张 伟，王 锴，张泰峰，鲁 伟，赵 超

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津 300384)

2019年我国利用“快舟一号甲”运载火箭，在太原卫星发射中心6 h内两次发射，将7颗小卫星送入太空。目前各类低轨星座卫星，如鸿雁星座、虹云星座、国家互联网星座等卫星的发展，都使卫星的生产、测试及交付周期缩短、卫星电源控制器向着标准化模块、器件种类减少、成本降低以及型谱化和高比功率发展。商业低轨星座卫星控制器的快速发展，迫使中高轨长寿命大功率卫星向型谱化高比功率方向发展，促使中高轨长寿命卫星的更新换代。目前我国42 V电源控制器以北斗系统42 V中轨卫星为主，电源控制器功率小于2.2 kW，质量约30 kg，比功率小于74 W/kg，对于我国下一代中高轨卫星在功率和比功率上都略显不足，因此未雨绸缪，先期开展适合下一代中高轨尤其优先满足下一代导航卫星、Small-GEO的中轨卫星用电源控制器，采用42 V母线，功率大于4.6 kW，比功率不小于175 W/kg。

1 电源控制器优化

电源控制器作为卫星电源分系统的控制中心，其主要功能是，在卫星寿命周期内协调太阳电池阵和蓄电池组的能量传输和功率平衡，确保向卫星提供稳定可靠的一次母线[1]。在光照期，电源控制器的分流调节器调节太阳电池阵对星上负载供电，同时，通过电源控制器的充电调节器给蓄电池组充电；在地影期间，通过电源控制器的放电调节器调节蓄电池对星上负载供电，电源控制器配置有下位机用于和卫星综合电子实现信息交互，实现对控制器的遥控遥测。电源控制器主要包含顺序开关分流调节器(S3R)电路、放电调节器电路(BDR)、充电调节器电路(BCR)、遥测遥控电路(TMTC)、主误差信号电路(MEA)、电池控制管理电路(BCM)、二次电源及母线电容等。

1.1 标准化功能模块设计

为实现电源控制器的型谱化和高比功率，首先要实现功能模块的独立性和互换性，采用模块化设计，如图1电源控制器配置图。依据电源控制器的功能将控制器分为五种标准化模块[2]。SUN模块，主要包含S3R电路、多项保护电路、信号采样电路及分布式母线电容；BCDR模块主要包含BDR电路、BCR电路及辅助电源；TMTC模块，主要包含控制器主控单元、BCM、MEA、DA档位电路、过压保护电路及二次电源；CAPA模块是电地、结构地、系统地设置处及补充母线电容；MotherBoard模块，主要实现上述模块之间的功率汇流、信号传输及提供地面测试接口。采用标准化的模块设计，可以多台套并行生产和调试，对于型谱化产品至关重要。

图1 电源控制器配置图

1.2 轻量化结构方案

中高轨电源控制器的结构通常占据控制器质量的三分之一，材料选用铝合金(2A12H112)，因此结构上的减重是实现控制器高比功率的关键因素之一。图2为控制器轻量化模块化结构示意图，结构的设计涉及到电源控制器的力学性能、控制器内部热源的导热设计，以及EMC、辐照等方面的设计。本方案采用框架型结构替代传统带侧壁的腔型结构，同时整机配置上盖板和侧盖板，发热器件集中放置结构底部。这种设计使结构占控制器质量的三分之一降到四分之一，使比功率得到大幅提升，大功率器件置于结构底部可以实现大功率器件良好散热。

图2 电源控制器轻量化模块化结构示意图

1.3 工艺优化方案

电源控制器属于电子单机，在控制器的生产过程中存在笨重的金属汇流条和大量信号电缆线，随着卫星功率增加，信号增多，电缆焊接不仅容易出错而且耗时耗力以及汇流条的使用极大降低了控制器比功率。本方案中采用多层PCB覆铜，代替传统汇流条和多层PCB绘制信号线代替大量电缆信号线，可有效提升控制器比功率及加快控制器研制周期。图3为功率器件的集成。

图3 功率器件的集成

2 电源控制器的设计实现

空间型谱化高比功率电源控制器，针对42 V母线4.6 kW输出功率，通过MEA统一协调各功率调节器(分流调节器、放电调节器及充电调节器)稳定母线。电源控制器原理框图如图4所示[1]。

图4 电源控制器原理框图

电源控制器配置有8个BCDR模块，每个BDR输出电流18 A，共8个BDR，其中A电池和B电池各冗余一个BDR，最坏情况下功率保证6个BDR输出功率不小于4.6 kW；BCR输出电流3.5 A，最大充电电流28 A；4个SUN模块，每个SUN有3级Boost-S3R电路，每级分流调节能力15 A，12级可调能力180 A；TMTC模块配置两个，主备份设置，采用基于反熔丝的FPGA数字控制芯片(DICO)，也可依据型号要求单独配置TMTC模块其它类型主芯片。

2.1 SUN模块

光照调节(SUN)模块的设计主要包括Boost-S3R电路、母线滤波电容、相关保护电路及信号变换电路等组成。电源控制器配置4个SUN模块，每个SUN模块设置3级Boost-S3R电路，单级分流能力为15 A。Boost-S3R可工作于分流态、开关态及直供母线三种状态。当负载减轻时，MEA电压升高，12级分流电路依次进入分流状态；反之，当负载加重，MEA电压降低，12个分流电路依次退出分流状态。控制器通过对太阳电池阵电流的调节来保证母线电压的稳定，图5为SUN模块原理示意图。

图5 SUN模块原理框图

Boost-S3R与传统S3R电路区别，调节电流能力由7.5 A提高到15 A；母线隔离二极管两个串联设计改为单管设计；MOS管采用双管串联设计。针对上述变化增加母线隔离二极管的防短路保护、分流MOS管的短路保护、针对单级方阵的大电流，采用无损耗峰值电流浪涌抑制功能及回差比较器故障常分流状态保护电路、非隔离型高端MOS管驱动电路。通过上述设计不仅提高了S3R电路的可靠性而且SUN模块比功率得到极大提升，同时整机层面减少S3R级数，SUN模块数，大幅提高了电源控制器整机的比功率。如图6所示，高比功率SUN模块，配合框架式结构和无缆化设计提高了SUN比功率。

图6 高比功率SUN模块示意图

2.2 BCDR模块

BCDR模块包含BDR电路和BCR电路，分别完成蓄电池的放电功能和充电功能，其次，模块设计有APS辅助电源，实现对BCDR控制电路的供电。BCDR电路主要功能是在反应母线电压的主误差信号控制下，调节蓄电池放电电流以满足负载功率需求，同时在电池电压反馈信号及智能管理单元控制下调节充电电流为蓄电池组完成恒流恒压充电[3]。

工作于中轨的导航卫星及中高轨卫星，最长地隐时长与最短光照时长比小于十分之一，因此可以设计每个BDR功率是BCR功率的10倍以内。设计BDR输出电流18 A，BCR电流大于1.8 A即可，本方案设计充电最大电流3.5 A。由于BCR功率较小，可以考虑将BDR和BCR集成于一个模块，且共用部分输入输出电路，且增加输入输出保护电路，实现模块级故障保护，便于模块型谱化设计，同时可以提高BCDR模块比功率。BCDR模块原理框图如图7所示。

图7 BCDR模块原理框图

较传统BCDR电路在功率拓扑上采用单MOS管和单二极管设计，增加模块级输入输出保护电路，共用部分功率线路，可有效提高BCDR效率，同时BDR电流较目前设计电流能力16 A增加至18 A，BCR电路简化，通过提高BCDR共用电路、简化BCR电路、提高工作频率，一个二次电源配置，配合框架式结构和无缆化设计提高了BCDR比功率。控制器配置6个BCDR，放电功率达4.6 kW，其中两组电池各增加1个冗余BCDR，共计8个BCDR模块，充电电流28 A。通过提升BCDR比功率进而提升整机比功率。图8为高比功率BCDR模块示意图。

图8 高比功率BCDR模块示意图

2.3 TMTC模块

TMTC模块是电源控制器的智能管理中心，包含基于反熔丝的FPGA数字电路、1553B通信接口电路、信号变换电路、MEA电路、BCM电路、指令电路及辅助电源等。由于采用了基于反熔丝的FPGA的高集成电路，较目前TMTC模块数字电路集成度得到大幅提升，质量体积大幅减小。图9为高集成TMTC模块示意图。

图9 高集成TMTC模块示意图

2.4 CAPA模块

CAPA模块内部设计有母线滤波电容及接地桩等。CAPA采用功率PCB代替目前的组件焊接电容排，可提高生产进度和降低汇流排使用，减轻模块质量。

2.5 母板模块

高比功率控制器采用各模块垂直插于母板(Motherboard)模块上，母板采用功率PCB替代汇流条，同时多层PCB可以实现各模块之间的信号互联，结构采用框架型结构，有效提高模块比功率。图10为母板模块示意图。

图10 母板模块示意图

3 测试结果

42 V母线，型谱化高比功率电源控制器原理样机如图11所示，功率4.6 kW，比功率175 W/kg。经过测试，性能指标见表1。

图11 高比功率电源控制器原理样机

表1 控制器测试结果

4 结束语

通过对型谱化高比功率电源控制器原理样机研制，该设计方案通过电路上的创新、结构上、工艺上的优化设计，较目前中高轨42 V母线主流长寿命电源控制器，功率由2.2 kW提升至4.6 kW，质量由30 kg降低至26 kg，比功率由74 W/kg提升至177 W/kg，对于我国下一代导航卫星、Small-GEO等卫星电源控制器具有借鉴意义。