低输出阻抗高效高动态响应卫星电源控制器研究

摘要

PCU(PowerConditionUnit)是卫星电源分系统的控制器,它关乎整星成败。在通信卫星所在的地球同步轨道上,卫星电源系统工作环境恶劣,可靠性、输出功率能力及热控要求高,因而PCU必须具有较高的效率。另外,由于通信卫星时分多址(TDMA)的负载特性,要求PCU具有良好的动态响应和较低的输出阻抗。同时三结、多结砷化镓太阳电池阵列广泛应用所带来的寄生电容影响,需在PCU设计时进行考虑。本文的目标在于突破低输出阻抗高效率高动态响应全调节母线卫星电源控制器的关键技术,同时提高PCU可靠性使其适应于大功率通信卫星平台应用。
　　本文对S3R(Sequentialswitchingshuntregulator)架构电源控制器进行了研究,基于输出阻抗、环路特性两方面的分析,对PCU外环控制特性进行优化,给出了分流器的滞环分布确定方法,进而提出了传统S3R低输出阻抗设计方法;针对大功率需求,提出了一种并行能量处理型S3R拓扑,以降低太阳电池阵寄生电容参数对PCU的负面影响(分流管过热,动态响应差等);同时对关键器件的损耗进行了分析。另外,对BCR(Batterychargingregulator)的恒功率负载特性进行了研究,确定了BCR电流采样位置在输入侧,避免了负阻抗特性对整机动态特性的影响。
　　在电池充电器BCR的研究方面,对比了BUCK、CUK、SEPIC和Superbuck等多种降压型拓扑,最终提出了具有输入电流连续优点的带阻尼滤波耦合电感Superbuck拓扑,对其高效率、高动态响应实现技术进行了研究,分别给出在分立电感和耦合电感两种情况下的小信号模型,以及各自不同的控制方式。研究了耦合电感对输入电流纹波的影响,并在峰值控制模式下对其进行了详细分析,提高了单个BCR模块的带宽,由于耦合电感Superbuck与阻尼滤波功能在同一拓扑中实现,省去了一个分立电感和独立的输入输出滤波单元,提高了功率密度。
　　在电池放电器BDR(Batterydischargingregulator)的研究方面,对比了非隔离Weinberg、HE-boost、填谷式移相全桥和SuperBoost多种升压拓扑,研究高效、高可靠、高动态BDR技术,分别建立了小信号模型,并对控制方式进行了分析;同时针对多个BDR并联的关键均流技术进行了研究,对电流测量环节进行了误差分析,最终给出了高均流精度的实现方法。
　　在研究了PCU整机主要功率模块以后,以太阳能电池阵寄生参数为例,研究了纯延时惯性环节对PCU母线电压控制环路的影响。从时域角度分析了延时参数和寄生电容的关系,并在频域分析了延时环节对整机输出阻抗和环路稳定性的影响,针对此研究了母线误差放大的非线性控制方法,有效地抑制了由寄生参数造成的影响。
　　最终实验结果表明:所提出的并行能量处理型S3R拓扑在大功率应用中,显著提高了分流效率及可靠性,且中频输出阻抗低,动静态特性良好。带阻尼滤波的耦合电感Superbuck拓扑较分立电感拓扑输入电流纹波降低了50％,功率密度显著提高,单个BCR模块在BCR域具备调整母线能力,动态特性良好。在BDR域,带纹波抵消支路的SuperBoost拓扑具有较高的效率和功率密度,当输入和输出电压接近时,填谷式移相全桥拓扑优势明显。对于分流域,在较大的太阳阵列寄生电容条件下,保障了分流功率管的可靠性,所提出的非线性控制方法进一步抑制了太阳电池阵寄生电容所带来的负面影响,提高了分流域的动态响应,降低了PCU的输出阻抗。整机环路特性和阻抗特性结果表明:各域中,增益裕度、相位裕度和阻抗特性均满足ESA电源标准,上述关键技术具有自主知识产权,并已为型号任务采用。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 国内外在该方向的研究现状及分析

1.3 论文主要研究内容

第2章 并行能量处理S3R拓扑太阳阵列分流器研究

2.1 引言

2.2 基于跨导型MEA调度的系统控制原理

2.3 顺序开关分流器SR研究

2.4 并行能量处理S3R构架太阳能阵列分流器研究

2.5 本章小结

第3章 高动态响应低输入电流纹波BCR研究

3.1 引言

3.2 分立电感Superbuck工作原理分析与小信号建模

3.3 耦合电感Superbuck工作原理分析与小信号建模

3.4 Superbuck拓扑实验结果

3.5 本章小结

第4章 低输入电流纹波高效率BDR研究

4.1 引言

4.2 BDR拓扑分析

4.3 带纹波抵消支路耦合电感Super Boost拓扑研究

4.4 填谷式移相全桥拓扑

4.5多BDR模块并联均流控制方案研究

4.6 实验结果分析

4.7 本章小结

第5章 寄生电容及纯延时环节对PCU影响分析

5.1 引言

5.2 太阳阵寄生电容对PCU影响分析

5.3 仿真和实验结果

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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