卫星电源放电调节电路优化设计与可靠性研究

李冬辉，王 伟， 周大钧，姚乐乐，李鸿宇

(1.天津大学电气与自动化工程学院，天津300072；2.Department of Electrical Engineering,State University of New York at Buffalo,New York 14260)

卫星电源放电调节电路优化设计与可靠性研究

李冬辉1，王 伟1， 周大钧1，姚乐乐1，李鸿宇2

(1.天津大学电气与自动化工程学院，天津300072；2.Department of Electrical Engineering,State University of New York at Buffalo,New York 14260)

针对卫星电源工作环境恶劣的特点，提出了一种对基于HE-Boost放电电路进行稳健性设计与优化的方法。在电路设计方面，基于某卫星实际情况，采用跨导控制方式，并对其建模分析，得到相应传函与参数；在优化与可靠性方面，采用稳健性设计：通过对电路进行灵敏度及参数扫描分析，实现参数优化；通过应力分析、最坏情况分析以及模拟一种故障模式，验证元器件在一定范围内变动或失效时，多模块并联电路的母线电压依旧稳定。综上，该方法适用于卫星电源电路等对可靠性要求较高的场所。

HE-Boost；放电电路；稳健设计；最坏情况分析；可靠性

Abstract:Considering the satellite Power Conditioning Unit(PCU)works in hash environment,a robust design and optimization based on HE-Boost Topology was proposed in battery discharge regulator(BDR).In term of design for circuit,while transconductance control method was used and small-signal model was built,transfer function and parameter was achieved.In term of optimization design and reliability,a robust design was used.Suitable parameter was got from the parameter sweep and vary analysis; the bus voltage of multi-module parallel circuit remained stable,while components parameter were changed within a certain range or components get fail by stress analysis,a worst-case analysis(WCA)and one failure mode simulation.In conclusion,the robust design and optimization was suitable for satellite power circuit,especially for places which need higher requirements for reliability.

Key words:HE-Boost;BDR;robust design;worst case analysis;reliability

由于卫星的所处环境恶劣且发射成本一直处于较高的水平，因此对卫星的可靠性能要求就比较高。电源控制器(PCU)作为卫星电源系统控制中心，其作用最为关键，为卫星提供能量，协调卫星工作期间蓄电池与太阳能间能量平衡。目前，我国研制的卫星电源母线电压有28、42 V和100 V三种等级。当卫星进入阴影区时，太阳电池阵不能满足输出功率，电源放电调节器(BDR)完成母线调节工作保持电压稳定，蓄电池需要放电为母线提供电能，在这个阶段中起重要作用。

文献[1]从整体角度分析了卫星电源控制器的各模块设计过程；文献[2]分析了多种卫星电源系统放电调节模块并联均流技术；文献[3]简述了非隔离型HE-Boost电路拓扑结构；文献[4]从平均值电流控制型Buck变换器控制系统的角度进行建模与分析，为本文提供建模分析依据；文献[5-6]采用了试验的方法(常见的试验有热学试验、力学试验、电磁兼容试验等)来保障空间设备的可靠性；文献[7]基于Saber软件进行电路容差分析，但不够全面。当前涉及到HE-boost文献较少，建模分析几乎没有。

本文以42 V母线电压PCU为平台。首先从BDR电路工作原理及各个模块控制设计与分析角度出发，给出参数确定方法；其次，由于当前涉及HE-Boost拓补建模文献少之又少，本文进行建模分析，为后续稳健设计提供参数依据；根据稳健性设计流程，通过saber软件对单个BDR电路进行优化分析。其中，灵敏度分析，找出敏感器件，并通过参数扫描，实现参数的微调与优化。待优化好后，需要对电路进行最坏情况分析，以保障电路器件在一定范围内浮动时对母线输出最大偏差的影响最小。当然还为确保电路器件满足降额要求还需对其进行应力分析；最后，通过对跨导控制下，三个并联均流控制的BDR进行故障模式仿真，确保器件损坏情况下，母线输出依旧稳定。综上实现了对放电电路的优化与可靠性分析。

1 BDR电路工作原理

本文中采用的是全调节母线方式,BDR调节电路在设计时引入了跨导控制，即各个调节模块统一由主误差放大器(MEA)控制，当MEA输出信号在一定范围内与BDR工作模式相对应时，BDR工作。这种方式有效解决了并联工作电流输出均衡问题。正常情况下全部BDR处于工作状态。BDR采用热备份方式工作，一组蓄电池配三个BDR，当1个失效时，母线输出电压依旧满足设计要求，见图1所示。

图1 跨导控制

单个BDR原理如图2所示，主电路中采用了HE-Boost电路进行功率调节。HE-Boost具有如下特点：高效率；功率FET可以用低压驱动，简化了门驱动电路；相对于其他拓扑来说，功率FET的开关损耗低；推挽FET漏极电压被输出电压钳位；输入输出电流连续。PWM控制采用了SG1525芯片进行控制，工作频率为100 kHz。其内部主要由运算放大器、振荡电路、电子基准、软启动电路和驱动电路等几部分组成。

图2 BDR原理图

2 BDR电路建模分析

2.1 HE-Boost设计分析

HE-Boost原理图如图2虚线框内所示。包括了两个并联使用的MOS管，隔离正向压降低的肖特基二极管，一个1∶1∶1∶1的变压器。在保证供给负载能力连续的前提下能选用较小输出滤波电容，而且减小放电过程对电池冲击以增强电池寿命，提高可靠性的情况下，本文采用非重叠模式。电路的工作状态可以简化成4种模态：

模态 1：Q1、D1导通，Q2、D2、D3、D4关断。流过 T1、T4电流几乎相同，忽略励磁电流的影响可得式(1)。

式中：i为输出电流；Vbus为输出电压；Vg为输入电压；

模态 2：Q1、Q2关断，D1、D2关断，D3、D4导通。因为耦合系数为1，故耦合电感为0；i与iout相同，忽略励磁电流的影响可得：

模态 3：Q2、D2导通，Q1、D1、D3、D4关断。与模态 1 分析情况近似；

模态4：Q1、Q2关断，与模态2相同，故不再赘述。

Q1、Q2具有相同的占空比D，一个等效开关周期内，电流变化量相同，故而得到电压的输出输入比为2D+1。

经小信号建模分析可得，HE-Boost电路简化小信号模型对于传递函数：

式中：Gvd(s)、Gid(s)分别为电流、电压控制方式传递函数。

2.2 控制环路分析

当PCU工作在BDR域时，外部基准为母线误差放大信号。电流控制器将电流反馈信号与电流设定基准信号比较放大后，通过SG1525形成一定占空比例的方波信号，控制HE-Boost的MOS管导通与断开的控制电平。如此电路形成电流负反馈的控制环路，并通过对PWM方波信号占空比的调节来调整电流的大小，最终达到稳态。见图3所示。

图3 BDR控制环路图

PWM控制采用SG1525，其内部运算放大器设计为电压跟随器，实际电路中采用的工作频率约125 kHz。频率计算公式见式(5)所示。

式中：RT=2.7 kΩ，RD=0.7 kΩ，CT=20 nF。

电流控制有两部分组成：电流采样与电流控制。电流采样采用电流镜采样电路，比例系数见式(6)所示。电流控制采用PI控制。其传递函数为Hi(s)=RsK，其中比例系数K=820，采样电阻Rs为3 mΩ。

式中：R3=10 kΩ；R4=51 kΩ；C3=2 nF。

主电路中，选用的铁氧体磁芯型号为R2KB1，电感量为922 μH；两个电感Lin和Lboost选用的金属磁粉芯型号分别为Y125-330和 Y125-467，电感量分别为28 μH 和 142 μH。

3 BDR电路稳健设计

稳健设计是从整体的设计方面对卫星电源BDR进行设计的一种方法，有利于提高可靠性。通过saber软件对BDR进行稳健设计，有利于找到易受环境影响的器件参数，并通过分析与优化使其可靠运行，具体流程为标称设计，灵敏度、参数分析，最坏情况、应力分析，故障分析。

3.1 标称设计

首先，BDR电路设计需要满足一定的设计要求：输入电压范围为24.5～37.5 V，输出功率600 W，放电效率大于94%。在Saber仿真环境下建立主电路原理图，见图4所示。

图4 BDR电路模型

根据设计要求，选取合适参数，32 V直流电源作为输入电压，输出电阻为2.94 Ω，此过程为标称设计。拓扑图搭接结束后，开始进行常态分析。仿真结果如图5所示。

图5 母线电压、放电电流与负载电流值

由图6可知，使母线电压稳定后平均值达到42.029 V，满足母线输出要求放电电流 (Iin)平均值是19.378 A，负载电流(Iout)为14.262 A，输出电压稳定。放电效率为输出功率与输入功率比，其值约为97.5%。

图6 灵敏度分析仿真结果

3.2 灵敏度设计

考虑到卫星电源工作实际环境的恶劣，需要找出对母线电压影响较大的器件或参数，以便后续工作的分析，即灵敏度分析。saber对BDR进行常态仿真分析后，发现输出电压达到了标称要求，进而对其进行灵敏度分析。母线电压输出灵敏度分析结果如图6所示。

图7 参数扫描分析仿真结果

图7为BDR电路母线电压平均值的灵敏度其结果表明，相应参数对输出变化的影响较小，系统电路较稳定。而这些参数中，对于母线电压输出值影响较大的是产生PWM波芯片的SG1525，其次是2.7 kΩ控制振荡频率的外接电阻r65。

3.3 参数扫描分析

根据灵敏度分析结果，这里仅以对外界电阻r65(SG1525中的RT)为例进行参数扫描分析，选取温度对参数变化影响为2%，即参数变化范围2.65～2.75 kΩ；并根据结果找到更加合适的参数值，达到优化的目的。

结合图7仿真结果，在温度影响下，BDR母线电压输出范围稳定在(42±0.5)V，尤其是r65取2.72 kΩ时，波动最小，可以保证电路的稳定输出。

3.4 最坏情况分析

最坏情况分析是研究器件在一定范围内同时浮动对母线电压输出的影响。令电路参数值在表1浮动范围内按照正态分布随机取样；对所取样的参数值进行100次蒙特卡洛分析，检验在最坏情况下，母线电压输出；将分析结果与设计要求进行比较，给出分析结论。仿真结果如图8所示。

由仿真结果看出，当考虑温度老化等因素产生的元器件初始偏差对BDR电路各元器件造成的影响时，母线电压稳定

表1 元器件参数偏差表

后，最大值的平均值为42.298 V；最小值的平均值为41.939 V，对应峰峰值小于250 mV，母线输出电压的漂移值在±0.5 V以内。由此可得卫星电源放电调节模块运行在太空中(恶劣条件)时，仍能够完成母线调节工作，使母线电压输出为42 V左右。

3.5 应力分析

应力分析主要用于检验卫星电源空间运行时各元器件的参数是否在本身的额定负荷范围内。

由图9，BDR电路应力分析数值均低于50%，满足电路设计要求。

图9 应力分析仿真结果

3.6 故障模式分析

当前设计中，卫星电源放电电路得到了优化，但还不能完全确定其可靠性，因此需要对电路进行故障模拟分析。这样做的目的是确保某个BDR电路内部电路或元器件导致蓄电池组输出过流(26±2)A后，该BDR失效，它与电源脱离，其他备份BDR模块继续工作，进而起到保护电路作用。过流保护电路功能一经触发即处于锁定状态。

本次仿真在2 ms时，对第一个BDR电路进行过流模拟，即：输入端加入脉冲电流(28.223 A)。仿真结果见图10所示。

仿真结果表明，t=0.002 s时，BDR1电流i(BDR1)为28.223 A，大于允许范围，电流保护电路产生关断功率开关的信号，由于存在延时，t=0.00203 s时，i(BDR1)变为0，BDR1 电路失效。整个过程中整个放电电路母线电压(Vbus)及流过另外两路BDR电路电流不受影响，母线电压依旧稳定，因此该电路可靠性得到了验证。

图10 故障模式仿真结果

4 结论

为了延长卫星电源寿命，增强可靠性，以基于HE-Boost的42 V电压等级的BDR电路为例，将建模分析与稳健设计法相结合，对BDR电路进行优化设计，从而获得较高的可靠性。首先通过以32 V作为输入电压BDR电路设计与saber常态仿真，得到稳定后平均母线电压为42.029 V，且放电效率高于97%；其次，通过灵敏度分析，找到敏感器件SG1525的RT，并对其进行参数扫描，变化范围为2.65～2.75 kΩ时，母线输出电压在(42±0.5)V以内；然后，对电路进行最坏情况分析，母线电压稳定后，平均值介于 42.298～41.939 V，漂移值在±0.5 V以内，能验证系统的可靠性；最后，对整个放电电路进行故障分析，当BDR1模块的输入过流较大时，即输入电流突变到28.223 A时，该BDR1电路脱离蓄电池，且母线输出电压依旧维持在42.107 V，证明某个器件损坏导致电流骤升，电路较为可靠、运行完好。综上稳健性设计能实现对放电电路的优化，优化后的电路具有较高可靠性。

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Optimization design and reliability of satellite power discharge circuit

LI Dong-hui1,WANG Wei1,ZHOU Da-jun1,YAO Le-le1,LI Hong-yu2
(1.School of Electrical Engineering and Automation,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2.Department of Electrical Engineering,State University of New York at Buffalo,New York 14260,USA)

TM 131

A

1002-087X(2017)09-1335-03

2017-02-21

李冬辉(1962—)，男，黑龙江省人，博士生导师，教授，主要研究方向为电力电子，计算机控制，故障诊断，楼宇自动化；王伟(1989—)，男，天津市人，硕士生，主要研究方向为电力电子。