无线供电模式在微小卫星供配电上的应用前景①

2020-06-04张俊峰彭立盛范培云

空间电子技术 2020年2期

张俊峰，赵斌，雷晖，彭立盛，汪蕾，范培云

(1.中国空间技术研究院西安分院，西安 710000；2.兰州空间技术物理研究所，兰州 730000)

0 引言

卫星电源分系统是获取、储存、分配电能的分系统，负责在卫星整个生命周期中提供稳定可靠的电源。电源分系统是卫星重要组成，相当于人的心血管系统，需要长期静默工作，以维持生命，若发生故障，将是致命的，电源分系统同时也是平台重量的主要来源，尤其对于微小卫星来说，电源分系统的处理功率密度更直接的影响任务的单位质量能效。

卫星电源分系统通常分为供电子系统和配电子系统，两部分联系紧密同时有分工侧重。

由图1可知，供电子系统主要负责包括获取、储存在内的能源处理，和主要包括母线调节等任务的能源管理。空间能源获取的来源通常主要由核能、燃料电池、太阳能几种方式中的一种或其中多种方式的组合，考虑体积、重量因素，目前阶段微小卫星、立方星的能源来源基本采用单一太阳能。依然是由于体积、重量因素，即使采用母线调节MPPT等技术，带来的有限能源节省和更充分利用，也最终局限于携带光电电池的转换能力。

图1 卫星电源分系统基本组成Fig.1 Basic components of satellite power system

配电子系统主要负责电能分发，包括转换电压的变换器及配电网络，配电网络带来的重量比重如能进一步减小，将对微小卫星的总体效能提高有益。

根据目前阶段电能无线传输的研发进展，结合微小卫星供配电体制，提出了在卫星电源分系统应用无线传输技术的前景分析，包括在供电子系统采用无线接收外部电能，在配电子系统应用无线电能传输技术。

1 供电子系统接收外部电能

相较于同期的其他方案，现阶段微小卫星、立方星供电子系统主流的方案是转换效率28%以上高效三结砷化镓(Tri-Junction·GaInP2/GaAs/Ge)半导体太阳能光电电池和锂离子蓄电池的组合。由此，最直接功率扩容的方案大多集中在光电电池的面积扩容、多结InGaN、锑化镓(GaSb)基等更高效太阳能电池的研发、透镜聚光增强和柔性展开的薄膜电池，针对于很难增加更多转动机构的微小卫星、立方星来说，柔性展开的薄膜电池相对更易成为备选方案。碳纳米材料等针对锂电池的电极改造也会推进锂电的等体积容量提升。同时，采用母线调节MPPT等技术，带来的能源更充分的使用，但上述直接措施终将局限于携带光电电池的转化能力。

随着各种载荷设备用电量的增加，甚至电推进等平台设备的用电量增加，对电能的需求越来越大，形成了有限体积下的有限能源与功耗间的主要矛盾。微小卫星、立方星为了更好的提升任务质量，对于能源的更大需求，可以令我们寻求除了上述自身获得之外的接收外部能源供给的形式。大卫星采用的可再生燃料电池等方案不适用于小卫星。针对于微小卫星、立方星应用场景，我们考虑采用的远距离无线电能传输技术，国内中国空间技术研究院西安分院等众多研究机构均做了大量工作。

远距离无线功率传输(Wireless Power Transmission，WPT)主要有激光功率传输(Laser Power Transmission，LPT)和微波功率传输(Microwave Power Transmission，MPT)两种方式。LPT模式，激光波长短，波束窄，收发天线尺寸小，重量轻，需要根据接收整流的效率和热耗控制接收功率，以避免功率过大导致烧毁。在未来的激光/微波武器，也有可能采取能量阻塞的方案来摧毁目标立方星。目前阶段激光通信发展迅猛，提供了大量具有实践意义的激光跟踪校准方案和数据。MPT模式，如果能源的来源是空间其它飞行器，相应的同样需要实现高速相对运动过程中的微波发射天线和微波接收天线的精确对准，需要一定程度的伴飞。

空间太阳能发电站(Space Solar Power Station，SSPS)是一种在太空将太阳光转化为电能的超大型发电系统，具有环保、高效等特点。星地输电用2.45GHZ或5.8GHZ的微波，易穿透大气层，在良好气象条件下，电能仅损失2%。建造空间太阳能电站的构想由美国科学家1968年提出，现各国规划的SSPS都要到2040年后才能建成，产生效益[1-4]。空间太阳能发电站可以采用MPT模式或LPT模式传输功率。空间太阳能发电站运行或验证阶段可以配备子电站，子电站具备给飞经其发射功率范围内的微小卫星供电的能力。

2016年12月，清华大学航天航空学院航电实验室该实验室成功完成世界首次微波频段轨道角动量(OAM)具有螺旋相位面的电磁波27.5公里长距离传输实验。

微小卫星对并联式方案敏感，更适宜兼容性方案，或唯一性方案，即体积的原因，不适宜同时安装一套微波，一套激光，两种接收器。除非这两种接收器已经形成了成熟的统一模式的接口的结构线路板。

无论是MPT模式还是LPT模式，空间太阳能电站或地面微波电站微波能量、激光能量传输，在微小卫星、立方星的接收端，接收效率的提升主要集中于接收器整流电路的效能。

图2 外部无线电能接收示意图Fig.2 The external radio can receive the schematic diagram

对于接收器整流电路，以GaN为代表的第三代宽禁带半导体的应用，将提高微小卫星、立方星接收端的转换效率，从而提升整个能量转换系统的效率。GaN基肖特基势垒二极管(SBD)是一种重要的GaN基器件，它是多数载流子半导体器件，相比于pn结二极管，具有反向恢复时间短、开关损耗低的优点。GaN基SBD不仅有GaN-SBD，还有体材料为异质结的ALGaN/GaN-SBD。国外Transphorm公司生产的TPS3410PK 600 V/6 A GaN肖特基二极管，国内Dynax公司即可提供GaN-SBD，能满足相应参数的要求。

如果不能保证全天候的供电，只要在一定时段获取到足够的能源即可，基于同样的原理，具备微波或激光接收面的低轨微小卫星、立方星，也可以从地面发射站获取能量。基于远距离能量传输的工程原理，立方星捉衿见肘的能源供应有可能得到一定程度的缓解，从地面发射站获得能量和从空间其他飞行器获得能量，同样涉及到整星姿态控制和通信及航线规避。上述无线供电模式，除了应用于微小卫星外，也适合小卫星的辅助能源采集，包括失能卫星(包括能量耗尽或一次母线主份故障)的临时供电救援。

2 配电子系统应用无线电能传输技术

微小卫星及立方星应用优势之一即是简单、规范的结构，简单的立方结构带来很大便捷的同时也有一定的局限性，如果承载异形有效载荷，将对整星布局造成影响，这将违背立方星快捷固定平台的初衷。立方星相对于细胞星的组合应用中，在多立方星对接的过程中，无线供电可以利于组网组合任务的进行。另一个应用前景是利于供电子系统再轨更换，包括蓄电池在内的无线供电单元的非连线式结构一旦形成，利用机械臂简单操作，通过更换无线供电单元延长一倍的重点节点组网星工作寿命，也将存在一定的可能性。另外，当对带有转动机构设备(诸如太阳能板转动机构、天线转动机构)或布线结构复杂的情况、或需要隔离整星振动的设备(诸如振动敏感型制冷机、光学系统、某些飞轮、陀螺等)，进行非接触无线供电时，将大大提高可靠性。

地面电子产品采用无线供电的优势主要集中在无线式供电带来的便捷性，而基本没有减重的考虑。立方星需要将平台部分的重量降至最低，通常立方星考察各组件板的重量均在10g/5g的分度量级，连接线缆的铜线及相应的支撑电连接器接头的重量，在这时将也作为一项重量因素。

图3 内部无线电能接收示意图Fig.3 Internal Radio Energy reception schematic

现有的PC104+线缆的结构设计是立方星的几项核心规范之一，是实现立方星优势的重要保证，能否在未来形成无线供电的新体制，取决于近距离无线供电的进步，包括技术的成熟/电磁兼容的统一考虑，实现功能的质量比等因素。

近距离无线功率传输WPT的各种方案中，超声波方式目前多用于1W以内微功率传输，电场耦合方式(Electrical-field coupled power transfer,ECPT)和电磁感应耦合方式(Inductive Coupling Power Transfer,ICPT)的功率传输距离较近，相对于微小卫星10cm*10cm*10cm的单体结构单元，磁耦合谐振式无线电能传输技术(MCRWPT：Magnetic Coupled Resonance Wirless Power)更为适合。地面电子产品使用近距离无线功率传输WPT，形成三大无线供电标准联盟，每个联盟都希望自己的标准能成为业界主流。2015年，Wireless Power(A4WP)与Power Matters Alliance(PMA)合二为一，共同创建AirFuel无线充电联盟。不同于WPC无线充电联盟的Qi磁感应技术，AirFuel技术包含谐振(Resonant)及射频充电(RF)。AirFuel谐振技术，不仅在空间上的自由度更大，还能同时对多台设备进行充电，最大充电高度可达50毫米。AirFuel射频技术，可以在几厘米到一米的范围内进行低功率充电，真正做到了空间自由。

对于成熟商用器件的选用使得立方星接近应用的优势得到体现，这一重要基本原则，应用在无线供电方面，指导我们对成熟的和有成熟潜力的无线供电商用器件进行了调研。

亚太电信组织(Asia-Pacific Telecommunity, APT)已经正式推荐6.78MHz作为无线电力传输的频率。磁耦合谐振式无线电能传输的工作频率下，如果使用传统的MOSFET作为发射端的逆变电路开，难以实现高频软开关，必然出现开关损耗大，热耗增加，转换效率降低且系统不稳定的状态，第三代宽禁带半导体GaN功率电子器件的出现，有效的解决了这一问题。美国宜普公司(Efficient Power Conversion Corporation，EPC)2017年推出了(以EPC2045、EPC2046、EPC2047为代表的)第五代产品，尺寸减半，性能却提高了三倍。美国Transphorm公司、SSDI公司提供类似Cascode增强型GaN晶体管(低压MOS与常开高压GaN自级联型)，纳微公司(Navitas)、TI公司提供集成驱动器的GaN产品。2018年，EPC公司也推出了集成驱动器的GaN产品。

图4 EPC公司GaN电力电子功率管Fig.4 Efficient Power Conversion Corporation，EPC

密切跟踪磁耦合谐振式无线电能传输技术发展，更紧密的结合应用，使用货架式无线供电产品，是推进在配电子系统应用无线电能传输的重要应用路径。

以EPC公司产品为例，该公司推出的无线输电套件EPC9129，该套件是一种高效、AirFuelTM联盟兼容的无线电源传输套件，可在 6.78 MHz工作时提供高达 33 W 的传输。套件包括:一个EPC9512放大器板及发射线圈，一个EPC9513整流板及接收线圈，一个EPC9514整流板及接收线圈。

宇航应用环境适应性中最关键的抗辐照特性，使用GaN无线供电也是完全可以满足的。离散FET已被证明是总剂量和单粒子事件耐受的，如果采用具有相同基本结构的eGaN集成电路，预计会显示出类似的耐受性。这一点使得采用GaN工艺驱动芯片的集成FET的产品的抗辐照特性甚至优于现有的CMOS工艺驱动+Si基MOSFET的组合。

同时，采用GaN工艺驱动芯片的集成FET的产品在该功率转换部位，元器件数量减少至1，焊点数减少50%，PCB尺寸减少50%。

EPC9512 ZVS Class D 功放发射

EPC9513整流板及接收线圈

EPC9514整流板及接收线圈图5 EPC9129无线电源传输套件Fig.5 EPC9129 Radio Source Transmission Kit

图6 采用GaN工艺驱动芯片的集成FETFig.6 Integrated FET for driving chips using GaN process

这种内部无线供电模式，除了特别适合微小卫星外，也适合大卫星的复杂单机或分系统，尤其是无线信息与功率同步无线传输技术，特别适合内部有产生相对位移的组件(诸如太阳能板转动机构、天线转动机构)或布线结构复杂的情况或需要隔离整星振动的设备(诸如振动敏感型制冷机、光学系统、某些飞轮、陀螺等)。

磁谐振频率将带来一定的电磁兼容问题，所以选用满足标准规范的组件会减少设计问题。如果同时应用了前面提出的远距离无线电能接收技术，两种技术的应用由于能量处理方式的略有不同，很难出现相互干扰的状态。另一个需要注意的影响是跨越高耗介质带来的损耗。

3 内部高压设备应用无线电能传输技术

行波管电源等星上应用的高压电源产品存在着高压部分与低压部分的绝缘与隔离问题，如果能引入无线供电技术，将在功率无线传输的同时完成高压部分和低压部分的隔离。

图7 磁耦合谐振式无线电能传输系统示意图Fig.7 schematic diagram of magnetically coupled resonant radio energy transmission system

行波管电源等星上应用的高压电源产品应用无线供电技术的方案：

在高压电源变压器的采用高频无线传输技术，即在低压部分，初级侧GaN高频功率管输出，确定低压部分的边界，由无线传输间距决定隔离间距，降低帕邢击穿的风险，同时，将大大减少灌封材料的使用，降低产品工艺风险。在高压部分，将接收的功率进行倍压整流，输出高压。相关的阳压电源，采用相似的处理方式。

上述无线供电转换的初级侧，可以采用本文图3所示的通用模式，也可以适当升高几倍初级侧电压，即高压无线转换，碍于整流器件反向恢复时间带来的损耗，高压无线转换是原有Si基器件无法承受的，致使该方案长期不具备可行性。第三代宽禁带半导体SiC/GaN整流二极管的商业化，使得高频高压无线转化成为可能，将逐步提高直接转换的电压，减小传输电流，提高传输效率。

高压电源产品的内部，需要悬浮于高压的诸如灯丝电源，将使用更为通用的无线供电技术，产生由无线传输间距决定隔离间距的悬浮电源，同样降低了帕邢击穿的风险。

无线供电技术在高压电源产品中的应用，会带来高、低压部分的完全物理隔离，使得高压电源具备更好的电气安全性、内部绝缘安全性。目前阶段，就商业市场上成熟产品来说，有相应器件，但无直接可供购买的组件。部分国外高校有研究，国内高校没有见到相关的研究，可以与科研院所协同开发，是有潜在军民融合及商用前景的，未进入较多研发力量的领域。

目前阶段，就现有无线功率传输技术水平(美国圣地亚哥州立大学团队，采用磁耦合方式、电场耦合方式或两种结合方式，kW级功率效率可达到90%上。)来说，无线能量传输功率可以完全覆盖星用高压电源功率使用范围，但该项技术目前阶段无法完成减小产品体积的优势，因为使用第三代宽禁带半导体带来的体积优势，会被增加的传输天线体积弥平，仅留下工艺生产优势、更好的电气安全性、内部绝缘安全性优势，如果进一步减少体积，还需要同时采用其他技术，有进一步的大量工作要做。