【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及一種基于硅基器件的空間高電壓電源系統(tǒng)，應(yīng)用于空間高壓電源領(lǐng)域。
技術(shù)介紹
1、隨著航天器功率的不斷增加，對高壓母線供電需求日益強(qiáng)烈。美國航空航天學(xué)會(aiaa)分析，將衛(wèi)星電源母線電壓由100v提升為300～400v的高壓母線，電推平臺的電源和推進(jìn)系統(tǒng)將減重20％。而esa規(guī)劃的300～400v母線高電壓衛(wèi)星，系統(tǒng)供電功率將從20kw提高到100kw。航天器母線電壓有28v、42v及100v等幾個等級，目前在國際和國內(nèi)缺乏更高電壓等級的空間電源系統(tǒng)。
2、按照航天元器件一級降額0.6倍系數(shù)要求，若為400v母線電壓至少需要開關(guān)器件能夠耐受667v。由于受空間環(huán)境影響，sic、gan等新型耐高電壓(大于300v)半導(dǎo)體器件難以承受單粒子效應(yīng)的影響，無法應(yīng)用在高可靠的衛(wèi)星電源系統(tǒng)中，而目前宇航級硅基器件最大能夠耐受500v。
3、另外，高壓大功率航天器，其還會存在多個不同的發(fā)電源、高/低壓電源系統(tǒng)共存等特點(diǎn)，因此在設(shè)計空間高壓電源系統(tǒng)時，需要考慮不同電壓電源系統(tǒng)并網(wǎng)供電問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于硅基器件的空間高電壓電源系統(tǒng)，利用低壓宇航級硅基開關(guān)器件通過拓?fù)浼軜?gòu)的創(chuàng)新來實(shí)現(xiàn)空間高電壓電源系統(tǒng)。
2、本專利技術(shù)的技術(shù)解決方案是：
3、一種基于硅基器件的空間高電壓電源系統(tǒng)，包括：高壓太陽電池陣、高壓分流調(diào)節(jié)器、高壓蓄電池組充放電調(diào)節(jié)器、低壓太陽電池陣、低壓分流調(diào)節(jié)器、
4、其中，高壓分流調(diào)節(jié)器對高壓太陽電池陣產(chǎn)生的電能進(jìn)行調(diào)節(jié)控制以保證高壓母線電壓穩(wěn)定，高壓蓄電池組充放電調(diào)節(jié)器控制低壓蓄電池組進(jìn)行充放電并同高壓母線進(jìn)行電能交換，高壓蓄電池組充放電調(diào)節(jié)器受高壓mea控制器和高壓bea控制器共同控制，高壓分流調(diào)節(jié)器受高壓mea控制器控制調(diào)節(jié)；
5、低壓分流調(diào)節(jié)器對低壓太陽電池陣產(chǎn)生的電能進(jìn)行調(diào)節(jié)控制以保證低壓母線電壓穩(wěn)定，低壓蓄電池組充放電調(diào)節(jié)器控制低壓蓄電池組進(jìn)行充放電并同低壓母線進(jìn)行電能交換，低壓蓄電池組充放電調(diào)節(jié)器受低壓mea控制器和低壓bea控制器共同控制，低壓分流調(diào)節(jié)器受低壓mea控制器控制調(diào)節(jié)；
6、高壓母線為高壓負(fù)載供電，低壓母線為平臺低壓負(fù)載供電，同時，高壓母線還通過并網(wǎng)配電裝置與低壓母線并網(wǎng)為平臺低壓負(fù)載聯(lián)合供電。
7、進(jìn)一步的，所述高壓母線和低壓平臺母線為全調(diào)節(jié)母線，均采用s3r全調(diào)節(jié)架構(gòu)，其中高壓母線的工作電壓范圍400v±4v。
8、進(jìn)一步的，還包括載荷母線，用于給載荷負(fù)載供電；所述載荷母線為不調(diào)節(jié)母線，直接從低壓蓄電池組根部引出；所述低壓蓄電池組根據(jù)低壓母線電壓和載荷母線電壓范圍選擇蓄電池組串聯(lián)數(shù)。
9、進(jìn)一步的，高壓太陽電池陣分成兩個串聯(lián)部分s1和s2，其中s2部分串聯(lián)電池陣輸出電壓<200v；在s1和s2輸出端均設(shè)計隔離二極管。
10、進(jìn)一步的，所述高壓太陽電池陣采用32％效率的三結(jié)gaas太陽電池，224片電池單體串聯(lián)保證八年壽命末期不低于405v，電池單體鍍靜電電荷消散薄膜，避免太陽電池陣表面空間電荷的積累。
11、進(jìn)一步的，所述高壓分流調(diào)節(jié)器采用低壓耐壓硅基mos管，在高壓太陽電池陣小于200v處通過引出線接高壓分流調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)順序分流控制，該mos管僅需承受小于200v的壓降，滿足空間電源一級降額要求。
12、進(jìn)一步的，高壓分流調(diào)節(jié)器包括串聯(lián)的mos管q1和q2；其中q1由高壓mea控制器按照三域控制方式實(shí)現(xiàn)順序開關(guān)分流；q2由星務(wù)計算機(jī)的硬線指令控制，當(dāng)出現(xiàn)q1短路故障或者mos管q1、q2的控制電路故障時，為保證該節(jié)太陽電池陣功率不丟失，直接發(fā)送指令讓q2保持長開路狀態(tài)。
13、進(jìn)一步的，高壓蓄電池組充放電調(diào)節(jié)器采用隔離型雙向變換器實(shí)現(xiàn)蓄電池組充電和放電的統(tǒng)一架構(gòu)管理；在高壓端通過兩級電容分壓來減少mos管電應(yīng)力，每級采用橋式拓?fù)洌坏蛪憾藙t采用一級橋式拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)蓄電池組充放電控制。
14、進(jìn)一步的，所述高壓蓄電池組充放電調(diào)節(jié)器包括三個對稱的h橋、承壓電容c3和c4、輔助電感l(wèi)1和變比n：1的變壓器；
15、其中在h橋中每個橋臂由低壓硅基mos管、二極管和濾波電容并聯(lián)構(gòu)成，二極管能夠減少因副邊整流時需靠mos開關(guān)通斷帶來的復(fù)雜同步整流控制；采用兩級承壓電容c3和c4并聯(lián)來承受并分壓母線高壓端高電壓應(yīng)力，全橋h1和h2分別串聯(lián)在電容c3和c4后面，保證全橋h1和h2中的mos管承受的電壓力≤200v；全橋h1和h2中mos管采用同一信號同步控制；
16、在低壓端采用1個全橋h0電路；
17、每個控制周期對輔助電感l(wèi)兩端的開關(guān)管進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)對輔助電感l(wèi)進(jìn)行充放電，實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換與傳遞。
18、所述高壓蓄電池組充放電調(diào)節(jié)器采用擴(kuò)展移相控制，即通過控制開關(guān)管驅(qū)動信號相位來控制蓄電池組充電狀態(tài)和放電狀態(tài)；當(dāng)?shù)蛪憾溯斎牒透邏憾溯敵龅囊葡嘟谴笥?時，為蓄電池組放電狀態(tài)；當(dāng)該移相角小于0時，為蓄電池組充電狀態(tài)；
19、低壓端電壓≤100v,通過更改變壓器變比n:1、以及全橋h1和h2開關(guān)管的占空比以適配不同電壓等級的低壓母線。
20、進(jìn)一步的，所述并網(wǎng)配電裝置包括兩個由mos管、濾波電容和二極管組成的h橋、一個由二極管組成的整流全橋、諧振電容c0、c1、諧振電感l(wèi)1、l2、承壓電容c3和c4和變壓器；
21、在h橋中每個橋臂由低壓硅基mos管和二極管并聯(lián)構(gòu)成，采用兩級承壓電容c3和c4來承擔(dān)高壓母線的電應(yīng)力，全橋h1和h2分別串聯(lián)在電容c3和c4后面，保證全橋h1和h2中的mos管承受的電壓力≤200v；
22、全橋h1和h2中mos管采用同一信號同步控制；
23、低壓端采用整流全橋進(jìn)行整流，作為變壓器后端的逆變電路，也防止低壓母線功率倒灌；諧振電容c0、c1、諧振電感l(wèi)1、l2組成諧振電路設(shè)置在全橋h1、h2與整流全橋之間，c0和c1的電容值設(shè)置為一致，l1和l2的電感值設(shè)置為一致。
24、進(jìn)一步的，所述并網(wǎng)配電裝置通過在低壓母線端設(shè)置mos管q12與高壓線路并網(wǎng)，其控制邏輯具體為：
25、檢測低壓母線電壓u0的大小和低壓母線電流i1的方向，當(dāng)i1方向?yàn)榱飨蚱脚_負(fù)載或u0小于100.2v時，q12閉合，此為初始狀態(tài)；當(dāng)i1方向不流平臺負(fù)載時或u0大于等于100.3v時，q12斷開；
26、通過設(shè)置mos管q12來控制低壓母線的并網(wǎng)，減少低壓母線向平臺負(fù)載供電的損耗。
27、進(jìn)一步的，所述并網(wǎng)配電裝置采用電壓和電流的雙閉環(huán)下垂控制，并通過更改變壓器變比n:1、以及h1和h2開關(guān)管的占空比來適配不同電壓等級的低壓母線；
28、其中，下垂控制的實(shí)時輸入包括低壓端母線本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種基于硅基器件的空間高電壓電源系統(tǒng)，其特征在于包括：高壓太陽電池陣、高壓分流調(diào)節(jié)器、高壓蓄電池組充放電調(diào)節(jié)器、低壓太陽電池陣、低壓分流調(diào)節(jié)器、低壓蓄電池組充放電調(diào)節(jié)器、低壓蓄電池組、并網(wǎng)配電裝置、高壓母線、低壓母線、高壓MEA/BEA控制器以及低壓MEA/BEA控制器；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于硅基器件的空間高電壓電源系統(tǒng)，其特征在于：所述高壓母線和低壓平臺母線為全調(diào)節(jié)母線，均采用S3R全調(diào)節(jié)架構(gòu)，其中高壓母線的工作電壓范圍400V±4V。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于硅基器件的空間高電壓電源系統(tǒng)，其特征在于：還包括載荷母線，用于給載荷負(fù)載供電；所述載荷母線為不調(diào)節(jié)母線，直接從低壓蓄電池組根部引出；所述低壓蓄電池組根據(jù)低壓母線電壓和載荷母線電壓范圍選擇蓄電池組串聯(lián)數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硅基器件的空間高電壓電源系統(tǒng)，其特征在于：高壓太陽電池陣分成兩個串聯(lián)部分S1和S2，其中S2部分串聯(lián)電池陣輸出電壓<200V；在S1和S2輸出端均設(shè)計隔離二極管。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于硅基器件的空間高電壓電源
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硅基器件的空間高電壓電源系統(tǒng)，其特征在于：所述高壓分流調(diào)節(jié)器采用低壓耐壓硅基MOS管，在高壓太陽電池陣小于200V處通過引出線接高壓分流調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)順序分流控制，該MOS管僅需承受小于200V的壓降，滿足空間電源一級降額要求。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于硅基器件的空間高電壓電源系統(tǒng)，其特征在于：高壓分流調(diào)節(jié)器包括串聯(lián)的MOS管Q1和Q2；其中Q1由高壓MEA控制器按照三域控制方式實(shí)現(xiàn)順序開關(guān)分流；Q2由星務(wù)計算機(jī)的硬線指令控制，當(dāng)出現(xiàn)Q1短路故障或者M(jìn)OS管Q1、Q2的控制電路故障時，為保證該節(jié)太陽電池陣功率不丟失，直接發(fā)送指令讓Q2保持長開路狀態(tài)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硅基器件的空間高電壓電源系統(tǒng)，其特征在于：高壓蓄電池組充放電調(diào)節(jié)器采用隔離型雙向變換器實(shí)現(xiàn)蓄電池組充電和放電的統(tǒng)一架構(gòu)管理；在高壓端通過兩級電容分壓來減少M(fèi)OS管電應(yīng)力，每級采用橋式拓?fù)洌坏蛪憾藙t采用一級橋式拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)蓄電池組充放電控制。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于硅基器件的空間高電壓電源系統(tǒng)，其特征在于：所述高壓蓄電池組充放電調(diào)節(jié)器包括三個對稱的H橋、承壓電容C3和C4、輔助電感L1和變比n：1的變壓器；
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硅基器件的空間高電壓電源系統(tǒng)，其特征在于：所述并網(wǎng)配電裝置包括兩個由MOS管、濾波電容和二極管組成的H橋、一個由二極管組成的整流全橋、諧振電容C0、C1、諧振電感L1、L2、承壓電容C3和C4和變壓器；
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的基于硅基器件的空間高電壓電源系統(tǒng)，其特征在于：所述并網(wǎng)配電裝置通過在低壓母線端設(shè)置MOS管Q12與高壓線路并網(wǎng)，其控制邏輯具體為：
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的基于硅基器件的空間高電壓電源系統(tǒng)，其特征在于：所述并網(wǎng)配電裝置采用電壓和電流的雙閉環(huán)下垂控制，并通過更改變壓器變比n:1、以及H1和H2開關(guān)管的占空比來適配不同電壓等級的低壓母線；
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硅基器件的空間高電壓電源系統(tǒng)，其特征在于：所述高壓MEA控制器采用三域控制，在光照期處于充電域時控制高壓蓄電池組充放電調(diào)節(jié)器對蓄電池組進(jìn)行充電，在滿足蓄電池組充電及母線負(fù)載功率需求的前提下，即進(jìn)入分流域時，對高壓分流調(diào)節(jié)器控制高壓太陽電池陣輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)；在陰影區(qū)或者負(fù)載功率需求較大時，高壓MEA控制器進(jìn)入放電域，控制高壓蓄電池組充放電調(diào)節(jié)器對蓄電池組進(jìn)行放電。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硅基器件的空間高電壓電源系統(tǒng)，其特征在于：所述高壓BEA控制器通過采集反饋的蓄電池充電電流和蓄電池充電電壓，經(jīng)過積分運(yùn)算放大器，得到BEA輸出控制信號，控制高壓蓄電池組充放電調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)對蓄電池充電管理。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硅基器件的空間高電壓電源系統(tǒng)，其特征在于：所述低壓太陽電池陣、低壓分流調(diào)節(jié)器、低壓蓄電池組充放電調(diào)節(jié)器、低壓MEA控制器、低壓BEA控制器均采用傳統(tǒng)S3R拓?fù)浼軜?gòu)，其作為衛(wèi)星供電系統(tǒng)的備份。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硅基器件的空間高電壓電源系統(tǒng)，其特征在于：所述低壓蓄電池組，其配置的串聯(lián)數(shù)由低壓母線電壓來決定，若低壓母線選擇100V，配置22串蓄電池組；若選擇42V，...
【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于硅基器件的空間高電壓電源系統(tǒng)，其特征在于包括：高壓太陽電池陣、高壓分流調(diào)節(jié)器、高壓蓄電池組充放電調(diào)節(jié)器、低壓太陽電池陣、低壓分流調(diào)節(jié)器、低壓蓄電池組充放電調(diào)節(jié)器、低壓蓄電池組、并網(wǎng)配電裝置、高壓母線、低壓母線、高壓mea/bea控制器以及低壓mea/bea控制器；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于硅基器件的空間高電壓電源系統(tǒng)，其特征在于：所述高壓母線和低壓平臺母線為全調(diào)節(jié)母線，均采用s3r全調(diào)節(jié)架構(gòu)，其中高壓母線的工作電壓范圍400v±4v。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于硅基器件的空間高電壓電源系統(tǒng)，其特征在于：還包括載荷母線，用于給載荷負(fù)載供電；所述載荷母線為不調(diào)節(jié)母線，直接從低壓蓄電池組根部引出；所述低壓蓄電池組根據(jù)低壓母線電壓和載荷母線電壓范圍選擇蓄電池組串聯(lián)數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硅基器件的空間高電壓電源系統(tǒng)，其特征在于：高壓太陽電池陣分成兩個串聯(lián)部分s1和s2，其中s2部分串聯(lián)電池陣輸出電壓<200v；在s1和s2輸出端均設(shè)計隔離二極管。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于硅基器件的空間高電壓電源系統(tǒng)，其特征在于：所述高壓太陽電池陣采用32％效率的三結(jié)gaas太陽電池，224片電池單體串聯(lián)保證八年壽命末期不低于405v，電池單體鍍靜電電荷消散薄膜，避免太陽電池陣表面空間電荷的積累。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硅基器件的空間高電壓電源系統(tǒng)，其特征在于：所述高壓分流調(diào)節(jié)器采用低壓耐壓硅基mos管，在高壓太陽電池陣小于200v處通過引出線接高壓分流調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)順序分流控制，該mos管僅需承受小于200v的壓降，滿足空間電源一級降額要求。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于硅基器件的空間高電壓電源系統(tǒng)，其特征在于：高壓分流調(diào)節(jié)器包括串聯(lián)的mos管q1和q2；其中q1由高壓mea控制器按照三域控制方式實(shí)現(xiàn)順序開關(guān)分流；q2由星務(wù)計算機(jī)的硬線指令控制，當(dāng)出現(xiàn)q1短路故障或者mos管q1、q2的控制電路故障時，為保證該節(jié)太陽電池陣功率不丟失，直接發(fā)送指令讓q2保持長開路狀態(tài)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硅基器件的空間高電壓電源系統(tǒng)，其特征在于：高壓蓄電池組充放電調(diào)節(jié)器采用隔離型雙向變換器實(shí)現(xiàn)蓄電池組充電和放電的統(tǒng)一架構(gòu)管理；在高壓端通過兩級電容分壓來減少mos管電應(yīng)力，每級采用橋式拓?fù)洌坏蛪憾藙t采用一級橋式拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)蓄電池...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：楊東，朱立穎，劉治鋼，何宗波，趙璽，張加迅，邢艷軍，
申請(專利權(quán))人：北京空間飛行器總體設(shè)計部，
類型：發(fā)明
國別省市：
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