無線供電模式在微小衛(wèi)星供配電上的應(yīng)用前景①

2020-06-04 00:41張俊峰彭立盛范培云

空間電子技術(shù) 2020年2期

張俊峰，趙斌，雷暉，彭立盛，汪蕾，范培云

(1.中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000；2.蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000)

0 引言

衛(wèi)星電源分系統(tǒng)是獲取、儲(chǔ)存、分配電能的分系統(tǒng)，負(fù)責(zé)在衛(wèi)星整個(gè)生命周期中提供穩(wěn)定可靠的電源。電源分系統(tǒng)是衛(wèi)星重要組成，相當(dāng)于人的心血管系統(tǒng)，需要長(zhǎng)期靜默工作，以維持生命，若發(fā)生故障，將是致命的，電源分系統(tǒng)同時(shí)也是平臺(tái)重量的主要來源，尤其對(duì)于微小衛(wèi)星來說，電源分系統(tǒng)的處理功率密度更直接的影響任務(wù)的單位質(zhì)量能效。

衛(wèi)星電源分系統(tǒng)通常分為供電子系統(tǒng)和配電子系統(tǒng)，兩部分聯(lián)系緊密同時(shí)有分工側(cè)重。

由圖1可知，供電子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)包括獲取、儲(chǔ)存在內(nèi)的能源處理，和主要包括母線調(diào)節(jié)等任務(wù)的能源管理?？臻g能源獲取的來源通常主要由核能、燃料電池、太陽(yáng)能幾種方式中的一種或其中多種方式的組合，考慮體積、重量因素，目前階段微小衛(wèi)星、立方星的能源來源基本采用單一太陽(yáng)能。依然是由于體積、重量因素，即使采用母線調(diào)節(jié)MPPT等技術(shù)，帶來的有限能源節(jié)省和更充分利用，也最終局限于攜帶光電電池的轉(zhuǎn)換能力。

圖1 衛(wèi)星電源分系統(tǒng)基本組成Fig.1 Basic components of satellite power system

配電子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)電能分發(fā)，包括轉(zhuǎn)換電壓的變換器及配電網(wǎng)絡(luò)，配電網(wǎng)絡(luò)帶來的重量比重如能進(jìn)一步減小，將對(duì)微小衛(wèi)星的總體效能提高有益。

根據(jù)目前階段電能無線傳輸?shù)难邪l(fā)進(jìn)展，結(jié)合微小衛(wèi)星供配電體制，提出了在衛(wèi)星電源分系統(tǒng)應(yīng)用無線傳輸技術(shù)的前景分析，包括在供電子系統(tǒng)采用無線接收外部電能，在配電子系統(tǒng)應(yīng)用無線電能傳輸技術(shù)。

1 供電子系統(tǒng)接收外部電能

相較于同期的其他方案，現(xiàn)階段微小衛(wèi)星、立方星供電子系統(tǒng)主流的方案是轉(zhuǎn)換效率28%以上高效三結(jié)砷化鎵(Tri-Junction·GaInP2/GaAs/Ge)半導(dǎo)體太陽(yáng)能光電電池和鋰離子蓄電池的組合。由此，最直接功率擴(kuò)容的方案大多集中在光電電池的面積擴(kuò)容、多結(jié)InGaN、銻化鎵(GaSb)基等更高效太陽(yáng)能電池的研發(fā)、透鏡聚光增強(qiáng)和柔性展開的薄膜電池，針對(duì)于很難增加更多轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的微小衛(wèi)星、立方星來說，柔性展開的薄膜電池相對(duì)更易成為備選方案。碳納米材料等針對(duì)鋰電池的電極改造也會(huì)推進(jìn)鋰電的等體積容量提升。同時(shí)，采用母線調(diào)節(jié)MPPT等技術(shù)，帶來的能源更充分的使用，但上述直接措施終將局限于攜帶光電電池的轉(zhuǎn)化能力。

隨著各種載荷設(shè)備用電量的增加，甚至電推進(jìn)等平臺(tái)設(shè)備的用電量增加，對(duì)電能的需求越來越大，形成了有限體積下的有限能源與功耗間的主要矛盾。微小衛(wèi)星、立方星為了更好的提升任務(wù)質(zhì)量，對(duì)于能源的更大需求，可以令我們尋求除了上述自身獲得之外的接收外部能源供給的形式。大衛(wèi)星采用的可再生燃料電池等方案不適用于小衛(wèi)星。針對(duì)于微小衛(wèi)星、立方星應(yīng)用場(chǎng)景，我們考慮采用的遠(yuǎn)距離無線電能傳輸技術(shù)，國(guó)內(nèi)中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院等眾多研究機(jī)構(gòu)均做了大量工作。

遠(yuǎn)距離無線功率傳輸(Wireless Power Transmission，WPT)主要有激光功率傳輸(Laser Power Transmission，LPT)和微波功率傳輸(Microwave Power Transmission，MPT)兩種方式。LPT模式，激光波長(zhǎng)短，波束窄，收發(fā)天線尺寸小，重量輕，需要根據(jù)接收整流的效率和熱耗控制接收功率，以避免功率過大導(dǎo)致燒毀。在未來的激光/微波武器，也有可能采取能量阻塞的方案來摧毀目標(biāo)立方星。目前階段激光通信發(fā)展迅猛，提供了大量具有實(shí)踐意義的激光跟蹤校準(zhǔn)方案和數(shù)據(jù)。MPT模式，如果能源的來源是空間其它飛行器，相應(yīng)的同樣需要實(shí)現(xiàn)高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中的微波發(fā)射天線和微波接收天線的精確對(duì)準(zhǔn)，需要一定程度的伴飛。

空間太陽(yáng)能發(fā)電站(Space Solar Power Station，SSPS)是一種在太空將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能的超大型發(fā)電系統(tǒng)，具有環(huán)保、高效等特點(diǎn)。星地輸電用2.45GHZ或5.8GHZ的微波，易穿透大氣層，在良好氣象條件下，電能僅損失2%。建造空間太陽(yáng)能電站的構(gòu)想由美國(guó)科學(xué)家1968年提出，現(xiàn)各國(guó)規(guī)劃的SSPS都要到2040年后才能建成，產(chǎn)生效益[1-4]。空間太陽(yáng)能發(fā)電站可以采用MPT模式或LPT模式傳輸功率?？臻g太陽(yáng)能發(fā)電站運(yùn)行或驗(yàn)證階段可以配備子電站，子電站具備給飛經(jīng)其發(fā)射功率范圍內(nèi)的微小衛(wèi)星供電的能力。

2016年12月，清華大學(xué)航天航空學(xué)院航電實(shí)驗(yàn)室該實(shí)驗(yàn)室成功完成世界首次微波頻段軌道角動(dòng)量(OAM)具有螺旋相位面的電磁波27.5公里長(zhǎng)距離傳輸實(shí)驗(yàn)。

微小衛(wèi)星對(duì)并聯(lián)式方案敏感，更適宜兼容性方案，或唯一性方案，即體積的原因，不適宜同時(shí)安裝一套微波，一套激光，兩種接收器。除非這兩種接收器已經(jīng)形成了成熟的統(tǒng)一模式的接口的結(jié)構(gòu)線路板。

無論是MPT模式還是LPT模式，空間太陽(yáng)能電站或地面微波電站微波能量、激光能量傳輸，在微小衛(wèi)星、立方星的接收端，接收效率的提升主要集中于接收器整流電路的效能。

圖2 外部無線電能接收示意圖Fig.2 The external radio can receive the schematic diagram

對(duì)于接收器整流電路，以GaN為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體的應(yīng)用，將提高微小衛(wèi)星、立方星接收端的轉(zhuǎn)換效率，從而提升整個(gè)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率。GaN基肖特基勢(shì)壘二極管(SBD)是一種重要的GaN基器件，它是多數(shù)載流子半導(dǎo)體器件，相比于pn結(jié)二極管，具有反向恢復(fù)時(shí)間短、開關(guān)損耗低的優(yōu)點(diǎn)。GaN基SBD不僅有GaN-SBD，還有體材料為異質(zhì)結(jié)的ALGaN/GaN-SBD。國(guó)外Transphorm公司生產(chǎn)的TPS3410PK 600 V/6 A GaN肖特基二極管，國(guó)內(nèi)Dynax公司即可提供GaN-SBD，能滿足相應(yīng)參數(shù)的要求。

如果不能保證全天候的供電，只要在一定時(shí)段獲取到足夠的能源即可，基于同樣的原理，具備微波或激光接收面的低軌微小衛(wèi)星、立方星，也可以從地面發(fā)射站獲取能量?；谶h(yuǎn)距離能量傳輸?shù)墓こ淘?，立方星捉衿見肘的能源供?yīng)有可能得到一定程度的緩解，從地面發(fā)射站獲得能量和從空間其他飛行器獲得能量，同樣涉及到整星姿態(tài)控制和通信及航線規(guī)避。上述無線供電模式，除了應(yīng)用于微小衛(wèi)星外，也適合小衛(wèi)星的輔助能源采集，包括失能衛(wèi)星(包括能量耗盡或一次母線主份故障)的臨時(shí)供電救援。

2 配電子系統(tǒng)應(yīng)用無線電能傳輸技術(shù)

微小衛(wèi)星及立方星應(yīng)用優(yōu)勢(shì)之一即是簡(jiǎn)單、規(guī)范的結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單的立方結(jié)構(gòu)帶來很大便捷的同時(shí)也有一定的局限性，如果承載異形有效載荷，將對(duì)整星布局造成影響，這將違背立方星快捷固定平臺(tái)的初衷。立方星相對(duì)于細(xì)胞星的組合應(yīng)用中，在多立方星對(duì)接的過程中，無線供電可以利于組網(wǎng)組合任務(wù)的進(jìn)行。另一個(gè)應(yīng)用前景是利于供電子系統(tǒng)再軌更換，包括蓄電池在內(nèi)的無線供電單元的非連線式結(jié)構(gòu)一旦形成，利用機(jī)械臂簡(jiǎn)單操作，通過更換無線供電單元延長(zhǎng)一倍的重點(diǎn)節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)星工作壽命，也將存在一定的可能性。另外，當(dāng)對(duì)帶有轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)備(諸如太陽(yáng)能板轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、天線轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu))或布線結(jié)構(gòu)復(fù)雜的情況、或需要隔離整星振動(dòng)的設(shè)備(諸如振動(dòng)敏感型制冷機(jī)、光學(xué)系統(tǒng)、某些飛輪、陀螺等)，進(jìn)行非接觸無線供電時(shí)，將大大提高可靠性。

地面電子產(chǎn)品采用無線供電的優(yōu)勢(shì)主要集中在無線式供電帶來的便捷性，而基本沒有減重的考慮。立方星需要將平臺(tái)部分的重量降至最低，通常立方星考察各組件板的重量均在10g/5g的分度量級(jí)，連接線纜的銅線及相應(yīng)的支撐電連接器接頭的重量，在這時(shí)將也作為一項(xiàng)重量因素。

圖3 內(nèi)部無線電能接收示意圖Fig.3 Internal Radio Energy reception schematic

現(xiàn)有的PC104+線纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是立方星的幾項(xiàng)核心規(guī)范之一，是實(shí)現(xiàn)立方星優(yōu)勢(shì)的重要保證，能否在未來形成無線供電的新體制，取決于近距離無線供電的進(jìn)步，包括技術(shù)的成熟/電磁兼容的統(tǒng)一考慮，實(shí)現(xiàn)功能的質(zhì)量比等因素。

近距離無線功率傳輸WPT的各種方案中，超聲波方式目前多用于1W以內(nèi)微功率傳輸，電場(chǎng)耦合方式(Electrical-field coupled power transfer,ECPT)和電磁感應(yīng)耦合方式(Inductive Coupling Power Transfer,ICPT)的功率傳輸距離較近，相對(duì)于微小衛(wèi)星10cm*10cm*10cm的單體結(jié)構(gòu)單元，磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)(MCRWPT：Magnetic Coupled Resonance Wirless Power)更為適合。地面電子產(chǎn)品使用近距離無線功率傳輸WPT，形成三大無線供電標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟，每個(gè)聯(lián)盟都希望自己的標(biāo)準(zhǔn)能成為業(yè)界主流。2015年，Wireless Power(A4WP)與Power Matters Alliance(PMA)合二為一，共同創(chuàng)建AirFuel無線充電聯(lián)盟。不同于WPC無線充電聯(lián)盟的Qi磁感應(yīng)技術(shù)，AirFuel技術(shù)包含諧振(Resonant)及射頻充電(RF)。AirFuel諧振技術(shù)，不僅在空間上的自由度更大，還能同時(shí)對(duì)多臺(tái)設(shè)備進(jìn)行充電，最大充電高度可達(dá)50毫米。AirFuel射頻技術(shù)，可以在幾厘米到一米的范圍內(nèi)進(jìn)行低功率充電，真正做到了空間自由。

對(duì)于成熟商用器件的選用使得立方星接近應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)得到體現(xiàn)，這一重要基本原則，應(yīng)用在無線供電方面，指導(dǎo)我們對(duì)成熟的和有成熟潛力的無線供電商用器件進(jìn)行了調(diào)研。

亞太電信組織(Asia-Pacific Telecommunity, APT)已經(jīng)正式推薦6.78MHz作為無線電力傳輸?shù)念l率。磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)墓ぷ黝l率下，如果使用傳統(tǒng)的MOSFET作為發(fā)射端的逆變電路開，難以實(shí)現(xiàn)高頻軟開關(guān)，必然出現(xiàn)開關(guān)損耗大，熱耗增加，轉(zhuǎn)換效率降低且系統(tǒng)不穩(wěn)定的狀態(tài)，第三代寬禁帶半導(dǎo)體GaN功率電子器件的出現(xiàn)，有效的解決了這一問題。美國(guó)宜普公司(Efficient Power Conversion Corporation，EPC)2017年推出了(以EPC2045、EPC2046、EPC2047為代表的)第五代產(chǎn)品，尺寸減半，性能卻提高了三倍。美國(guó)Transphorm公司、SSDI公司提供類似Cascode增強(qiáng)型GaN晶體管(低壓MOS與常開高壓GaN自級(jí)聯(lián)型)，納微公司(Navitas)、TI公司提供集成驅(qū)動(dòng)器的GaN產(chǎn)品。2018年，EPC公司也推出了集成驅(qū)動(dòng)器的GaN產(chǎn)品。

圖4 EPC公司GaN電力電子功率管Fig.4 Efficient Power Conversion Corporation，EPC

密切跟蹤磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)發(fā)展，更緊密的結(jié)合應(yīng)用，使用貨架式無線供電產(chǎn)品，是推進(jìn)在配電子系統(tǒng)應(yīng)用無線電能傳輸?shù)闹匾獞?yīng)用路徑。

以EPC公司產(chǎn)品為例，該公司推出的無線輸電套件EPC9129，該套件是一種高效、AirFuelTM聯(lián)盟兼容的無線電源傳輸套件，可在 6.78 MHz工作時(shí)提供高達(dá) 33 W 的傳輸。套件包括:一個(gè)EPC9512放大器板及發(fā)射線圈，一個(gè)EPC9513整流板及接收線圈，一個(gè)EPC9514整流板及接收線圈。

宇航應(yīng)用環(huán)境適應(yīng)性中最關(guān)鍵的抗輻照特性，使用GaN無線供電也是完全可以滿足的。離散FET已被證明是總劑量和單粒子事件耐受的，如果采用具有相同基本結(jié)構(gòu)的eGaN集成電路，預(yù)計(jì)會(huì)顯示出類似的耐受性。這一點(diǎn)使得采用GaN工藝驅(qū)動(dòng)芯片的集成FET的產(chǎn)品的抗輻照特性甚至優(yōu)于現(xiàn)有的CMOS工藝驅(qū)動(dòng)+Si基MOSFET的組合。

同時(shí)，采用GaN工藝驅(qū)動(dòng)芯片的集成FET的產(chǎn)品在該功率轉(zhuǎn)換部位，元器件數(shù)量減少至1，焊點(diǎn)數(shù)減少50%，PCB尺寸減少50%。

EPC9512 ZVS Class D 功放發(fā)射

EPC9513整流板及接收線圈

EPC9514整流板及接收線圈圖5 EPC9129無線電源傳輸套件Fig.5 EPC9129 Radio Source Transmission Kit

圖6 采用GaN工藝驅(qū)動(dòng)芯片的集成FETFig.6 Integrated FET for driving chips using GaN process

這種內(nèi)部無線供電模式，除了特別適合微小衛(wèi)星外，也適合大衛(wèi)星的復(fù)雜單機(jī)或分系統(tǒng)，尤其是無線信息與功率同步無線傳輸技術(shù)，特別適合內(nèi)部有產(chǎn)生相對(duì)位移的組件(諸如太陽(yáng)能板轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、天線轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu))或布線結(jié)構(gòu)復(fù)雜的情況或需要隔離整星振動(dòng)的設(shè)備(諸如振動(dòng)敏感型制冷機(jī)、光學(xué)系統(tǒng)、某些飛輪、陀螺等)。

磁諧振頻率將帶來一定的電磁兼容問題，所以選用滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的組件會(huì)減少設(shè)計(jì)問題。如果同時(shí)應(yīng)用了前面提出的遠(yuǎn)距離無線電能接收技術(shù)，兩種技術(shù)的應(yīng)用由于能量處理方式的略有不同，很難出現(xiàn)相互干擾的狀態(tài)。另一個(gè)需要注意的影響是跨越高耗介質(zhì)帶來的損耗。

3 內(nèi)部高壓設(shè)備應(yīng)用無線電能傳輸技術(shù)

行波管電源等星上應(yīng)用的高壓電源產(chǎn)品存在著高壓部分與低壓部分的絕緣與隔離問題，如果能引入無線供電技術(shù)，將在功率無線傳輸?shù)耐瑫r(shí)完成高壓部分和低壓部分的隔離。

圖7 磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)示意圖Fig.7 schematic diagram of magnetically coupled resonant radio energy transmission system

行波管電源等星上應(yīng)用的高壓電源產(chǎn)品應(yīng)用無線供電技術(shù)的方案：

在高壓電源變壓器的采用高頻無線傳輸技術(shù)，即在低壓部分，初級(jí)側(cè)GaN高頻功率管輸出，確定低壓部分的邊界，由無線傳輸間距決定隔離間距，降低帕邢擊穿的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)，將大大減少灌封材料的使用，降低產(chǎn)品工藝風(fēng)險(xiǎn)。在高壓部分，將接收的功率進(jìn)行倍壓整流，輸出高壓。相關(guān)的陽(yáng)壓電源，采用相似的處理方式。

上述無線供電轉(zhuǎn)換的初級(jí)側(cè)，可以采用本文圖3所示的通用模式，也可以適當(dāng)升高幾倍初級(jí)側(cè)電壓，即高壓無線轉(zhuǎn)換，礙于整流器件反向恢復(fù)時(shí)間帶來的損耗，高壓無線轉(zhuǎn)換是原有Si基器件無法承受的，致使該方案長(zhǎng)期不具備可行性。第三代寬禁帶半導(dǎo)體SiC/GaN整流二極管的商業(yè)化，使得高頻高壓無線轉(zhuǎn)化成為可能，將逐步提高直接轉(zhuǎn)換的電壓，減小傳輸電流，提高傳輸效率。

高壓電源產(chǎn)品的內(nèi)部，需要懸浮于高壓的諸如燈絲電源，將使用更為通用的無線供電技術(shù)，產(chǎn)生由無線傳輸間距決定隔離間距的懸浮電源，同樣降低了帕邢擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。

無線供電技術(shù)在高壓電源產(chǎn)品中的應(yīng)用，會(huì)帶來高、低壓部分的完全物理隔離，使得高壓電源具備更好的電氣安全性、內(nèi)部絕緣安全性。目前階段，就商業(yè)市場(chǎng)上成熟產(chǎn)品來說，有相應(yīng)器件，但無直接可供購(gòu)買的組件。部分國(guó)外高校有研究，國(guó)內(nèi)高校沒有見到相關(guān)的研究，可以與科研院所協(xié)同開發(fā)，是有潛在軍民融合及商用前景的，未進(jìn)入較多研發(fā)力量的領(lǐng)域。

目前階段，就現(xiàn)有無線功率傳輸技術(shù)水平(美國(guó)圣地亞哥州立大學(xué)團(tuán)隊(duì)，采用磁耦合方式、電場(chǎng)耦合方式或兩種結(jié)合方式，kW級(jí)功率效率可達(dá)到90%上。)來說，無線能量傳輸功率可以完全覆蓋星用高壓電源功率使用范圍，但該項(xiàng)技術(shù)目前階段無法完成減小產(chǎn)品體積的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槭褂玫谌鷮捊麕О雽?dǎo)體帶來的體積優(yōu)勢(shì)，會(huì)被增加的傳輸天線體積彌平，僅留下工藝生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)、更好的電氣安全性、內(nèi)部絕緣安全性優(yōu)勢(shì)，如果進(jìn)一步減少體積，還需要同時(shí)采用其他技術(shù)，有進(jìn)一步的大量工作要做。

4 結(jié)論與展望

根據(jù)目前階段電能無線傳輸?shù)难邪l(fā)進(jìn)展，提出了在衛(wèi)星電源分系統(tǒng)應(yīng)用無線傳輸技術(shù)的初步分析。包括在供電子系統(tǒng)采用無線接收外部電能，在配電子系統(tǒng)應(yīng)用無線電能傳輸技術(shù)?；谖⑿⌒l(wèi)星的各種自身特點(diǎn)，無線供電模式如果能有效應(yīng)用，將有力的推進(jìn)微小衛(wèi)星更加有效、更加靈活的工作，更好的服務(wù)于制造商和應(yīng)用商。