卫星电源系统放电调节模块并联均流技术研究

王 朴，崔文和，梁贵芬

（1.中国电子科技集团公司第十八研究所，天津 300384；2.中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津 300220）

卫星电源系统是卫星最基本的组成部分，其主要功能是为卫星正常运行提供稳定的电源供给，并对电能进行储存、分配和控制。卫星电源系统模块化设计是卫星电源技术的发展方向之一，模块化卫星电源系统具有很多优点，而功率输出模块并联均流技术是实现大功率卫星电源系统模块化的基础技术。均流技术(current sharing technique)就是对系统中各并联模块的输出电流进行控制，实现卫星电源系统的各模块输出电流尽量一致，保证卫星电源系统可靠性运行。通过采用均流技术提高卫星电源系统可靠性是本文研究的重点。

1 卫星电源概述

卫星电源系统是卫星上产生、储存、变换、调节和分配电能的卫星分系统。一般卫星电源系统主要是由太阳电池阵（发电）、蓄电池组（储能）及电源控制装置（控制）等组成，在光照期间太阳电池阵通过光电转换把光能转换为电能，为负载供电及蓄电池充电，在星蚀期间由蓄电池组为负载供电。电源控制装置是卫星电源系统的重要组成部分，电源控制装置是用来处理太阳电池阵输出功率、母线电压调节、蓄电池充放电控制及测控管理等工作，电源控制装置由各种调节模块、测控模块（TM/TC）和接口模块等组成。卫星电源系统框图如图1所示。

随着空间技术的不断发展，要求卫星的寿命越来越长，功率越来越大，同时需要卫星电源产品具备可靠度高、转换效率高、质量轻、体积小、可实现功率扩展等诸多特性。卫星电源模块化是大功率卫星电源系统电源技术的发展方向，模块的并联均流技术是实现大功率卫星电源系统模块化的基础技术。模块化使卫星电源系统具有很多优点：（1）电源调节模块可以方便地组合成大功率的卫星电源系统，其容量可以扩展；（2）可以方便地实现电源系统的冗余设计，提高其可靠性；（3）针对不同的卫星平台需求，根据需要进行各种模块的组合，方便灵活。为此需要大功率、长寿命和高可靠的电源系统与之配套。

卫星电源调节模块包括放电调节模块(battery discharge regulators，BDR)、充电调节模块(battery charge regulators，BCR)和分流调节模块(S3R)，它们是卫星电源系统控制装置的重要组成部分。这些模块中涉及到并联均流的主要是放电调节模块，其主要功能是保证星蚀期间蓄电池组的升压（或降压）放电及母线电压调节。理想的、相同特性的放电调节模块多模块并联，不需要均流即可构成大功率卫星电源系统。但实际上，真正保证各并联模块特性完全一致是不可能的，不一致就可能造成相并联的各模块输出电流有差异不均流，不均流就可能造成电、热应力不平衡而导致各模块输出不均流进一步加剧，从而影响系统特性和可靠运行。均流技术是对系统中各并联BDR 模块的输出电流进行控制，保证卫星电源系统的输出电流尽可能按各个BDR 模块的数量均摊，确保整个卫星电源系统的可靠性。

图1 卫星电源系统框图

2 放电调节模块的均流

2.1 放电调节模块采用的均流方法

2.1.1 改变输出电阻特性法

改变输出电阻法（外特性下垂法，改变输出斜率法）是最简单的一种均流方法。它利用电流反馈信号或者直接输出串联电阻，调节BDR模块单元的输出阻抗，外特性的斜率趋于一致，实现均流。改变输出电阻法均流控制框图如图2所示。图2中，Vi为电流放大器输出信号，与BDR模块输出电流成比例；Ki、Vi为电压反馈信号，V－=Kv×Vo+Ki×Io，当某个模块电流增加时，Vi上升，Ve下降，通过反馈使该模块输出电压随之下降，使其外特性向下倾斜，接近其他模块的外特性，从而使其他模块输出电流增大，实现近似均流。电压误差放大器E/A具有很大的直流增益Ko，假设Ko→∞时，Vo=Vref/Kv-IoKi/Kv=Vomax-IoKi/Kv，改变电压环电流环的参数可以获得期望的外特性。

图2 改变输出电阻特性法均流控制框图

另外，在模块输出端与负载之间串联一定阻值的电阻也是一种调节输出电阻的方法，其缺点为串联电阻会消耗额外的电能。较为经济的办法是串联热敏电阻，其阻值随着电阻上消耗的热能变化而变化，同样达到近似均流。改变输出内阻特性法的优点是方法简单，不需要另加专用的均流控制电路，属于开环调控；缺点是调节精度不高，每个电源模块须进行单独调整。

2.1.2 主/从均流法

图3 主从均流法原理框图

当多个BDR模块并联使用时，选定其中一个BDR模块单元为主模块，其余的模块为从模块，原理框图如图3所示。主BDR 模块工作于电压源模式，而从BDR模块工作于电流源模式，从模块的误差放大器接成跟随器。系统的工作过程为：主BDR模块的工作电流与输出反馈信号进行比较，将差值信号反馈给各个BDR模块的控制电路，从而调节各BDR模块输出电流的大小。主/从均流法的优点是精度很高，控制结构简单，无须外加专用的均流控制电路，但各个模块间需要有通信联系，连线较复杂，其最大缺点是一旦主模块出现故障，将导致整个电源系统瘫痪。作为卫星的电源，为进一步提高系统的可靠性，在多个BDR模块并联时，可根据需要采用两个模块为主模块，其余的模块为从模块。这样设计的好处是，当一个主模块发生故障时，另一个主模块可接替有故障的主模块继续工作，保证整个电源系统连续工作，提高了电源系统的可靠性。在使用主、从均流方法时，主、从模块间的连线要尽量短。

2.1.3 平均电流自动均流法

这种方法不用外加均流控制器，并联工作的每个BDR模块的电流值取平均后，将平均电流值送给每个模块。各模块都以这个平均电流值为目标自动调节自己的输出电流，从而达到各模块均流的目的。图4为N个并联模块中一个模块按平均电流自动均流的控制电路原理图。并联各模块的电流放大器输出端，通过一个电阻R接到均流母线上，电压放大器输入为Vref'，是基准电压Vref和均流控制电压Vc的综合，它与Vf进行比较后，产生电压误差Ve，控制PWM及驱动器。Vi为电流放大器的输出信号，和每个模块的负载电流成正比，Vb为母线电压。当N=2时，也就是两个模块并联使用状态时，Vi1和Vi2分别为模块1和模块2的电流信号，都经过阻值为R的电阻接到母线b，母线电流I值计为：

当母线电流I=0时，由式(1)得：

母线电压Vb是Vi1和Vi2的平均值，也代表了模块1、模块2的输出电流平均值。代表均流误差的Vi与Vb之差，经过调节放大器，输出电压Vc，Vc值可正可负。当Vb=Vi时，电阻R上的电压为零，调整电压Vc=0，实现了均流。一旦模块间的电流分配不均匀，Vb≠Vi，电阻R承受电压，此时Vref'=Vref±Vc，电路通过调节放大器改变Vref'，以达到均流目的。这种方法能够精确地实现均流，但均流母线发生短路，或接在母线上的任何一个模块不能工作时，均流母线电压下降，将促使各模块电压下调，甚至达到下限值，引起电源系统故障。

图4 平均电流法自动均流控制原理图

2.1.4 最大电流均流法（民主均流法、自动均流法）

这种方法采用一套最大值比较器，每一时刻输出电流最大模块作为主模块，其输出电流转化成的电压信号Ui送至均流母线CSB，即CSB上的电压Ucsb反映的是各电源模块单元中Ui的最大值，即电流最大值。图5为最大电流均流法原理框图。多个电源模块并联时，正常情况下各模块输出电流均衡，当某个模块电流增大成为并联模块中最大电流时，该模块的电流能够使与其连接的二极管导通，从而均流母线的电压即为该电源模块的电压。该模块自动成为主模块，其余为从模块。各从模块的Ui与Ucsb比较自动调节输出电流达到均流。最大电流均流法的优点是均流精度高，动态响应快，使用时一次只有一个模块参与调节，主模块始终存在且是随机产生的，很好地实现冗余；缺点是均流母线与各模块间的二极管存在正向压降，会使主模块的均流出现误差，均流是一个从模块电流增大并超过主模块电流的过程，系统中主、从模块的身份不断地变换，各模块输出电流存在低频振荡。

图5 最大电流均流法原理框图

2.1.5 数字化均流方法

并联使用的多个电源模块，使用模拟均流控制技术可以精确地实现均流，并实现冗余系统，但模拟均流技术存在的固有缺陷难以克服。而采用数字化技术实现均流控制，控制方法灵活，容易做到并联系统中某个模块发生故障时不影响其他模块的正常运行。

数字方式实现电源模块间的自动均流，各模块必须具备数据交换能力，将模块自身输出电流、输出电压、温度等参数传输给控制模块。控制模块对各个电源模块进行监控和管理，控制模块可检测电源模块的数量，设置电源模块工作方式，输出电压与输出电流值；接收各电源模块发送的信息，判断模块的工作状态，发现有故障模块时，立即隔离该模块，并启动备份模块接替故障模块的工作；接收各模块输出电压、电流信息，求出模块间电压、电流的平均值并与各模块输出电压、电流值进行比较，根据系统设置的均流精度要求计算出某个需进行怎样的调整并对模块发送调整信息，通过调节达到电源系统均流要求。

采用数字均流方法的关键是，模块间采用何种通讯方式能实现数据的可靠与高速交换，同时又能使通讯接口简单。目前多数卫星都通过下位机对PCU进行管理，在BDR中嵌入单片机（或DSP控制器），通过单片机内部的通讯模块实现数据通讯，不仅实现电源模块之间的数据通讯，也可实现电源与PCU下位机的通讯。单片机（或DSP控制器）有多种总线模式可供选择。CAN总线支持分布式和实时控制，具有很好的可靠性、实用性和灵活性，能够满足均流控制的实时通讯需求。

数字均流法的优点：数字控制可以简化硬件电路，增强抗干扰能力，提高控制系统的可靠性，控制灵活，通用性强，均流控制精度高，使得电源系统的智能化程度更高，性能更强。

2.1.6 外接控制器法

在各个并联的BDR模块之外，使用一个外加的均流控制器，比较所有BDR模块的电流，调节相应的反馈信号实现均流。此方法是对每个BDR模块的输出电流进行采样，并转化为电压信号，与给定的电压基准电压进行比较，所得差值输入到各个BDR模块的控制部分，进行调节，从而实现各模块输出电流的并联均流。这种控制方法效果较好，但需要一个外加的均流控制器和附加的多路连线，且连线较复杂。

2.1.7 热应力自动均流法

这一方法是按电源系统中每个BDR模块单元的电流和温度（热应力）来实现自动均流，根据各个模块自身内部温度来调节输出电流，使温度高的电源模块输出电流减小，温度低的电源模块输出电流增大。各模块的输出电流不一定相等，模块的内部温度决定其输出电流的大小，通过调整使各个模块内部温度趋于相等。在结构复杂的电源系统中，各模块由于安装位置和模块的散热条件不同，造成模块温度不同，运用热应力自动均流法较为适合，在设计和使用时可以不考虑各模块的分布情况，是一种既经济可靠性又高的均流方法。

2.2 目前卫星放电调节模块使用的均流技术

均流技术的使用提高了卫星电源系统的可靠性和寿命，目前在多种均流技术中使用较为广泛的有：改变输出电阻特性法、最大电流均流法、数字化均流方法。但每种均流方法都有其优缺点。对于不同的卫星平台，应根据其母线电压功率及寿命选择不同的均流方法。

（1）对于短时卫星电源系统的BDR模块，可选用改变输出电阻特性法实现模块间的均流，此方法无须外加专用的均流控制电路，模块之间不需要建立联系，各模块独立调节。此方法虽然均流调节精度不高，但简单经济，可以满足多数系统的要求。改变内阻均流法在提高均流性能的同时会导致模块电压调整率的下降，在电源系统运行一段时间后均流性能会下降，因此该方法适用于短时卫星电源系统。

（2）高电压、大功率、长寿命卫星平台对电源可靠性、效率和功率密度的要求越来越高，应选用数字均流控制方法。数字均流控制方法控制精度高，硬件电路简单，响应速度快，抗干扰能力强，控制灵活，通用性强，单模块发生故障时不影响电源系统的正常工作。在不改变硬件的情况下，通过软件实现控制系统的升级，并能通过通讯接口实现对电源系统的远程控制。

（3）对于其他一些卫星如中长寿命卫星电源系统的BDR模块，可选用最大电流均流法，该方法均流控制精度高，动态响应快，主模块随机产生，很好地实现冗余。

3 结束语

由于并联使用的BDR模块特性并不完全一致，输出电压高的模块可能承担更多负载，而有的模块则可能轻载甚至空载运行，结果导致分担电流多的模块热应力大，降低了电源系统整体的可靠性。要保证系统能长期、无故障地可靠运行，要求系统在任何时刻都得确保相并联的各电源承受的电、热应力基本相当。也就是说，必须采取某种相应的措施，保证系统不会因相并各电源承载情况的差异，造成电、热应力不平衡而引起恶性循环，影响系统特性和可靠运行。均流技术就是对系统中各并联电源的输出电流加以控制，尽可能均分系统输入总电流，确保多台电源可靠运行的一种特殊措施。本文就均流技术及其应用做了简要讨论。在进行工程设计时，应该根据具体情况选用合适的均流方法来实现自动均流。

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