大功率航天器并联充电调节器的比较分析

张文爽 李峰 康庆

(中国空间技术研究院通信卫星事业部， 北京 100094)



大功率航天器并联充电调节器的比较分析

张文爽 李峰 康庆

(中国空间技术研究院通信卫星事业部， 北京 100094)

针对多个充电调节器(BCR)并联的系统，建立了稳定度和效率的计算模型，并针对ETCA公司的两代电源控制器(PCU)，利用计算模型比较了两种BCR的功率拓展方案。根据工程应用中几种较为典型的功率需求，分别对两种方案进行了合理的配置，从稳定性、效率、可靠性等多方面加以比较并确立了较优的方案。最后，对性能较优方案进行了试验，试验结果表明：该方案效率和稳定性均满足BCR设计要求，稳定性和效率计算模型准确，可为新一代BCR的设计提供参考。

充电调节器；效率；稳定性

1 引言

根据我国航天装备的需求和发展规划，我国现有卫星平台已不能满足新一代航天器的需求[1]。在未来5～15年内，卫星技术将得到迅速发展，卫星容量和性能都将得到较大的提高[1]。

新型卫星平台中，输出功率可能扩展到20 kW以上，蓄电池最大容量扩充到250 Ah以上，因此对充电模块的充电功率需求也将大幅度增加。现有卫星平台充电调节器(BCR)具备单台最大2 kW的充电能力，对功率晶体管、功率整流二极管、功率电感的选用及设计已经构成了挑战。大功率卫星平台将需要更大的充电功率，仅仅依靠提高单个BCR充电功率非常困难，利用多个BCR模块并联对蓄电池组充电是大功率航天器的最佳选择。

电源系统的效率和稳定性是航天器电源设计中需要考虑的重要因素。以往对于航天器电源系统的研究多数停留在整个电源系统或单个BCR模块的层面上[2-4]，本文旨在对功率扩展后的多模块BCR系统进行比对研究。首先建立了BCR并联系统的稳定性和效率计算模型，以法国ETCA公司制造的两代电源调节单元(PCU)为应用背景，在几种典型功率需求下对两种并联方式的BCR进行了计算分析，并结合灵活性和可靠性，从应用角度给出了比对结果。搭建原理样机对综合性能占优的BCR并联系统进行了效率和稳定性的测试，试验结果表明：并联系统具有良好的稳定性和效率指标，同时证明了计算模型的准确性。

2 数学建模

2.1 稳定性模型

BCR模块通常由主电路、采样电路、脉冲宽度调制(PWM)控制电路和主误差放大器(MEA)电路组成[5]。根据经典控制理论，评估线性定常系统稳定性的方法有多种，包括劳斯稳定判据、Nyquist判据、波特图中的Nyquist判据等[6]。波特图对于稳定性的表征最为直观，本文采用波特图中的Nyquist判据对BCR模块的稳定性进行分析。稳定性模型建立的基础为小信号模型。大量文献针对如何建立有效的变换器小信号模型进行了分析，提出了不同的建模方法[7-8]。本文采用状态空间平均法对并联系统进行稳定性建模。电源系统一般要求相位裕度为30°～60°，空间电源一般要求相位裕度大于60°，这样可以使系统参数波动后，仍可以保持稳定[5]。

单个BCR模块的系统框图如图1所示。

图1 单个BCR控制框图Fig.1 Block diagram of BCR control

(1)

电压控制环的外环传递函数为

Tout=KVSAifGoutZCbus

(2)

式中：ZCbus为母线电容传递函数。多个BCR模块并联的系统框图如图2所示。

图2 多个BCR控制框图Fig.2 Block diagram of BCRs control

根据N个BCR模块并联工作的系统框图，得出电压控制环的外环传递函数为

Tout=NKVSAifGoutZCbus

(3)

2.2 效率模型

效率模型的建立依靠元器件参数的准确等效估算，对充电调节器建立效率计算模型，主要包括以下三方面的损耗。

1)电感损耗

电感损耗包括铜损和铁损，即绕组损耗和磁芯损耗。其中，绕组损耗只计算直流电阻造成的损耗。磁芯损耗主要通过查询厂家的损耗曲线估算，由Magnetics提供的公式计算。因此，铜损和铁损分别为[10]

Pcu=(D·I)2·RL1+(D·I)2·RL2

(4)

PFE=P×VE

(5)

式中：RL1和RL2为滤波电感内阻；D为开关占空比；I为流过电感电流；P由计算电感峰值磁通密度查得；VE为磁芯体积。电感峰值磁通密度为

(6)

式中：Vin为母线输入电压；L为主电路电感；N1，N2为绕组匝数；Ae为磁芯截面积；fSW为开关频率。

2)功率晶体管损耗

主开关MOS管的损耗主要包括导通损耗和开关损耗，为

Pmos=(D·I)2·Rds(on)+0.5·

D·I·Vds·tr·fSW

(7)

式中：Rds(on)为MOS管导通电阻；tr为MOS管导通所用时间；Vds为MOS管栅极和源极之间电压。续流二极管的功耗为

Pd1=(1-D)·I·VF

(8)

式中：VF为二极管导通压降。输出二极管一直导通，功耗为

Pd2=I·VF

(9)

续流二极管反向恢复损耗为

Pd3=0.5Vrr·I·trr·fSW

(10)

式中：Vrr为续流二极管反向恢复电压；trr为反向恢复时间。

3)其余器件功耗

其余器件功耗为

(11)

式中：Iin为输入电流；Rin为输入端等效电阻；Rout为输出端等效电阻。所有损耗为

Pzong=PCU+PFE+PMOS+n1·Pd1+Pd2+Pd3+Pother+Pe

(12)

式中：n1为续流二极管的个数；Pe为其余器件功耗，Pother为估算的其他部分的损耗；对于多个BCR并联的系统，计算单模块的效率等于并联后多个模块的效率。

3 两种BCR并联系统的比较分析

本文研究的两种BCR并联系统需满足最大充电功率4 kW的功率需求。本节对ETCA公司所用PCU中的两种功率扩展方案进行比对分析(见表1)。

第一种方案为将单个最大充电功率为2 kW的BCR模块进行功率扩展，直接将两个大功率BCR模块并联。由于单模块功率较大，最大充电电流为20 A，为减小输入电流对母线的扰动，BCR以Superbuck为主拓扑[11]，最大充电功率为2 kW，支持两模块并联。

表1 两方案指标

注：质量为充电功率4 kW，放电功率21 kW时，两种方案BCR和BDR质量总和。

第二种方案以双向DC/DC变换器为启发，将BCR与放电调节器(BDR)合并为一个充放电调节器(BCDR)模块，并将多个模块并联。为减轻整个PCU的质量，BCR和BDR共用输入输出滤波和保护电路。由于在BCR模式下，双向变换器只工作在其中一种模式，因此本文只分析其在此种模式下的工作状态。此BCR每个模块充电功率为250 W，最大支持16个模块并联。由于单模块的功率降为250 W，BCR充电电流较小(<2.5 A)，且有输入和输出滤波器的存在，使得BCR对母线的扰动非常小。同时，由于Buck拓扑控制简单，元器件少，有利于提高整机功率密度，因此选用Buck作为主功率拓扑。

图3 两种方案的环路特性Fig.3 Loop characteristics of two scheme

应用第2节建立的数学模型对两种方案的稳定性和效率进行计算。两个大功率模块并联后的环路特性和多个小功率模块并联后的环路特性如图3所示。方案一相位裕度为68.6°。方案二模块数量为16个，相位裕度为82.4°。多个模块并联的形式优于两个大功率模块并联的形式。

计算蓄电池充电电压为95 V时，两种BCR结构的充电效率曲线估算结果见图4。模型中变量取值见表2。

表2 效率计算模型中各个变量的取值

从效率曲线来看，当小功率模块并联的BCR系统保持16个模块全部工作时，由于单个模块充电电流较小，因此无法达到充电效率的最高点，效率方面并不占优势。但在工程应用中，并非在所有功率需求下都须开启16个模块。下面对两种并联方案进行几种典型功率模型的配置，其中效率所用数据为上文计算出的效率曲线，两种方案的模块个数均以系统效率最高为配置准则。配置方式见表3，工况为蓄电池充电电压为95 V。

图4 两种方案效率估算结果图Fig.4 Estimated efficiency of two scheme

功率需求/kW充电电流需求/A模块个数每模块充电电流/A效率/%模块个数每模块充电电流/A效率/%546160957320944729190958518952108152759586259561802021009588259562162521259571025956

对两种方案的输入功率和热耗进行比对，见图5和图6。

图5 输入功率曲线Fig.5 Curve of input power

图6 热耗曲线Fig.6 Curve of thermal power

图5和图6表明，多个小功率模块根据不同的功率需求设置不同模块数量之后，可将充电效率一直保持在自身效率曲线的较高点。从输入功率角度和热耗角度来看，方案一在效率方面的优势明显降低。

考虑PCU的整体结构，从总体角度考虑，多模块并联方式还具有如下几个优点：

(1)可靠性更优，两模块并联采取冷备份的方式，2∶1备份下，主份(或备份)BCR失效是1R级故障；多模块并联的采取N+1：N的热备份方式，11∶10备份下，单份BCDR失效是3R级故障；后者故障等级明显降低。

(2)对于不同功率等级的PCU，充电功率的需求配置更灵活。方案一中BCR考虑可靠性，至少须配备两个模块，递进挡位是2 kW。多模块并联的BCR递进挡位是250 W，更加灵活。新型大功率卫星平台中，提出了更多样化的功率需求，多模块并联方式对新平台的适应性更强。

(3)由于将BCR与BDR合为BCDR一个模块，可利用磁集成技术与BDR共用磁性元器件，降低成本，提高功率密度。利用方案一结构BCR时，功率为21 kW的PCU的预计质量约为61.6 kg，利用方案二扩展至21 kW时，质量仅需57 kg，功率密度较大。

4 试验验证与分析

本文针对综合评估后水平占优的多个小功率并联的BCR搭建了21 kW原理样机，并进行了实验测试。图7为效率测试曲线与计算结果的比对，图8为环路特性曲线的测试结果。

图7 效率测试与计算曲线Fig.7 Curve of estimated and experiment efficiency

图8 环路特性测试曲线Fig.8 Experiment curve of Loop characteristics

由图7中可知，效率测试结果与计算结果误差在一个百分点以内，最高点充电效率优于计算效率。由图8可知，多模块并联BCR系统相角裕度为86°，大于60°，增益裕度为14 dB，大于10 dB。穿越频率为2.2 kHz，除低频和高频噪声波动较大之外，其余均与建模结果一致。

5 结束语

本文基于ETCA公司的两代PCU，建立了BCR并联系统的稳定性和效率计算模型，对两种BCR并联方案进行了效率和稳定性的计算，并结合可靠性和灵活性进行了比较，确立了多个小功率模块并联的优势。搭建原理样机对此BCR并联系统的效率和稳定性进行了测试，结果表明，此系统具有较高的效率和稳定性，可为下一代卫星平台中BCR的设计提供参考。

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(编辑：李多)

Contrastive Analysis on Parallel Battery Charge Regulator of High Power Communications Satellite

ZHANG Wenshuang LI Feng KANG Qing

(Institute of Telecommunication Satellite, China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China)

The paper sets up a model for calculation of stability and efficiency for parallel BCRs. For two generation PCUs from ETCA, this paper estimates their BCR’s stability and efficiency by using the modele. And then, two BCRs of different scheme are configured rationally according to several typical power demand in engineering and application, and compared in terms of stability, efficiency and reliability. Finally, tests are taken to the favorable scheme, which indicate that the stability and efficiency of the scheme can satisfy the need of BCR system, and the model is correct. It provides a reference for the design of next generation BCR.

battery charge regulator; efficiency; stability

2015-06-09；

2015-07-02

张文爽，女，硕士研究生，研究方向为航天器电源总体设计。Email：vansa.shuang@gmail.com。

V

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2015.04.013