衛(wèi)星電源分系統(tǒng)可靠性設(shè)計與研究

　　衛(wèi)星電源分系統(tǒng)的設(shè)計是一個復(fù)雜系統(tǒng)工程，不但要考慮電源各部分的參數(shù)設(shè)計，還要考慮電氣設(shè)計、電磁兼容設(shè)計、安全性設(shè)計、熱設(shè)計等方面。因為任何方面，哪怕是極微小的疏忽，都有可能導(dǎo)致整個衛(wèi)星電源分系統(tǒng)甚至整顆衛(wèi)星的崩潰。我國交付的尼日利亞通信衛(wèi)星一號才使用一年多因太陽翼故障導(dǎo)致電能耗盡就是先例，所以衛(wèi)星電源分系統(tǒng)可靠性設(shè)計至關(guān)重要。

　　電源分系統(tǒng)構(gòu)成

　　某型號衛(wèi)星電源分系統(tǒng)采用全調(diào)節(jié)直流母線系統(tǒng)。系統(tǒng)由砷化鎵太陽電池方陣、一組6Ah鎘鎳電池及一臺電源控制器(包括一次電源調(diào)節(jié)、二次電源變換、系統(tǒng)遙測、遙控功能、部分星上配電功能)組成。電源分系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

　　圖1 電源分系統(tǒng)原理框圖

　　電源分系統(tǒng)由一次和二次電源組成，一次電源母線為全調(diào)節(jié)型直流母線系統(tǒng)，經(jīng)調(diào)節(jié)的直流母線不論衛(wèi)星進入光照期還是在陰影期，電壓都穩(wěn)定在27V±1V范圍內(nèi)。

　　太陽電池陣可靠性分析與冗余設(shè)計

　　1 太陽電池陣可靠性分析

　　從太陽電池方陣采用的太陽電池、隔離二極管、電連接器及導(dǎo)線等元器件的失效幾率來看，短路失效的概率較小，而開路失效的可能性存在，應(yīng)屬串聯(lián)性開路失效模式。故在太陽電池陣設(shè)計時，應(yīng)采取有效措施防止太陽電池串開路失效。

　?、侬B層太陽電池包括太陽電池、玻璃蓋片、互連條、蓋片膠及焊點等部分，這種疊層的失效主要集中于焊點及互連片的斷開和短路方面。從失效幾率來看，短路可能性極小，而焊點脫開及電池破裂開路的幾率是存在的。

　　單體太陽電池經(jīng)過嚴格篩選，失效屬于偶然隨機失效，失效類型為指數(shù)分布型。每個太陽電池的上下電極各有6個焊點，只要各有1個焊點不斷開則就不會失效，屬6元并聯(lián)型系統(tǒng)。

　?、?隔離二極管降額使用，并有3倍以上冗余，以提高可靠性。

　?、?電纜及電連接器的接點均采用多點并聯(lián)，減少開路失效幾率。

　　④ 太陽電池粘貼玻璃蓋片時，采用全覆蓋方式，不使電池光照面邊緣裸露在粒子輻照環(huán)境中，以延長其壽命。

　　2 太陽電池陣冗余設(shè)計及功率設(shè)計裕度

　　在最高工作溫度為80℃時，電池陣壽命末期輸出功率為300W，滿足衛(wèi)星241W的用電需求，功率裕度為24%，功率設(shè)計滿足可靠性要求。

　?、?從太陽電池串聯(lián)數(shù)來看，供電陣實際布片為18片，大于指標需求值17片;充電陣實際布片為10片，大于指標需求值9片。由于串聯(lián)數(shù)的冗余，電壓較高，使太陽電池陣處于更穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

　?、?太陽電池陣實際總電池串?dāng)?shù)量為28并，對應(yīng)的末期輸出功率為300W，而滿足衛(wèi)星3年壽命末期241W用電需求對應(yīng)的電池串?dāng)?shù)量為26并。由于并聯(lián)數(shù)的冗余，保證壽命末期太陽電池陣的工作穩(wěn)定性。

　　鎘鎳蓄電池組可靠性分析與冗余設(shè)計

　　1鎘鎳蓄電池可靠性分析

　　鎘鎳蓄電池組失效方式有泄露、開路、短路和性能衰減等。在這些失效方式中，開路失效出現(xiàn)的可能性非常小，主要是裝配過程中的機械損傷和質(zhì)量控制出問題，通過加強質(zhì)量控制和檢驗工作可以避免這種致命的失效。鎘鎳蓄電池組經(jīng)長期使用，最明顯、最主要的失效方式是性能衰減。在使用時采用電壓溫度補償下的充電控制方式，并由星務(wù)計算機參與控制管理，整個壽命期設(shè)置多條V-T曲線硬件控制和多點充放電比選擇，可根據(jù)衛(wèi)星運行狀態(tài)和蓄電池使用情況，通過遙控選擇相應(yīng)的補償曲線，保證鎘鎳電池組工作處于良性循環(huán)。

　　2 鎘鎳蓄電池的冗余設(shè)計及功率設(shè)計裕度

　　每組鎘鎳電池組有16個單體蓄電池串聯(lián)而成，允許有1節(jié)單體短路失效而不影響整星的工作，在電容量設(shè)計過程中有大于10%的冗余容量設(shè)計。

　　電源控制器可靠性分析與冗余設(shè)計

　　電源控制器是由分流調(diào)節(jié)模塊、充電調(diào)節(jié)模塊、放電調(diào)節(jié)模塊、二次電源模塊、工作電源模塊和火工品模塊等組成。

　　1 分流調(diào)節(jié)模塊可靠性分析與冗余設(shè)計

　　分流調(diào)節(jié)電路的功能是調(diào)節(jié)太陽電池供電陣的輸出電能，穩(wěn)定一次電源母線電壓，是光照期向衛(wèi)星負載主要供電部分。分流電路設(shè)計繼承了其他衛(wèi)星的成熟技術(shù)，分流調(diào)節(jié)模塊的分流元件選用了V-MOS功率三極管，該器件在導(dǎo)通期間內(nèi)阻較小并能承受較大的分流電流。器件本身降額余度較大，為了防止短路失效會造成一路太陽電池供電陣不能向母線供電的故障，設(shè)計采用兩管串聯(lián)工作的可靠性措施。另外，在控制電路中采用了安全導(dǎo)向的可靠性措施，避免因太陽電池供電陣短路的故障減少一路供電陣的輸出功率;根據(jù)電源系統(tǒng)的設(shè)計方案和衛(wèi)星電源供配電要求，一路供電陣喪失分流調(diào)節(jié)功能，不會引起母線電壓的波動，因為其他正常工作的分流調(diào)節(jié)電路能夠完成母線功率調(diào)節(jié)功能。為了提高分流電路的可靠性，分流調(diào)節(jié)電路有兩個功率模塊組成，各模塊電路獨立工作，任何一路功率模塊的失效不會影響其他功率模塊正常調(diào)節(jié)功能。

　　為了防止隔離二極管的開路，采用了兩個二極管并聯(lián)可靠性措施。

　　2 放電調(diào)節(jié)模塊可靠性分析與冗余設(shè)計

　　放電調(diào)節(jié)模塊負責(zé)在光照期太陽電池陣輸出功率不能滿足星上負載功率，和衛(wèi)星進入陰影期時，提供整星有效載荷負載所需的功率，保證系統(tǒng)母線輸出電壓的穩(wěn)定。

　　放電調(diào)節(jié)器有4個放電調(diào)節(jié)模塊組成，每兩個放電調(diào)節(jié)模塊電路并連后，然后串聯(lián)輸出。兩個并聯(lián)模塊中允許1路失效，并且在1路放電調(diào)節(jié)模塊失效的情況下，放電調(diào)節(jié)模塊能夠滿足額定功率輸出，不影響電源正常供電

　　圖2 濾波電容防短路保護電路

　　圖3 工作電源輸入保護電路

　　3 充電控制模塊可靠性分析與冗余設(shè)計

　　為了提高充電控制電路的可靠性，充電電流調(diào)整器件選用V-MOS大功率三極管，充電電路采用了冷備份，通過地面遙測指令實行主備切換，也可以自主切換。主備兩套電路完全獨立，包括控制電路和功率調(diào)整器件等，不存在單點失效的環(huán)節(jié)。

　　圖4 二次電源輸入保護

　　4 二次電源模塊的可靠性分析與冗余設(shè)計

　　為了提高電源系統(tǒng)供電的可靠性，對二次電源的設(shè)置在設(shè)計中應(yīng)引起高度的重視。盡量選用在01星或在軌使用過的成品DC/DC模塊，并根據(jù)用電負載的需求采用冷備份措施，在保證二次電源用戶負載供電電源可靠的前提下，降低二次電源的自耗，提高電源系統(tǒng)供電利用率。

　　5 工作電源的可靠性分析與冗余設(shè)計

　　電源控制器中控制模塊使用的工作電源取自一次電源母線，工作電源有兩個模塊并聯(lián)組成。當(dāng)其中一個工作電源模塊發(fā)生故障時，即自動退出供電回路，由另一個工作電源模塊完成供電，保證控制電路的用電，電路故障則通過隔離二極管來隔離。

　　熱設(shè)計

　　熱設(shè)計方面繼承了其他衛(wèi)星產(chǎn)品的熱設(shè)計經(jīng)驗。同時，根據(jù)該衛(wèi)星電源分系統(tǒng)設(shè)備的自身發(fā)熱的特點，具體采用如下措施。

　　(1)電池單體選擇側(cè)臥安裝方式，每個單體蓄電池之間安裝L形導(dǎo)熱板，并用導(dǎo)熱膠填充縫隙，從而提供盡可能短的傳熱通道和良好的傳熱介質(zhì)，使熱量能通過導(dǎo)熱板底邊傳遞給熱控系統(tǒng)統(tǒng)一處理。

　　(2)嚴格控制設(shè)備在制造、安裝過程中的平面度要求。

　　(3)根據(jù)可能出現(xiàn)的最大發(fā)熱功率，設(shè)計散熱面積。

　　(4)盡可能將發(fā)熱量大、功耗大的器件安裝在散熱底板上。

　　電路保護措施

　　1 濾波電容防短路保護

　　為了提高一次電源母線輸出供電品質(zhì)，在電源控制器的母線輸出端采用了濾波電容陣，由多只鉭電容并聯(lián)組成。因此，對于電容陣的可靠性設(shè)計，主要是防止鉭電容的短路失效。為了防止鉭電容短路造成母線短路失效，在每一只電容上串聯(lián)一只保險絲的可靠性措施，保護電路如圖2所示。

　　2 工作電源輸入保護

　　電源控制器使用的工作電源取自一次電源母線。為保護母線電源，在每個工作電源輸入端采用保險絲與限流電阻并聯(lián)保護措施，保護電路如圖3所示。

　　3 二次電源輸入保護(DC/DC)

　　電源控制器中遙測變換電路使用的二次電源以母線電源為輸入電源，工作電源采用DC/DC變換型電源。設(shè)計選用了成品INTERPOINT公司電源模塊，電源輸入端使用了該公司的EMI-461濾波器，保險絲與限流電阻并聯(lián)保護措施，保護電路如圖4所示。

　　4 過流、過壓保護

　　放電調(diào)節(jié)電路中的每個功率模塊都設(shè)置了過壓保護，可以避免由于放電調(diào)節(jié)模塊輸出電壓升高對衛(wèi)星負載造成的過壓沖擊。

　　放電調(diào)節(jié)電路每個功率模塊都設(shè)置了過流保護，防止由于負載電流過大而造成放電調(diào)節(jié)模塊損壞。

　　按照衛(wèi)星負載安全用電要求，各分系統(tǒng)負載使用電源母線都必須要串接保險絲或限流電阻。因此，電源系統(tǒng)的過流保護值必須要與分系統(tǒng)負載用電保護統(tǒng)一協(xié)調(diào)，既要使電源系統(tǒng)在負載出現(xiàn)短路故障時得到保護，又要能夠輸出足夠的電流熔斷故障負載的保險絲。

　　電源系統(tǒng)放電調(diào)節(jié)模塊的過流保護為限流型技術(shù)，當(dāng)負載出現(xiàn)故障，電流劇增時，限流電路啟動，將電源的輸出電流限制在大于最大輸出電流的某一個電流值。過流電路具有自恢復(fù)功能，當(dāng)外界負載故障排除以后，限流保護功能自行消失，恢復(fù)正常供電狀態(tài)。

　　圖5 遙測輸出保

　　5 遙測變換電路輸出保護

　　按建造設(shè)計規(guī)范要求，遙測輸出采用了雙向限幅電路和限流保護措施，保護電路如圖5所示。

　　6 遙控輸入保護

　　遙控輸入采用限流電阻保護措施，如圖6所示。

　　圖6 遙控輸入保護

　　CMOS器件可靠性設(shè)計

　　衛(wèi)星電源分系統(tǒng)電源控制器產(chǎn)品使用了C4071等CMOS器件。按照CMOS電路使用有關(guān)標準的要求，采取了如下保護措施。

　　(1)CMOS電路抗鎖定措施。每一塊CMOS電路在電源VDD端、輸入端、輸出端都串接限流電阻，限流電阻的選擇滿足抗鎖定的原則，同時也滿足電路設(shè)計要求。

　　(2)避免長線傳輸。CMOS器件的輸入接口只限于在部件產(chǎn)品內(nèi)部傳輸，不存在電連接器接受星上其他部件或分系統(tǒng)的控制信號。

　　(3)多余輸入端處理。CMOS器件多余的輸入端根據(jù)邏輯狀態(tài)的要求接VDD或VSS，或者與在用的輸入端并聯(lián)。