航天器电源系统能量压缩及功率拓展方法研究

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1、博士学位论文航天器电源系统能量压缩及功率拓展方法研究ENERGYCOMPRESSIONANDPOWEREXTENSIONMETHODSFORSPACECRAFTPOWERSYSTEM朱洪雨哈尔滨工业大学2015年06月国内图书分类号：TM921.5学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工学博士学位论文航天器电源系统能量压缩及功率拓展方法研究博士研究生：朱洪雨导师：张东来教授申请学位：工学博士学科：电力电子与电力传动所在单位：深圳研究生院答辩日期：2015年06月授予学位单位：哈尔滨工业大学Classifie

2、dIndex:TM921.5U.D.C:621.3DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringENERGYCOMPRESSIONANDPOWEREXTENSIONMETHODSFORSPACECRAFTPOWERSYSTEMCandidate：ZhuHongyuSupervisor：Prof.ZhangDonglaiAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpecialty：PowerElectronicsandElectrical

3、DrivesAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要航天器电源系统一般占整个航天器重量的30%以上。传统的基于S3R(SequentialSwitchingShuntRegulator，顺序分流调节器)等架构的PCU(PowerConditioningUnit,电源控制器)功率密度较低，太阳能电池无法最大功率跟踪进一步增大电源系统配

4、置。另外，传统S3R架构对太阳能电池寄生电容的适应性也较差。同时，大功率重复脉冲载荷的激光、通信等也为航天器电源系统带来新的问题：如果采用较为简单的电池母线不调节架构，会造成蓄电池寿命过低。如采用S3R等全调节母线架构则会导致整个太阳能电池和蓄电池必须按照峰值功率配备，造成了极大的浪费。随着卫星平台的大型化，航天器的电源系统必须具备模块化和功率可拓展化能力，甚至需要多个航天器的电源系统间的并网工作。因此研究航天器电源系统的能量压缩和功率拓展方法对航天器减重以及性能提升起到至关重要作用。本文所提出三端口功率拓扑和一体化架构将太

5、阳能电池阵列功率调节、电池充电和放电等三类功率单元高度集成为一个功率单元，提升PCU自身功率密度。同时研究太阳能电池寄生电容高适应性的分流器和最大功率跟踪技术，降低太阳能电池阵列配置数量，实现电源系统的空间能量压缩。针对重复脉冲负载，在脉冲波谷时刻将能量进行压缩，并于脉冲峰值功率来临时，将压缩的能量瞬间释放，电源系统总功率配置接近平均功率，大大减少太阳能电池帆板和蓄电池重量，实现能量时间压缩。同时研究单个电源系统内部功率单元的模块化直接扩展以及多个电源系统之间的功率共享，实现系统级的功率拓展。具体研究内容如下：本文研究了基于

6、三结砷化镓材料的PV(Photovoltaic，太阳能电池)的寄生电容对S3R架构PCU负面影响，其中包括寄生电容对S3R母线纹波、双段区间、相位裕度和输出阻抗的影响，并给出了在高压大功率和较高单阵电流应用条件下的解决方法。提出了一种新型的低开关损耗、高功率密度、太阳能电池供电延时短、同时结合了有源和无源限流的分流调节器。为了进一步的减少开关延时对母线性能的影响，将非线性比例微分控制加入到控制环路中，进一步提升S3R系统的稳定裕度、输出阻抗以及动态响应。为了降低发射成本，提高电源系统的功率密度，提出以PV端隔离三端口DC/D

7、C变换器为核心的高集成度电源控制方法：所提出拓扑中所有主二极管和MOSFET均能实现ZCS(ZeroCurrentSwitching，零电流开关)，从而大大提高了效率；利用半桥变压器的第四绕组形成的磁开关使得太阳能电池阵列PV的-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文输入电流保持连续状态；基于负载端口的boost电路建立的能量平衡，提出了单模块及多模块整机功率扩展的控制方法。为进一步提高电源系统的功率密度，提出了应用于一体化电源控制核心的高功率密度非隔离三端口DC/DC变换器及其控制方法。由于PV端或电池端到负载端的功率变换采用

8、单级转换，因此具有较高的效率。各端口的电流均是连续的，所以提升了整机的EMC(ElectroMagneticCompatibility，电磁兼容性)特性并降低端口滤波器体积和重量。提出了相应三域控制策略可同时实现MPPT，电池管理和母线电压调节。研究所提出非隔离三端口变换器中功率磁性元器件