CN111030077A - 一种太阳电池阵开关分流调节电路及基于其的调节方法 - Google Patents

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Abstract

一种太阳电池阵开关分流调节电路及基于其的调节方法，所述太阳电池阵开关分流调节电路包括：太阳能电池阵、功率开关管、继电器、功率二极管、功率开关管硬件控制电路、继电器硬件控制电路和负载。本申请提供的一种太阳电池阵开关分流调节电路及基于其的调节方法，适用于高可靠航天器电源系统太阳电池阵的功率调节，具有防太阳电池阵功率损失的优点，尤其适用于对电能供应紧张、可靠性要求高的航天器。

Description

一种太阳电池阵开关分流调节电路及基于其的调节方法
技术领域
本发明属于航天器电源技术领域，具体涉及一种太阳电池阵开关分流调节电路及基于其的调节方法。
背景技术
目前国内外绝大部分航天器均采用太阳电池阵作为能量来源。太阳电池阵输出功率通过调节生成母线电压，供航天器平台及有效载荷用电。
太阳电池阵的功率调节技术主要包括线性分流调节、开关分流调节、最大功率点跟踪调节3种形式。其中，开关分流调节由于电路简单、变换效率较高、控制复杂度低等诸多优点得到了广泛的应用，是目前航天器太阳电池阵功率调节的主要方式。
开关分流调节采用控制太阳电池阵对地短路或对母线直供的方式实现母线电压调节。在母线电压高于设定值时，开关分流调节电路的功率开关管导通，太阳电池阵对地短路，母线电压降低；在母线电压低于设定值时，开关分流调节电路的功率开关管断开，太阳电池阵直供母线，母线电压升高。通过对开关分流调节电路功率开关管的控制，可实现母线电压稳定于设定值。
传统的开关分流调节电路的功率开关管发生短路故障时，功率开关管的工作状态不受母线电压控制，一直对地短路，将造成太阳电池阵功率损失，不利用航天器电源系统的能量平衡。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种太阳电池阵开关分流调节电路，包括：太阳能电池阵、功率开关管、继电器、功率二极管、功率开关管硬件控制电路、继电器硬件控制电路和负载，所述太阳能电池阵第一端分别与所述功率开关管集电极和所述功率二极管阳极连接而第二端分别与所述继电器第一端和所述负载第一端连接，所述功率开关管发射极与所述继电器第二端连接而基极与所述功率开关管硬件控制电路第一端连接，所述功率二极管阴极分别与所述功率开关管硬件控制电路第二端、所述继电器硬件控制电路第一端和所述负载第二端连接，所述继电器硬件控制电路第二端与所述继电器连接以控制其通断；
其中，当所述继电器硬件控制电路检测到所述负载电压低于预设值时，所述继电器硬件控制电路控制所述继电器断开，以使所述负载电压上升并保持在预设电压范围内。
优选地，还包括：母线电容，所述母线电容与所述负载并联。
优选地，还包括：母线电压采集电路，所述母线电压采集电路第一端与所述功率二极管阴极连接而第二端分别与所述功率开关管硬件控制电路第二端和所述继电器硬件控制电路第一端连接。
优选地，所述功率二极管包括隔离二极管。
优选地，所述功率开关管硬件控制电路包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、比较器U1、三极管Q1和三极管Q2，其中，所述电阻R1第一端连接第一基准电压而第二端连接所述比较器U1的负极输入端，所述电阻R2的第一端连接母线电压采集端而第二端连接所述比较器U1的正极输入端，所述电阻R3第一端连接所述比较器U1的正极输入端而第二端连接所述比较器U1的输出端，所述比较器U1的负极输入端连接第一正电位而正极输入端接地，所述三极管Q1和所述三极管Q2的基极连接所述比较器U1的输出端，所述三极管Q1的集电极连接所述第一正电位而发射极连接所述电阻R4第一端，所述三极管Q2的集电极接地而发射极连接所述电阻R4第一端，所述电阻R4第二端连接所述功率二极管的基极。
优选地，所述继电器硬件控制电路包括：电阻R5、电阻R6、电阻R7和比较器U2，其中，所述电阻R5第一端连接第二基准电压而第二端连接所述比较器U2的负极输入端，所述电阻R6第一端连接母线电压采集端而第二端连接所述比较器U2的正极输入端，所述比较器U2的负极输入端连接第二正电位而正极输入端接地，所述电阻R7的第一端连接所述比较器U2的输出端而第二端连接所述继电器的驱动端。
优选地，所述母线电压采集电路包括：电阻R8和电阻R9，所述电阻R8第一端与母线连接而第二端与母线电压采集端连接，所述电阻R9第一端接地而第二端连接所述母线电压采集端。
本发明还提供了一种基于太阳电池阵开关分流调节电路的调节方法，所述太阳电池阵开关分流调节电路为上述任一所述太阳电池阵开关分流调节电路，所述方法包括步骤：
所述继电器硬件控制电路检测所述负载电压；
所述继电器硬件控制电路判断所述负载电压是否低于预设值；
若是，所述继电器硬件控制电路控制所述继电器断开，以使所述负载电压上升并保持在预设电压范围内；
若否，所述继电器硬件控制电路控制所述继电器导通，所述功率开关管硬件控制电路控制所述功率开关管处于高频开关状态，以使所述负载电压处于预设电压范围内。
本申请具有的优点和积极效果是：
(1)本申请可以防止航天器电源系统无太阳电池阵功率损失，有利于航天器的能量平衡；
(2)本申请采用了功率开关管与继电器串联的形式，在正常工作时，继电器导通电阻极低，不额外增加分流调节器的功耗；
(3)本申请逻辑判断电路简洁，元器件数量少，易于进行硬件电路实现。
本申请提供的一种太阳电池阵开关分流调节电路及基于其的调节方法，适用于高可靠航天器电源系统太阳电池阵的功率调节，具有防太阳电池阵功率损失的优点，尤其适用于对电能供应紧张、可靠性要求高的航天器。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的一种太阳电池阵开关分流调节电路的连接示意图；
图2是本发明提供的一种太阳电池阵开关分流调节电路的功率开关管硬件控制电路的示意图；
图3是本发明提供的一种太阳电池阵开关分流调节电路的继电器硬件控制电路的示意图；
图4是本发明提供的一种太阳电池阵开关分流调节电路的母线电压采集电路的示意图；
图5是本发明提供的一种太阳电池阵开关分流调节电路中功率开关管发生短路故障前后信号波形图；
图6是本发明提供的一种基于太阳电池阵开关分流调节电路的调节方法的方法流程图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图1，在本申请实施例中，本申请提供了一种太阳电池阵开关分流调节电路，包括：太阳能电池阵1、功率开关管2、继电器3、功率二极管4、功率开关管硬件控制电路5、继电器硬件控制电路6和负载8，下面对各部分进行详细描述。
如图1和3，在本申请实施例中，本申请提供的一种太阳电池阵开关分流调节电路，包括：太阳能电池阵1、功率开关管2、继电器3、功率二极管4、功率开关管硬件控制电路5、继电器硬件控制电路6和负载8，所述太阳能电池阵1第一端分别与所述功率开关管2集电极和所述功率二极管4阳极连接而第二端分别与所述继电器3第一端和所述负载8第一端连接，所述功率开关管2发射极与所述继电器3第二端连接而基极与所述功率开关管硬件控制电路5第一端连接，所述功率二极管4阴极分别与所述功率开关管硬件控制电路5第二端、所述继电器硬件控制电路6第一端和所述负载8第二端连接，所述继电器硬件控制电路6第二端与所述继电器3连接以控制其通断；
其中，当所述继电器硬件控制电路6检测到所述负载8电压低于预设值时，所述继电器硬件控制电路6控制所述继电器3断开，以使所述负载8电压上升并保持在预设电压范围内。
当本申请提供的太阳电池阵开关分流调节电路工作时，功率开关管硬件控制电路5和继电器硬件控制电路6根据负载8电压(母线电压)进行控制。具体地，当功率开关管2正常时，此时负载8的电压处于预设电压范围内，因此继电器硬件控制电路6控制继电器3一直处于导通状态，功率开关管硬件控制电路5输出开关信号并控制功率开关管2处于高频开关状态，然后负载8的电压可以一直处于预设电压范围内；当功率开关管2发生短路故障时，其不受功率开关管硬件控制电路5控制而一直处于短路状态，此时负载8电压跌落，在负载8电压跌落至预设值时，继电器硬件控制电路6产生控制信号，并控制继电器3断开，从而太阳电池阵1直供负载8，负载8电压回升至预设电压范围内。
如图1，在本申请实施例中，本申请提供的一种太阳电池阵开关分流调节电路还包括母线电容7，所述母线电容7与所述负载8并联。通过母线电容7，可以为负载8的稳定工作提供稳压作用。
如图1，在本申请实施例中，本申请提供的一种太阳电池阵开关分流调节电路还包括母线电压采集电路，所述母线电压采集电路第一端与所述功率二极管4阴极连接而第二端分别与所述功率开关管硬件控制电路5第二端和所述继电器硬件控制电路6第一端连接。
在其他申请实施例中，可以采用功率开关管硬件控制电路5和继电器硬件控制电路6上的引脚分别对负载8的电压进行测量。
在本申请实施例中，所述功率二极管2包括隔离二极管。
如图2，在本申请实施例中，所述功率开关管硬件控制电路5包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、比较器U1、三极管Q1和三极管Q2，其中，所述电阻R1第一端连接第一基准电压而第二端连接所述比较器U1的负极输入端，所述电阻R2的第一端连接母线电压采集端而第二端连接所述比较器U1的正极输入端，所述电阻R3第一端连接所述比较器U1的正极输入端而第二端连接所述比较器U1的输出端，所述比较器U1的负极输入端连接第一正电位而正极输入端接地，所述三极管Q1和所述三极管Q2的基极连接所述比较器U1的输出端，所述三极管Q1的集电极连接所述第一正电位而发射极连接所述电阻R4第一端，所述三极管Q2的集电极接地而发射极连接所述电阻R4第一端，所述电阻R4第二端连接所述功率二极管的基极。
功率开关管硬件控制电路5的工作原理为：功率开关管硬件控制电路将母线电压采集值与第一基准电压进行比较，采用回差比较电路控制母线电压在预设的电压范围内波动，功率开关管的驱动采用乙类互补功率放大电路，驱动信号直接连接至功率开关管的基极。
如图3，在本申请实施例中，所述继电器硬件控制电路6包括：电阻R5、电阻R6、电阻R7和比较器U2，其中，所述电阻R5第一端连接第二基准电压而第二端连接所述比较器U2的负极输入端，所述电阻R6第一端连接母线电压采集端而第二端连接所述比较器U2的正极输入端，所述比较器U2的负极输入端连接第二正电位而正极输入端接地，所述电阻R7的第一端连接所述比较器U2的输出端而第二端连接所述继电器的驱动端。
继电器硬件控制电路6的工作原理为：继电器硬件控制电路将母线电压采集值与第二基准电压进行比较，若母线电压低于预设值时，比较器输出低电平信号，驱动继电器断开，若母线电压高于预设值时，比较器输出高电平信号，驱动继电器闭合。
为保证功率开关管硬件控制电路5与继电器硬件控制电路6的逻辑正常，第二基准电压需低于第一基准电压。
如图1，在本申请实施例中，可以在电路中增加母线电压采集电路9，从而可以对负载8的电压进行检测。通过母线电压采集电路9，可以提高对负载8电压的检测精度。
如图4，在本申请实施例中，所述母线电压采集电路9包括：电阻R8和电阻R9，所述电阻R8第一端与母线连接而第二端与母线电压采集端连接，所述电阻R9第一端接地而第二端连接所述母线电压采集端。
母线电压采集电路9的工作原理为：母线电压采集电路采用电阻分压的形式，将母线电压的高电压值线性降低为低电压值，供功率开关管硬件控制电路5和继电器硬件控制电路6使用。
如图6，在本申请实施例中，本发明还提供了一种基于太阳电池阵开关分流调节电路的调节方法，所述太阳电池阵开关分流调节电路为上述任一所述太阳电池阵开关分流调节电路，所述方法包括步骤：
S201：所述继电器硬件控制电路6检测所述负载8电压；
S202：所述继电器硬件控制电路6判断所述负载8电压是否低于预设值；
S203：若是，所述继电器硬件控制电路6控制所述继电器3断开，以使所述负载8电压上升并保持在预设电压范围内；
S204：若否，所述继电器硬件控制电路6控制所述继电器3导通，所述功率开关管硬件控制电路5控制所述功率开关管2处于高频开关状态，以使所述负载8电压处于预设电压范围内。
当本申请提供的太阳电池阵开关分流调节电路工作时，首先所述继电器硬件控制电路6检测所述负载8电压，并判断所述负载8电压是否低于预设值。当低于预设值时，说明此时功率开关管2处于短路状态。当功率开关管2发生短路故障时，此时负载8电压跌落，在负载8电压跌落至预设值时，继电器硬件控制电路6可以检测到此电压降低，同时产生控制信号，并控制继电器3断开，从而太阳电池阵1直供负载8，负载8电压回升至预设电压范围内。当没有低于预设值时，说明此时功率开关管2处于正常状态。当功率开关管2正常时，此时负载8的电压处于预设电压范围内，继电器硬件控制电路6控制继电器3一直处于导通状态，功率开关管硬件控制电路5输出开关信号并控制功率开关管2处于高频开关状态，然后负载8的电压可以一直处于预设电压范围内。
本申请具有的优点和积极效果是：
(1)本申请可以防止航天器电源系统无太阳电池阵功率损失，有利于航天器的能量平衡；
(2)本申请采用了功率开关管与继电器串联的形式，在正常工作时，继电器导通电阻极低，不额外增加分流调节器的功耗；
(3)本申请逻辑判断电路简洁，元器件数量少，易于进行硬件电路实现。
本申请提供的一种太阳电池阵开关分流调节电路及基于其的调节方法，适用于高可靠航天器电源系统太阳电池阵的功率调节，具有防太阳电池阵功率损失的优点，尤其适用于对电能供应紧张、可靠性要求高的航天器。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (8)

1.一种太阳电池阵开关分流调节电路，其特征在于，包括：太阳能电池阵、功率开关管、继电器、功率二极管、功率开关管硬件控制电路、继电器硬件控制电路和负载，所述太阳能电池阵第一端分别与所述功率开关管集电极和所述功率二极管阳极连接而第二端分别与所述继电器第一端和所述负载第一端连接，所述功率开关管发射极与所述继电器第二端连接而基极与所述功率开关管硬件控制电路第一端连接，所述功率二极管阴极分别与所述功率开关管硬件控制电路第二端、所述继电器硬件控制电路第一端和所述负载第二端连接，所述继电器硬件控制电路第二端与所述继电器连接以控制其通断；
其中，当所述继电器硬件控制电路检测到所述负载电压低于预设值时，所述继电器硬件控制电路控制所述继电器断开，以使所述负载电压上升并保持在预设电压范围内。
2.根据权利要求1所述的太阳电池阵开关分流调节电路，其特征在于，还包括：母线电容，所述母线电容与所述负载并联。
3.根据权利要求1所述的太阳电池阵开关分流调节电路，其特征在于，还包括：母线电压采集电路，所述母线电压采集电路第一端与所述功率二极管阴极连接而第二端分别与所述功率开关管硬件控制电路第二端和所述继电器硬件控制电路第一端连接。
4.根据权利要求1所述的太阳电池阵开关分流调节电路，其特征在于，所述功率二极管包括隔离二极管。
5.根据权利要求1所述的太阳电池阵开关分流调节电路，其特征在于，所述功率开关管硬件控制电路包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、比较器U1、三极管Q1和三极管Q2，其中，所述电阻R1第一端连接第一基准电压而第二端连接所述比较器U1的负极输入端，所述电阻R2的第一端连接母线电压采集端而第二端连接所述比较器U1的正极输入端，所述电阻R3第一端连接所述比较器U1的正极输入端而第二端连接所述比较器U1的输出端，所述比较器U1的负极输入端连接第一正电位而正极输入端接地，所述三极管Q1和所述三极管Q2的基极连接所述比较器U1的输出端，所述三极管Q1的集电极连接所述第一正电位而发射极连接所述电阻R4第一端，所述三极管Q2的集电极接地而发射极连接所述电阻R4第一端，所述电阻R4第二端连接所述功率二极管的基极。
6.根据权利要求1所述的太阳电池阵开关分流调节电路，其特征在于，所述继电器硬件控制电路包括：电阻R5、电阻R6、电阻R7和比较器U2，其中，所述电阻R5第一端连接第二基准电压而第二端连接所述比较器U2的负极输入端，所述电阻R6第一端连接母线电压采集端而第二端连接所述比较器U2的正极输入端，所述比较器U2的负极输入端连接第二正电位而正极输入端接地，所述电阻R7的第一端连接所述比较器U2的输出端而第二端连接所述继电器的驱动端。
7.根据权利要求3所述的太阳电池阵开关分流调节电路，其特征在于，所述母线电压采集电路包括：电阻R8和电阻R9，所述电阻R8第一端与母线连接而第二端与母线电压采集端连接，所述电阻R9第一端接地而第二端连接所述母线电压采集端。
8.一种基于太阳电池阵开关分流调节电路的调节方法，其特征在于，所述太阳电池阵开关分流调节电路为如权利要求1-7中任一所述太阳电池阵开关分流调节电路，所述方法包括步骤：
所述继电器硬件控制电路检测所述负载电压；
所述继电器硬件控制电路判断所述负载电压是否低于预设值；
若是，所述继电器硬件控制电路控制所述继电器断开，以使所述负载电压上升并保持在预设电压范围内；
若否，所述继电器硬件控制电路控制所述继电器导通，所述功率开关管硬件控制电路控制所述功率开关管处于高频开关状态，以使所述负载电压处于预设电压范围内。
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