习成献，王学良，孔陈杰

（1.中国科学院微小卫星创新研究院，上海 201203；2.上海微小卫星工程中心，上海 201203）

0 引 言

电源系统作为卫星的重要组成部分，承担着整星的供配电任务。电源系统的稳定可靠运行是卫星正常运行的重要保障，对提高卫星性能和增强卫星在轨运行寿命起着决定作用[1,2]。随着卫星技术的发展，卫星对电源系统的寿命、比功率、动态特性以及稳态精度等性能提出了更高的要求[3,4]。

母线调节技术在卫星寿命周期内调节卫星太阳电池阵和蓄电池组的能量传输与功率平衡，确保为卫星提供稳定可靠的一次母线。在光照期，分流调节器调节太阳电池阵对星上负载供电，同时充电调节器给蓄电池组充电。在地影期，放电调节器调节蓄电池组对星上负载供电[5]。因此，母线电压的稳定性和高效性直接影响卫星的安全运行、精度以及寿命等。导航卫星运行于中高轨道，整星大功率设备多和导航服务需要不间断供电是其最大特点，对一次电源产生装置、能源储存设备以及能源的管理提出了较高的要求[6,7]。

针对导航卫星的特点，结合我国卫星电源系统的技术现状，在充分借鉴国外主流卫星供电拓扑结构的基础上，设计了一种三域控制的高精度全调节多母线电源结构，通过卫星地面测试和在轨应用验证了此设计方案的正确性[3,8,9]。

1 研究内容

卫星能源系统包括电源控制器（Power Control Unit，PCU）、太阳电池阵、锂离子蓄电池组、均衡器以及配电器（Power Distribution Unit，PDU）。其中，PCU作为能源系统的控制中心，采用BCDR、S3R三域控制全调节母线技术方案，主误差放大器（Main Error Amplifier，MEA）为系统的控制核心。

针对导航卫星载荷复杂多样，设计多母线方案，采用分布式驱动控制，以提高系统的集成度和效率。分布式布局方式在一定程度上减少了载荷单机与平台单机之间的供电干扰，供电之间相互独立，减少了敏感单机及大功率负载单机之间的串扰，可有效提高单机的性能稳定，确保卫星供电的高效和可靠。高精度全调节多母线结构图如图1所示。

2 详细设计

2.1 高精度全调节母线技术

图1 高精度全调节多母线结构框图

高精度全调节母线技术主要解决全轨道周期、全温度范围母线电压的稳态精度以及大功率瞬时负载切换时母线的响应问题。整个母线调节系统的控制框图如图2所示。

图2 高精度全调节母线控制框图

其中，K为母线电压采样倍数；Vref为基准电压；A(s)为主误差放大器增益；G(s)为各工作域传递函数；ILoad为负载电流；Cbus为母线滤波电容。

母线电压变化主要取决于全温度范围内的稳态误差。由于MEA主误差放大器采用三域控制方式，统一控制BCR、BDR以及S3R稳定工作，因此主误差放大器和基准电压在全温度范围内的温度漂移是造成母线电压误差的主要原因。MEA三域控制方式如图3所示。

图3 MEA三域控制图

母线电压的稳定性、可靠性以及动态特性与MEA的电路形式及控制参数密切相关。为了提高可靠性，主误差放大器采用3路冗余并跟随2/3表决电路的设计，每一路主误差放大器均具有独立的母线分压信号和基准电压。为了保证母线电压精度，针对全温度范围内对基准和补偿网络进行优化设计及分析，确保高精度母线的控制。主误差放大器校正补偿网络采用比例积分方式，使整个调节系统具有很高的低频增益。MEA电路控制原理图如图4所示。

图4 MEA电路控制原理图

根据MEA原理图，MEA传递函数如下：

式中，τ1=1/(R1+R2)C1为VMEA的零点角频率；A=1+R2/R1为VMEA的通频增益；G(s)为MEA传递函数；VBUS为母线电压。经调试，选用的参数为R1=10 kΩ，R2=288 kΩ，C1=3 300 pF。将参数值代入并进行频率特性仿真，MEA的零点频率为161.9 Hz，低频增益为29.8 dB，系统具有高的通频带增益。MEA幅频和相频特性如图5所示。

2.2 多母线电源体制

太阳电池阵和蓄电池组通过母线电压调节系统提供一条稳定的42 V主母线，作为整星单机的主功率电源。采用Superbuck结构转换为一条高效稳定的28 V辅母线用作整星的指令母线，并用作姿控推进组件和载荷天线的功率电源。电路模块主要包括功率转换电路、过流保护电路、辅助电源以及遥控遥测接口等功能电路。辅母线模块设计如图6所示。蓄电池组提供一条33～37 V的电源母线，用作帆板展开火工品和大功率天线展开火工品的驱动控制[9,10]。此外，提供一条低功耗、高稳定的12 V电源用于卫星姿轨控单机。

图5 MEA幅频、相频特性图

图6 辅母线模块框图

3 应用分析

3.1 地面试验验证

将某颗北斗导航卫星放进热真空罐内进行热真空试验，模拟卫星在轨工作时功能和性能指标是否满足要求。瞬时负载跃变和内外电切换会造成母线电压的瞬时变化，瞬态特性是考量电源系统响应负载能力的一个重要指标。另外在地面方阵母线端加载示波器，监控瞬时负载跃变和内外电切换母线电压波动情况。实测波形如图7和图8所示。

图7 跃变测试波形图

图8 内外电切换母线电压波动图

由图7的高速数据可知，负载在半载（20 A）和满载（42.2 A）之间互相跃变时，母线电压最大变化为1.2 V，跃变时间约为1.6 ms。图8显示分流状态下，母线纹波小于300 mV，外电转内电切换时，母线电压偏差为793 mV，且恢复时间为0.77 ms。试验结果表明，在瞬时大负载跃变情况下，主母线电压响应速度快、电压超调小且恢复时间短。

3.2 在轨应用分析

该颗卫星在轨运行已超过2.5年，以卫星最近半年的在轨遥测参数为研究对象。为了显示母线电压的短期波动特性，以天为单位，每天截取1 h遥测数据，母线电压和母线电流的监测曲线如图9、图10和图11所示。

图9 卫星在轨主母线电压和负载电流曲线

图9和图10显示，卫星在轨运行期间主母线电压保持在42.25±0.1 V范围内。当卫星负载出现大电流跃变时（40 A突变为15 A），母线电压波动为0.1 V，外电切换为内电时，母线电压输出稳定，蓄电池组电压输出满足要求。图11显示，提供的28 V辅母线采样电压为（4.35±0.012）V，12 V母线采样电压为（3.99±0.015）V。卫星在轨运行结果表明，高精度多母线电压调节系统稳定性好且输出母线电压精度较高。

图10 卫星在轨蓄电池组电压曲线

图11 28 V辅母线及12 V采样电压曲线

4 结 论

长期在轨服务型卫星的特点为高可靠性、高可用性以及长寿命，母线电压的品质是整个卫星高效稳定运行的重要前提。针对北斗导航卫星，详细分析并设计了一套高精度全调节多母线电压调节系统，经卫星地面测试和在轨应用表明，系统母线电压输出品质好、输出功率范围宽且载荷适应能力强，可为后续其他型号电源系统的设计提供参考。