空间电源性能测试仿真系统设计与实现

提出一种基于空间电源控制器的半实物动态环境测试仿真系统,主要由电源控制器、太阳电池模拟阵、蓄电池模拟器、程控电子负载和仿真计算机组成。以电源控制器为被测对象,搭建的仿真系统可实时模拟航天器在空间动态环境下太阳电池阵的输出特性,包括不同轨道、太阳光照角等状态条件下的输出,对航天器上的电源性能进行测试,通过仿真结果验证空间电源系统设计的正确性。     

FY-2C星电源分系统及其在轨性能

介绍了风云二号(FY-2)C气象卫星电源分系统的组成、技术指标和工作原理,以及太阳电池阵、Cd-Ni蓄电池组和电源控制设备等主要部件的设计和改进.遥测数据分析结果显示,C星太阳电池阵功率裕度优于设计要求,采用BSFR太阳电池对方阵工作温度影响不明显,地影轨道72 min地影蓄电池最大放电深度减小,涓流态第三极电性能信号与A,B星-致.在轨运行结果表明,C星电源分系统各部件状态良好,能满足任务要求.国内首次用于地球静止轨道空间电源工程的BSFR太阳电池方阵性能稳定,蓄电池组容量增大,简化了地影期卫星地面管理,改善卫星地影期环境工作温度;解决了A,B星进出影电源分系统自主转电时全调节母线电压的负冲.     

高压大功率S3MPR电源控制器设计与验证

针对航天器平台一级能源变换高压大功率的应用需求,采用并联式DC/DC变换器的最大功率点跟踪(MPPT)拓扑结构,设计一种顺序开关分流最大功率调节(S~3MPR)电源控制器。为了解决传统S~3MPR技术的算法电路复杂、跟踪精度低等问题,兼顾航天器应用环境的特殊性,通过采用模拟电路实现的方式设计出一种基于交错扰动方法的MPPT控制算法电路。该算法可以实现太阳电池阵电压电流输出较大范围内精确跟踪其最大功率输出。研制了5 kW功率(10路太阳电池阵)的原理样机对设计进行试验验证,结果表明:电源控制器性能良好,满足高压大功率航天器平台的应用需求。     

创新一号微小卫星电源分系统

介绍了我国第一颗微小卫星创新一号(CX-1)电源分系统的性能、组成、工作原理,以及太阳电池阵、镉镍电池组和电源控制器等的设计和相应参数。分析了设计中采用的三域控制统一母线调节、高效三结砷化镓太阳电池发电和充电V-T曲线智能化控制管理等关键技术。飞行试验结果表明,CX-1卫星电源分系统的性能优良、工作可靠,达到了设计要求。     

三结砷化镓太阳电池锂离子蓄电池的小卫星电源分系统仿真模型研究

目前，小卫星电源分系统大多采用太阳电池阵 蓄电池组的联合供电模式。三结砷化镓太阳电池凭借高转换率、高可靠性的优势，已广泛用作小卫星在光照区运行的唯一供电单元；锂离子蓄电池的长寿命、高能量密度特性，也使其逐步替代镉镍、氢镍电池作为小卫星的储能单元。文章通过分析某小卫星的三结砷化镓太阳电池、锂离子蓄电池组的数学模型和电源控制器的逻辑模型，结合在轨运行的温度、光照及衰减情况，建立电源分系统的SIMULINK仿真模型，得到仿真曲线，并将仿真数据与星上遥测数据对比。研究结果表明，在忽略入影、出影时太阳反照使得温度骤变的情况下，该小卫星的遥测值与模型的仿真结果相符，表明该仿真模型真实有效。     

卫星太阳电池阵模拟器工作模式研究

为了使太阳电池阵模拟器更真实地模拟卫星太阳电池阵在轨工作请况,首先,设计了一种易于工程实现的太阳电池阵模拟器硬件系统结构,同时为实现最大功率点运行,设计了卫星负载变换电路来实现卫星负载与太阳电池阵模拟器的阻抗匹配。其次,总结了太阳电池阵模拟器与卫星负载组成的系统的3种特性、6种工作点,分析了3种特性下系统工作点的建立过程。最后,采用太阳电池阵模拟器和卫星负载模拟器(电子负载)分别对3种特性下的系统工作模式进行了试验分析,试验结果证明了系统设计与理论分析的正确性和有效性。该设计与分析方法已在多套太阳电池阵模拟器中得到应用,使太阳电池阵模拟器与卫星组成的系统性能得到了优化。     

“天问”一号任务火星车电源产品设计

正深空探测是在卫星领域、载人航天和空间站取得重大成就的基础上,向更广阔的太阳系和宇宙空间进军的探索。火星是太阳系中距离地球最近的大行星之一,与地球同属类地行星,火星探测对探索宇宙和生命的起源、研究地球的演化进程具有重要的科学意义。电源系统是航天所有设备工作的电源,它是电能产生、储存、变换、传输分配和管理的重要系统。目前应用最广泛的是太阳电池阵-蓄电池组供电系统,通过电源控制器实现功率调节。上海空间电源研究所承担了火星车太阳电池电路、火星车锂离子蓄电池组、火星车电源控制器产品的研制工作。     

GEO卫星网状天线遮挡对太阳电池阵输出功率影响的分析及对策

大型网状天线已经在地球同步轨道(GEO)卫星中得到广泛应用,天线在轨展开后不可避免地会对太阳电池阵产生遮挡。文章分析了大型网状天线对太阳电池阵的遮挡,综合考虑遮挡对太阳电池电路特性、太阳电池阵有效面积和温度的影响,并进行了遮挡损失模拟试验。针对影响分析结果,提出了合理的应对策略,如太阳电池阵被遮挡后功率不足时由蓄电池组参与联合供电,可为电源系统功率设计提供参考。     

欧洲自动转移飞行器电源系统设计及启示

介绍了"自动转移飞行器"(ATV)电源系统采用的3项关键技术:太阳翼X构型设计,太阳电池电路交叉布阵,蓄电池组充电控制模式;探讨了这些技术对平衡不同光照条件输出功率、降低遮挡对每个太阳电池阵输出功率的影响,以及确保蓄电池性能安全可靠的优势;并讨论了ATV电源设计方案对我国货运飞船和空间站电源系统设计的借鉴意义。     

抽头电感滤波器辅助PWM DC-DC功率变换器实现软开关功能

推荐了一种使用新型高频变压器连接的全桥软开关移相脉宽调制（PWM）控制的DC-DC功率变换器。可以把此种功率变换器用作小型光伏电池与燃料电池发电系统的功率调节器以及汽车交流电源的隔离式升压DC-DC功率变换器。在低压大电流电源中，全桥电路是最具吸引力的拓扑，因为可以使用低压高性能金属氧化半导体场效应晶体管（MOSFET），并且能实现DC-DC功率变换器的高效率。为了能在大负载波动范围内实现软开关运行，新近在全桥移相PWMdc-dc变换器的输出级采用了包含续流二极管的抽头电感滤波器。在本文推荐的电路中，无需使用附加谐振电路和辅助功率变换器件就能有效降低循环电流。采用设置为1kW 100kHz的实验模板（使用功率MOSFET）对本文推荐的软开关dc-dc功率变换器的实际效率进行了实验室级别的试验。大工作比和负载变化范围内得到的实际效率为94～97％。     

Active Current Sharing of LCLC Resonant Converter with Switch‑Controlled‑Capacitor Technology

In this paper,an interleaved LCLC converter with enhancement-mode(E-mode)GaN devices is introduced to achieve the accurate current sharing performance for data center applications. Any tolerance in the resonant tank elements can lead to large load imbalance between any two different phases. Due to the steep gain curves of LCLC converters,conventional current sharing methods are not effective. In the proposed converter,the impedances of the resonant networks are matched by switching a capacitor,i.e.,switch controlled capacitor(SCC),in series with the resonant capacitor in one or some of the phases,which results in accurate load current sharing among the phases with an accuracy around 0.025%. The load share of a phase is sensed through the resonant current on it,and the control logic applied to such current sharing can be achieved. By this method,accurate current sharing is achieved for a wide input voltage range required for the hold-up time in data center applications. Interleaving is applied in the proposed multiphase LCLC converter,resulting in low current stress on the output capacitor and allowing ceramic capacitor implementation. Moreover,phase shedding accomplishes high light load efficiency. The performance of the proposed interleaved LCLC converter is verified by a two-phase 1 k W prototype with an input voltage ranging from 250 V to 400 V and a fixed 12 V output voltage.     

电荷耦合器件在高速短序列数据采集系统中的应用

在数据采集和处理系统中,高速A/D转换器是一个很重要的部件。本文提出一种新的采用电荷耦合器件组成的高速短序列A/D转换电路。实验表明,这种电路相当于两个采样率为5MHz的8位A/D转换器。它的电路简单,成本低廉。进一步提高转换速度和准确度是有潜力的。     

准谐振反激变换器问题的解析解及其几何特征

本文从直接分析磁能储送的观点[1,2 ] 出发 ,将准谐振反激变换器[3] 和自激反激变换器各自的状态变量B(t) ,以同一导通起点放在一起 ,将它作为一个几何问题讨论 ,发现其中存在一重要的几何特征 ,很易获得这两种变换器磁路状态特征参量 (磁通密度、运行周期和占空比 )之间的解析关系。利用这些关系 ,一个准谐振反激变换器的设计问题就可以转化为一个自激反激变换器的设计问题 ;再引用文 [1]的解析结果即可确定磁能储送器的基本物理参量     

GEO卫星表面充放电引起卫星地电位瞬变及对二次电源干扰试验研究

GEO卫星带电环境和表面绝缘材料相互作用引起卫星表面充放电现象,导致卫星“地”电位的缓慢变化和瞬态变化,其中瞬态变化会造成电子系统特别是数字电路工作异常。文章介绍实验室相关模拟试验研究情况,包括试验原理、试验系统组成、试验参数、结果分析以及“地”电位瞬态变化对星上二次电源输出的影响,讨论了空间ESD干扰防护方法。     

基于GaN HEMT和平面变压器的高效率谐振DC/DC变换器

为了提高航天领域高压直流母线DC/DC变换器的效率性能和功率密度,基于氮化镓器件和谐振变换器拓扑,研究矩阵变压器和平面磁元件的优化方法,提出了一种包含等效半匝绕组的变压器绕组结构,实现了多个并联副边绕组间以及多个并联整流器件间的均流,降低了损耗,提高了低压大电流输出时的效率。此外,还研究了模块的并联均流方法,搭建了270 V转28 V、1.2 kW输出的模块单体样机和2.4 kW的多模块并联样机,验证了所提出方法的可行性。     

空间核电源电力系统功率因数校正技术的研究

为满足我国未来深空探测、星表基地等空间任务电源系统的需求,通过采用基于空间核电源系统的功率因数校正技术来滤除和抑制由发电机产生的谐波,从而提高系统的用电效率。提出一种新型Boost PFC拓扑结构,首先分析变换器的工作原理,之后对工作在连续电流导通模式下的Boost变换器进行建模分析。通过对变换器双环控制中的电压环和电流环进行理论设计和数学推导,从而确定控制环路参数。采用PLECS仿真软件对变换器的控制策略和系统的动态响应进行验证,并实现输入电流对输入电压的零相位正弦化追踪。     

航天器DC/DC变换器启动特性建模分析研究

介绍和分析了单管正激型DC/DC变换器的工作原理,指出变换器内置输入滤波器决定了其启动瞬间阻抗特性;提出变换器内置滤波器构成了二阶欠阻尼系统,当有阶跃电压输入时,滤波电容充电电流会产生衰减振荡,即为浪涌电流产生的根本原因。在此基础上,文章运用＂拉普拉斯变换＂对浪涌电流的计算公式进行了推导,并推导出浪涌电流的时域公式。提出了单管正激型DC/DC变换器启动特性仿真模型的建立方法,并通过试验验证了仿真模型建立的有效性。     

Venus surface power and cooling systems

A mission to the surface of Venus would have high scientific value, but most electronic devices and sensors cannot operate at the 450 °C ambient surface temperature of Venus. Power and cooling systems were analyzed for Venus surface operation. A radioisotope power and cooling system was designed to provide electrical power for a probe operating on the surface of Venus. For a mission duration of substantial length, the use of thermal mass to maintain an operable temperature range is likely impractical, and active refrigeration may be required to keep components at a temperature below ambient. Due to the high thermal convection of the high-density atmosphere, the heat rejection temperature was assumed to be at a 500 °C radiator temperature, 50 °C above ambient. The radioisotope Stirling power converter designed produces a thermodynamic power output capacity of 478.1 W, with a cooling power of 100 W. The overall efficiency is calculated to be 23.36%. The mass of the power converter is estimated at approximately 21.6 kg.     

航天器二次电源的低温工作特性研究

由于航天器在深空探测中处于低温环境中,其二次电源的低温工作特性尤为重要。文章首先介绍了航天器二次电源的供电结构;再从组成二次电源的关键元器件着手,对功率半导体器件（功率MOS管和功率二极管）、PWM控制芯片的低温特性进行深入探讨;最后对一个25W/5.8V输出的航天器二次电源在-35~80℃温度范围内工作的试验数据展开分析,这些工作可为后续深空探测任务的实施提供技术储备。     

Optimisation of powerful energy supply systems for application in space

In this paper it is shown how a nuclear power system with turboelectric conversion is being optimised for application in space and how data subject to the mission and technological data enter into such an analysis. Thereafter it follows a comparison with nuclear power systems with magnetofluiddynamic and thermionic converters.