衛星電源分系統可靠性設計與研究

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

　　電源分系統構成

　　某型號衛星電源分系統采用全調節直流母線(xiàn)系統。系統由砷化鎵太陽(yáng)電池方陣、一組6Ah鎘鎳電池及一臺電源控制器(包括一次電源調節、二次電源變換、系統遙測、遙控功能、部分星上配電功能)組成。電源分系統原理圖如圖1所示。

　　圖1 電源分系統原理框圖

　　電源分系統由一次和二次電源組成，一次電源母線(xiàn)為全調節型直流母線(xiàn)系統，經(jīng)調節的直流母線(xiàn)不論衛星進(jìn)入光照期還是在陰影期，電壓都穩定在27V±1V范圍內。

　　太陽(yáng)電池陣可靠性分析與冗余設計

　　1 太陽(yáng)電池陣可靠性分析

　　從太陽(yáng)電池方陣采用的太陽(yáng)電池、隔離二極管、電連接器及導線(xiàn)等元器件的失效幾率來(lái)看，短路失效的概率較小，而開(kāi)路失效的可能性存在，應屬串聯(lián)性開(kāi)路失效模式。故在太陽(yáng)電池陣設計時(shí)，應采取有效措施防止太陽(yáng)電池串開(kāi)路失效。

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

　　單體太陽(yáng)電池經(jīng)過(guò)嚴格篩選，失效屬于偶然隨機失效，失效類(lèi)型為指數分布型。每個(gè)太陽(yáng)電池的上下電極各有6個(gè)焊點(diǎn)，只要各有1個(gè)焊點(diǎn)不斷開(kāi)則就不會(huì )失效，屬6元并聯(lián)型系統。

　?、?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(diǎn)均采用多點(diǎn)并聯(lián)，減少開(kāi)路失效幾率。

　?、?太陽(yáng)電池粘貼玻璃蓋片時(shí)，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(cháng)其壽命。

　　2 太陽(yáng)電池陣冗余設計及功率設計裕度

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

　?、?從太陽(yáng)電池串聯(lián)數來(lái)看，供電陣實(shí)際布片為18片，大于指標需求值17片;充電陣實(shí)際布片為10片，大于指標需求值9片。由于串聯(lián)數的冗余，電壓較高，使太陽(yáng)電池陣處于更穩定的工作狀態(tài)。

　?、?太陽(yáng)電池陣實(shí)際總電池串數量為28并，對應的末期輸出功率為300W，而滿(mǎn)足衛星3年壽命末期241W用電需求對應的電池串數量為26并。由于并聯(lián)數的冗余，保證壽命末期太陽(yáng)電池陣的工作穩定性。

　　鎘鎳蓄電池組可靠性分析與冗余設計

　　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(kāi)路、短路和性能衰減等。在這些失效方式中，開(kāi)路失效出現的可能性非常小，主要是裝配過(guò)程中的機械損傷和質(zhì)量控制出問(wèn)題，通過(guò)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(cháng)期使用，最明顯、最主要的失效方式是性能衰減。在使用時(shí)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(gè)壽命期設置多條V-T曲線(xiàn)硬件控制和多點(diǎn)充放電比選擇，可根據衛星運行狀態(tài)和蓄電池使用情況，通過(guò)遙控選擇相應的補償曲線(xiàn)，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計及功率設計裕度

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

　　電源控制器可靠性分析與冗余設計

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

　　1 分流調節模塊可靠性分析與冗余設計

　　分流調節電路的功能是調節太陽(yáng)電池供電陣的輸出電能，穩定一次電源母線(xiàn)電壓，是光照期向衛星負載主要供電部分。分流電路設計繼承了其他衛星的成熟技術(shù)，分流調節模塊的分流元件選用了V-MOS功率三極管，該器件在導通期間內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(huì )造成一路太陽(yáng)電池供電陣不能向母線(xiàn)供電的故障，設計采用兩管串聯(lián)工作的可靠性措施。另外，在控制電路中采用了安全導向的可靠性措施，避免因太陽(yáng)電池供電陣短路的故障減少一路供電陣的輸出功率;根據電源系統的設計方案和衛星電源供配電要求，一路供電陣喪失分流調節功能，不會(huì )引起母線(xiàn)電壓的波動(dòng)，因為其他正常工作的分流調節電路能夠完成母線(xiàn)功率調節功能。為了提高分流電路的可靠性，分流調節電路有兩個(gè)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(huì )影響其他功率模塊正常調節功能。

　　為了防止隔離二極管的開(kāi)路，采用了兩個(gè)二極管并聯(lián)可靠性措施。

　　2 放電調節模塊可靠性分析與冗余設計

　　放電調節模塊負責在光照期太陽(yáng)電池陣輸出功率不能滿(mǎn)足星上負載功率，和衛星進(jìn)入陰影期時(shí)，提供整星有效載荷負載所需的功率，保證系統母線(xiàn)輸出電壓的穩定。

　　放電調節器有4個(gè)放電調節模塊組成，每?jì)蓚€(gè)放電調節模塊電路并連后，然后串聯(lián)輸出。兩個(gè)并聯(lián)模塊中允許1路失效，并且在1路放電調節模塊失效的情況下，放電調節模塊能夠滿(mǎn)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計

　　為了提高充電控制電路的可靠性，充電電流調整器件選用V-MOS大功率三極管，充電電路采用了冷備份，通過(guò)地面遙測指令實(shí)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整器件等，不存在單點(diǎn)失效的環(huán)節。

　　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計

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

　　5 工作電源的可靠性分析與冗余設計

　　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(xiàn)，工作電源有兩個(gè)模塊并聯(lián)組成。當其中一個(gè)工作電源模塊發(fā)生故障時(shí)，即自動(dòng)退出供電回路，由另一個(gè)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(guò)隔離二極管來(lái)隔離。

　　熱設計

　　熱設計方面繼承了其他衛星產(chǎn)品的熱設計經(jīng)驗。同時(shí)，根據該衛星電源分系統設備的自身發(fā)熱的特點(diǎn)，具體采用如下措施。

　　(1)電池單體選擇側臥安裝方式，每個(gè)單體蓄電池之間安裝L形導熱板，并用導熱膠填充縫隙，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(guò)導熱板底邊傳遞給熱控系統統一處理。

　　(2)嚴格控制設備在制造、安裝過(guò)程中的平面度要求。

　　(3)根據可能出現的最大發(fā)熱功率，設計散熱面積。

　　(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(xiàn)輸出供電品質(zhì)，在電源控制器的母線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)。為保護母線(xiàn)電源，在每個(gè)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(xiàn)電源為輸入電源，工作電源采用DC/DC變換型電源。設計選用了成品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(guò)流、過(guò)壓保護

　　放電調節電路中的每個(gè)功率模塊都設置了過(guò)壓保護，可以避免由于放電調節模塊輸出電壓升高對衛星負載造成的過(guò)壓沖擊。

　　放電調節電路每個(gè)功率模塊都設置了過(guò)流保護，防止由于負載電流過(guò)大而造成放電調節模塊損壞。

　　按照衛星負載安全用電要求，各分系統負載使用電源母線(xiàn)都必須要串接保險絲或限流電阻。因此，電源系統的過(guò)流保護值必須要與分系統負載用電保護統一協(xié)調，既要使電源系統在負載出現短路故障時(shí)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。

　　電源系統放電調節模塊的過(guò)流保護為限流型技術(shù)，當負載出現故障，電流劇增時(shí)，限流電路啟動(dòng)，將電源的輸出電流限制在大于最大輸出電流的某一個(gè)電流值。過(guò)流電路具有自恢復功能，當外界負載故障排除以后，限流保護功能自行消失，恢復正常供電狀態(tài)。

　　圖5 遙測輸出保

　　5 遙測變換電路輸出保護

　　按建造設計規范要求，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器件可靠性設計

　　衛星電源分系統電源控制器產(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(mǎn)足抗鎖定的原則，同時(shí)也滿(mǎn)足電路設計要求。

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

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