衛(wèi)星S3R三域控制型的電源系統(tǒng)穩(wěn)定性研究

方 圓，楊肖鋒，覃思明，顧豪杰

（1.中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院，上海 201203；2.上?？臻g電源研究所，上海 200245；3.上海公安局國(guó)際機(jī)場(chǎng)分局，上海 201202）

0 引 言

本文以衛(wèi)星S3R型功率調(diào)節(jié)的電源系統(tǒng)為研究對(duì)象，著重分析了系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要因素——輸出阻抗，完成了輸出阻抗的測(cè)量，確定了穩(wěn)定性的指標(biāo)和有效評(píng)價(jià)，以解決負(fù)載多樣性對(duì)電源系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生的干擾問(wèn)題，提高系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。

1 衛(wèi)星電源系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法概述

衛(wèi)星電源系統(tǒng)與星上負(fù)載主要采用級(jí)聯(lián)直流的方式進(jìn)行傳輸。用Zo和Zi分別表示電源系統(tǒng)輸出阻抗和負(fù)載輸入阻抗，V1out和V1in分別為電源系統(tǒng)的輸出電壓和輸入電壓，V2out和V2in分別為后級(jí)整個(gè)負(fù)載系統(tǒng)的輸出電壓和輸入電壓。在當(dāng)前的整個(gè)供配電系統(tǒng)中，傳遞函數(shù)為：

2 S3R型功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出阻抗的影響因素分析

電源系統(tǒng)作為衛(wèi)星的重要分系統(tǒng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性直接影響衛(wèi)星功能的實(shí)施和應(yīng)用。目前，各種軌道衛(wèi)星采用S3R三域型電源系統(tǒng)的拓?fù)浼軜?gòu)較多，見(jiàn)圖1。S3R功率調(diào)節(jié)電源系統(tǒng)的主要原理是采用三域控制的全調(diào)節(jié)母線，對(duì)三域分為分流調(diào)節(jié)（SR）、放電調(diào)節(jié)（BDR）和充電控制（BCR）。三域各自的EA（Error Amplif i er）均來(lái)自于系統(tǒng)主MEA（Main error Amplif i er），形成統(tǒng)一的誤差放大器反饋系統(tǒng)。

圖1 S3R功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理框圖

整個(gè)電源系統(tǒng)拓?fù)渲?，功率環(huán)路共有三種狀態(tài)，即充電態(tài)、分流態(tài)和放電態(tài)。環(huán)路增益、拓?fù)鋮?shù)等因素影響系統(tǒng)的輸出阻抗。如果輸出阻抗將三態(tài)的工作模式以傳遞函數(shù)來(lái)表達(dá)后匯總，計(jì)算量較大，且中間不確定因素較多。電源阻抗可以用同一頻段下電壓與電流的相量比值來(lái)表示。等效圖見(jiàn)圖2。

圖2中，從電源輸出和負(fù)載輸入的通路的正負(fù)端注入某一頻率的正弦交流擾動(dòng)電流Ip，Is和IL分別為擾動(dòng)后產(chǎn)生的流入電源輸出方向和負(fù)載方向的交流相量。兩點(diǎn)之間將產(chǎn)生正弦交流電壓則有IL，其中電源輸出阻抗為Zs，負(fù)載輸入阻抗為ZL。

圖2 系統(tǒng)等效輸出阻抗定義

由于電源系統(tǒng)是一個(gè)非線性系統(tǒng)，阻抗在不同的工作點(diǎn)上都不同，但存在一個(gè)近似線性動(dòng)態(tài)區(qū)間。因此，測(cè)量時(shí)單一頻率注入幅值較小的正弦激勵(lì)電流產(chǎn)生電壓擾動(dòng)，通過(guò)上述公式進(jìn)行計(jì)算測(cè)量結(jié)果[1]。

實(shí)際的衛(wèi)星電源系統(tǒng)非常復(fù)雜，信號(hào)環(huán)路不僅有電壓環(huán)反饋系統(tǒng)，還有電流環(huán)反饋系統(tǒng)。此外，各類(lèi)功率器件的寄生電感、寄生電容和寄生二極管等參數(shù)，均會(huì)影響系統(tǒng)輸出等效阻抗的變化。因此，研究輸出阻抗的變化應(yīng)在實(shí)際測(cè)量中評(píng)價(jià)，理論計(jì)算作為輔助驗(yàn)證。

3 輸出阻抗測(cè)量及穩(wěn)定性指標(biāo)確定

3.1 測(cè)量方法選擇

為了避免因理論模型構(gòu)建不準(zhǔn)確影響評(píng)價(jià)結(jié)果，產(chǎn)生較大誤差，采用電流電壓測(cè)量法進(jìn)行測(cè)量。電流電壓測(cè)量法是測(cè)量電源的輸出阻抗的傳統(tǒng)方法，基本原理是注入一個(gè)掃頻的電流信號(hào)到DUT，測(cè)量DUT兩端的電壓和所注入的電流信號(hào)，測(cè)某一頻點(diǎn)的電壓/電流即可得到此頻點(diǎn)下的阻抗，如圖3所示。

圖3 電流電壓測(cè)量法簡(jiǎn)化圖

1 Ω電阻附近連線的分布電感的阻抗引起的測(cè)量誤差很難完全消除，這個(gè)方法不適用于精確測(cè)量毫歐級(jí)阻抗，只適用于測(cè)量類(lèi)似衛(wèi)星電源歐姆級(jí)別的輸出阻抗。

3.2 測(cè)量試驗(yàn)及結(jié)果

采用的網(wǎng)絡(luò)分析儀為E5061B，設(shè)置如下：

（1）[Preset]（OK）將儀表狀態(tài)設(shè)置為預(yù)置狀態(tài)；

（2）[Meas],(Measurement Port)->Gain-phase.選擇測(cè)試的模式；Gain-phase Set up->(T input Z=1 MΩ，T Attenuator=0dB,R input Z=1MΩ，R Attenuator=20dB)；

（3）[Start],10HZ,[Stop] 1MHz,根據(jù)需求設(shè)置測(cè)試的頻率范圍；

（4）[Sweep Setup],(Power),0dB,設(shè)置輸出功率不要太高；

（5）[Avg],(IFBW Auto->ON)，（IFBW Auto Limit）,10HZ；

（6）[Scale],(Scale/div)=50mvdB/div,Reference position =0dB;Reference Value=0dB；

（7）[format],linmag.

設(shè)置完成進(jìn)行校準(zhǔn)，分別將T端口和R端口連至相同點(diǎn)進(jìn)行直通響應(yīng)校準(zhǔn)。注意，將激勵(lì)信號(hào)源的功率降至-5 dBm以下，防止過(guò)載。校準(zhǔn)完成后，分別測(cè)試輕載、中載、重載電源變換器輸出阻抗。

圖4中虛框?yàn)殡娫聪到y(tǒng)的PCDU（電源控制器），后級(jí)負(fù)載用電子負(fù)載代替。用變壓器把網(wǎng)絡(luò)分析儀E5061B的正弦激勵(lì)信號(hào)源的地懸浮起來(lái)，利用其內(nèi)部高阻接收端測(cè)量電子負(fù)載的交流電壓和電流。IR為電子負(fù)載的測(cè)量電壓→T（test）端口，IR為流過(guò)1 Ω電阻的交流電流→R（ref）端口。它的比值就是被測(cè)PCDU的輸出阻抗其中VT和VR分別為電子負(fù)載和1 Ω電阻上的交流電壓實(shí)測(cè)值?？梢钥闯?，網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量結(jié)果是PCDU輸出的阻抗和負(fù)載等效阻抗的并聯(lián)值。由于PCDU的輸出等效阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電子負(fù)載的阻抗，因此測(cè)量結(jié)果可以近似等效為PCDU的阻抗（從衛(wèi)星上來(lái)看，即電源系統(tǒng)的輸出等效阻抗）。需要說(shuō)明的是，圖中1 mF的隔直電容器是為了防止輸出端的直流信號(hào)串入變壓器和1 Ω的電阻，同時(shí)也可提高在低頻測(cè)量范圍下的信噪比。

圖4 阻抗測(cè)量具體測(cè)試連接圖

3.3 穩(wěn)定性指標(biāo)確定

從衛(wèi)星電源系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)來(lái)看，當(dāng)且僅當(dāng)輸入與輸出阻抗關(guān)系符合|Z0|＜＜|Zi|時(shí)（但實(shí)際往往無(wú)法滿(mǎn)足該要求，或兩者的增益裕度不足），可適當(dāng)在系統(tǒng)輸出正端增加電感或增加并聯(lián)電容，改變前后級(jí)的輸入、輸出阻抗匹配關(guān)系。因此，工程應(yīng)用中應(yīng)兼顧整體結(jié)構(gòu)尺寸、母線動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間等影響因素，綜合選擇電源系統(tǒng)輸出阻抗改進(jìn)方案，使整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié) 論

綜上所述，衛(wèi)星電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)影響著整星負(fù)載系統(tǒng)的輸入穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)其輸出穩(wěn)定性分析方法進(jìn)行研究，可以明確系統(tǒng)穩(wěn)定性的判斷依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，采用建模和仿真分析確定在全頻率下電源輸出阻抗的主要影響因素，進(jìn)而利用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)電源輸出阻抗進(jìn)行測(cè)量，確定電源穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)，為衛(wèi)星電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，確保電源系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。