CN109976435A - 一种空间用多级太阳电池阵功率调控电路 - Google Patents

一种空间用多级太阳电池阵功率调控电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种空间用多级太阳电池阵功率调控电路，属于空间电源技术领域，包括分阵电压和电流采样电路、MPPT信号产生电路、电压比较输出电路、PWM产生及驱动电路、统一误差放大信号电路、二次放大电路、MPPT启停电路和场效应晶体管；分阵电压和电流采样电路的输出端子与MPPT信号产生电路的输入端子电连接；统一误差放大信号电路包括运算放大器A、运算放大器B和运算放大器C；二次放大电路包括运算放大器D、运算放大器E和运算放大器F；MPPT启停电路包括电压比较器，场效应晶体管为N沟增强型；PWM产生及驱动电路的输出端子与场效应晶体管的栅极连接，场效应晶体管的漏极与太阳能电池阵连接。

Description

一种空间用多级太阳电池阵功率调控电路
技术领域
本发明属于空间电源技术领域，具体涉及一种空间用多级太阳电池阵功率调控电路。
背景技术
空间航天器普遍采用太阳电池阵-蓄电池组电源系统，由于太阳电池的最大输出功率与光强、环境温度、粒子辐照等条件有关。如图1所示，主要包括与太阳电池阵连接的功率变换器，与功率变换器连接的母线电容，上述母线电容分别与载荷和储能电池连接；在一定的光强和温度条件下，太阳电池可以在不同的输出电压工作，只有在某一输出电压时，它的输出功率最大，该工作点称为最大功率点。同时，航天器需求发电功率又受到工作载荷与蓄电池充电倍率的制约。对每级分阵采用最大功率跟踪电路调控虽然可以使太阳电池阵的功率得到充分发挥，但是由于轨道光照的变化，将会导致在最强光强段电池充电倍率太大，威胁到航天器电源的供电安全。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题，提供一种空间用多级太阳电池阵功率调控电路，该空间用多级太阳电池阵功率调控电路在光照条件不充足的情况下使每级分阵工作在最大功率点，同时在光照条件充足的情况下使太阳电池阵的总输出功率实现调节。其主要目的是实现航天器在轨不同工况下的多级太阳电池分阵的功率调控。
本发明的目的是提供一种空间用多级太阳电池阵功率调控电路，包括分阵电压和电流采样电路、MPPT信号产生电路、电压比较输出电路和PWM产生及驱动电路；上述分阵电压和电流采样电路的输出端子与MPPT信号产生电路的输入端子电连接；至少还包括：统一误差放大信号电路、二次放大电路、MPPT启停电路三部分；其中：
所述统一误差放大信号电路包括运算放大器A、运算放大器B和运算放大器C；母线电压采样信号连接至运算放大器A的负端，电压基准连接至运算放大器A的正端；充电电流采样信号连接至运算放大器B的负端，电流基准连接至运算放大器B的正端；最大电流限制基准连接至运算放大器C的正端；上述运算放大器A与二极管A的阴极电连接，上述运算放大器B与二极管B的阴极电连接，上述运算放大器C与二极管C的阴极电连接，上述二极管A的阳极、二极管B的阳极和二极管C的阳极相互连接组成EA输出端子；
所述二次放大电路包括运算放大器D、运算放大器E和运算放大器F；上述运算放大器E的正端通过下拉电阻接地；上述EA输出端子通过EA信号接口与运算放大器E的输入端连接；上述运算放大器E的输出端子为Vea输出端子，上述运算放大器E的负端和运算放大器E的输出端子电连接；上述Vea输出端子通过第一电阻与运算放大器F的正端电连接；上述运算放大器F的正端通过第二电阻接地；母线电压采样信号连接至运算放大器D的正端；上述运算放大器D的负端通过电阻与运算放大器D的输出端连接组成Vref信号端子；上述Vref信号端子通过第三电阻与运算放大器F的负端连接；上述运算放大器F的负端通过第四电阻与运算放大器F的输出端连接组成Vc信号端子；母线电压采样信号通过二极管D与Vc信号端子连接；母线电压采样信号通过二极管E与限制电流基准VI连接；母线电压采样信号通过二极管F与MPPT产生信号连接；
所述MPPT启停电路包括电压比较器，上述Vea输出端子通过电阻和电压比较器的负端连接，母线电压采样信号通过两个分压电阻与电压比较器的正端连接，母线电压采样信号因此通过分压电阻、二极管接地，上述电压比较器的正端通过下拉电阻接地；上述电压比较器的输出端子为MPPT启停信号端子；上述MPPT启停信号端子与MPPT信号产生电路的输入端子电连接；
太阳能电池阵的输出端与场效应晶体管的漏极连接，该场效应晶体管为N沟增强型；上述PWM产生及驱动电路的输出端子与场效应晶体管的栅极连接，上述场效应晶体管的源极依次通过保护电阻、二极管与二极管连接。
本发明具有的优点和积极效果是：
本发明采用上述技术方案，通过统一误差信号与每级分阵的最大功率调节电路单元进行连接，利用二次放大电路对每级分阵进行工作区间划分，实现总输出功率的调控。
1、本发明采用硬件电路实现自主实现太阳电池阵功率调控，无需复杂的软件算法，提高了控制方法的可靠性；
2、本发明能够根据母线电压和充电电流，对太阳电池阵的输出总功率进行精细调节；
3、本发明在统一功率调节控制的基础上，同时保留了对每级分阵的最大功率调节控制，使太阳电池阵功率得到充分利用。
附图说明
图1为传统技术的电路原理图；
图2为本发明优选实施中统一误差放大信号电路的电路图；
图3为本发明优选实施例的电路原理图；
图4为本发明优选实施中统一误差放大信号划分工作区间示意图；
图5为本发明优选实施中二次放大电路的电路图；
图6为本发明优选实施中MPPT启停电路的电路图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
基本参数解释：
PMW，脉冲宽度调制
MPPT控制器的全称“最大功率点跟踪”(Maximum Power Point Tracking)太阳能控制器；
EA，统一误差信号；
Vea，统一误差信号电压；
Vref，设定基准电压；
请参阅图2至图6，一种空间用多级太阳电池阵功率调控电路，包括分阵电压和电流采样电路、MPPT信号产生电路、电压比较输出电路和PWM产生及驱动电路；上述分阵电压和电流采样电路的输出端子与MPPT信号产生电路的输入端子电连接；至少还包括：统一误差放大信号电路、二次放大电路、MPPT启停电路三部分；其中：
请参阅图2，所述统一误差放大信号电路包括运算放大器A、运算放大器B和运算放大器C；母线电压采样信号连接至运算放大器A的负端，电压基准连接至运算放大器A的正端；充电电流采样信号连接至运算放大器B的负端，电流基准连接至运算放大器B的正端；最大电流限制基准连接至运算放大器C的正端；上述运算放大器A与二极管A的阴极电连接，上述运算放大器B与二极管B的阴极电连接，上述运算放大器C与二极管C的阴极电连接，上述二极管A的阳极、二极管B的阳极和二极管C的阳极相互连接组成EA输出端子；
请参阅图5，所述二次放大电路包括运算放大器D、运算放大器E和运算放大器F；上述运算放大器E的正端通过下拉电阻接地；上述EA输出端子通过EA信号接口与运算放大器E的输入端连接；上述运算放大器E的输出端子为Vea输出端子，上述运算放大器E的负端和运算放大器E的输出端子电连接；上述Vea输出端子通过第一电阻与运算放大器F的正端电连接；上述运算放大器F的正端通过第二电阻接地；母线电压采样信号连接至运算放大器D的正端；上述运算放大器D的负端通过电阻与运算放大器D的输出端连接组成Vref信号端子；上述Vref信号端子通过第三电阻与运算放大器F的负端连接；上述运算放大器F的负端通过第四电阻与运算放大器F的输出端连接组成Vc信号端子；母线电压采样信号通过二极管D与Vc信号端子连接；母线电压采样信号通过二极管E与限制电流基准VI连接；母线电压采样信号通过二极管F与MPPT产生信号连接；
请参阅图6，所述MPPT启停电路包括电压比较器，上述Vea输出端子通过电阻和电压比较器的负端连接，母线电压采样信号通过两个分压电阻与电压比较器的正端连接，母线电压采样信号因此通过分压电阻、二极管接地，上述电压比较器的正端通过下拉电阻接地；上述电压比较器的输出端子为MPPT启停信号端子；上述MPPT启停信号端子与MPPT信号产生电路的输入端子电连接；
太阳能电池阵的输出端与场效应晶体管的漏极连接，该场效应晶体管为N沟增强型；上述PWM产生及驱动电路的输出端子与场效应晶体管的栅极连接，上述场效应晶体管的源极依次通过保护电阻、二极管与二极管连接。
在上述优选实施例中：所述统一误差放大信号电路包括三个运算放大器，其输出通过二极管进行连接，见图2。母线电压采样信号连接至运算放大器C的负端，电压基准连接至运算放大器C的正端。充电电流采样信号连接至运算放大器B的负端，电流基准连接至运算放大器B的正端。最大电流限制基准连接至运算放大器A的正端。
所述二次放大电路，如图5，由三个运算放大器组成。统一误差信号EA与设定基准电压Vref的关系如下，
其中：R1为第一电阻的阻值，R2为第二电阻的阻值，R3为第三电阻的阻值，R4为第四电阻的阻值，VC为统一误差信号EA与设定基准电压Vref的关系；
对应每级设计工作电压的VL(低压门限)和VH(高压门限)分别为：
选取电阻R1＝R3，R2＝R4，R2＝k·R1，得到：
VL＝Vref
当统一误差信号EA低于VL，则该级功率转换器无输出；当统一误差信号EA处于VL至VH之间时，该级功率转换器电流由零增至限制最大电流(对应VI)；当统一误差信号EA高于VH，该级功率转换器工作在最大功率点。
所述MPPT启停电路，如图6，通过电阻网络分压使比较器负向端电压等于VH，于是当EA信号高于VH时，比较器输出为高，MPPT电路启动；当EA信号低于VH时，比较器输出电压为低，MPPT电路停止工作。
所述发明实例，设置VI基准为5V，对应四级工作电压(VL，VH)取值分别为(1V，1.5V)，(2V，2.5V)，(3V，3.5V)，(4V，4.5V)
电阻值选取如下R1＝R3＝10kΩ，R2＝R4＝100kΩ，
表1为多级调控工作区间示例
VH Vl Vref取值
1.5V 1V 1V
2.5V 2V 2V
3.5V 3V 3V
4.5V 4V 4V
请参阅图3，本发明的工作原理为：通过二次放大电路对太阳电池阵的功率变换器的工作区间分级进行划分，再由统一误差信号控制多级太阳电池阵功率变换器工作状态，从而实现航天器太阳电池阵的总输出功率的调节。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种空间用多级太阳电池阵功率调控电路，包括分阵电压和电流采样电路、MPPT信号产生电路、电压比较输出电路和PWM产生及驱动电路；上述分阵电压和电流采样电路的输出端子与MPPT信号产生电路的输入端子电连接；其特征在于：至少还包括：统一误差放大信号电路、二次放大电路、MPPT启停电路三部分；其中：
所述统一误差放大信号电路包括运算放大器A、运算放大器B和运算放大器C；母线电压采样信号连接至运算放大器A的负端，电压基准连接至运算放大器A的正端；充电电流采样信号连接至运算放大器B的负端，电流基准连接至运算放大器B的正端；最大电流限制基准连接至运算放大器C的正端；上述运算放大器A与二极管A的阴极电连接，上述运算放大器B与二极管B的阴极电连接，上述运算放大器C与二极管C的阴极电连接，上述二极管A的阳极、二极管B的阳极和二极管C的阳极相互连接组成EA输出端子；
所述二次放大电路包括运算放大器D、运算放大器E和运算放大器F；上述运算放大器E的正端通过下拉电阻接地；上述EA输出端子通过EA信号接口与运算放大器E的输入端连接；上述运算放大器E的输出端子为Vea输出端子，上述运算放大器E的负端和运算放大器E的输出端子电连接；上述Vea输出端子通过第一电阻与运算放大器F的正端电连接；上述运算放大器F的正端通过第二电阻接地；母线电压采样信号连接至运算放大器D的正端；上述运算放大器D的负端通过电阻与运算放大器D的输出端连接组成Vref信号端子；上述Vref信号端子通过第三电阻与运算放大器F的负端连接；上述运算放大器F的负端通过第四电阻与运算放大器F的输出端连接组成Vc信号端子；母线电压采样信号通过二极管D与Vc信号端子连接；母线电压采样信号通过二极管E与限制电流基准VI连接；母线电压采样信号通过二极管F与MPPT产生信号连接；
所述MPPT启停电路包括电压比较器，上述Vea输出端子通过电阻和电压比较器的负端连接，母线电压采样信号通过两个分压电阻与电压比较器的正端连接，母线电压采样信号因此通过分压电阻、二极管接地，上述电压比较器的正端通过下拉电阻接地；上述电压比较器的输出端子为MPPT启停信号端子；上述MPPT启停信号端子与MPPT信号产生电路的输入端子电连接；
太阳能电池阵的输出端与场效应晶体管的漏极连接，该场效应晶体管为N沟增强型；上述PWM产生及驱动电路的输出端子与场效应晶体管的栅极连接，上述场效应晶体管的源极依次通过保护电阻、二极管与二极管连接。
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