出電壓電流均為直流信號(hào),因此直接采用模擬運(yùn)放對(duì)電阻兩端電壓信號(hào)進(jìn)行處理,最終得到相應(yīng)的電壓電流信號(hào)。

圖4 電流信號(hào)采樣處理電路Fig.4 Sampling and processing circuit of the current signal

圖5 電壓信號(hào)采樣處理電路Fig.5 Sampling and processing circuit of the voltage signal

2.5 電子負(fù)載的搭建

為了進(jìn)行GaN 數(shù)字電源在軌驗(yàn)證,需要設(shè)計(jì)一個(gè)電子負(fù)載電路。該負(fù)載電路執(zhí)行星載計(jì)算機(jī)的指令(來自于地面驗(yàn)證系統(tǒng)的指令),模擬衛(wèi)星負(fù)載的各種變化,包括切換元器件、改變開關(guān)狀態(tài)和改變微控制器引腳的邏輯電平、控制電阻支路的開通和關(guān)斷等實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電子負(fù)載阻值大小等。

根據(jù)電子負(fù)載輸入信號(hào)的類型,將整個(gè)系統(tǒng)分成兩大類,一類是電流型,另一類是電壓型。電子負(fù)載的核心控制器件是功率 MOS 管,可以把它們模擬成負(fù)載使用。當(dāng)接上待測(cè)電源時(shí),它們是電能消耗的主體,消耗的電能以熱能的形式釋放。電壓型電子負(fù)載為同相放大電路,電流型電子負(fù)載為差分放大電路,如圖6 所示。

圖6 電壓型/電流型電源的電子負(fù)載控制框圖Fig.6 The electronic load control block diagram of voltage-type /current-type power supply

電子負(fù)載硬件電路設(shè)計(jì)包括數(shù)字控制電路、負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路、采樣電路等,其硬件結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 電子負(fù)載的硬件電路結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Hardware circuit structure of the electronic load

2.6 穩(wěn)壓電路

為防止平臺(tái)輸入電源功率波動(dòng),在整星平臺(tái)28 V 電源與數(shù)字電源入口之間設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電路。監(jiān)控穩(wěn)壓電路采用Super-Buck 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),該電路輸入端連接平臺(tái)28 V 電源,為防止輸入端電壓受到其他衛(wèi)星設(shè)備的影響,導(dǎo)致輸出特性不穩(wěn)定,所以需要連接穩(wěn)壓電路,將電壓穩(wěn)定在28 V±1 V。

2.7 接口電路設(shè)計(jì)

根據(jù)圖2 所示載荷總體方案設(shè)計(jì),需要留出4 個(gè)接口,分別是主功率電源接口、備用電源接口、輔助電源接口和通信接口。

1)主功率電源接口。需要與前一級(jí)穩(wěn)壓電路相連接,平臺(tái)28 V 電源作為載荷系統(tǒng)的輸入電源。

2)備用電源接口。備用電源接口將穩(wěn)壓電路和電子負(fù)載直連,由穩(wěn)壓電路控制電源的工作路線。

3)輔助電源接口。將數(shù)字電源的輔助電源連接在穩(wěn)壓電路輸出端,該電氣端口的電壓可以穩(wěn)定在28 V。

4)通信接口。用1 路RS-422 標(biāo)準(zhǔn)全雙工串口總線用于該型載荷單機(jī)與衛(wèi)星計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸,例如采集超高頻諧振變換器的工作狀態(tài)信息,電子負(fù)載的工作模式控制,輔助電源的輸入控制等。

3 在軌驗(yàn)證

二次電源模塊是衛(wèi)星電源系統(tǒng)的重要組成部分之一,其可靠性直接影響到衛(wèi)星電源系統(tǒng)整體的工作狀態(tài)。通過在軌驗(yàn)證試驗(yàn),得到該電源模塊的一系列在軌數(shù)據(jù),可以對(duì)基于GaN 數(shù)字電源搭載載荷系統(tǒng)在太空環(huán)境下的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 地面驗(yàn)證終端軟件系統(tǒng)

GaN 數(shù)字電源地面驗(yàn)證終端系統(tǒng)軟件采用LabView 進(jìn)行開發(fā),該軟件適用于信號(hào)采集分析和儀器控制的圖形化編程。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)、遙控平臺(tái)、GaN 數(shù)字電源在軌狀態(tài)仿真平臺(tái)、歷史數(shù)據(jù)回放維護(hù)平臺(tái)、故障診斷平臺(tái)、參數(shù)設(shè)置和人機(jī)界面,如圖8 所示。

圖8 地面驗(yàn)證系統(tǒng)軟件框架Fig.8 The software framework of the ground verification system

所有平臺(tái)涉及到的相關(guān)數(shù)據(jù),例如遙測(cè)數(shù)據(jù)、遙控指令發(fā)送狀態(tài)的數(shù)據(jù)均需記錄并回放。地面驗(yàn)證系統(tǒng)的遙測(cè)數(shù)據(jù)采樣率為1 Hz,一般系統(tǒng)會(huì)持續(xù)運(yùn)行,系統(tǒng)需要記錄的數(shù)據(jù)量較大,系統(tǒng)采用SQL Server 作為數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)對(duì)在軌數(shù)據(jù)的高效管理。

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)程序主要功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、轉(zhuǎn)換分析、保存以及顯示。地面驗(yàn)證系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)GaN 數(shù)字電源主要的工作參數(shù),系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)程序采用LabVIEW 中的隊(duì)列進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)信號(hào)接收和分析處理分別放在2 個(gè)循環(huán)中并行執(zhí)行,數(shù)據(jù)接收循環(huán)定時(shí)接收數(shù)據(jù),并在信號(hào)分析處理循環(huán)分析和保存數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)接收循環(huán)中的數(shù)據(jù)通過隊(duì)列傳送到分析處理循環(huán)中,如果分析處理循環(huán)在指定的循環(huán)周期中來不及處理完當(dāng)前接收的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)可暫存在隊(duì)列中,不會(huì)影響數(shù)據(jù)接收循環(huán)中的定時(shí)接收。

3.2 在軌試驗(yàn)內(nèi)容

3.2.1 在軌驗(yàn)證流程

搭載載荷驗(yàn)證系統(tǒng)中,搭載載荷系統(tǒng)對(duì)電源的輸入電壓、輸入電流、輸出電壓、輸出電流以及核心部件溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),在軌運(yùn)行時(shí)電子負(fù)載電路代替衛(wèi)星負(fù)載,與地面驗(yàn)證系統(tǒng)構(gòu)成了整個(gè)數(shù)字電源模塊在軌驗(yàn)證系統(tǒng)。

溫度變化會(huì)引起衛(wèi)星電源內(nèi)部元件的參數(shù)發(fā)生漂移,從而影響整個(gè)數(shù)字電源的工作狀態(tài),溫度一旦失控將直接影響到整個(gè)數(shù)字電源的正常運(yùn)行。因此,本項(xiàng)目的在軌驗(yàn)證過程中包含溫度測(cè)量部分。

在軌驗(yàn)證的試驗(yàn)過程如下:衛(wèi)星在軌運(yùn)行的時(shí)候,平臺(tái)28 V 輸入電源經(jīng)穩(wěn)壓后作為被測(cè)數(shù)字電源模塊的輸入,在被測(cè)數(shù)字電源模塊中進(jìn)行變換和調(diào)節(jié),然后輸出到電子負(fù)載,形成一個(gè)回路;通過地面驗(yàn)證終端系統(tǒng)軟件發(fā)送數(shù)據(jù)指令,模擬衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)的各種負(fù)載變化情況(平均功率、短期功率、脈沖功率等),電子負(fù)載電路工作時(shí)需要設(shè)置其工作于恒流恒壓模式下進(jìn)行加載,地面驗(yàn)證系統(tǒng)工作程序流程如圖9 所示。

圖9 地面驗(yàn)證系統(tǒng)平臺(tái)工作程序流程圖Fig.9 The working procedure of the ground verification system platform

隨后,載荷系統(tǒng)的電子負(fù)載電路收到遙控指令并做出相應(yīng)的調(diào)整,地面驗(yàn)證系統(tǒng)評(píng)估衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)的工作情況。通過溫度傳感器和電壓電流采樣電路,對(duì)被測(cè)數(shù)字電源模塊內(nèi)部狀況進(jìn)行測(cè)量和信號(hào)處理,將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過統(tǒng)一編碼發(fā)送給地面驗(yàn)證系統(tǒng)終端PC 機(jī)。地面驗(yàn)證系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。最終,地面驗(yàn)證系統(tǒng)給出電源模塊輸入電壓電流、輸出電壓電流、下殼溫度、GaN 功率管溫度、平面變壓器溫度等數(shù)據(jù)列表,可對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合為變化曲線,通過這些數(shù)據(jù)評(píng)估GaN 數(shù)字電源能否性能和技術(shù)指標(biāo)是否達(dá)到預(yù)定要求。

3.2.2 在軌驗(yàn)證判據(jù)

根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)保存的輸入電壓電流、輸出電壓電流以及各個(gè)器件部位的溫度,結(jié)合電子負(fù)載的調(diào)控情況進(jìn)行相應(yīng)的分析,與設(shè)計(jì)參數(shù)的正常范圍進(jìn)行對(duì)比,主要包括:各器件工作溫度是否在正常范圍內(nèi),輸出電壓是否穩(wěn)定,輸出電流(功率)是否超限,電源模塊轉(zhuǎn)換效率是否正常。驗(yàn)證GaN 數(shù)字電源的可靠性,系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性,確保電源模塊能夠穩(wěn)定高效地為系統(tǒng)供電,GaN數(shù)字電源主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示。

表1 GaN 數(shù)字電源主要設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Main design parameters of the GaN digital power

4 試驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)GaN 數(shù)字電源的載荷系統(tǒng)和地面驗(yàn)證系統(tǒng)的設(shè)計(jì),并將該載荷作為搭載應(yīng)用到某型號(hào)衛(wèi)星上。該型號(hào)衛(wèi)星已經(jīng)成功發(fā)射入軌,地面驗(yàn)證系統(tǒng)能夠正常接收搭載載荷的各項(xiàng)遙測(cè)數(shù)據(jù),通過電子負(fù)載來模擬不同情況下的用電需求,并根據(jù)電子負(fù)載變化狀態(tài)下的用電需求在軌上注GaN 數(shù)字電源的修改參數(shù)。通過在軌試驗(yàn),得出不同狀態(tài)下的測(cè)試結(jié)果。目前,各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果正常,其中,以某時(shí)間段在軌試驗(yàn)為例,調(diào)節(jié)電子負(fù)載模擬在軌飛行工況。

試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)接近一天,遙測(cè)數(shù)據(jù)離境存儲(chǔ),入境下傳,遙測(cè)數(shù)據(jù)下傳速率是每1 s 或10 s 下傳一次,下殼溫度和平面變壓器實(shí)測(cè)在14 ～20 ℃范圍內(nèi),GaN 功率管溫度在15.5～20 ℃范圍內(nèi)變化,如圖10～12 所示。對(duì)照表1,所測(cè)溫度均在正常范圍內(nèi)變化,且工作期間溫度穩(wěn)定,未發(fā)生溫度漂移,無溫度劇烈變化,模塊各部位溫度相近,結(jié)合該數(shù)字電源輸出電壓、輸出電流無劇烈擾動(dòng)且工作在正常范圍內(nèi)。由此表明,該GaN 數(shù)字模塊的結(jié)構(gòu)和溫控設(shè)計(jì)得當(dāng),并且以10 MHz 的超高開關(guān)頻率在空間環(huán)境下正常工作,不會(huì)出現(xiàn)因溫度劇烈變化和溫度不均而影響數(shù)字電源工作的情況。

圖10 下殼溫度Fig.10 Lower shell tem perature

圖11 GaN 功率管溫度Fig.11 Tem perature of the GaN power tube

圖12 平面變壓器溫度Fig.12 Temperature of the p lane transformer

GaN 數(shù)字電源模塊輸入電壓電流和輸出電壓電流在軌測(cè)試數(shù)據(jù)如圖13 ～16 所示,在軌試驗(yàn)過程中,由于電子負(fù)載的變化,可以通過地面上注修改GaN 數(shù)字電源的補(bǔ)償器數(shù)值、過壓過流保護(hù)值、軟啟動(dòng)時(shí)間等電源模塊參數(shù),通過設(shè)置不同參數(shù)改變工作狀態(tài),可使偏離的遙測(cè)值重新回到原有的穩(wěn)定狀態(tài),數(shù)字電源功能不受影響,如圖15中個(gè)別輸出電壓遙測(cè)值出現(xiàn)較大偏離后又恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)即為本次電源模塊參數(shù)調(diào)整的測(cè)試結(jié)果。

圖13 GaN 數(shù)字電源輸入電壓Fig.13 Input voltage of the GaN digital power module

圖14 GaN 數(shù)字電源輸入電流Fig.14 Input current of the GaN digital power module

圖15 GaN 數(shù)字電源輸出電壓Fig.15 Output voltage of the GaN digital power module

圖16 GaN 數(shù)字電源輸出電流Fig.16 Output current of the GaN digital power modu le

試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)字電源平均輸入電壓為28.4 V,平均輸入電流為1.9 A,平均輸出電壓為11.9 V,平均輸出電流為3.8 A,對(duì)照表1,以上結(jié)果皆在設(shè)計(jì)預(yù)期正常范圍內(nèi)。實(shí)測(cè)輸出電壓值上下波動(dòng)很小,28 V 標(biāo)稱電壓的實(shí)際遙測(cè)輸入電壓主要在28.6 ～28.9 V 之間,轉(zhuǎn)換后12 V 標(biāo)稱電壓的實(shí)際遙測(cè)輸出電壓主要在11.8 ～12.2 V 范圍之間變化,輸入電壓和輸出電壓變化符合數(shù)字電源±1V 正常波動(dòng)范圍,輸出電流3 ～4.2 A,小于5 A,輸出功率范圍36 ～52 W,不大于60 W,測(cè)試結(jié)果符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)值。經(jīng)計(jì)算,本次試驗(yàn)的平均轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到84%左右,實(shí)測(cè)數(shù)值達(dá)到預(yù)測(cè)結(jié)果。

對(duì)比GaN 數(shù)字電源的設(shè)計(jì)指標(biāo),目前在軌試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果均符合GaN 數(shù)字電源的設(shè)計(jì)指標(biāo)。結(jié)果表明:基于GaN 數(shù)字電源的搭載載荷系統(tǒng)和地面驗(yàn)證系統(tǒng)工作正常,實(shí)測(cè)結(jié)果符合設(shè)計(jì)指標(biāo)結(jié)果。

5 結(jié)論

1) 本文在軌試驗(yàn)充分驗(yàn)證了GaN 數(shù)字電源產(chǎn)品能夠符合空間產(chǎn)品的適應(yīng)性,在軌試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)指標(biāo),產(chǎn)品重量體積有較大程度減小,提高空間飛行器功率密度,可降低發(fā)射成本和難度。

2) GaN 數(shù)字電源抗干擾能力強(qiáng),易于集成和測(cè)試,提升整機(jī)產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性和可靠性。

3) 可以借助軟件算法實(shí)現(xiàn)對(duì)自身工作狀態(tài)的檢測(cè)與調(diào)整,對(duì)于不同任務(wù)需求,可以通過修改注入程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)任務(wù)的適應(yīng),具備在軌修改GaN數(shù)字電源工作參數(shù)功能,達(dá)到電源設(shè)計(jì)智能化。