卫星电源控制系统结构和降压变换器仿真研究

朴海国

摘 要： 对卫星电源系统控制结构进行介绍，比较了传统电源功率控制结构和改进结构的特点，并简要说明其控制方法，研究卫星电源系统中直流母线与负载间的降压变换器参数和控制策略设计过程，给出参数计算方法，通过Matlab软件仿真验证了所采用方法的正确性。

关键词： 卫星电源； S3R； S4R； 降压变换器

中图分类号： TN967.6?34； TP273 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）21?0102?02

Simulation research on control structure of satellite power system and buck converter

PIAO Hai?guo

（Shanghai Institute of Space Power?sources， Shanghai 200245， China）

Abstract： The control structure of the satellite power system is introduced. The characteristics of traditional power control structure and the improved one are compared. The control methods of them are described briefly. The design process of buck converter parameters and control strategy between the DC bus and load in the satellite power system is studied. A parameters calculating method is given. The correctness of the method was verified with Matlab simulation software.

Keywords： satellite power supply； S3R； S4R； buck converter

0 引 言

近年来我国航天技术迅速发展，空间飞行器总类繁多，功能越来越全面，覆盖民用、军事的各个方面，目前空间飞行器主要指地球卫星和空间站等。由于其功能的扩展对供电系统的要求也越来越高，主要包括容量上、供电稳定性和抗负载扰动等几个方面。现有空间电源主要包含化学电源（如热电池、锂电池、锌银电池、氢镍电池、镉镍电池等）、太阳电池阵?蓄电池组联合电源和核电源，其中以太阳电池阵?蓄电池组电源为空间电源的主力。

由于在空间中太阳光照强度、负载功率、蓄电池充电功率等的变化，均会导致卫星电源系统直流母线电压发生大幅度变化。传统的卫星总线拓扑采用S3R（sequential switching shunt regulator）分流调节方式，通过控制太阳电池阵的输出分流消耗或向负载供电，从而保证电源在卫星在轨运行期间保持电能供应和负载消耗的平衡，向负载提供稳定工作电压。S3R在 1977 年第三届 ESA 空间能源会议上提出，地球同步轨道通讯卫星电源系统一般都采用此类调节技术[1]。但是，由于S3R拓扑中采用独立的充、放电模块，导致其体积和总量较大；同时，由于其充电控制器和放电控制器均直接与电源母线相联，若卫星采用 28 V等低母线电压体系时，S3R蓄电池组的充电电压会受到较大限制。对此提出改进的S4R（sequential switching shunt series regulator）控制系统，如图1所示[2]。

图1 基于S4R技术的电源管理框图

图中串联调节系统由多个独立模块组成，均包含一个分流调节器（SR）和一个蓄电池组充电控制器（BCR），并与一个太阳能电池阵单元相连。太阳电池分阵在光照充足的情况下，既能对母线负载供电，又能为蓄电池组充电。这种控制方式可最大限度地利用太阳电池阵输出功率，效率可高达99%。整个系统由电源控制协调各模块工作，基本原理是太阳电池阵输出首先满足卫星负载的需求，其次再对蓄电池充电，在蓄电池和负载需求均得到满足后，多余的能量从分流电路以热的形式消耗掉。

1 Buck变换器设计

在空间飞行器中，直流母线电压需要满足蓄电池充电和各种负载工作的需要，同时要考虑线路损耗等因素，因此直流母线电压较高，通常取100 V；负载侧供电需要高效率DC/DC变换器，作为空间电源系统的核心。由于负载工作电压较低，通常采用降压（Buck）变换。其结构如图2所示。

图2 Buck变换器主电路拓扑结构

假设开关管[T1]在0～[t1]期间导通时，电感[L1]中的电流线性增加，电流上升增量为：

[ΔI1+=0t1Us-U0L1dt=Us-U0L1DonTs] （1）

当开关管截止时，电感中的电流线性下降，电流减少量为：

[ΔI1-=t1t2U0L1dt=U0L1（1-Don）Ts] （2）

若电感中电流临界连续，则[ΔI1+=ΔI1-=2I0，]此时电感值应为：

[L1=R2（1-Don）Ts] （3）

负载通常需要电流连续，因此Buck变换器中电感取值应大于[L1]并留有一定余量。变换器中电容的选取与纹波电压大小有关，流经电容的电流[IC=I1-I0，]对电容充电产生的纹波电压为[3]：

[ΔU0=U08L1C（1-Don）T2s] （4）

通常取电压纹波为输出电压的1%，由此可计算出电容最小取值。

开关管控制采用电压闭环的PI控制，PI调节器输出参考信号与三角波比较生成触发脉，冲控制开关管T1工作，控制原理如图3所示。图中[v*dc]为直流电压给定值，[vdc]为电压反馈值。

图3 直流电压控制原理

2 仿真及分析

根据上述原理设计空间电源中的降压变换器，输入电压为100 V，输出电压为28 V，则开关管占空比为[Don=][28100=0.28；]阻性负载为20 Ω，开关频率为10 kHz，输出电压纹波为1%，计算得到电流临界连续时电感值为[Lmin=]0.72 mH；考虑负载等效电阻值的波动，实际电感取2.5倍[Lmin，][L1=]1.8 mH；电容最小值[Cmin=]50 μF，为提高输出波形质量，实际电容[C1]取500 μF。

利用Matlab搭建仿真模型，直流电压给定值为28 V，PI调节器参数为比例系数[Kp=]2.5，[Ki=]35。设置[t=]0.15 s时，负载由20 Ω突增到10 Ω，即负载增大一倍，得到仿真结果如图4所示。稳态时能够跟踪给定值；负载增加后，由于电流增加，因此直流电压纹波略微增大，但都远远小于设计值1%。

图4 突加负载时直流电压相应曲线

3 结 论

利用Buck变换器实现了空间电源直流母线到负载的降压变换，控制部分采用基于PI调节器的单闭环控制方法，根据电压、电流关系设计了滤波电感和直流电容的取值范围，利用仿真验证所设计的Buck变换器能够实现所需的电压变换，具有较好的动、静态性能。

参考文献

[1] 马鑫，张东来，徐殿国.S3R & S4R控制策略分析及仿真[J].测控技术，2007，26（6）：45?47.

[2] CAPELA P P. Comparative performance evaluation between the S4R and the S3R regulated bus topologies [C]// 2001 IEEE 32nd Annual Conference on Power Electronics Specialists. [S.l.]： PESC， 2001（4）： 1963?1969.

[3] 林飞，杜欣.电力电子应用技术的MATLAB仿真[M].北京：中国电力出版社，2009.

[4] 李艳，张菁.采用LC滤波的大功率本安Buck开关变换器[J].现代电子技术，2012，35（12）：137?138.

[5] 孟渊，王卫国.新型开关电源控制方法研究[J].现代电子技术，2014，37（6）：143?146.

[6] 杨玲玲，丁驰竹，夏渊.基于ARM的激光电源控制系统设计[J].现代电子技术，2013，36（20）：159?162.

[ΔU0=U08L1C（1-Don）T2s] （4）

通常取电压纹波为输出电压的1%，由此可计算出电容最小取值。

开关管控制采用电压闭环的PI控制，PI调节器输出参考信号与三角波比较生成触发脉，冲控制开关管T1工作，控制原理如图3所示。图中[v*dc]为直流电压给定值，[vdc]为电压反馈值。

图3 直流电压控制原理

2 仿真及分析

根据上述原理设计空间电源中的降压变换器，输入电压为100 V，输出电压为28 V，则开关管占空比为[Don=][28100=0.28；]阻性负载为20 Ω，开关频率为10 kHz，输出电压纹波为1%，计算得到电流临界连续时电感值为[Lmin=]0.72 mH；考虑负载等效电阻值的波动，实际电感取2.5倍[Lmin，][L1=]1.8 mH；电容最小值[Cmin=]50 μF，为提高输出波形质量，实际电容[C1]取500 μF。

利用Matlab搭建仿真模型，直流电压给定值为28 V，PI调节器参数为比例系数[Kp=]2.5，[Ki=]35。设置[t=]0.15 s时，负载由20 Ω突增到10 Ω，即负载增大一倍，得到仿真结果如图4所示。稳态时能够跟踪给定值；负载增加后，由于电流增加，因此直流电压纹波略微增大，但都远远小于设计值1%。

图4 突加负载时直流电压相应曲线

3 结 论

利用Buck变换器实现了空间电源直流母线到负载的降压变换，控制部分采用基于PI调节器的单闭环控制方法，根据电压、电流关系设计了滤波电感和直流电容的取值范围，利用仿真验证所设计的Buck变换器能够实现所需的电压变换，具有较好的动、静态性能。

参考文献

[1] 马鑫，张东来，徐殿国.S3R & S4R控制策略分析及仿真[J].测控技术，2007，26（6）：45?47.

[2] CAPELA P P. Comparative performance evaluation between the S4R and the S3R regulated bus topologies [C]// 2001 IEEE 32nd Annual Conference on Power Electronics Specialists. [S.l.]： PESC， 2001（4）： 1963?1969.

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[6] 杨玲玲，丁驰竹，夏渊.基于ARM的激光电源控制系统设计[J].现代电子技术，2013，36（20）：159?162.

[ΔU0=U08L1C（1-Don）T2s] （4）

通常取电压纹波为输出电压的1%，由此可计算出电容最小取值。

开关管控制采用电压闭环的PI控制，PI调节器输出参考信号与三角波比较生成触发脉，冲控制开关管T1工作，控制原理如图3所示。图中[v*dc]为直流电压给定值，[vdc]为电压反馈值。

图3 直流电压控制原理

2 仿真及分析

根据上述原理设计空间电源中的降压变换器，输入电压为100 V，输出电压为28 V，则开关管占空比为[Don=][28100=0.28；]阻性负载为20 Ω，开关频率为10 kHz，输出电压纹波为1%，计算得到电流临界连续时电感值为[Lmin=]0.72 mH；考虑负载等效电阻值的波动，实际电感取2.5倍[Lmin，][L1=]1.8 mH；电容最小值[Cmin=]50 μF，为提高输出波形质量，实际电容[C1]取500 μF。

利用Matlab搭建仿真模型，直流电压给定值为28 V，PI调节器参数为比例系数[Kp=]2.5，[Ki=]35。设置[t=]0.15 s时，负载由20 Ω突增到10 Ω，即负载增大一倍，得到仿真结果如图4所示。稳态时能够跟踪给定值；负载增加后，由于电流增加，因此直流电压纹波略微增大，但都远远小于设计值1%。

图4 突加负载时直流电压相应曲线

3 结 论

利用Buck变换器实现了空间电源直流母线到负载的降压变换，控制部分采用基于PI调节器的单闭环控制方法，根据电压、电流关系设计了滤波电感和直流电容的取值范围，利用仿真验证所设计的Buck变换器能够实现所需的电压变换，具有较好的动、静态性能。

参考文献

[1] 马鑫，张东来，徐殿国.S3R & S4R控制策略分析及仿真[J].测控技术，2007，26（6）：45?47.

[2] CAPELA P P. Comparative performance evaluation between the S4R and the S3R regulated bus topologies [C]// 2001 IEEE 32nd Annual Conference on Power Electronics Specialists. [S.l.]： PESC， 2001（4）： 1963?1969.

[3] 林飞，杜欣.电力电子应用技术的MATLAB仿真[M].北京：中国电力出版社，2009.

[4] 李艳，张菁.采用LC滤波的大功率本安Buck开关变换器[J].现代电子技术，2012，35（12）：137?138.

[5] 孟渊，王卫国.新型开关电源控制方法研究[J].现代电子技术，2014，37（6）：143?146.

[6] 杨玲玲，丁驰竹，夏渊.基于ARM的激光电源控制系统设计[J].现代电子技术，2013，36（20）：159?162.