CN106647920A - 一种卫星电源控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种卫星电源控制器，用于跟踪相互并联的N个光伏电池阵的峰值功率，包括N个输出二极管、第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第二二极管D2、第三二极管D3、输入电容C1、输出电容Co、电感L1、输入电压传感器、输入电流传感器、输出电压传感器以及控制单元。本发明将S3R顺序开关分流调节和MPPT最大功率跟踪控制相结合，用于提高卫星电源系统峰值功率跟踪效率和可靠性，从而实现高功率、高效率、高可靠的卫星平台。

Description

一种卫星电源控制器
技术领域
本发明属于电源控制领域，尤其涉及一种卫星电源控制器。
背景技术
随着空间科学技术的发展，各种用途的航天器不断涌现，高功率、高可靠、轻量化成为当前航天器发展的主要方向。因此，提高卫星电源系统的功率密度和可靠性对于实现高功率、高可靠、轻量化的卫星平台具有重要意义。
提高太阳电池阵的最大输出功率有助于降低卫星整体重量从而实现提高卫星电源系统的功率密度，同时，采取高可靠的电源系统架构有助于提高卫星平台的可靠性。常规的卫星电源控制器通常采用顺序开关分流调节(S3R)或最大功率跟踪控制(MPPT)方式来实现太阳电池阵的峰值功率跟踪。然而，顺序开关分流调节(S3R)可靠性虽高，但是峰值功率跟踪效率较低；最大功率跟踪控制(MPPT)峰值功率跟踪效率虽高，但是可靠性较低，不能满足未来卫星平台高可靠、高功率密度的供电需求。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种能够兼顾S3R顺序开关分流调节和MPPT最大功率跟踪控制的电源控制器架构，具有峰值功率跟踪效率高和可靠性高的优点。
一种卫星电源控制器，用于跟踪相互并联的N个光伏电池阵的峰值功率，包括N个输出二极管、第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第二二极管D2、第三二极管D3、输入电容C1、输出电容Co、电感L1、输入电压传感器、输入电流传感器、输出电压传感器以及控制单元；
所述输出二极管相互并联，且正极各连接一个光伏电池阵，负极并点连接到第二二极管D2的正极；
所述第二二极管D2的负极依次串接第二开关S2、电感L1以及第三二极管D3的正端后，通过第三二极管D3的负极连接到输出电容Co的正端和直流母线；
所述第三开关S3一端连接在第二开关S2和电感L1之间，另一端接地；
所述第一开关S1并联在第二二极管D2和第二开关S2组成的串联电路两端；
所述输入电容C1正端连接在第二二极管D2的负极和第二开关S2之间，同时负端接地；
所述输入电压传感器和输入电流传感器在输出二极管的负极并点端分别检测光伏电池阵的输入电压v1和输入电流i1；
所述输出电压传感器在第三二极管D3的负极检测光伏电池阵的输出电压vO；
所述输出电容Co正端连接直流母线，负端接地，用于稳定输出电压vO；
所述控制单元分别接收输入电压传感器、输入电流传感器以及输出电压传感器检测的输入电压v1、输入电流i1、输出电压vO以及外部输入的控制指令MPPT_EN，从而控制卫星电源控制器的工作模式以及第一开关S1、第二开关S2和第三开关S3的通断，其中：
如果外部输入的控制指令MPPT_EN为高电平，则卫星电源控制器工作在MPPT控制模式，且第一开关S1关断和第三开关S3关断，第二开关S2和第三开关S3互补导通，其中第二开关S2的导通时间由输入电压v1和输入电流i1计算得到的输入功率决定，其中：如果输入功率之间的差值变大，则第二开关S2的导通时间变长；如果输入功率之间的差值变小，则第二开关S2的导通时间变短；如果输入功率保持不变，则第二开关S2的导通时间不变，且该功率为光伏电池阵的峰值功率；
如果外部输入的控制指令MPPT_EN为低电平，则卫星电源控制器工作在S3R控制模式，且第一开关S1导通，第二开关S2关断，第三开关S3的导通时间由输出电压vO决定，其中：如果输出电压vO变大，则第三开关S3的导通时间变长；如果输出电压vO变小，则第三开关S3的导通时间变短；如果输出电压vO保持不变，则第三开关S3的导通时间不变，且该输出电压vO为光伏电池阵的最大输出电压，并对应光伏电池阵的峰值功率。
一种卫星电源控制器，所述控制单元包括MPPT控制单元、S3R控制单元、与门1、与门2、非门、S1驱动电路、S2驱动电路以及S3驱动电路；其中：
所述MPPT控制单元包括MPPT控制器、第一比较器以及第一三角波发生器；其中MPPT控制器根据接收的输入电压v1和输入电流i1计算当前输入功率与上一时刻输入功率的差值，然后输出与该差值线性相关的控制电压dref；第一比较器的两个输入端接收控制电压dref和第一三角波发生器输出的三角波Vtri，并将比较结果输入与门1；
所述S3R控制单元包括减法器、PI控制器、限幅器、第二比较器以及第二三角波发生器；其中减法器的负端接收输出电压vO，正端连接基准电压源，其中基准电压源的电压值Vref在光伏电池阵的峰值功率点电压和最大电压之间；PI控制器接收基准电压Vref与输出电压vO的差值，并对其进行比例或积分调节；限幅器接收PI控制器输出的调节信号，使自身输出的限幅信号被限定在卫星电源控制器的工作电压范围内；第二比较器的两个输入端接收限幅器的限幅信号和第二三角波发生器的三角波Vtri，并将比较结果输入与门2；
与门1的两个输入端接收MPPT控制单元输出的比较结果和外部输入的控制指令MPPT_EN，输出端连接S2驱动电路；与门2的两个输入端接收S3R控制单元输出的比较结果和外部输入的经过非门取反后的控制指令MPPT_EN，输出端连接S3驱动电路；外部输入的控制指令MPPT_EN经过非门取反后，直接输入S1驱动电路；
所述S1驱动电路、S2驱动电路以及S3驱动电路分别控制第一开关S1、第二开关S2以及第三开关S3的通断，其中：
如果外部输入的控制指令MPPT_EN为高电平，则S1驱动电路的输入为低电平，与门1的输入为高电平，与门2的输入为低电平；S1驱动电路和S3驱动电路将第一开关S1和第三开关S3关断；S2驱动电路输出受MPPT控制单元控制，第二开关S2的导通时间由第一比较器输出的比较结果的占空比决定；
如果外部输入的控制指令MPPT_EN为低电平，则S1驱动电路的输入为高电平，与门1的输入为低电平，与门2的输入为高电平；S1驱动电路将第一开关S1导通，S2驱动电路将第二开关S2关断；S3驱动电路输出受S3R控制单元控制，第三开关S3的导通时间由第二比较器输出的比较结果的占空比决定；其中在S3R控制模式下，第二二极管D2阻断输入电容C1通过第一开关S1和第三开关S3对地形成放电回路；第三二极管D3阻断输出电容Co通过第三开关S3对地形成放电回路。
一种卫星电源控制器，所述第一开关S1、第二开关S2以及第三开关S3为继电器，驱动电路S1、驱动电路S2以及驱动电路S3通过控制继电器的线包通电或断电，来控制继电器触点开关导通或关断。
一种卫星电源控制器，所述第一开关S1、第二开关S2以及第三开关S3为MOSFET，驱动电路S1、驱动电路S2以及驱动电路S3通过控制MOSFET的门极来控制MOSFET的导通和关断。
一种卫星电源控制器，所述第一开关S1、第二开关S2以及第三开关S3为晶体管，驱动电路S1、驱动电路S2以及驱动电路S3通过控制晶体管的门极来控制晶体管的导通和关断。
一种卫星电源控制器，将2个以上的卫星电源控制器相互并联，得到大功率的卫星电源控制器系统。
有益效果：
1、本发明提供一种卫星电源控制器，将S3R顺序开关分流调节和MPPT最大功率跟踪控制相结合，用于提高卫星电源系统峰值功率跟踪效率和可靠性，从而实现高功率、高效率、高可靠的卫星平台。
2、本发明通过多个同样的支路并联，进一步扩充了电源控制器的输出功率、并提高卫星电源系统的功率密度，从而实现降低卫星整体重量，实现卫星平台的轻量化，降低卫星的发射成本，提高卫星的经济性能。
附图说明
图1为本发明的卫星电源控制器示意图；
图2为本发明的控制单元原理图；
图3为本发明的卫星电源控制器级联示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明进行详细说明。
如图1所示，为本发明的卫星电源控制器示意图。一种卫星电源控制器，用于跟踪相互并联的N个光伏电池阵的峰值功率，其特征在于，包括N个输出二极管、第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第二二极管D2、第三二极管D3、输入电容C1、输出电容Co、电感L1、输入电压传感器、输入电流传感器、输出电压传感器以及控制单元；
所述输出二极管相互并联，且正极各连接一个光伏电池阵，负极并点连接到第二二极管D2的正极；
所述第二二极管D2的负极连接第二开关S2，同时第二开关S2的另一端分别连接电感L1和第三开关S3；其中电感L1的另一端连接第三二极管D3的正端，第三开关S3的另一端接地；
所述第一开关S1并联第二二极管D2和第二开关S2组成的串联电路；
所述输入电容C1正端连接在第二二极管D2的负极和第二开关S2之间，且负端接地；
所述第三二极管D3的负极连接到输出电容Co的正端和直流母线；
所述输入电压传感器和输入电流传感器在输出二极管的负极并点端分别检测光伏电池阵的输入电压v1和输入电流i1；
所述输出电压传感器在第三二极管D3的负极检测光伏电池阵的输出电压vO；
所述输出电容Co正端连接直流母线，负端接地，用于稳定输出电压vO；
所述控制单元分别接收输入电压传感器、输入电流传感器以及输出电压传感器检测的输入电压v1、输入电流i1、输出电压vO以及外部输入的控制指令MPPT_EN，从而控制第一开关S1、第二开关S2和第三开关S3的通断以及卫星电源控制器的工作模式，其中：
如果外部输入的控制指令MPPT_EN为高电平，则卫星电源控制器工作在MPPT控制模式，且第一开关S1和第三开关S3关断，第二开关S2和第三开关S3互补导通，第二开关S2的导通时间由输入电压v1和输入电流i1计算得到的输入功率决定，其中：如果输入功率之间的差值变大，则第二开关S2的导通时间变长；如果输入功率之间的差值变小，则第二开关S2的导通时间变短；如果输入功率保持不变，则第二开关S2的导通时间不变，且该功率为光伏电池阵的峰值功率；
如果外部输入的控制指令MPPT_EN为低电平，则卫星电源控制器工作在S3R控制模式，且第一开关S1导通，第二开关S2关断，第三开关S3的导通时间由输出电压vO决定，其中：如果输出电压vO变大，则第三开关S3的导通时间变长；如果输出电压vO变小，则第三开关S3的导通时间变短；如果输出电压vO保持不变，则第三开关S3的导通时间不变，且该输出电压vO为光伏电池阵的最大输出电压，并对应光伏电池阵的峰值功率。
如图2所示，为本发明的控制单元原理图。所述控制单元包括MPPT控制单元、S3R控制单元、与门1、与门2、非门、S1驱动电路、S2驱动电路以及S3驱动电路；其中：
所述MPPT控制单元包括MPPT控制器、第一比较器以及第一三角波发生器；其中MPPT控制器根据接收的输入电压v1和输入电流i1计算当前输入功率与上一时刻输入功率的差值，然后输出与该差值线性相关的控制电压dref；第一比较器的两个输入端接收控制电压dref和第一三角波发生器输出的三角波Vtri，并将比较结果输入与门1；
所述S3R控制单元包括减法器、PI控制器、限幅器、第二比较器以及第二三角波发生器；其中减法器的负端接收输出电压vO，正端连接基准电压源，其中基准电压源的电压值Vref在光伏电池阵的最大功率点电压和最大电压之间；PI控制器接收基准电压Vref与输出电压vO的差值，并对其进行比例或积分调节；限幅器接收PI控制器输出的调节信号，使自身输出的限幅信号被限定在卫星电源控制器的工作电压范围内；第二比较器的两个输入端接收限幅器的限幅信号和第二三角波发生器的三角波Vtri，并将比较结果输入与门2；
与门1的两个输入端接收MPPT控制单元输出的比较结果和外部输入的控制指令MPPT_EN，输出端连接S2驱动电路；与门2的两个输入端接收S3R控制单元输出的比较结果和外部输入的经过非门取反后的控制指令MPPT_EN，输出端连接S3驱动电路；外部输入的控制指令MPPT_EN经过非门取反后，直接输入S1驱动电路；其中S1驱动电路、S2驱动电路以及S3驱动电路分别控制第一开关S1、第二开关S2以及第三开关S3的导通和关断。
一种基于卫星电源控制器的控制方法，其特征在于，如果外部输入的控制指令MPPT_EN为高电平，则卫星电源控制器工作在MPPT控制模式；S1驱动电路的输入为低电平，与门1的输入为高电平，与门2的输入为低电平；S1驱动电路和S3驱动电路将第一开关S1和第三开关S3关断；S2驱动电路输出受MPPT控制单元控制，第二开关S2的导通时间由MPPT控制单元输出的比较结果的占空比决定；
如果外部输入的控制指令MPPT_EN为低电平，则卫星电源控制器工作在S3R控制模式；S1驱动电路的输入为高电平，与门1的输入为低电平，与门2的输入为高电平；S1驱动电路将第一开关S1导通，S2驱动电路将第二开关S2关断；S3驱动电路输出受S3R控制单元控制，第三开关S3的导通时间由S3R控制单元输出的比较结果的占空比决定；第二二极管D2阻断输入电容C1通过第一开关S1和第三开关S3对地形成放电回路；第三二极管D3阻断输出电容Co通过第三开关S3对地形成放电回路。
一种卫星电源控制器，所述第一开关S1、第二开关S2以及第三开关S3为继电器，驱动电路S1、驱动电路S2以及驱动电路S3通过控制继电器的线包通电或断电，来控制继电器触点开关导通或关断。
一种卫星电源控制器，所述第一开关S1、第二开关S2以及第三开关S3为MOSFET或晶体管，驱动电路S1、驱动电路S2以及驱动电路S3通过控制MOSFET或晶体管的门极来控制MOSFET或晶体管的导通和关断。
如图3所示，为本发明的卫星电源控制器级联示意图。一种卫星电源控制器，将至少2个卫星电源控制器相互并联，可得到大功率的卫星电源控制器系统。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种卫星电源控制器，用于跟踪相互并联的N个光伏电池阵的峰值功率，其特征在于，包括N个输出二极管、第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第二二极管D2、第三二极管D3、输入电容C1、输出电容Co、电感L1、输入电压传感器、输入电流传感器、输出电压传感器以及控制单元；
所述输出二极管相互并联，且正极各连接一个光伏电池阵，负极并点连接到第二二极管D2的正极；
所述第二二极管D2的负极依次串接第二开关S2、电感L1以及第三二极管D3的正端后，通过第三二极管D3的负极连接到输出电容Co的正端和直流母线；
所述第三开关S3一端连接在第二开关S2和电感L1之间，另一端接地；
所述第一开关S1并联在第二二极管D2和第二开关S2组成的串联电路两端；
所述输入电容C1正端连接在第二二极管D2的负极和第二开关S2之间，同时负端接地；
所述输入电压传感器和输入电流传感器在输出二极管的负极并点端分别检测光伏电池阵的输入电压v1和输入电流i1；
所述输出电压传感器在第三二极管D3的负极检测光伏电池阵的输出电压vO；
所述输出电容Co正端连接直流母线，负端接地，用于稳定输出电压vO；
所述控制单元分别接收输入电压传感器、输入电流传感器以及输出电压传感器检测的输入电压v1、输入电流i1、输出电压vO以及外部输入的控制指令MPPT_EN，从而控制卫星电源控制器的工作模式以及第一开关S1、第二开关S2和第三开关S3的通断，其中：
如果外部输入的控制指令MPPT_EN为高电平，则卫星电源控制器工作在MPPT控制模式，且第一开关S1和第三开关S3关断，第二开关S2的导通时间由输入电压v1和输入电流i1计算得到的输入功率决定，其中：如果输入功率之间的差值变大，则第二开关S2的导通时间变长；如果输入功率之间的差值变小，则第二开关S2的导通时间变短；如果输入功率保持不变，则第二开关S2的导通时间不变；
如果外部输入的控制指令MPPT_EN为低电平，则卫星电源控制器工作在S3R控制模式，且第一开关S1导通，第二开关S2关断，第三开关S3的导通时间由输出电压vO决定，其中：如果输出电压vO变大，则第三开关S3的导通时间变长；如果输出电压vO变小，则第三开关S3的导通时间变短；如果输出电压vO保持不变，则第三开关S3的导通时间不变。
2.如权利要求1所述的一种卫星电源控制器，其特征在于，所述控制单元包括MPPT控制单元、S3R控制单元、与门1、与门2、非门、S1驱动电路、S2驱动电路以及S3驱动电路；其中：
所述MPPT控制单元包括MPPT控制器、第一比较器以及第一三角波发生器；其中MPPT控制器根据接收的输入电压v1和输入电流i1计算当前输入功率与上一时刻输入功率的差值，然后输出与该差值线性相关的控制电压dref；第一比较器的两个输入端接收控制电压dref和第一三角波发生器输出的三角波Vtri，并将比较结果输入与门1；
所述S3R控制单元包括减法器、PI控制器、限幅器、第二比较器以及第二三角波发生器；其中减法器的负端接收输出电压vO，正端连接基准电压源，其中基准电压源的电压值Vref在光伏电池阵的峰值功率点电压和最大电压之间；PI控制器接收基准电压Vref与输出电压vO的差值，并对其进行比例或积分调节；限幅器接收PI控制器输出的调节信号，使自身输出的限幅信号被限定在卫星电源控制器的工作电压范围内；第二比较器的两个输入端接收限幅器的限幅信号和第二三角波发生器的三角波Vtri，并将比较结果输入与门2；
与门1的两个输入端接收MPPT控制单元输出的比较结果和外部输入的控制指令MPPT_EN，输出端连接S2驱动电路；与门2的两个输入端接收S3R控制单元输出的比较结果和外部输入的经过非门取反后的控制指令MPPT_EN，输出端连接S3驱动电路；外部输入的控制指令MPPT_EN经过非门取反后，直接输入S1驱动电路；
所述S1驱动电路、S2驱动电路以及S3驱动电路分别控制第一开关S1、第二开关S2以及第三开关S3的通断，其中：
如果外部输入的控制指令MPPT_EN为高电平，则S1驱动电路的输入为低电平，与门1的输入为高电平，与门2的输入为低电平；S1驱动电路和S3驱动电路将第一开关S1和第三开关S3关断；S2驱动电路输出受MPPT控制单元控制，第二开关S2的导通时间由第一比较器输出的比较结果的占空比决定；
如果外部输入的控制指令MPPT_EN为低电平，则S1驱动电路的输入为高电平，与门1的输入为低电平，与门2的输入为高电平；S1驱动电路将第一开关S1导通，S2驱动电路将第二开关S2关断；S3驱动电路输出受S3R控制单元控制，第三开关S3的导通时间由第二比较器输出的比较结果的占空比决定；其中在S3R控制模式下，第二二极管D2阻断输入电容C1通过第一开关S1和第三开关S3对地形成放电回路；第三二极管D3阻断输出电容Co通过第三开关S3对地形成放电回路。
3.如权利要求1所述的一种卫星电源控制器，其特征在于，所述第一开关S1、第二开关S2以及第三开关S3为继电器，驱动电路S1、驱动电路S2以及驱动电路S3通过控制继电器的线包通电或断电，来控制继电器触点开关导通或关断。
4.如权利要求1所述的一种卫星电源控制器，其特征在于，所述第一开关S1、第二开关S2以及第三开关S3为MOSFET，驱动电路S1、驱动电路S2以及驱动电路S3通过控制MOSFET的门极来控制MOSFET的导通和关断。
5.如权利要求1所述的一种卫星电源控制器，其特征在于，所述第一开关S1、第二开关S2以及第三开关S3为晶体管，驱动电路S1、驱动电路S2以及驱动电路S3通过控制晶体管的门极来控制晶体管的导通和关断。
6.如权利要求1-5中任一权利要求所述的一种卫星电源控制器，其特征在于，将2个以上的卫星电源控制器相互并联，得到大功率的卫星电源控制器系统。
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