卫星S3R三域控制型的电源系统稳定性研究

方 圆，杨肖锋，覃思明，顾豪杰

（1.中科院微小卫星创新研究院，上海 201203；2.上海空间电源研究所，上海 200245；3.上海公安局国际机场分局，上海 201202）

0 引 言

本文以卫星S3R型功率调节的电源系统为研究对象，着重分析了系统稳定性的重要因素——输出阻抗，完成了输出阻抗的测量，确定了稳定性的指标和有效评价，以解决负载多样性对电源系统稳定性产生的干扰问题，提高系统的工作稳定性。

1 卫星电源系统稳定性分析方法概述

卫星电源系统与星上负载主要采用级联直流的方式进行传输。用Zo和Zi分别表示电源系统输出阻抗和负载输入阻抗，V1out和V1in分别为电源系统的输出电压和输入电压，V2out和V2in分别为后级整个负载系统的输出电压和输入电压。在当前的整个供配电系统中，传递函数为：

2 S3R型功率调节系统输出阻抗的影响因素分析

电源系统作为卫星的重要分系统，系统的稳定性直接影响卫星功能的实施和应用。目前，各种轨道卫星采用S3R三域型电源系统的拓扑架构较多，见图1。S3R功率调节电源系统的主要原理是采用三域控制的全调节母线，对三域分为分流调节（SR）、放电调节（BDR）和充电控制（BCR）。三域各自的EA（Error Amplif i er）均来自于系统主MEA（Main error Amplif i er），形成统一的误差放大器反馈系统。

图1 S3R功率调节系统原理框图

整个电源系统拓扑中，功率环路共有三种状态，即充电态、分流态和放电态。环路增益、拓扑参数等因素影响系统的输出阻抗。如果输出阻抗将三态的工作模式以传递函数来表达后汇总，计算量较大，且中间不确定因素较多。电源阻抗可以用同一频段下电压与电流的相量比值来表示。等效图见图2。

图2中，从电源输出和负载输入的通路的正负端注入某一频率的正弦交流扰动电流Ip，Is和IL分别为扰动后产生的流入电源输出方向和负载方向的交流相量。两点之间将产生正弦交流电压则有IL，其中电源输出阻抗为Zs，负载输入阻抗为ZL。

图2 系统等效输出阻抗定义

由于电源系统是一个非线性系统，阻抗在不同的工作点上都不同，但存在一个近似线性动态区间。因此，测量时单一频率注入幅值较小的正弦激励电流产生电压扰动，通过上述公式进行计算测量结果[1]。

实际的卫星电源系统非常复杂，信号环路不仅有电压环反馈系统，还有电流环反馈系统。此外，各类功率器件的寄生电感、寄生电容和寄生二极管等参数，均会影响系统输出等效阻抗的变化。因此，研究输出阻抗的变化应在实际测量中评价，理论计算作为辅助验证。

3 输出阻抗测量及稳定性指标确定

3.1 测量方法选择

为了避免因理论模型构建不准确影响评价结果，产生较大误差，采用电流电压测量法进行测量。电流电压测量法是测量电源的输出阻抗的传统方法，基本原理是注入一个扫频的电流信号到DUT，测量DUT两端的电压和所注入的电流信号，测某一频点的电压/电流即可得到此频点下的阻抗，如图3所示。

图3 电流电压测量法简化图

1 Ω电阻附近连线的分布电感的阻抗引起的测量误差很难完全消除，这个方法不适用于精确测量毫欧级阻抗，只适用于测量类似卫星电源欧姆级别的输出阻抗。

3.2 测量试验及结果

采用的网络分析仪为E5061B，设置如下：

（1）[Preset]（OK）将仪表状态设置为预置状态；

（2）[Meas],(Measurement Port)->Gain-phase.选择测试的模式；Gain-phase Set up->(T input Z=1 MΩ，T Attenuator=0dB,R input Z=1MΩ，R Attenuator=20dB)；

（3）[Start],10HZ,[Stop] 1MHz,根据需求设置测试的频率范围；

（4）[Sweep Setup],(Power),0dB,设置输出功率不要太高；

（5）[Avg],(IFBW Auto->ON)，（IFBW Auto Limit）,10HZ；

（6）[Scale],(Scale/div)=50mvdB/div,Reference position =0dB;Reference Value=0dB；

（7）[format],linmag.

设置完成进行校准，分别将T端口和R端口连至相同点进行直通响应校准。注意，将激励信号源的功率降至-5 dBm以下，防止过载。校准完成后，分别测试轻载、中载、重载电源变换器输出阻抗。

图4中虚框为电源系统的PCDU（电源控制器），后级负载用电子负载代替。用变压器把网络分析仪E5061B的正弦激励信号源的地悬浮起来，利用其内部高阻接收端测量电子负载的交流电压和电流。IR为电子负载的测量电压→T（test）端口，IR为流过1 Ω电阻的交流电流→R（ref）端口。它的比值就是被测PCDU的输出阻抗其中VT和VR分别为电子负载和1 Ω电阻上的交流电压实测值。可以看出，网络分析仪测量结果是PCDU输出的阻抗和负载等效阻抗的并联值。由于PCDU的输出等效阻抗远远小于电子负载的阻抗，因此测量结果可以近似等效为PCDU的阻抗（从卫星上来看，即电源系统的输出等效阻抗）。需要说明的是，图中1 mF的隔直电容器是为了防止输出端的直流信号串入变压器和1 Ω的电阻，同时也可提高在低频测量范围下的信噪比。

图4 阻抗测量具体测试连接图

3.3 稳定性指标确定

从卫星电源系统稳定性判据来看，当且仅当输入与输出阻抗关系符合|Z0|＜＜|Zi|时（但实际往往无法满足该要求，或两者的增益裕度不足），可适当在系统输出正端增加电感或增加并联电容，改变前后级的输入、输出阻抗匹配关系。因此，工程应用中应兼顾整体结构尺寸、母线动态响应时间等影响因素，综合选择电源系统输出阻抗改进方案，使整个系统稳定运行。

4 结 论

综上所述，卫星电源系统设计影响着整星负载系统的输入稳定性。通过对其输出稳定性分析方法进行研究，可以明确系统稳定性的判断依据。在此基础上，采用建模和仿真分析确定在全频率下电源输出阻抗的主要影响因素，进而利用网络分析仪对电源输出阻抗进行测量，确定电源稳定性评价指标，为卫星电源系统设计提供依据，确保电源系统的稳定运行。