CN106208189A - 一种全调节母线型卫星电源蓄电池放电调节器 - Google Patents

Abstract

一种全调节母线型卫星电源蓄电池放电调节器，涉及卫星电源蓄电池放电领域。本发明是为了解决现有的采用不调节母线方式和半调节母线方式对卫星电源母线电压进行调节，导致地影期间母线电压波动很大，影响整星仪器工作的稳定性的问题。buck拓扑结构电路将蓄电池组的输入电压进行相应的降压转换；电流采样单元将蓄电池放电电流转换为电压信号并输出至控制器；电压采样反馈单元采样调节器输出的电压然后输出；PWM控制单元通过反馈信号输出脉宽信号；开关驱动电路将脉宽信号进行自举驱动用以驱动buck电路的开关管；控制单元接收输出的放电输出电压信号，母线电压降低时接通放电电路为母线提供电能，母线电压超过要求值时切断放电电路。

Description

一种全调节母线型卫星电源蓄电池放电调节器

技术领域

本发明涉及一种全调节母线型卫星电源蓄电池放电调节器设计。属于卫星电源蓄电池放电领域。

背景技术

卫星电源系统是卫星平台的重要分系统，它担负着卫星的其他分系统和有效载荷供电的重要功能，其基本功能是通过某种物理变化或化学变化，将光能、核能或化学能转换成电能，根据需要进行储存、调节和变换，然后向航天器各分系统供电。

就卫星电源母线电压调节方式而言，其拓扑结构可分为3类，不调节方式、半调节方式以及全调节方式。其中不调节母线方式和半调节母线方式的母线电压在地影期间，其变换依赖于蓄电池放电电压的变化取决于电池组允许串联只数、工作温度、放电深度、放电电流值等，该方式虽然电源控制单元简单，但是地影期间母线电压波动很大，给整星仪器稳定工作和热控带来一定困难。全调节母线方式引用了蓄电池放电调节器，使其无论是在光照期还是地影期，其母线电压都是稳定的。这对提高航天器的用电效率、获得良好的EMC特性，维持热控加热器稳定供电以及保证各项仪器的输入电压等均提供了良好的条件。因此放电调节器的稳定的功能实现对于全调节母线型电源系统在地影期的稳定工作至关重要，进而关系到整个飞行任务的完成质量。同时，蓄电池组的放电电流对其工作寿命有着影响，因此放电调节器在完成对母线放电功能的同时可增加对蓄电池的放电电流的实时监测并进行数据存储以便对蓄电池进行健康管理与数据研究。

发明内容

本发明是为了解决现有的采用不调节母线方式和半调节母线方式对卫星电源母线电压进行调节，导致地影期间母线电压波动很大，影响整星仪器工作的稳定性的问题。现提供一种全调节母线型卫星电源蓄电池放电调节器。

一种全调节母线型卫星电源蓄电池放电调节器，它包括蓄电池组，它还包括buck拓扑结构电路、电流采样单元、电压采样反馈单元、PWM控制单元、开关管驱动电路、控制单元和开关S，

buck拓扑结构电路，用于将蓄电池组的输入电压进行相应的降压转换，为母线提供稳定的电压，

电流采样单元，用于采集蓄电池组放电电流信号，将该蓄电池放电电流信号按一定倍数转换为相应的电压信号I_S，该电压信号I_S为两路，一路电压信号I_S输出给控制单元，供后续的转换与存储，另一路电压信号I_S输出给电压采样反馈单元，

电压采样反馈单元，用于对电流采样单元输出的电压信号I_S进行分压，得到放电输出电压信号V_S，然后将该电压信号V_S反馈给PWM控制单元，同时将该电压信号输出给控制单元，

PWM控制单元，用于将接收的反馈的电压信号V_S通过其内部的误差放大器与其内部的基准电压进行比较，使输出相应的脉宽信号给开关管驱动电路，

开关管驱动电路，用于对接收的脉宽信号进行自举驱动，用以驱动buck拓扑结构电路，

控制单元，用于接收电流采样单元输出的电压信号I_S输出电流状态监测信号，

用于接收电压采样反馈单元输出的放电输出电压信号，当放电输出电压小于放电域阈值时，闭合开关S，接通buck拓扑结构电路，为母线提供电能，当放电输出电压大于放电域阈值时，断开开关S，使得buck拓扑结构电路切断，从而使整个放电电路切断。

本发明的有益效果为：本发明采用buck拓扑结构电路实现放电调节器的功率传输与电平转换功能，将蓄电池组的输入电压进行相应的降压转换，为母线提供稳定的电压。电流采样单元将蓄电池放电电流按一定倍数转换为相应的电压信号，并输出至控制器，供后续的转换与存储。电压采样反馈单元实现对放电调节器输出的电压进行采样，完成对电压反馈信号的获取与输出。PWM控制单元通过反馈信号输出相应的脉宽信号作为buck拓扑结构电路开关管的开关信号，开关驱动电路将PWM控制单元输出的脉宽信号进行自举驱动，用以驱动buck电路的开关管。控制单元接收对卫星电源母线电压的误差放大得到的放电使能信号，在母线电压降低时接通放电电路，为母线提供电能，在母线电压超过要求值时切断放电电路。

当卫星运行到地影期，通过buck拓扑结构电路对蓄电池组的电能输出进行功率传输与电平转换，对电源母线进行放电，稳定电源母线电压，为星上负载提供电能。并通过对放电调节器的输出得放电电流进行实时监测并输出电流监测信号，放电调节器是卫星电源系统功率调节的关键单元，本设计的成果将成为卫星电源系统重要组成单元，其研制具有很大的现实意义与实用价值。

本发明还具有以下优点：

1、实现基于buck电路的放电电路实现充放电功率传输与电平转换，稳定母线电压；

2、实现放电电流采样并提供放电电流监测数据接口；

3、与放电电压采样并想向PWM反馈控制单元提供放电电压采样信号

4、实现PWM反馈控制环路功能，保证输出电压与电流的稳定；

附图说明

图1为具体实施方式一所述的一种全调节母线型卫星电源蓄电池放电调节器的原理示意图；

图2为buck拓扑结构电路的原理图；

图3为buck拓扑结构电路的工作波形图，其中，u_g表示开关管栅极电压，u_VT表示二极管正极电压，u_L表示电感电压，i_L表示电感电流，i_VT表示二极管电流，i_C表示电容电流，I₁表示电感电流变化最小值，I₂表示电感电流变化最大值，t₁表示开关挂在一个周期内的导通时间，t₂表示开关周期结束时间，U_d表示输入电压稳态值，U_o表示电感L电流的变化；

图4为NMOS管导通状态时的原理图；

图5为NMOS管关闭状态时的原理图；

图6为电流采样单元的原理图；

图7为PWM控制单元的原理图；

图8为开关管驱动电路的原理图；

图9为控制器的接口图；

图10为一种全调节母线型卫星电源蓄电池放电调节器的控制流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1至图5具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种全调节母线型卫星电源蓄电池放电调节器，它包括蓄电池组，它还包括buck拓扑结构电路1、电流采样单元2、电压采样反馈单元3、PWM控制单元4、开关管驱动电路5、控制单元6和开关S，

buck拓扑结构电路1，用于将蓄电池组的输入电压进行相应的降压转换，为母线提供稳定的电压，

电流采样单元2，用于采集蓄电池组放电电流信号，将该蓄电池放电电流信号按一定倍数转换为相应的电压信号I_S，该电压信号I_S为两路，一路电压信号I_S输出给控制单元6，供后续的转换与存储，另一路电压信号I_S输出给电压采样反馈单元3，

电压采样反馈单元3，用于对电流采样单元2输出的电压信号I_S进行分压，得到放电输出电压信号V_S，然后将该电压信号VS反馈给PWM控制单元4，同时将该电压信号输出给控制单元6，

PWM控制单元4，用于将接收的反馈的电压信号V_S通过其内部的误差放大器与其内部的基准电压进行比较，使输出相应的脉宽信号给开关管驱动电路5，

开关管驱动电路5，用于对接收的脉宽信号进行自举驱动，用以驱动buck拓扑结构电路，

控制单元6，用于接收电流采样单元2输出的电压信号I_S输出电流状态监测信号，

用于接收电压采样反馈单元3输出的放电输出电压信号，当放电输出电压小于放电域阈值时，闭合开关S，接通buck拓扑结构电路1，为母线提供电能，当放电输出电压大于放电域阈值时，断开开关S，使得buck拓扑结构电路1切断，从而使整个放电电路切断。

本实施方式中，控制器设计如图9所示。控制器接收母线采样电压，并根据其不同的采样值范围判断是否需要通过蓄电池组对母线进行放电并控制放电电路的通断。当采样电压小于放电域阈值时，系统进入放电域，控制器输出放电电路接通信号，反之，当采样电压大于放电域阈值时，控制器输出放电电路关闭信号。通过上述过程实现对放电电路通断控制。同时接受电流采样信号并对外提供电流监测信号接口。

通过控制器获取母线误差放大信号，并根据其具体状态判断是否接通充电通路。并且通过获取放电电流采样信号输出电流状态监测信号，软件设计如图10所示。

本实施方式中，将一种全调节母线型卫星电源蓄电池放电调节器的输入端接入蓄电池组获取输入电能；将一种全调节母线型卫星电源蓄电池放电调节器的输出端接入电源母线以输出放电电能；将控制器接入母线电压误差放大信号，根据其具体状态输出放电电路通断信号，控制放电电路的通断使放电调节器的电能输入经过buck电路输出稳定的放电电压；将控制器接入放电电流采样信号并进行相应转换，对外提供放电电流监测信号接口，实现电流监测数据的传输以及存储。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种全调节母线型卫星电源蓄电池放电调节器作进一步说明，本实施方式中，buck拓扑结构电路1包括NMOS管VT、二极管VD、电感L、电容C和电阻R，

蓄电池组的正极连接开关S的一端，开关S的另一端连接NMOS管的漏极，NMOS管的源极同时连接电感L的一端和二极管VD的负极，电感L的另一端同时连接电容C的一端和电阻R的一端，

二极管VD的正极同时连接蓄电池组的负极、电容C的另一端和电阻R的另一端，

NMOS管VT的栅极连接开关管驱动电路5的驱动信号输出端，

电感L的另一端作为buck拓扑结构电路1的蓄电池放电电流信号正极输出端，

电容C的另一端作为buck拓扑结构电路1的蓄电池放电电流信号负极输出端。

本实施方式中，降压式变换电路即buck电路，是一种输出电压低与输入电压的非隔离式PWM DC/DC变换器，其基本拓扑结构如图2所示，

根据开关管的开关状态，工作过程中各个状态波形如图3所示。

其工作过程如下：

1.NMOS管导通状态t₀≤t≤t₁＝K·T其中，t₀表示开关周期的起始时间，t表示NMOS管工作时间，K表示NMOS管工作占空比，T表示开关周期表示。

二极管VD被关断，等效电路拓扑如图4所示，在理想条件下条件，u_d和u_o维持不变，为恒定值。有：

$u_L=u_d-u_o=L\frac{di}{dt}---(1-1)$

式中，u_L表示电感L电压，u_d表示输入电压，u_o表示输出电压，

$\mathrm{\Δ}I=\frac{U_d}{L}{t}_1---(1-2)$

式中，ΔI表示电感L电流的变化，U_d表示输入电压稳态值，

由于u_d-u_o为常数，电流变化为线性，因此：

$u_L=u_d-u_o=L\frac{di}{dt}=L\frac{I_1-I_2}{\mathrm{\Δ}t}-L\frac{\mathrm{\Δ}I}{\mathrm{\Δ}t}=L\frac{\mathrm{\Δ}I}{t_1}---(1-3)$

$\mathrm{\Δ}I=\frac{(U_d-U_o)}{L}{t}_1---(1-4)$

式中，U_o表示电感L电流的变化，t₂表示开关周期结束时间。

2.NMOS管关闭状态t₁≤t≤T

此时二极管VD处于导通模式，电感续流，其等效电路拓扑结构如图5所示，此时有：

$U_o=L\frac{di}{dt}=L\frac{\mathrm{\Δ}I}{t_2-t_1}---(1-5)$

于是：

$\mathrm{\Δ}I=\frac{U_o(t_2-t_1)}{L}---(1-6)$

由于U_o维持不变，输出电流线性变化。由于电路稳态工作时具有周期性，因此开关管的导通与开关管关闭两个阶段中的ΔI相等，于是有：

$\frac{(U_d-U_o)}{L}{t}_1=\frac{U_o(t_2-t_1)}{L}---(1-7)$

因此得到：

$U_o=\frac{t_1}{t_2}{U}_d=\frac{t_1}{T}{U}_d={\mathrm{KU}}_d---(1-8)$

通过上述工作过程实现，实现由蓄电池组向母线的放电电能的电能传输与电平转换。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的一种全调节母线型卫星电源蓄电池放电调节器作进一步说明，本实施方式中，电流采样单元2包括电阻R_S和电流分流监视器2-1，

电流分流监视器2-1采用型号为INA282实现，

型号为INA282的电流分流监视器2-1的正输入端+IN连接电阻R_S的一端，型号为INA282的电流分流监视器2-1的负输入端-IN连接电阻R_S的另一端，

型号为INA282的电流分流监视器2-1的基准输入端REF1和基准输入端REF2均连接电源地，

型号为INA282的电流分流监视器2-1的V₊端连接供电电源，型号为INA282的电流分流监视器2-1的OUT端作为电流采样单元2的一路电压信号输出端I_S，

电阻R_S的一端作为电流分流监视器2-1的另一路电压信号输入端。

本实施方式中，电流采样单元通过采样电阻R_S与电流分流监测器将其按一定倍数转化为相应的输出电压I_S，电流分流监测器应用TI公司的INA282。按照单向运转模式，将其来年改革基准输入REF1与REF2均连接至地，并按照待监测的电流方向将采样电阻RS两端节接至正输入端+IN与负输入端-IN。通过上述连接方式将采样电阻的压降按照50倍差模放大输出采样信号。电路连接如图6是所示。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三所述的一种全调节母线型卫星电源蓄电池放电调节器作进一步说明，本实施方式中，电压采样反馈单元3包括电阻R_S1和电阻R_S2，

电流采样单元2的另一路电压信号输出端连接电阻R_S1的一端，电阻R_S1的另一端连接电阻R_S2的一端，电阻R_S2的另一端连接buck拓扑结构电路1的蓄电池放电电流信号负极输出端，

电阻R_S1的另一端作为电压采样反馈单元3的电压信号输出端。

本实施方式中，图1中，电压采样的实现方式为通过高精度的分压电阻R_S1与R_S2按一定比例的分压，得到放电输出电压的电压采样，并将该采样信号输入至PWM控制单元。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式三所述的一种全调节母线型卫星电源蓄电池放电调节器作进一步说明，本实施方式中，它还包括二极管D，二极管D的正极连接电感L的一端，二极管D的负极连接电阻R_S的一端。

本实施方式中，二极管D，用于隔离。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式三所述的一种全调节母线型卫星电源蓄电池放电调节器作进一步说明，本实施方式中，

PWM控制单元4包括型号为UC3843的电流型PWM控制器、电阻R1、电容C1、电阻R_T和电容C_T，

型号为UC3843的电流型PWM控制器的VBF端作为电压采样反馈单元3反馈的电压信号输入端，型号为UC3843的电流型PWM控制器的VBF端同时连接电阻R1的一端和电容C1的一端，电阻R1的另一端同时连接电容C1的另一端和型号为UC3843的电流型PWM控制器的COMP端，

型号为UC3843的电流型PWM控制器的RC端同时连接电容C_T的一端和电阻R_T的一端，电容C_T的另一端同时连接电源地和型号为UC3843的电流型PWM控制器的GND端，

电阻R_T的另一端连接型号为UC3843的电流型PWM控制器的V_ref端，

型号为UC3843的电流型PWM控制器的VCC端连接供电电源，

型号为UC3843的电流型PWM控制器的OUT端作为PWM控制单元4的脉宽信号输出端。

本实施方式中，PWM控制单元将上述反馈信号V_S作为PWM控制器的输入信号，该反馈电压经PWM控制器内部的误差放大器后，调整开关信号的占空比以实现放电电压的稳定输出。本设计采用TI公司的UC3843电流型PWM控制器，硬件设计如图7所示，具体工作过程如下：

输入信号V_S输入到PWM控制器的反馈输入端VFB，并通过其内部的误差放大器与其内部的基准电压进行比较，放大器的输出端COMP与反馈信号的输入端VBF按照图6所示的方式连接，通过电阻R与电容C调节控制器的动态特性。

输出的脉宽信号的最大占空比与频率可通过不同数值的电阻R_T与电容C_T进行相应设置，根据公式：

获得不同数值的电阻R_T与电容C_T对应的最大输出占空比D_MAX；

其中，V_{RT/CT(valley)}＝1.2V，V_RT/CT(peak)＝2.8V，V_ref＝5V，I_dischg＝8.3mA，

根据公式：

获得不同数值的电阻R_T与电容C_T对应的输出信号频率f。

通过当反馈信号V_S增大时，PWM控制器的输出信号占空比相应减小；反之，当反馈信号V_S减小时，PWM控制器的输出信号占空比相应增大。通过上述过程，实现对输出电压与输出电流的动态调节，使其稳定工作。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式三所述的一种全调节母线型卫星电源蓄电池放电调节器作进一步说明，本实施方式中，开关管驱动电路5采用型号为IR2117的栅极驱动器实现。

本实施方式中，由于buck的开关管的位置处在高边位置，因此需要在其开关管的栅极与漏极之间设计自举驱动电路以实现开关管的完全导通状态。IR2117是美国IR公司专为驱动单个MOSFET或IGBT而设计的栅极驱动器，它采用高压集成电路技术和无闩锁CMOS技术，可用于工作母线电压高达600V的系统中。其输入与标准的CMOS电平兼容，输出驱动特性可满足交叉导通时间最短的大电流驱动输出级的设计要求。其悬浮通道与自举技术的应用使其可直接用来驱动一个工作于母线电压高达600V的、在高边或低端工作的N沟道MOSFET或IGBT。应用IR公司的单通道MOSFET驱动器IR2117组成的驱动电路设计如图8所示：在通过自举方式得到高边悬浮电源VB时，需要在供电电压引脚Vcc与高边悬浮电源端VB之间接入反向耐压要大于600V的超快恢复二极管，并在高边悬浮电源VB与输出级参考地端VS之间接入高稳定、低串联电感、高频率特性的优质电容，可选满足该要求的瓷片电容或钽电容，电容容量为0.1～1μF均可，该电容量将随IR2117工作频率的提高而下降。

通过上述电路连接方式，可将输入电压信号IN转化为高边开关管驱动信号HO，实现对开关管的驱动。

Claims (7)

1.一种全调节母线型卫星电源蓄电池放电调节器，它包括蓄电池组，其特征在于，它还包括buck拓扑结构电路(1)、电流采样单元(2)、电压采样反馈单元(3)、PWM控制单元(4)、开关管驱动电路(5)、控制单元(6)和开关S，

buck拓扑结构电路(1)，用于将蓄电池组的输入电压进行相应的降压转换，为母线提供稳定的电压，

电流采样单元(2)，用于采集蓄电池组放电电流信号，将该蓄电池放电电流信号按一定倍数转换为相应的电压信号I_S，该电压信号I_S为两路，一路电压信号I_S输出给控制单元(6)，供后续的转换与存储，另一路电压信号I_S输出给电压采样反馈单元(3)，

电压采样反馈单元(3)，用于对电流采样单元(2)输出的电压信号I_S进行分压，得到放电输出电压信号V_S，然后将该电压信号V_S反馈给PWM控制单元(4)，同时将该电压信号输出给控制单元(6)，

PWM控制单元(4)，用于将接收的反馈的电压信号V_S通过其内部的误差放大器与其内部的基准电压进行比较，使输出相应的脉宽信号给开关管驱动电路(5)，

开关管驱动电路(5)，用于对接收的脉宽信号进行自举驱动，用以驱动buck拓扑结构电路，

控制单元(6)，用于接收电流采样单元(2)输出的电压信号I_S，用作对放电电流的监测，

用于接收电压采样反馈单元(3)输出的放电输出电压信号，当放电输出电压小于放电域阈值时，闭合开关S，接通buck拓扑结构电路(1)，为母线提供电能，当放电输出电压大于放电域阈值时，断开开关S，使得buck拓扑结构电路(1)切断，从而使整个放电电路切断。

2.根据权利要求1所述的一种全调节母线型卫星电源蓄电池放电调节器，其特征在于，

buck拓扑结构电路(1)包括NMOS管VT、二极管VD、电感L、电容C和电阻R，

蓄电池组的正极连接开关S的一端，开关S的另一端连接NMOS管的漏极，NMOS管的源极同时连接电感L的一端和二极管VD的负极，电感L的另一端同时连接电容C的一端和电阻R的一端，

二极管VD的正极同时连接蓄电池组的负极、电容C的另一端和电阻R的另一端，

NMOS管VT的栅极连接开关管驱动电路(5)的驱动信号输出端，

电感L的另一端作为buck拓扑结构电路(1)的蓄电池放电电流信号正极输出端，

电容C的另一端作为buck拓扑结构电路(1)的蓄电池放电电流信号负极输出端。

3.根据权利要求1或2所述的一种全调节母线型卫星电源蓄电池放电调节器，其特征在于，

电流采样单元(2)包括电阻R_S和电流分流监视器(2-1)，

电流分流监视器(2-1)采用型号为INA282实现，

型号为INA282的电流分流监视器(2-1)的正输入端+IN连接电阻R_S的一端，型号为INA282的电流分流监视器(2-1)的负输入端-IN连接电阻R_S的另一端，

型号为INA282的电流分流监视器(2-1)的基准输入端REF1和基准输入端REF2均连接电源地，

型号为INA282的电流分流监视器(2-1)的V₊端连接供电电源，型号为INA282的电流分流监视器(2-1)的OUT端作为电流采样单元(2)的一路电压信号输出端I_S，

电阻R_S的一端作为电流分流监视器(2-1)的另一路电压信号输入端。

4.根据权利要求3所述的一种全调节母线型卫星电源蓄电池放电调节器，其特征在于，电压采样反馈单元(3)包括电阻R_S1和电阻R_S2，

电流采样单元(2)的另一路电压信号输出端连接电阻R_S1的一端，电阻R_S1的另一端连接电阻R_S2的一端，电阻R_S2的另一端连接buck拓扑结构电路(1)的蓄电池放电电流信号负极输出端，

电阻R_S1的另一端作为电压采样反馈单元(3)的电压信号输出端。

5.根据权利要求3所述的一种全调节母线型卫星电源蓄电池放电调节器，其特征在于，它还包括二极管D，二极管D的正极连接电感L的一端，二极管D的负极连接电阻R_S的一端。

6.根据权利要求1所述的一种全调节母线型卫星电源蓄电池放电调节器，其特征在于，

PWM控制单元(4)包括型号为UC3843的电流型PWM控制器、电阻R1、电容C1、电阻R_T和电容C_T，

型号为UC3843的电流型PWM控制器的VBF端作为电压采样反馈单元(3)反馈的电压信号输入端，型号为UC3843的电流型PWM控制器的VBF端同时连接电阻R1的一端和电容C1的一端，电阻R1的另一端同时连接电容C1的另一端和型号为UC3843的电流型PWM控制器的COMP端，

型号为UC3843的电流型PWM控制器的RC端同时连接电容C_T的一端和电阻R_T的一端，电容C_T的另一端同时连接电源地和型号为UC3843的电流型PWM控制器的GND端，

电阻R_T的另一端连接型号为UC3843的电流型PWM控制器的V_ref端，

型号为UC3843的电流型PWM控制器的VCC端连接供电电源，

型号为UC3843的电流型PWM控制器的OUT端作为PWM控制单元(4)的脉宽信号输出端。

7.根据权利要求1所述的一种全调节母线型卫星电源蓄电池放电调节器，其特征在于，开关管驱动电路(5)采用型号为IR2117的栅极驱动器实现。