◆ “電源科技”QC小組 / 文

QC案例：高軌衛(wèi)星高重量比功率PCDU研制

◆ “電源科技”QC小組 / 文

空間飛行器的研制重量資源有限，功率需求也越來越大，供配電系統(tǒng)的重量占整個飛行器重量較大的比例。供配電系統(tǒng)中的電源控制器負責太陽電池陣和蓄電池組產(chǎn)生能量的變換與傳輸，飛行器的全部能量傳輸都要經(jīng)過電源控制器，電源控制器的高重量比功率設計顯得尤為重要。據(jù)美國航空航天局(NASA)統(tǒng)計，衛(wèi)星每公斤發(fā)射成本約1萬美金。若電源控制器重量比功率過低，則同樣的負載功率需要的重量就會增加，會增加飛行器的重量。另外，隨著高軌通信衛(wèi)星對大功率電源控制器需求的日益提高，高軌通信衛(wèi)星對能源的要求極為苛刻，提高電源控制器的重量比功率迫在眉睫。為了提高重量比功率，需要對現(xiàn)有的產(chǎn)品進行研究，將新的技術應用到電源控制器產(chǎn)品中，使電源控制器的重量比功率在現(xiàn)有的基礎上適當提高。

1．選擇課題

1）類似國外PCDU研制

國外PCDU不僅包括傳統(tǒng)的功率調節(jié)與配電，火工品起爆控制等功能，還包括加熱器控制、推進系統(tǒng)配電等功能。將多臺單機設備集成在一臺設備中，集成度較高。國內沒有相關研究。國外PCDU設備的功率質量比在164W/ kg～425W/kg之間。

2）高重量比功率PCU研制

PCU（功率調節(jié)單元）為國內普遍應用的產(chǎn)品，主要包括功率調節(jié)功能。其他的配電功能，火工品起爆控制等功能在其他分系統(tǒng)的控制單機設備內。我國對PCU產(chǎn)品具有豐富的研制經(jīng)驗，成熟度高，可在其基礎上改進。然而，國內PCU設備功率質量比為68W/ kg～133W/kg。PCU集成度不高，不適合未來發(fā)展趨勢。

3）高重量比功率PCDU研制

傳統(tǒng)PCDU除包括PCU外，還包括配電單元，火工品起爆控制，智能接口單元等。高重量比功率PCDU集成度高，而PCDU中包括PCU，具有良好的繼承性，可在繼承的基礎上改進。PCDU不但具有高的集成度，其中各個集成模塊均有技術基礎和技術支持。從電路技術研究角度，可進一步改進充電分流電路和放電電路的技術，通過減少元器件和提高效率達到降低重量并減少損耗的目的。從結構材料研究角度，可選擇較輕的結構材料減輕重量。

因此，最終從技術可行性、應用前景、技術提升以及技術風險，確定高軌衛(wèi)星PCDU研制為研究課題。

2．設定目標

針對高軌衛(wèi)星PCDU調查研究已經(jīng)以往經(jīng)驗實驗，小組最終設定高軌衛(wèi)星高重量PCDU研制的指標為：重量比功率達到350W/ kg。其中，PCDU要供給飛行器能量，需設定PCDU的輸出功率范圍從7.2kW～21.6kW，質量不超過60kg。

（1）母線電壓：全調節(jié)母線為100.3±0.29V；

（2）母線紋波：峰-峰值不大于400mVp-p（0～20MH）。

3．提出方案并確定最佳方案

為滿足高軌衛(wèi)星大容量需求，QC小組成員極力推行高軌衛(wèi)星高重量比功率PCDU研制集成化、模塊化。集成化設計主要通過元器件表貼化和功率印制板化得以實現(xiàn)。模塊化設計主要采取相同電路功能固化，使得功率增減轉變成模塊的增減。其中配電模塊由繼電器組成，不進行方案選擇，采用固化設計。

高軌衛(wèi)星高重量比功率PCDU系統(tǒng)圖如圖1所示，在保證安全可靠性情況下，對于結構材料，選擇更加優(yōu)質材料使其密度小、重量輕具有良好導熱性能，機械性能；對于電路拓撲及控制方法，選擇高效拓撲和高性能控制方法；對于元器件，選擇低成本，高可靠性元器件。統(tǒng)籌兼顧三者，均衡優(yōu)化，制定最佳方案。

（1）通過對S4R控制、S3R控制和混合控制3種方案的比較分析，S3R電路方案由于重量較輕，體積小，易于調試。確定S3R控制分流電路為最佳方案。

（2）通過對B U C K電路、B U C K電路+L C電路和SuperBuck電路3種方案的比較分析，SuperBuck電路由于具有效率高，電感小、磁性元較輕、易穩(wěn)定、輸入紋波小，確定SuperBuck電路為充電電路為最佳方案。

（3）通過對boost交錯并聯(lián)、Wenberg電路和Hi-Boost3種方案的比較分析，由于Hi-Boost電路具有效率非常高，可靠性好。確定為Hi-Boost電路為最佳方案。

（4）經(jīng)過對比分析垂直下降法、主從設置法、平均電流自動均流法、外加均流控制器和雙環(huán)控制方法5種方法，雙環(huán)控制方法具有均流精度高，可靠性高，確定為最佳方案。

5）結構材料通過鎂合金和鋁合金對比分析，由于鎂合金以其低密度、輕質量和良好機械性能稱為最佳方案。

4．制定對策及對策實施

1）大功率寬范圍設計

大功率寬范圍主要實施，元器件表貼化設計和功率印制板化3結構模塊化，可有效降低重量體積，

圖1 高軌衛(wèi)星高重量比功率PCDU框圖

提高高軌衛(wèi)星PCDU比功率。

2）母線紋波、均流技術和放電電路效率

母線紋波、并聯(lián)均流控制技術、HI-BOOST電路效率采用正交實驗法。正交實驗法可有效找到影響因子，并確定影響程度，最終得到最佳參數(shù)。

5．鞏固措施并確認效果

高軌衛(wèi)星高重量比功率PCDU由8個S3R模塊、14個BCDR模塊、2個TMTC模塊構成，最大輸出功率21.6kW，模塊重量為60Kg，重量比功率為360W/ kg。母線電壓100.3V，母線紋波為258mV，達到設計目標。為進一步鞏固成果，我們采取以下措施對研制成果加以鞏固，從2014年1月份開始至2014年2月份，對研制生產(chǎn)的PCDU進了1個月的正弦振動試驗、沖擊試驗、隨機振動試驗、加速度試驗、真空放電試驗、熱真空試驗等可靠性試驗。試驗期間，產(chǎn)品性能指標未發(fā)生變化，性能良好。

電源控制器重量比功率的提高適應未來航天發(fā)展要求，是我國航天領域電源分系統(tǒng)的技術儲備。我國航天活動進入高軌衛(wèi)星領域，需求大容量、寬范圍的電源控制器產(chǎn)品，對電源控制器的重量比功率提出更高的要求。本次QC活動成果突破了國內電源控制器的重量比功率指標，并趕超了國際水平，為我國開展高軌衛(wèi)星平臺建設打下了技術基礎。

（作者單位：上海空間電源研究所）