熱備份冗余二次電源中的“備壓主”工作模式研究

王蓓蓓，李海波，李廷中，李 麗

（北京衛(wèi)星制造廠，北京 100190）

0 引言

二次電源將航天器的一次母線電壓變換成航天器中測控、導(dǎo)航、控制、電源等分系統(tǒng)各設(shè)備所需電壓及功率，是航天器地面及在軌各階段的重要設(shè)備[1]。其中常用的輸出電壓種類有+3.3 V、+5 V、±12 V、+15 V 和+28 V，輸出功率范圍為5～1000 W，可適應(yīng)28 V、42 V 及100 V 這3 種常用一次母線。早期的航天器采用集中供電的二次電源配置方式，其優(yōu)點在于由任務(wù)總體集中管理，設(shè)備的可靠性和安全性能夠得到較好的保證，但是存在功率傳輸電纜多、損耗大、用電負載端不能出現(xiàn)單點等缺點[2]。2010年后，隨著航天器單機向小型化、輕量化、多功能集成的方向發(fā)展，單機規(guī)格和數(shù)量大幅壓縮，這要求二次電源在滿足小型化、高可靠、長壽命的同時，就近配置在單機內(nèi)部，從而形成了新的配電體制——分散供電。無論是集中供電還是分散供電的配電體制，都要求二次電源具有高可靠 性[3]。對于二次電源而言，冗余備份是實現(xiàn)其高可靠性的有效技術(shù)途徑之一，常用的冗余備份方式有冷備份和熱備份2 種。

2009年7月—2010年10月，對某型號3 顆在軌衛(wèi)星36 路二次電源健康狀況進行分析，發(fā)現(xiàn)二次電源熱備份冗余工作模式中存在的某些深層次技術(shù)問題在地面驗證階段往往被忽略。本文以此次分析數(shù)據(jù)為出發(fā)點，重點探討二次電源熱備份冗余工作模式下的“備壓主”問題。

1 二次電源的組成及其工作原理

二次電源一般由輸入保護電路、浪涌抑制電路、EMI 濾波電路、輔助電源電路、控制電路、功率變換電路、整流濾波電路及輸出隔離電路組成，如圖1所示[4]。輸入保護電路一般由高可靠的熔斷器或固態(tài)保護開關(guān)組成，實現(xiàn)二次電源本身故障時與航天器母線的有效隔離。浪涌抑制電路能夠有效減小二次電源啟動時對母線的瞬態(tài)電流沖擊，將浪涌電流控制在合理的范圍內(nèi)。EMI 濾波電路一般設(shè)置共模、差模各一級，抑制傳導(dǎo)和輻射，使產(chǎn)品滿足EMC 標準要求。輔助電源電路提供二次電源上電瞬間控制電路的供電，并實現(xiàn)輸入、輸出磁隔離的功能。控制電路主要由PWM（脈寬調(diào)制器）及其外圍電路組成，對輸出電壓進行調(diào)節(jié)，并決定二次電源的閉環(huán)特性、動態(tài)特性等重要指標。功率變換及整流濾波是二次電源的核心功率部分，主要由變壓器、功率開關(guān)及整流管組成，在實現(xiàn)能量傳遞的同時，也實現(xiàn)輸入與輸出側(cè)的磁隔離功能。

圖1 二次電源組成 Fig.1 The configuration of secondary power supply

2 二次電源熱備份冗余設(shè)計原理

2.1 二次電源熱備份方式

二次電源的設(shè)計壽命一般在10年以上，最長可達15年，可靠性要求高。如某航天器型號要求二次電源在70 ℃溫度條件下，15年在軌壽命的可靠性≥0.999。為滿足這一任務(wù)要求，單純采用器件串并聯(lián)的冗余設(shè)計是不能實現(xiàn)的，必須采用模塊級的冗余電路設(shè)計模式[5-6]。根據(jù)二次電源產(chǎn)品特點，電壓反饋采樣點位置不同，熱備份冗余設(shè)計有3 種設(shè)置方式，如圖2所示。

所謂“備壓主”是指二次電源在正常工作情況下，備份輸出電壓升高達到主份電壓造成主份輸 出關(guān)斷的現(xiàn)象。圖2(a)中主、備份反饋采樣點均在輸出隔離二極管之前，主、備份控制獨立，不存在“備壓主”現(xiàn)象。其缺點在于受隔離二極管的影響，輸出負載調(diào)整率低（一般低于5%），不適用于有高精度要求的場合。圖2(b)中主、備份反饋采樣點一前一后設(shè)置，主份采樣點在二極管之后，備份采樣點在二極管之前，負載調(diào)整率高，一般可達到1%以上。這種設(shè)置方式既解決了負載調(diào)整率低的問題，亦不存在主備輸出競爭的問題，但在特定條件下會發(fā)生“備壓主”現(xiàn)象。圖2(c)中主、備份反饋采樣點均在隔離二極管之后，且采樣點為同一個點，從原理上不存在主、備份之分，誰的輸出電壓高則誰帶載輸出，負載調(diào)整率與圖2(b)電路相同；但若兩路電壓較接近時，會發(fā)生輸出競爭的現(xiàn)象。

圖2 主、備份采樣點在隔離二極管前后位置關(guān)系 Fig.2 Different positions of the sample point in main and backup converters

2.2 “備壓主”產(chǎn)生的機理

“備壓主”現(xiàn)象表現(xiàn)為：輸出電壓值等于備 份電壓值，主遙電壓為0 或接近0。“備壓主”現(xiàn)象的產(chǎn)生與以下3 個條件息息相關(guān)：第一，二次電源的負載為空載或接近空載（輕載）；第二，二次電源的工作溫度為高溫；第三，產(chǎn)生“備壓主”的溫度點與主備壓差值的大小有關(guān)，主備壓差值越大，出現(xiàn)“備壓主”現(xiàn)象的溫度值越高。主份工作異常和備份工作異常均不屬于“備壓主”的范疇，“備壓主”為二次電源的一種正常工作模式。

“備壓主”是由二極管的溫度特性及熱備份的工作模式共同作用產(chǎn)生的。二極管的正向電壓與溫度的關(guān)系為負溫度特性，溫度升高時二極管正向壓降減小，溫度降低時二極管正向壓降升高[7-8]。同時，二極管的正向壓降還與所通過的正向電流大小有關(guān)：正向電流變大，正向壓降也隨之增大。圖3為二次電源中2 種常用典型二極管的正向電壓隨溫度和正向電流的變化曲線。可以看出，二極管的正向壓降是溫度和正向電流綜合影響的結(jié)果[9]。

圖3 正向電壓VF 隨正向電流ⅠF 和溫度的變化曲線 Fig.3 The curves of VF varying with ⅠF and temperature

以快恢復(fù)二極管1N5811 和肖特基二極管20CLQ045 為例，在相同正向電流情況下，其溫度對于正向壓降的影響數(shù)據(jù)見表1和表2。

表1 1N5811 正向壓降VF 與溫度的關(guān)系（ⅠF=1A） Table1 The relationship between VF and temperature of 1N5811 (ⅠF=1A)

表2 20CLQ045 正向壓降VF 與溫度的關(guān)系（ⅠF=3A） Table2 The relationship between VF and temperature of 20CLQ045(ⅠF=3A)

從表1和表2可以看出，若以25 ℃為基準，二極管1N5811 在100 ℃時，其正向壓降減小了14.3%。而在-50℃時，正向壓降增大了18.6%。

二次電源主份的隔離二極管位于控制環(huán)之內(nèi)，因此其壓降變化會通過反饋自動調(diào)節(jié)，不會影響主份輸出電壓的變化。而備份的隔離二極管位于控制環(huán)之外，二極管的正向壓降直接影響備份的輸出電壓值，從而造成“備壓主”現(xiàn)象。

3 熱備份冗余二次電源的在軌“備壓主” 現(xiàn)象分析

3.1 在軌現(xiàn)象

2009年9月21—28日，某型號集中供電二次電源B 箱在軌運行期間，通過遙測數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)+28V 主份電壓檢測出現(xiàn)周期性變化，最小值為0 V，最大值為30 V，正常值范圍為(29±1)V。此變化規(guī)律與B 箱殼溫變化緊密相關(guān)，如圖4所示：均在B 箱殼溫升高時主份輸出電壓下降；在B 箱殼溫下降時，主份輸出電壓返回正常值，且異常狀態(tài)維持時間與高溫持續(xù)時間一致。

圖4 某型號二次電源在軌遙測電壓變化圖 Fig.4 The on-orbit curves of output voltage of a satellite’s secondary power supply

從圖4可以看出，主份電壓輸出檢測出現(xiàn)了周期性的變化，備份電壓輸出檢測及輸出電壓檢測均正常，未出現(xiàn)隨溫度升高而變化的現(xiàn)象。

3.2 現(xiàn)象分析

該產(chǎn)品設(shè)計在軌壽命8年，于2000年12月發(fā)射，出現(xiàn)此現(xiàn)象時已在軌服役8年9 個月。圖5為該產(chǎn)品的工作原理，主份采樣點在輸出隔離二極管之后，備份采樣點在輸出隔離二極管之前，采樣點一前一后設(shè)置，且在軌處于空載狀態(tài)，完全符合2.2 節(jié)所述的熱備份特征。

圖5 某型號二次電源原理 Fig.5 The schematic diagram of a satellite’s secondary power supply

引起該產(chǎn)品B 箱主份+28 V 在軌出現(xiàn)上述現(xiàn)象可能的原因有B 箱主份+28 V 本身故障和“備壓主”工作模式，下面逐一進行分析。

1）B 箱主份+28 V 本身故障

從+28 V 電源工作原理來看，結(jié)合圖4主份輸出電壓的變化規(guī)律，輸出電壓呈現(xiàn)周期性變化、與殼溫密切相關(guān)以及可自動恢復(fù)的3 個特點。若B 箱主份+28 V 本身出現(xiàn)故障，不可能呈現(xiàn)這樣的關(guān)聯(lián)特性，且出現(xiàn)故障后不可能自動恢復(fù)。統(tǒng)計全部二次電源在地面高溫環(huán)境試驗失效案例及在軌失效案例，發(fā)現(xiàn)主份故障均為不可恢復(fù)、不可逆轉(zhuǎn)的失效，與上述現(xiàn)象不符。因此，該現(xiàn)象不應(yīng)歸因為B 箱主份+28 V 本身故障。

2）“備壓主”工作模式

B箱+28 V的負載為繼電器供電，沒有指令時，其工作于空載狀態(tài)。隨著在軌時間的增加，由于電路參數(shù)的漂移，特別是PWM 基準電壓的漂移、采樣電阻的溫漂以及隔離二極管的溫度特性，主、備份電壓非常接近，在溫度升高時，這種情況更加明顯，從而造成備份壓主份的現(xiàn)象。從遙測數(shù)據(jù)分析，完全符合“備壓主”的特征。圖6為只考慮二極管溫度特性時主、備份電壓輸出特性。

從圖6可以看出，主份輸出電壓不隨溫度變化而變化，這是因為隔離二極管引起輸出電壓任何變化都會通過閉環(huán)反饋加以補償。而備份由于隔離二極管在反饋環(huán)路之外，二極管引起的輸出電壓變化就會在輸出端表現(xiàn)出來。當主、備份電壓一致，即在曲線上產(chǎn)生交叉點時，對應(yīng)的溫度為T1，主份處于臨界輸出狀態(tài)。當溫度繼續(xù)升高，備份輸出電壓高于主份，主份輸出關(guān)閉，即產(chǎn)生“備壓主”現(xiàn)象。

圖6 主備輸出電壓與隔離二極管的溫度特性 Fig.6 The curves of output voltage varying with temperature of main and backup converters

4 試驗驗證

二次電源產(chǎn)品在地面需經(jīng)歷熱循環(huán)、熱真空和溫度老煉等地面熱試驗考核，試驗過程中負載測試工況覆蓋全部在軌應(yīng)用狀態(tài)，負載變化從空載以額定的10%進率遞增到額定負載。其間自動記錄主份電壓遙測、備份電壓遙測及輸出電壓遙測數(shù)據(jù)。

表3為50W28V 二次電源產(chǎn)品熱真空試驗時的遙測數(shù)據(jù)，電源殼溫度為75℃。該產(chǎn)品成功應(yīng)用在“東方紅四號”平臺的衛(wèi)星及載人航天任務(wù)中，有8 次在軌飛行經(jīng)歷。通過表3可以看出，在空載狀態(tài)下，主遙（表征主份輸出電壓）隨溫度升高而降低，主份接近關(guān)閉狀態(tài)。若溫度進一步升高，主遙將為0，進入“備壓主”工作模式。

表3 50W28V 二次電源地面熱真空試驗數(shù)據(jù) Table3 The thermal vacuum test data of 50W28V power supply

5 結(jié)束語

本文以二次電源在軌遙測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過對數(shù)據(jù)進行判讀，對熱備份冗余設(shè)計的二次電源“備壓主”現(xiàn)象進行了深入分析，得出“備壓主”是熱備份冗余設(shè)計二次電源在特定條件下的一種工作模式，有別于電源自身故障。當發(fā)生此現(xiàn)象時，雖然此時主份無輸出電壓，但由備份自動向負載供電，不會對用戶產(chǎn)生任何影響。在負載加載后或溫度降低后，自動退出“備壓主”工作模式，主份電壓恢復(fù)正常。

在軌數(shù)據(jù)分析是提升產(chǎn)品成熟度工作的一項重點，其核心在于數(shù)據(jù)的應(yīng)用。通過分析發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計存在的薄弱環(huán)節(jié)，掌握產(chǎn)品的設(shè)計裕度，分析存在的設(shè)計短板和未識別的潛在缺陷，并改進設(shè)計，最終實現(xiàn)產(chǎn)品的長壽命、高可靠。

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