一种地面模拟太阳电池阵开关分流方法研究

张 猛，于国庆，刘继奎，崔赪旻，王友平

(北京控制工程研究所，北京100190)

0 引言

太阳电池阵——蓄电池组电源系统是目前应用最为广泛的航天器电源系统.由于太阳电池阵在寿命初期和末期输出功率变化很大，同时能源系统设计中还要考虑留有一定的功率裕度，因此需要对太阳电池阵的输出电压进行稳压调节，对输出功率进行分流调节.太阳电池阵分流调节是根据母线电压的高低直接调节太阳电池阵的输出功率(包括线性分流调节和开关分流调节两种方式)使母线电压达到规定的要求［1］.

太阳帆板驱动机构(SADM，solar array drive mechanism)支撑并驱动太阳翼对日定向，并在太阳翼和星体之间传输功率和电信号［2］.SADM由功率传输模块(盘环或柱环)完成功率传输功能，在SADM生产测试过程中，需要对功率环电传输的可靠性进行充分的验证，如绝缘测试、耐压测试和功率传输能力测试及其他环境适应性测试.功率传输能力测试时通常采用额定传输电流验证或额定传输功率验证，测试过程中功率环环间的电压基本保持稳定.开关分流调节过程中，处于开关分流的电池阵通道的电压在0 V和母线电压之间跳变，而传统的SADM功率传输验证方法并未充分验证应用过程中开关分流工况对电传输可靠性的影响.因此，提出了一种采用太阳电池阵模拟器(SAS，solar array simulator)及电子负载构成的SADM产品测试时电池阵开关分流模拟方法，给出了该方法的系统组成及试验结果.应用该方法可以进一步提高SADM产品研制过程中功率传输通路可靠性验证的充分性.

1 太阳电池阵分流方式

根据分流调节器开关管的工作方式，可将稳压分流调节技术分为线性分流调节和开关分流调节两种方式.线性分流调节器对多余太阳电池阵能量处理的本质是将其产生的功率消耗在调节器中，发热量较大，对大功率通信卫星热控分系统的设计影响较大.与线性分流调节技术相比，开关分流调节技术可大幅度降低分流调节器的功耗、体积和重量.开关分流调节技术又可细分为脉冲调宽(PWM，pulsewidth modulation)式、顺序开关分流调节器(S3R，sequential switching shunt regulator)式和顺序开关分流串联调节器(S4R，sequential switching shunt series regulator)式［3-6］.

下面以顺序开关分流调节器为例介绍SADM功率环电压、电流工况.

图1所示为分流调节器位于星内时S3R分流调节原理.图中把太阳电池阵分成n个相同的级(可理解为n个分阵，每个分阵电流依次为I1，I2，…，In)，每一级的正端通过一个分流开关管T连接到地，并通过隔离二极管D连接到正母线，母线电容为CBUS.开关管T的状态决定了该级的能量是传递给负载母线还是被分流掉.S3R中所有的分流电路均由电压采样Vs控制，在各个滞环比较电路中，参考电压值(VREF_1，VREF_2，…，VREF_n)依次递增，门限电压也依次增加改变，使得第1级到第n级逐级被调节、关断，因此被称为顺序开关分流调节.分流调节器工作时，始终有一级处于调节状态，设占空比为d(0＜d＜1)，其他级中有m级开关管关断，则分流状态的级的个数为n-(m+1)［6］.

图1 顺序开关式分流调节器Fig.1 Sequential switching shunt regulator

假设SADM有n个功率传输通路(包括n个正向传输通路)分别与n个分阵连接，m个通路处于未分流状态，其正向传输通路电压为母线电压，则n-(m+1)个正向传输通路电压接近0 V，处于分流调节状态的1个正向通路电压在0 V和母线电压之间跳变.

2 SADM功率传输验证方法

SADM的研制过程中，需要对功率传输通路进行充分的绝缘、耐压和功率传输能力测试.通常情况下，SADM的功率传输能力测试采用两种方法:一种是额定传输电流测试;另一种是额定传输功率测试.

额定传输电流测试时，每个功率导电环通额定电流，而导电环上并不施加额定电压载荷.该种方法所需测试设备较少，测试效率较高，导电环的绝缘和耐压能力利用兆欧表和绝缘耐压测试仪完成.

额定传输功率测试时，每个功率导电环通额定电流，并且施加额定电压载荷.该种方法需要SAS(或直流电源)和电子负载等构成功率测试系统.实际测试过程中，还可以将全部正向环施加额定电压，也可以将全部或部分功率环设计成高低压间隔方式，验证更为恶劣条件下的功率传输安全性，相比于额定传输电流能力测试，该种方法测试覆盖性较为全面.采用额定传输功率测试时，也需要利用兆欧表和绝缘耐压测试仪完成导电环的绝缘和耐压能力测试.

某型号SADM为盘式导电环，正面10环，由外向内编号为1～10，背面10环，由外向内编号为11～20，单环传输电流4 A.该SADM进行额定传输功率测试时，功率环采用3种工况:1)奇数环高电位，偶数环低电位;2)偶数环高电位，奇数环低电位;3)正面导电环均为高电位.图2所示为奇数环高电位、偶数环低电位的功率传输能力测试系统连接图.图中X06为与太阳电池阵连接的功率接插件，采用下图连接方法，功率传输测试过程中SADM能够连续单方向旋转，易于完成噪声测试、转动精度测试及转动寿命试验等连续单方向旋转测试项目.

图2 功率环测试原理图Fig.2 Power-ring testing schematic diagram

3 开关分流模拟方法

额定传输电流测试和额定传输功率测试方法均未模拟开关分流应用时处于开关调节状态的通路电压跳变工况，为此，设计了开关分流模拟方法.考虑到被测产品的安全性和长期测试试验的可靠性，开关分流模拟测试系统均以标准设备实现，其核心是由SAS模拟太阳电池阵，利用可以设置短路和开路两种不同工况的电子负载模拟分流调节开关管的导通和关断.

3.1 太阳电池阵模拟

传统SADM产品测试过程中，常采用直流电源设置功率传输通路的工况，直流电源工作在稳态，其输出电压和电流保持不变.太阳电池开关分流过程中，处于分流调节中的分阵输出电压是跳变的，即输出电压在0 V和母线电压之间跳变，相应的输出电流基本稳定在分阵额定输出电流.

由于常规的直流电源输出端口并联有很大的储能电容以保证负载变化的时候输出电压稳定，若使用直流电源模拟太阳电池阵，在以较高的开关频率模拟分流调节时，直流电源输出电压会因为储能电容的存在而保持基本不变，导致无法模拟分阵分流时输出压在0 V和母线电压之间跳变的工况.因此，需要利用输出动态特性较好的SAS来模拟处于开关分流状态的太阳电池阵［7］，用直流电源模拟处于未分流和完全分流的分阵.

3.2 分流调节模拟

为实现分流调节器分流开关管的导通和关断功能，要求SADM功率传输测试系统中的电子负载能够设置两种不同的工作状态，并可以在两种工作状态之间自动高速切换.经调研，德国H＆H公司生产的ZS系列电子负载可以满足使用要求.ZS系列电子负载可以设置A、B两种工作状态，且两种工作状态持续的时间可以通过旋钮调节，每种工作状态持续时间调节范围为0.0～100.0 ms，时间调节当量为0.1 ms，理论上A、B两种工况的切换频率可以做到5～5 000 Hz.具体选用的电子负载型号为ZS3012，其最大输入电压120 V，功率3 000 W.

3.3 模拟系统构成

太阳电池阵分流调节时，SADM功率盘环中一个正向通道的功率环处于调节状态，负向通路均处于低电平.如果按照图1的构成方式将直流电源和SAS与SADM转动部分连接，电子负载与SADM固定部分连接，将功率传输正向通路和负向通路工作电压设置成与实际使用工况一致，那么SADM无法单方向连续旋转，即无法完成跑合、零位精度、整圈噪声等测试项目;因而通常采用图2所示连接方式，即在SADM转动部分利用导线将各环依次连接，直流电源、SAS和电子负载均与SADM固定部分连接.采用此种连接方式模拟分流调节时，将至少有两个环处于分流调节状态.依据上述分析，设计如图3所示的功率传输通路开关分流模拟原理图.图3中盘环外侧的第 1、11、2、12、3、13 环设置为低电位，模拟完全分流状态，第4、14环模拟开关分流状态，第5、15、6、16、7、17、8、18、9、19、10、20 环设置为高电位，模拟分阵供电状态，功率盘环正面和背面均只有一个电压变化的界面.若在SADM固定端和转动端采用不同的连接方式，可以将不同的环设置成开关分流状态，如奇数环高电位、偶数环处于开关分流状态等.相比于传统的额定传输电流能力测试和额定传输功率测试方法，采用开关分流模拟测试方法，能够进一步提高SADM产品研制中功率传输通路可靠性验证的充分性.

图3 功率传输通路开关分流模拟原理图Fig.3 Switching shunt simulation schematic diagram in power-ring testing

4 试验结果

按照图3所示测试系统连接直流电源、SAS、电子负载、SADM.SAS选用安捷伦公司生产的E4360A，单通道最高输出功率600W，输出电压120V，电流5A.将E4360A设置为固定输出，输出电压100V，电流4A.电子负载ZS3012工作模式可设置为电流模式、电压模式、电阻模式和功率模式，理论上ZS3012动态工作4种工作模式中的任何一种，都可以通过设置A、B两种工况来实现通道电压在0 V和100 V之间跳变，而通道电流基本稳定在4A.但受限于SAS和电子负载内部闭环控制最高频率及其配合情况，各种模式的试验结果存在一定差异.下面分别对ZS3012设置为电流模式、电压模式、电阻模式时的通道电压、电流进行测试.

图4～6分别为ZS3012设置为电流、电阻和电压模式时分流通道的电压和电流波形.试验测试结果表明分流通道的电压在母线电压与0 V电压之间跳变，电流基本稳定在SAS设定的最大输出电流4 A，分流开关时刻的电压和电流有较为明显的暂态调节过程.电子负载在3种模式时的分流频率模拟范围差异较大，电流模式可以实现200 Hz的分流开关频率，电阻模式可以实现500 Hz的分流开关频率，受限于暂态调节过程电压较大的波动，电压模式只能达到100 Hz左右.ZS3012工作在电阻模式时，通道电压的上升沿和下降沿较陡，而电流模式时则较为平缓.

图4 电流模式时分流通道的电压和电流波形Fig.4 Voltage and current waveforms of a switching shunt channel in current mode

图5 电阻模式时分流通道的电压和电流波形Fig.5 Voltage and current waveforms of a switching shunt channel in resistance mode

图6 电压模式时分流通道的电压和电流波形Fig.6 Voltage and current waveforms of a switching shunt channel in voltage mode

开关分流调节的开关频率与母线的纹波、分阵电流、母线滤波电容、负载对该分阵需要电流等参数相关，采用限频开关分流调节技术的开关频率在0～2 kHz之间［8］.受限于使用的SAS及电子负载性能，所提的模拟方法最高开关频率只有500 Hz左右，实际应用时需要进一步降低开关频率以使模拟系统更加稳定.

5 结论

本文提出了一种SADM产品测试时的电池阵开关分流模拟方法，利用SAS模拟处于开关分流状态的太阳电池阵，采用可以设置两种工作状态并自动高速切换的电子负载模拟分流开关管的导通与关断，给出了该方法的系统组成及试验结果，表明该方法可以在SADM产品测试时最大限度的模拟太阳电池阵开关分流时功率导电环的电压跳变工况，进一步提高了SADM产品研制中功率传输通路可靠性验证的充分性.

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