热备份冗余二次电源中的“备压主”工作模式研究

王蓓蓓，李海波，李廷中，李 丽

（北京卫星制造厂，北京 100190）

0 引言

二次电源将航天器的一次母线电压变换成航天器中测控、导航、控制、电源等分系统各设备所需电压及功率，是航天器地面及在轨各阶段的重要设备[1]。其中常用的输出电压种类有+3.3 V、+5 V、±12 V、+15 V 和+28 V，输出功率范围为5～1000 W，可适应28 V、42 V 及100 V 这3 种常用一次母线。早期的航天器采用集中供电的二次电源配置方式，其优点在于由任务总体集中管理，设备的可靠性和安全性能够得到较好的保证，但是存在功率传输电缆多、损耗大、用电负载端不能出现单点等缺点[2]。2010年后，随着航天器单机向小型化、轻量化、多功能集成的方向发展，单机规格和数量大幅压缩，这要求二次电源在满足小型化、高可靠、长寿命的同时，就近配置在单机内部，从而形成了新的配电体制——分散供电。无论是集中供电还是分散供电的配电体制，都要求二次电源具有高可靠 性[3]。对于二次电源而言，冗余备份是实现其高可靠性的有效技术途径之一，常用的冗余备份方式有冷备份和热备份2 种。

2009年7月—2010年10月，对某型号3 颗在轨卫星36 路二次电源健康状况进行分析，发现二次电源热备份冗余工作模式中存在的某些深层次技术问题在地面验证阶段往往被忽略。本文以此次分析数据为出发点，重点探讨二次电源热备份冗余工作模式下的“备压主”问题。

1 二次电源的组成及其工作原理

二次电源一般由输入保护电路、浪涌抑制电路、EMI 滤波电路、辅助电源电路、控制电路、功率变换电路、整流滤波电路及输出隔离电路组成，如图1所示[4]。输入保护电路一般由高可靠的熔断器或固态保护开关组成，实现二次电源本身故障时与航天器母线的有效隔离。浪涌抑制电路能够有效减小二次电源启动时对母线的瞬态电流冲击，将浪涌电流控制在合理的范围内。EMI 滤波电路一般设置共模、差模各一级，抑制传导和辐射，使产品满足EMC 标准要求。辅助电源电路提供二次电源上电瞬间控制电路的供电，并实现输入、输出磁隔离的功能。控制电路主要由PWM（脉宽调制器）及其外围电路组成，对输出电压进行调节，并决定二次电源的闭环特性、动态特性等重要指标。功率变换及整流滤波是二次电源的核心功率部分，主要由变压器、功率开关及整流管组成，在实现能量传递的同时，也实现输入与输出侧的磁隔离功能。

图1 二次电源组成 Fig.1 The configuration of secondary power supply

2 二次电源热备份冗余设计原理

2.1 二次电源热备份方式

二次电源的设计寿命一般在10年以上，最长可达15年，可靠性要求高。如某航天器型号要求二次电源在70 ℃温度条件下，15年在轨寿命的可靠性≥0.999。为满足这一任务要求，单纯采用器件串并联的冗余设计是不能实现的，必须采用模块级的冗余电路设计模式[5-6]。根据二次电源产品特点，电压反馈采样点位置不同，热备份冗余设计有3 种设置方式，如图2所示。

所谓“备压主”是指二次电源在正常工作情况下，备份输出电压升高达到主份电压造成主份输 出关断的现象。图2(a)中主、备份反馈采样点均在输出隔离二极管之前，主、备份控制独立，不存在“备压主”现象。其缺点在于受隔离二极管的影响，输出负载调整率低（一般低于5%），不适用于有高精度要求的场合。图2(b)中主、备份反馈采样点一前一后设置，主份采样点在二极管之后，备份采样点在二极管之前，负载调整率高，一般可达到1%以上。这种设置方式既解决了负载调整率低的问题，亦不存在主备输出竞争的问题，但在特定条件下会发生“备压主”现象。图2(c)中主、备份反馈采样点均在隔离二极管之后，且采样点为同一个点，从原理上不存在主、备份之分，谁的输出电压高则谁带载输出，负载调整率与图2(b)电路相同；但若两路电压较接近时，会发生输出竞争的现象。

图2 主、备份采样点在隔离二极管前后位置关系 Fig.2 Different positions of the sample point in main and backup converters

2.2 “备压主”产生的机理

“备压主”现象表现为：输出电压值等于备 份电压值，主遥电压为0 或接近0。“备压主”现象的产生与以下3 个条件息息相关：第一，二次电源的负载为空载或接近空载（轻载）；第二，二次电源的工作温度为高温；第三，产生“备压主”的温度点与主备压差值的大小有关，主备压差值越大，出现“备压主”现象的温度值越高。主份工作异常和备份工作异常均不属于“备压主”的范畴，“备压主”为二次电源的一种正常工作模式。

“备压主”是由二极管的温度特性及热备份的工作模式共同作用产生的。二极管的正向电压与温度的关系为负温度特性，温度升高时二极管正向压降减小，温度降低时二极管正向压降升高[7-8]。同时，二极管的正向压降还与所通过的正向电流大小有关：正向电流变大，正向压降也随之增大。图3为二次电源中2 种常用典型二极管的正向电压随温度和正向电流的变化曲线。可以看出，二极管的正向压降是温度和正向电流综合影响的结果[9]。

图3 正向电压VF 随正向电流ⅠF 和温度的变化曲线 Fig.3 The curves of VF varying with ⅠF and temperature

以快恢复二极管1N5811 和肖特基二极管20CLQ045 为例，在相同正向电流情况下，其温度对于正向压降的影响数据见表1和表2。

表1 1N5811 正向压降VF 与温度的关系（ⅠF=1A） Table1 The relationship between VF and temperature of 1N5811 (ⅠF=1A)

表2 20CLQ045 正向压降VF 与温度的关系（ⅠF=3A） Table2 The relationship between VF and temperature of 20CLQ045(ⅠF=3A)

从表1和表2可以看出，若以25 ℃为基准，二极管1N5811 在100 ℃时，其正向压降减小了14.3%。而在-50℃时，正向压降增大了18.6%。

二次电源主份的隔离二极管位于控制环之内，因此其压降变化会通过反馈自动调节，不会影响主份输出电压的变化。而备份的隔离二极管位于控制环之外，二极管的正向压降直接影响备份的输出电压值，从而造成“备压主”现象。

3 热备份冗余二次电源的在轨“备压主” 现象分析

3.1 在轨现象

2009年9月21—28日，某型号集中供电二次电源B 箱在轨运行期间，通过遥测数据分析，发现+28V 主份电压检测出现周期性变化，最小值为0 V，最大值为30 V，正常值范围为(29±1)V。此变化规律与B 箱壳温变化紧密相关，如图4所示：均在B 箱壳温升高时主份输出电压下降；在B 箱壳温下降时，主份输出电压返回正常值，且异常状态维持时间与高温持续时间一致。

图4 某型号二次电源在轨遥测电压变化图 Fig.4 The on-orbit curves of output voltage of a satellite’s secondary power supply

从图4可以看出，主份电压输出检测出现了周期性的变化，备份电压输出检测及输出电压检测均正常，未出现随温度升高而变化的现象。

3.2 现象分析

该产品设计在轨寿命8年，于2000年12月发射，出现此现象时已在轨服役8年9 个月。图5为该产品的工作原理，主份采样点在输出隔离二极管之后，备份采样点在输出隔离二极管之前，采样点一前一后设置，且在轨处于空载状态，完全符合2.2 节所述的热备份特征。

图5 某型号二次电源原理 Fig.5 The schematic diagram of a satellite’s secondary power supply

引起该产品B 箱主份+28 V 在轨出现上述现象可能的原因有B 箱主份+28 V 本身故障和“备压主”工作模式，下面逐一进行分析。

1）B 箱主份+28 V 本身故障

从+28 V 电源工作原理来看，结合图4主份输出电压的变化规律，输出电压呈现周期性变化、与壳温密切相关以及可自动恢复的3 个特点。若B 箱主份+28 V 本身出现故障，不可能呈现这样的关联特性，且出现故障后不可能自动恢复。统计全部二次电源在地面高温环境试验失效案例及在轨失效案例，发现主份故障均为不可恢复、不可逆转的失效，与上述现象不符。因此，该现象不应归因为B 箱主份+28 V 本身故障。

2）“备压主”工作模式

B箱+28 V的负载为继电器供电，没有指令时，其工作于空载状态。随着在轨时间的增加，由于电路参数的漂移，特别是PWM 基准电压的漂移、采样电阻的温漂以及隔离二极管的温度特性，主、备份电压非常接近，在温度升高时，这种情况更加明显，从而造成备份压主份的现象。从遥测数据分析，完全符合“备压主”的特征。图6为只考虑二极管温度特性时主、备份电压输出特性。

从图6可以看出，主份输出电压不随温度变化而变化，这是因为隔离二极管引起输出电压任何变化都会通过闭环反馈加以补偿。而备份由于隔离二极管在反馈环路之外，二极管引起的输出电压变化就会在输出端表现出来。当主、备份电压一致，即在曲线上产生交叉点时，对应的温度为T1，主份处于临界输出状态。当温度继续升高，备份输出电压高于主份，主份输出关闭，即产生“备压主”现象。

图6 主备输出电压与隔离二极管的温度特性 Fig.6 The curves of output voltage varying with temperature of main and backup converters

4 试验验证

二次电源产品在地面需经历热循环、热真空和温度老炼等地面热试验考核，试验过程中负载测试工况覆盖全部在轨应用状态，负载变化从空载以额定的10%进率递增到额定负载。其间自动记录主份电压遥测、备份电压遥测及输出电压遥测数据。

表3为50W28V 二次电源产品热真空试验时的遥测数据，电源壳温度为75℃。该产品成功应用在“东方红四号”平台的卫星及载人航天任务中，有8 次在轨飞行经历。通过表3可以看出，在空载状态下，主遥（表征主份输出电压）随温度升高而降低，主份接近关闭状态。若温度进一步升高，主遥将为0，进入“备压主”工作模式。

表3 50W28V 二次电源地面热真空试验数据 Table3 The thermal vacuum test data of 50W28V power supply

5 结束语

本文以二次电源在轨遥测数据为基础，通过对数据进行判读，对热备份冗余设计的二次电源“备压主”现象进行了深入分析，得出“备压主”是热备份冗余设计二次电源在特定条件下的一种工作模式，有别于电源自身故障。当发生此现象时，虽然此时主份无输出电压，但由备份自动向负载供电，不会对用户产生任何影响。在负载加载后或温度降低后，自动退出“备压主”工作模式，主份电压恢复正常。

在轨数据分析是提升产品成熟度工作的一项重点，其核心在于数据的应用。通过分析发现产品设计存在的薄弱环节，掌握产品的设计裕度，分析存在的设计短板和未识别的潜在缺陷，并改进设计，最终实现产品的长寿命、高可靠。

（References）

[1] 马世俊.卫星电源技术[M].北京: 宇航出版社,2001: 376-391

[2] 王永谦,胡其正,韩国经.卫星电源系统的母线性能分析[J].中国空间科学技术,2000,20(4): 22-28 Wang Yongqian,Hu Qizheng,Han Guojing.Dynamics analysis of the satellite power system[J].Chinese Space Scinece and Technology,2000,20(4): 22-28

[3] 温小云,牛忠霞,师宇杰.电源模块冗余热备份对可靠性的影响[J].电子产品可靠性与环境试验,2005,23(1): 16-18 Wen Xiaoyun,Niu Zhongxia,Shi Yujie.The effect of power supply module redundancy heat backup on reliability[J].Electronic Product Reliability and Environmental Testing,2005,23(1): 16-18

[4] 万成安,徐珩衍.卫星开关电源技术的发展概况[C]//第九届中国宇航学会空间能源学术年会,2005: 42-46

[5] Jeffrey A C,Erol E,Rajagopalan S,et al.Secondary power source for use in a back-up power system: United States Patent,AEROSPACE2008839041[P].2004-09-07

[6] Wu T F,Hung C Y,Lee C Q.Parallel converter systems with maximum current limit control scheme for reliability improvement circuits and systems[C]// International Symposium on Circuits and Systems,IEEE,1993: 2343-2346

[7] Ray B,Patterson R L.Wide temperature operation of a PWM DC-DC converter[C]//Industry Applications Conference,IEEE,1995: 971-976

[8] 任海英,李廷中,万成安.航天器二次电源的低温工作特性研究[J].航天器环境工程,2013,30(1): 58-62 Ren Haiying,Li Tingzhong,Wan Cheng’an.The low-temperature performance of DC/DC converter for spacecraft[J].Spacecraft Environment Engineering,2013,30(1): 58-62

[9] Gerber S S,Patterson R L,Ray B,et al.Performance of a spacecraft DC-DC converter breadboard modified for low temperature operation,NASA TM 1996- 107245[R]