衛(wèi)星電源分系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)與研究

衛(wèi)星電源分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)工程，不但要考慮電源各部分的參數(shù)設(shè)計(jì)，還要考慮電氣設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)、安全性設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)等方面。因?yàn)槿魏畏矫?，哪怕是極微小的疏忽，都有可能導(dǎo)致整個(gè)衛(wèi)星電源分系統(tǒng)甚至整顆衛(wèi)星的崩潰。我國(guó)交付的尼日利亞通信衛(wèi)星一號(hào)才使用一年多因太陽(yáng)翼故障導(dǎo)致電能耗盡就是先例，所以衛(wèi)星電源分系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

電源分系統(tǒng)構(gòu)成
某型號(hào)衛(wèi)星電源分系統(tǒng)采用全調(diào)節(jié)直流母線(xiàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)由砷化鎵太陽(yáng)電池方陣、一組6Ah鎘鎳電池及一臺(tái)電源控制器（包括一次電源調(diào)節(jié)、二次電源變換、系統(tǒng)遙測(cè)、遙控功能、部分星上配電功能）組成。電源分系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1? 電源分系統(tǒng)原理框圖

電源分系統(tǒng)由一次和二次電源組成，一次電源母線(xiàn)為全調(diào)節(jié)型直流母線(xiàn)系統(tǒng)，經(jīng)調(diào)節(jié)的直流母線(xiàn)不論衛(wèi)星進(jìn)入光照期還是在陰影期，電壓都穩(wěn)定在27V±1V范圍內(nèi)。

太陽(yáng)電池陣可靠性分析與冗余設(shè)計(jì)
1 太陽(yáng)電池陣可靠性分析
從太陽(yáng)電池方陣采用的太陽(yáng)電池、隔離二極管、電連接器及導(dǎo)線(xiàn)等元器件的失效幾率來(lái)看，短路失效的概率較小，而開(kāi)路失效的可能性存在，應(yīng)屬串聯(lián)性開(kāi)路失效模式。故在太陽(yáng)電池陣設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采取有效措施防止太陽(yáng)電池串開(kāi)路失效。

①疊層太陽(yáng)電池包括太陽(yáng)電池、玻璃蓋片、互連條、蓋片膠及焊點(diǎn)等部分，這種疊層的失效主要集中于焊點(diǎn)及互連片的斷開(kāi)和短路方面。從失效幾率來(lái)看，短路可能性極小，而焊點(diǎn)脫開(kāi)及電池破裂開(kāi)路的幾率是存在的。

單體太陽(yáng)電池經(jīng)過(guò)嚴(yán)格篩選，失效屬于偶然隨機(jī)失效，失效類(lèi)型為指數(shù)分布型。每個(gè)太陽(yáng)電池的上下電極各有6個(gè)焊點(diǎn)，只要各有1個(gè)焊點(diǎn)不斷開(kāi)則就不會(huì)失效，屬6元并聯(lián)型系統(tǒng)。
② 隔離二極管降額使用，并有3倍以上冗余，以提高可靠性。
③ 電纜及電連接器的接點(diǎn)均采用多點(diǎn)并聯(lián)，減少開(kāi)路失效幾率。
④ 太陽(yáng)電池粘貼玻璃蓋片時(shí)，采用全覆蓋方式，不使電池光照面邊緣裸露在粒子輻照環(huán)境中，以延長(zhǎng)其壽命。
2 太陽(yáng)電池陣冗余設(shè)計(jì)及功率設(shè)計(jì)裕度
在最高工作溫度為80℃時(shí)，電池陣壽命末期輸出功率為300W，滿(mǎn)足衛(wèi)星241W的用電需求，功率裕度為24%，功率設(shè)計(jì)滿(mǎn)足可靠性要求。
① 從太陽(yáng)電池串聯(lián)數(shù)來(lái)看，供電陣實(shí)際布片為18片，大于指標(biāo)需求值17片；充電陣實(shí)際布片為10片，大于指標(biāo)需求值9片。由于串聯(lián)數(shù)的冗余，電壓較高，使太陽(yáng)電池陣處于更穩(wěn)定的工作狀態(tài)。
② 太陽(yáng)電池陣實(shí)際總電池串?dāng)?shù)量為28并，對(duì)應(yīng)的末期輸出功率為300W，而滿(mǎn)足衛(wèi)星3年壽命末期241W用電需求對(duì)應(yīng)的電池串?dāng)?shù)量為26并。由于并聯(lián)數(shù)的冗余，保證壽命末期太陽(yáng)電池陣的工作穩(wěn)定性。

鎘鎳蓄電池組可靠性分析與冗余設(shè)計(jì)
1鎘鎳蓄電池可靠性分析?
鎘鎳蓄電池組失效方式有泄露、開(kāi)路、短路和性能衰減等。在這些失效方式中，開(kāi)路失效出現(xiàn)的可能性非常小，主要是裝配過(guò)程中的機(jī)械損傷和質(zhì)量控制出問(wèn)題，通過(guò)加強(qiáng)質(zhì)量控制和檢驗(yàn)工作可以避免這種致命的失效。鎘鎳蓄電池組經(jīng)長(zhǎng)期使用，最明顯、最主要的失效方式是性能衰減。在使用時(shí)采用電壓溫度補(bǔ)償下的充電控制方式，并由星務(wù)計(jì)算機(jī)參與控制管理，整個(gè)壽命期設(shè)置多條V-T曲線(xiàn)硬件控制和多點(diǎn)充放電比選擇，可根據(jù)衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)和蓄電池使用情況，通過(guò)遙控選擇相應(yīng)的補(bǔ)償曲線(xiàn)，保證鎘鎳電池組工作處于良性循環(huán)。

2 鎘鎳蓄電池的冗余設(shè)計(jì)及功率設(shè)計(jì)裕度
每組鎘鎳電池組有16個(gè)單體蓄電池串聯(lián)而成，允許有1節(jié)單體短路失效而不影響整星的工作，在電容量設(shè)計(jì)過(guò)程中有大于10％的冗余容量設(shè)計(jì)。

電源控制器可靠性分析與冗余設(shè)計(jì)
電源控制器是由分流調(diào)節(jié)模塊、充電調(diào)節(jié)模塊、放電調(diào)節(jié)模塊、二次電源模塊、工作電源模塊和火工品模塊等組成。

1 分流調(diào)節(jié)模塊可靠性分析與冗余設(shè)計(jì)
分流調(diào)節(jié)電路的功能是調(diào)節(jié)太陽(yáng)電池供電陣的輸出電能，穩(wěn)定一次電源母線(xiàn)電壓，是光照期向衛(wèi)星負(fù)載主要供電部分。分流電路設(shè)計(jì)繼承了其他衛(wèi)星的成熟技術(shù)，分流調(diào)節(jié)模塊的分流元件選用了V-MOS功率三極管，該器件在導(dǎo)通期間內(nèi)阻較小并能承受較大的分流電流。器件本身降額余度較大，為了防止短路失效會(huì)造成一路太陽(yáng)電池供電陣不能向母線(xiàn)供電的故障，設(shè)計(jì)采用兩管串聯(lián)工作的可靠性措施。另外，在控制電路中采用了安全導(dǎo)向的可靠性措施，避免因太陽(yáng)電池供電陣短路的故障減少一路供電陣的輸出功率；根據(jù)電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和衛(wèi)星電源供配電要求，一路供電陣喪失分流調(diào)節(jié)功能，不會(huì)引起母線(xiàn)電壓的波動(dòng)，因?yàn)槠渌９ぷ鞯姆至髡{(diào)節(jié)電路能夠完成母線(xiàn)功率調(diào)節(jié)功能。為了提高分流電路的可靠性，分流調(diào)節(jié)電路有兩個(gè)功率模塊組成，各模塊電路獨(dú)立工作，任何一路功率模塊的失效不會(huì)影響其他功率模塊正常調(diào)節(jié)功能。

為了防止隔離二極管的開(kāi)路，采用了兩個(gè)二極管并聯(lián)可靠性措施。
2 放電調(diào)節(jié)模塊可靠性分析與冗余設(shè)計(jì)
放電調(diào)節(jié)模塊負(fù)責(zé)在光照期太陽(yáng)電池陣輸出功率不能滿(mǎn)足星上負(fù)載功率，和衛(wèi)星進(jìn)入陰影期時(shí)，提供整星有效載荷負(fù)載所需的功率，保證系統(tǒng)母線(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。
放電調(diào)節(jié)器有4個(gè)放電調(diào)節(jié)模塊組成，每?jī)蓚€(gè)放電調(diào)節(jié)模塊電路并連后，然后串聯(lián)輸出。兩個(gè)并聯(lián)模塊中允許1路失效，并且在1路放電調(diào)節(jié)模塊失效的情況下，放電調(diào)節(jié)模塊能夠滿(mǎn)足額定功率輸出，不影響電源正常供電

圖2? 濾波電容防短路保護(hù)電路

圖3? 工作電源輸入保護(hù)電路

3 充電控制模塊可靠性分析與冗余設(shè)計(jì)
為了提高充電控制電路的可靠性，充電電流調(diào)整器件選用V-MOS大功率三極管，充電電路采用了冷備份，通過(guò)地面遙測(cè)指令實(shí)行主備切換，也可以自主切換。主備兩套電路完全獨(dú)立，包括控制電路和功率調(diào)整器件等，不存在單點(diǎn)失效的環(huán)節(jié)。

圖4? 二次電源輸入保護(hù)

4 二次電源模塊的可靠性分析與冗余設(shè)計(jì)
為了提高電源系統(tǒng)供電的可靠性，對(duì)二次電源的設(shè)置在設(shè)計(jì)中應(yīng)引起高度的重視。盡量選用在01星或在軌使用過(guò)的成品DC/DC模塊，并根據(jù)用電負(fù)載的需求采用冷備份措施，在保證二次電源用戶(hù)負(fù)載供電電源可靠的前提下，降低二次電源的自耗，提高電源系統(tǒng)供電利用率。

5 工作電源的可靠性分析與冗余設(shè)計(jì)
電源控制器中控制模塊使用的工作電源取自一次電源母線(xiàn)，工作電源有兩個(gè)模塊并聯(lián)組成。當(dāng)其中一個(gè)工作電源模塊發(fā)生故障時(shí)，即自動(dòng)退出供電回路，由另一個(gè)工作電源模塊完成供電，保證控制電路的用電，電路故障則通過(guò)隔離二極管來(lái)隔離。

熱設(shè)計(jì)
熱設(shè)計(jì)方面繼承了其他衛(wèi)星產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，根據(jù)該衛(wèi)星電源分系統(tǒng)設(shè)備的自身發(fā)熱的特點(diǎn)，具體采用如下措施。

（1）電池單體選擇側(cè)臥安裝方式，每個(gè)單體蓄電池之間安裝L形導(dǎo)熱板，并用導(dǎo)熱膠填充縫隙，從而提供盡可能短的傳熱通道和良好的傳熱介質(zhì)，使熱量能通過(guò)導(dǎo)熱板底邊傳遞給熱控系統(tǒng)統(tǒng)一處理。
（2）嚴(yán)格控制設(shè)備在制造、安裝過(guò)程中的平面度要求。
（3）根據(jù)可能出現(xiàn)的最大發(fā)熱功率，設(shè)計(jì)散熱面積。
（4）盡可能將發(fā)熱量大、功耗大的器件安裝在散熱底板上。

電路保護(hù)措施
1 濾波電容防短路保護(hù)
為了提高一次電源母線(xiàn)輸出供電品質(zhì)，在電源控制器的母線(xiàn)輸出端采用了濾波電容陣，由多只鉭電容并聯(lián)組成。因此，對(duì)于電容陣的可靠性設(shè)計(jì)，主要是防止鉭電容的短路失效。為了防止鉭電容短路造成母線(xiàn)短路失效，在每一只電容上串聯(lián)一只保險(xiǎn)絲的可靠性措施，保護(hù)電路如圖2所示。

2 工作電源輸入保護(hù)
電源控制器使用的工作電源取自一次電源母線(xiàn)。為保護(hù)母線(xiàn)電源，在每個(gè)工作電源輸入端采用保險(xiǎn)絲與限流電阻并聯(lián)保護(hù)措施，保護(hù)電路如圖3所示。

3 二次電源輸入保護(hù)（DC/DC）
電源控制器中遙測(cè)變換電路使用的二次電源以母線(xiàn)電源為輸入電源，工作電源采用DC/DC變換型電源。設(shè)計(jì)選用了成品INTERPOINT公司電源模塊，電源輸入端使用了該公司的EMI-461濾波器，保險(xiǎn)絲與限流電阻并聯(lián)保護(hù)措施，保護(hù)電路如圖4所示。

4 過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)
放電調(diào)節(jié)電路中的每個(gè)功率模塊都設(shè)置了過(guò)壓保護(hù)，可以避免由于放電調(diào)節(jié)模塊輸出電壓升高對(duì)衛(wèi)星負(fù)載造成的過(guò)壓沖擊。

放電調(diào)節(jié)電路每個(gè)功率模塊都設(shè)置了過(guò)流保護(hù)，防止由于負(fù)載電流過(guò)大而造成放電調(diào)節(jié)模塊損壞。
按照衛(wèi)星負(fù)載安全用電要求，各分系統(tǒng)負(fù)載使用電源母線(xiàn)都必須要串接保險(xiǎn)絲或限流電阻。因此，電源系統(tǒng)的過(guò)流保護(hù)值必須要與分系統(tǒng)負(fù)載用電保護(hù)統(tǒng)一協(xié)調(diào)，既要使電源系統(tǒng)在負(fù)載出現(xiàn)短路故障時(shí)得到保護(hù)，又要能夠輸出足夠的電流熔斷故障負(fù)載的保險(xiǎn)絲。

電源系統(tǒng)放電調(diào)節(jié)模塊的過(guò)流保護(hù)為限流型技術(shù)，當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)故障，電流劇增時(shí)，限流電路啟動(dòng)，將電源的輸出電流限制在大于最大輸出電流的某一個(gè)電流值。過(guò)流電路具有自恢復(fù)功能，當(dāng)外界負(fù)載故障排除以后，限流保護(hù)功能自行消失，恢復(fù)正常供電狀態(tài)。

圖5 遙測(cè)輸出保

5 遙測(cè)變換電路輸出保護(hù)
按建造設(shè)計(jì)規(guī)范要求，遙測(cè)輸出采用了雙向限幅電路和限流保護(hù)措施，保護(hù)電路如圖5所示。
6 遙控輸入保護(hù)
遙控輸入采用限流電阻保護(hù)措施，如圖6所示。

圖6 遙控輸入保護(hù)

CMOS器件可靠性設(shè)計(jì)
衛(wèi)星電源分系統(tǒng)電源控制器產(chǎn)品使用了C4071等CMOS器件。按照CMOS電路使用有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，采取了如下保護(hù)措施。
（1）CMOS電路抗鎖定措施。每一塊CMOS電路在電源VDD端、輸入端、輸出端都串接限流電阻，限流電阻的選擇滿(mǎn)足抗鎖定的原則，同時(shí)也滿(mǎn)足電路設(shè)計(jì)要求。
（2）避免長(zhǎng)線(xiàn)傳輸。CMOS器件的輸入接口只限于在部件產(chǎn)品內(nèi)部傳輸，不存在電連接器接受星上其他部件或分系統(tǒng)的控制信號(hào)。
（3）多余輸入端處理。CMOS器件多余的輸入端根據(jù)邏輯狀態(tài)的要求接VDD或VSS，或者與在用的輸入端并聯(lián)。