S4R功率调节技术在航天器上的仿真研究与实现

对于大功率母线的航天器,传统的母线功率调节技术因为诸多缺点已经不能适应母线功率不断增大的要求。S4R作为一种新型的卫星母线调节技术能够很好的控制母线电压,同时具有优良的电池充、放电特性和很高的效率。在对国、内外S4R技术研究的基础上,从S4R的工作原理出发,给出了S4R功率调节技术的实现策略。在此基础上进行了实际电路的仿真分析,最后给出了部分实际的工作波形.并展望了其应用前景。     

空间电源功率调节技术综述

介绍了空间电源功率调节装置(PCU)的分流调节器(SR),蓄电池的充电控制器(BCR)、放电控制器(BDR)和主误差放大器(MEA)的原理和技术现状。阐述了顺序开关分流调节(S3R)、混合型调节和顺序开关分流串联调节(S4R)三种基本拓扑的工作原理,并对三者进行了性能比较,认为S4R是目前最先进的调节技术。讨论了功率调节装置模块化、智能化和小型化的发展趋势并分析了大功率的功率调节装置研制难点。     

航天大功率电动伺服系统功率驱动设计及验证技术

针对运载火箭30 kW以上功率等级电动伺服控制驱动器的研制要求，设计了一种强环境适应的大功率绝缘栅双极型晶体管(IGBT)功率驱动模组。通过对火箭固体助推发动机工作环境分析，设计了基于光耦驱动器件的功率驱动与保护电路;为有效提升功率驱动模组在高压大电流工作时的可靠性，采用降低功率主回路杂散电感与IGBT有源钳位闭环控制相结合的方法，有效抑制IGBT在大电流关断时的电压尖峰;通过对动力电进行滤波处理，有效解决高压高频信号通过线缆传输时对控制驱动器内、外部的电磁干扰问题;通过IGBT功率驱动电路的单双脉冲测试及连续功率测试，有效验证IGBT功率驱动模组的高压驱动能力，为大功率电动伺服系统的可靠性提供技术支撑。     

航天器百千瓦级分布式可重构电源系统设计

随着大功率通信卫星、高分辨率SAR卫星、大功率电推进航天器、核动力航天器、大型在轨服务站等对超大功率能源系统需求不断增强,100 kW超大功率电源系统成为未来大功率航天器电源系统的发展趋势。文章结合航天器电源系统研究基础,对100 kW电源系统的高压、大功率、分布式的任务特点进行分析,设计一种分布式可重构电源系统,提出了系统拓扑架构和相应的控制策略,并对高压大功率变换控制技术、多通道能源管理技术、高压大功率元器件技术和系统可靠性、安全性技术进行研究。对文章提出的电源系统进行软件建模和仿真,结果表明:100 kW电源系统拓扑架构和管理控制策略合理可行,系统稳定性较好,鲁棒性强,可为后续大功率航天器电源系统研究和设计提供参考。     

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。     

航天器太阳电池阵分流技术研究

对航天器太阳电池阵分流技术进行了归纳总结,对PWM,S3R和S4R三种开关分流调节技术进行了详细的原理分析,比较总结各自的技术特点。并对S3R和S4R技术进行了深入研究,对S3R技术进行了详细的设计与计算,对S4R技术典型工况进行了详细分析与实验验证。同时对三种开关分流技术做出了评价。     

一种深空探测器高比能智能电源系统设计

提出一种深空探测器电源系统设计方案,采用高转换效率三结砷化镓太阳电池、半刚性基板轻量化技术及高比能锂离子蓄电池组;提出并采用一种基于顺序开关分流(S3R)结构的扰动交错法最大功率点跟踪(MPPT)技术,提高了太阳能源利用率;提出并采用一种适应空间电源的机内测试技术(BIT),以提升电源自主管理能力。32%效率三结砷化镓太阳电池及其半刚性基板,已经通过鉴定试验验证。能量密度195W·h/kg的钴酸锂离子蓄电池组及MPPT和BIT技术,已经应用到国内航天器正样产品;经过验证,MPPT追踪速度为毫秒级,追踪精度可达98%。文章提出的设计可为深空探测器电源系统轻量化和电源能量自主管理需求提供解决途径。     

用于空间太阳能电站的大功率正交场微波源分析

针对空间太阳能电站应用微波源，介绍了两种大功率真空电子器件磁控管和正交场放大管的基本工作原理，当前国内外两种器件所达到的效率和功率容量特性。从太阳能电站应用角度出发，对两种电真空器件潜在的效率、寿命及可靠性进行了对比和研究，根据两种器件的自身特性，面向高功率合成提出了技术方案和建议。研究结果表明，从寿命、效率和功率合成角度来看，采用正交场放大管作为太阳能电站微波源更为适宜，对太阳能电站系统方案选择与设计具有一定参考价值。     

一种星载大功率T/R组件的高密度组装技术

随着卫星应用技术的发展,相控阵天线在卫星上的应用越来越广泛,T/R组件作为有源相控阵天线最核心的部分,直接决定了相控阵天线的性能,而卫星载荷宇航级的应用,又对T/R组件提出了需要同时具备高功率、高集成和高可靠性等更加严苛的要求.提出了一种星载大功率T/R组件的高密度组装技术,从结构特点、热仿真、可制造性等方面详细介绍了其工艺设计与实现过程,并对关键工艺和过程控制措施进行了详述,通过多级焊接解决了该T/R组件多通道大功率芯片的散热问题,最终给出了实物照片和测试结果.该高密度组装技术的攻关与验证成功,为高功率、高可靠、高性能星载T/R组件的批产提供了工艺基础.     

透镜式缠绕肋压扁缠绕过程数值模拟分析

利用ABAQUS首先以各向同性材料透镜式缠绕肋的肋片压扁进行了数值模拟分析,比较了三种壳单元（S4、S4R、SC8R）和三种体单元（C3D8、C3D8R、C3D8I）模拟分析效率,并给出受力特征;进而以S4R和C3D8I进行了碳纤维复合材料肋片压扁模拟分析,并得到受力特征;最后,建立了完整的缠绕肋整体非线性有限元模型,实现了缠绕过程模拟分析,得到缠绕肋缠绕过程应力、应变及变化特征,以及缠绕弯矩。本文对缠绕肋设计及系统样机研制具有指导和参考价值。
     

基于非隔离型Weinberg变换器的放电调节单元分析与应用

文章以高压、大功率的载人航天器电源控制系统放电调节单元为应用背景,分析了非隔离型Weinberg变换器的拓扑特点、工作模态及小信号模型,对采用稳压环和限流环并联控制的环路进行建模、稳定性分析及验证测试。结果表明,基于非隔离型Weinberg变换器的放电调节单元具有良好的电能转换特性,能满足载人航天器电源新型应用的要求。     

高压激光电源的研制

介绍了高压激光电源的设计方法 ,对电路结构、各部分电路原理以及设计中的关键技术等进行了论述 ,给出了电路图 ,并对文中所述方案提出了改进措施。所设计的产品性能良好 ,可应用于军用和民用领域     

临近空间飞艇电源系统新型拓扑结构研究

针对临近空间飞艇高压载荷的需求,文章研究了飞艇高压动力母线控制电路的拓扑结构,提出更高效、更实用的高压拓扑控制电路,设计了三电平电压变换拓扑结构,可有效减小元器件电压应力,解决高压动力母线带来的问题,提高系统的效率和可靠性。实验表明,三电平电压变换拓扑结构适用于高输入和高输出电压中大功率的应用场合,能够满足临近空间飞艇电源系统的需求。     

高效能源系统管理与控制技术

能源系统是飞行器的关键技术之一,能源系统性能的优劣对飞行器能否正常飞行及实现预定任务有重要影响。本文针对大功率飞行器对分布式循环能源系统的管理需求,开展高效能源系统管理与控制技术研究,提出一种集逐级调压控制、限流充电控制、恒流输出控制以及最大功率点跟踪(MPPT)控制为一体的层级梯次控制策略,实现分布式系统的全局优化控制和飞行器能源的功率优化调度。研制的能源管理系统(PCU)配备1条234～328 V高压母线,额定功率15 kW,电路效率大于97%,功率密度大于750 W/kg。PCU依托分布式架构,采用层级梯次控制策略,验证了高效能源系统管理与控制技术的正确性和有效性。     

航天供配电系统舵机负载浪涌抑制策略研究

随着航天器供配电系统的快速发展,大功率机电负载的使用逐渐增多,对其负载供电品质的要求也日益严格。针对高压大功率舵机负载工作状态变化大、要求响应快、动态指标高,导致机电舵机负载在工作过程中会频繁出现换向、加减速的工作特点,对电动舵机高速制动过程中产生的反灌能量进行供配电系统影响分析,提出供配电系统反灌浪涌抑制策略,提升供配电系统供电可靠性,确保航天器飞行任务中舵机负载的全程可靠运行。     

立方星电源系统最大功率点跟踪优化控制方法

针对立方星在能量来源严重受限条件下如何提高太阳能利用率的难题,提出一种适用于立方星的集中供电式空间微电源架构(EPS),并设计基于改进粒子群优化算法的最大功率点跟踪(MPPT)控制策略来提升能量转换效率。首先,推导太阳电池阵列的数学模型,并根据太阳电池阵列的工作特性,提出电源系统最大功率点跟踪控制的物理系统实现结构。其次,设计基于改进粒子群优化(PSO)的最大功率点跟踪控制算法,并进行了数学仿真校验。最后,对所设计的电源系统架构进行了硬件实现和试验验证。地面试验结果表明,电源系统的太阳能最大转换效率可达95.5%。该电源系统成功应用于世界首颗12U立方星“翱翔之星”的飞行试验,在轨数据表明电源系统工作状态良好,为微纳卫星电源系统的设计提供了有益参考。     

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。     

卫星S3R功率调节电源系统稳定性分析

针对大功率脉冲型负载应用造成的卫星电源系统运行不稳定问题,依据稳定性阻抗判据,建立以顺序开关分流调节器(S3R)为拓扑的电源系统在正常工作状态时输出阻抗的小信号模型。通过仿真对输出阻抗的影响因素进行分析,采用注入电信号的方法测量卫星电源系统的输出阻抗,并在小卫星平台上进行测试验证。结果表明,通过测试能够有效地获得电源系统的输出阻抗,并可由此确定卫星平台电源系统的稳定性指标要求。     

模块化多旋转关节空间太阳能电站方案设计

文章基于多旋转关节空间太阳能电站(MR-SPS)方案,以降低远距离高压电力传输技术难度为核心,提出一种更新的模块化多旋转关节空间太阳能电站概念。该方案在分布式太阳电池分阵和多导电旋转关节基础上,对于微波发射天线阵也进行了模块化设计和分布式布局,实现了太阳电池分阵和微波发射天线分阵的一一对应,形成多个独立的太阳能发电与能量传输模块,通过模块的扩展实现整个空间太阳能电站。该方案大幅简化了空间电力传输与管理的复杂性和在轨组装的难度。同时各个模块完全独立,组装后即可单独工作,也提高了系统的可靠性。     

基于嵌入式MATLAB函数编程的火星车能量平衡仿真系统

在以往航天器研制过程中,电源系统能量平衡分析是基于表格化计算的方法,其运算效率低、显示不直观。文章提出了一种可视性强、易编程、更通用的能量平衡分析方法,即采用嵌入式MATLAB函数对电源系统能量平衡分析的功能模块进行编程实现,以火星车电源系统为应用背景,在MATLAB/SIMULINK平台上搭建了一套用于能量平衡分析的仿真系统,并在特定实例下进行仿真分析,仿真结果采用图表曲线形式显示,能清晰、直观地反映能源利用的动态变化趋势,可为电源系统方案优化设计提供参考依据。