航天器電源系統(tǒng)能量壓縮及功率拓展方法研究.pdf

1、航天器電源系統(tǒng)一般占整個航天器重量的30％以上。傳統(tǒng)的基于S3R(Sequential Switching Shunt Regulator，順序分流調(diào)節(jié)器)等架構的PCU(Power Conditioning Unit,電源控制器)功率密度較低，太陽能電池無法最大功率跟蹤進一步增大電源系統(tǒng)配置。另外，傳統(tǒng)S3R架構對太陽能電池寄生電容的適應性也較差。同時，大功率重復脈沖載荷的激光、通信等也為航天器電源系統(tǒng)帶來新的問題：如果采用較為簡單的

2、電池母線不調(diào)節(jié)架構，會造成蓄電池壽命過低。如采用S3R等全調(diào)節(jié)母線架構則會導致整個太陽能電池和蓄電池必須按照峰值功率配備，造成了極大的浪費。隨著衛(wèi)星平臺的大型化，航天器的電源系統(tǒng)必須具備模塊化和功率可拓展化能力，甚至需要多個航天器的電源系統(tǒng)間的并網(wǎng)工作。因此研究航天器電源系統(tǒng)的能量壓縮和功率拓展方法對航天器減重以及性能提升起到至關重要作用。
　　本文所提出三端口功率拓撲和一體化架構將太陽能電池陣列功率調(diào)節(jié)、電池充電和放電等三類功率

3、單元高度集成為一個功率單元，提升PCU自身功率密度。同時研究太陽能電池寄生電容高適應性的分流器和最大功率跟蹤技術，降低太陽能電池陣列配置數(shù)量，實現(xiàn)電源系統(tǒng)的空間能量壓縮。針對重復脈沖負載，在脈沖波谷時刻將能量進行壓縮，并于脈沖峰值功率來臨時，將壓縮的能量瞬間釋放，電源系統(tǒng)總功率配置接近平均功率，大大減少太陽能電池帆板和蓄電池重量，實現(xiàn)能量時間壓縮。同時研究單個電源系統(tǒng)內(nèi)部功率單元的模塊化直接擴展以及多個電源系統(tǒng)之間的功率共享，實現(xiàn)系統(tǒng)級

4、的功率拓展。具體研究內(nèi)容如下：
　　本文研究了基于三結砷化鎵材料的PV(Photovoltaic，太陽能電池)的寄生電容對S3R架構PCU負面影響，其中包括寄生電容對S3R母線紋波、雙段區(qū)間、相位裕度和輸出阻抗的影響，并給出了在高壓大功率和較高單陣電流應用條件下的解決方法。提出了一種新型的低開關損耗、高功率密度、太陽能電池供電延時短、同時結合了有源和無源限流的分流調(diào)節(jié)器。為了進一步的減少開關延時對母線性能的影響，將非線性比例微分控

5、制加入到控制環(huán)路中，進一步提升S3R系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度、輸出阻抗以及動態(tài)響應。
　　為了降低發(fā)射成本，提高電源系統(tǒng)的功率密度，提出以 PV端隔離三端口DC/DC變換器為核心的高集成度電源控制方法：所提出拓撲中所有主二極管和MOSFET均能實現(xiàn)ZCS(Zero Current Switching，零電流開關)，從而大大提高了效率；利用半橋變壓器的第四繞組形成的磁開關使得太陽能電池陣列 PV的輸入電流保持連續(xù)狀態(tài)；基于負載端口的boost

6、電路建立的能量平衡，提出了單模塊及多模塊整機功率擴展的控制方法。
　　為進一步提高電源系統(tǒng)的功率密度，提出了應用于一體化電源控制核心的高功率密度非隔離三端口DC/DC變換器及其控制方法。由于PV端或電池端到負載端的功率變換采用單級轉(zhuǎn)換，因此具有較高的效率。各端口的電流均是連續(xù)的，所以提升了整機的EMC(Electro Magnetic Compatibility，電磁兼容性)特性并降低端口濾波器體積和重量。提出了相應三域控制策略可

7、同時實現(xiàn)MPPT，電池管理和母線電壓調(diào)節(jié)。
　　研究所提出非隔離三端口變換器中功率磁性元器件的磁集成方法，并將高邊MOSFET驅(qū)動和三端口紋波抵消支路耦合到磁芯中，實現(xiàn)功率密度最大化和所有端口電流“零紋波”；研究可適應重復脈沖負載的時間軸能量壓縮方法，將連續(xù)功率轉(zhuǎn)換為脈沖功率并具有很陡峭的邊沿和可設定的脈沖電流峰值，避免了全調(diào)節(jié)母線的電源系統(tǒng)按照峰值功率設計所帶來的設計浪費。
　　最后，本文提出了一種簡單、模塊化、高穩(wěn)定性和