航天器電源系統(tǒng)能量壓縮及功率拓展方法研究.pdf

1、航天器電源系統(tǒng)一般占整個(gè)航天器重量的30％以上。傳統(tǒng)的基于S3R(Sequential Switching Shunt Regulator，順序分流調(diào)節(jié)器)等架構(gòu)的PCU(Power Conditioning Unit,電源控制器)功率密度較低，太陽能電池?zé)o法最大功率跟蹤進(jìn)一步增大電源系統(tǒng)配置。另外，傳統(tǒng)S3R架構(gòu)對(duì)太陽能電池寄生電容的適應(yīng)性也較差。同時(shí)，大功率重復(fù)脈沖載荷的激光、通信等也為航天器電源系統(tǒng)帶來新的問題：如果采用較為簡單的

2、電池母線不調(diào)節(jié)架構(gòu)，會(huì)造成蓄電池壽命過低。如采用S3R等全調(diào)節(jié)母線架構(gòu)則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)太陽能電池和蓄電池必須按照峰值功率配備，造成了極大的浪費(fèi)。隨著衛(wèi)星平臺(tái)的大型化，航天器的電源系統(tǒng)必須具備模塊化和功率可拓展化能力，甚至需要多個(gè)航天器的電源系統(tǒng)間的并網(wǎng)工作。因此研究航天器電源系統(tǒng)的能量壓縮和功率拓展方法對(duì)航天器減重以及性能提升起到至關(guān)重要作用。
　　本文所提出三端口功率拓?fù)浜鸵惑w化架構(gòu)將太陽能電池陣列功率調(diào)節(jié)、電池充電和放電等三類功率

3、單元高度集成為一個(gè)功率單元，提升PCU自身功率密度。同時(shí)研究太陽能電池寄生電容高適應(yīng)性的分流器和最大功率跟蹤技術(shù)，降低太陽能電池陣列配置數(shù)量，實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的空間能量壓縮。針對(duì)重復(fù)脈沖負(fù)載，在脈沖波谷時(shí)刻將能量進(jìn)行壓縮，并于脈沖峰值功率來臨時(shí)，將壓縮的能量瞬間釋放，電源系統(tǒng)總功率配置接近平均功率，大大減少太陽能電池帆板和蓄電池重量，實(shí)現(xiàn)能量時(shí)間壓縮。同時(shí)研究單個(gè)電源系統(tǒng)內(nèi)部功率單元的模塊化直接擴(kuò)展以及多個(gè)電源系統(tǒng)之間的功率共享，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)

4、的功率拓展。具體研究內(nèi)容如下：
　　本文研究了基于三結(jié)砷化鎵材料的PV(Photovoltaic，太陽能電池)的寄生電容對(duì)S3R架構(gòu)PCU負(fù)面影響，其中包括寄生電容對(duì)S3R母線紋波、雙段區(qū)間、相位裕度和輸出阻抗的影響，并給出了在高壓大功率和較高單陣電流應(yīng)用條件下的解決方法。提出了一種新型的低開關(guān)損耗、高功率密度、太陽能電池供電延時(shí)短、同時(shí)結(jié)合了有源和無源限流的分流調(diào)節(jié)器。為了進(jìn)一步的減少開關(guān)延時(shí)對(duì)母線性能的影響，將非線性比例微分控

5、制加入到控制環(huán)路中，進(jìn)一步提升S3R系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度、輸出阻抗以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
　　為了降低發(fā)射成本，提高電源系統(tǒng)的功率密度，提出以 PV端隔離三端口DC/DC變換器為核心的高集成度電源控制方法：所提出拓?fù)渲兴兄鞫O管和MOSFET均能實(shí)現(xiàn)ZCS(Zero Current Switching，零電流開關(guān))，從而大大提高了效率；利用半橋變壓器的第四繞組形成的磁開關(guān)使得太陽能電池陣列 PV的輸入電流保持連續(xù)狀態(tài)；基于負(fù)載端口的boost

6、電路建立的能量平衡，提出了單模塊及多模塊整機(jī)功率擴(kuò)展的控制方法。
　　為進(jìn)一步提高電源系統(tǒng)的功率密度，提出了應(yīng)用于一體化電源控制核心的高功率密度非隔離三端口DC/DC變換器及其控制方法。由于PV端或電池端到負(fù)載端的功率變換采用單級(jí)轉(zhuǎn)換，因此具有較高的效率。各端口的電流均是連續(xù)的，所以提升了整機(jī)的EMC(Electro Magnetic Compatibility，電磁兼容性)特性并降低端口濾波器體積和重量。提出了相應(yīng)三域控制策略可

7、同時(shí)實(shí)現(xiàn)MPPT，電池管理和母線電壓調(diào)節(jié)。
　　研究所提出非隔離三端口變換器中功率磁性元器件的磁集成方法，并將高邊MOSFET驅(qū)動(dòng)和三端口紋波抵消支路耦合到磁芯中，實(shí)現(xiàn)功率密度最大化和所有端口電流“零紋波”；研究可適應(yīng)重復(fù)脈沖負(fù)載的時(shí)間軸能量壓縮方法，將連續(xù)功率轉(zhuǎn)換為脈沖功率并具有很陡峭的邊沿和可設(shè)定的脈沖電流峰值，避免了全調(diào)節(jié)母線的電源系統(tǒng)按照峰值功率設(shè)計(jì)所帶來的設(shè)計(jì)浪費(fèi)。
　　最后，本文提出了一種簡單、模塊化、高穩(wěn)定性和