技术领域
[0001] 本
发明属于程控电源领域，具体涉及一种卫星帆板电源阵列模拟器及其电压嵌位方法。
背景技术
[0002] 在航天领域，大多数的卫星电源都是使用
太阳能电池的卫星帆板电源阵列作为其动
力核心，其性能直接影响到卫
星系统的性能和工作寿命，对系统正常运行和使用有重大的影响。卫星帆板电源阵列的输出状态影响着卫星系统其它部件的工作，与此同时后续部件的工作状态和控制策略也影响卫星帆板电源阵列的输出。在卫星电源系统地面研发与测试阶段，采用模拟
光源的方式，利用实际的卫星帆板电源阵列进行模拟供电测试时，由于卫星帆板电源阵列的IV输出特性受环境
温度、日照条件等因素的影响较大，特别是在太空工作条件恶劣且复杂，温度范围大，日照条件变化迅速，且还处于高能粒子
辐射下，使用人造光源，控制策略复杂、控制
精度低，难以实现卫星帆板电源阵列输出IV曲线的精确模拟，无法采用实际的卫星帆板电源阵列来再现其在空间轨道时的工作状态，因此需要使用卫星帆板电源阵列模拟器来模拟卫星帆板电源阵列在空间的工作状况。
[0003] 卫星帆板电源阵列模拟器是航天测试系统中必不可少的设备，用于模拟卫星帆板电源阵列输出特征的直流电源，从根本上说是一个程控压控
电流源，可模拟各种不同环境条件下的卫星帆板电源阵列输出的快速变化的IV曲线，在卫星地面测试阶段可替代实际卫星帆板电源阵列，为卫星或卫星测试系统等设备提供帆板电池电源的模拟供电，具有不受
时空限制、运行方式灵活等优点，在航天测试系统中获得越来越广泛的应用。
[0004] 为了满足快速曲线变化和快速负载调节控制的要求，卫星帆板电源阵列模拟器应具有高速宽范围可编程压控电流特征，传统的程控直流电源无法实现快速的IV曲线输出，需要采用快速、宽范围、可编程的电压嵌位方法，实现卫星帆板电源阵列输出特性曲线的精确模拟。
发明内容
[0005] 为了获得高速宽范围可编程压控电流特征，满足卫星帆板电源阵列模拟器高精度快速曲线模拟输出功能，本发明采用一种卫星帆板电源阵列模拟器及其电压嵌位方法，采用编程控制方式，可实现快速宽范围精确可调节的电压嵌位控制，有效减小负载快速切换状态下的
输出电压过冲，并显著提高卫星帆板电源阵列模拟器的电流动态控制性能。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0007] 一种卫星帆板电源阵列模拟器，包括模拟控制单元和数字处理单元；
[0008] 模拟控制单元，被配置为用于完成
信号的采集和功率输出控制；包括电压嵌位
电路、功率
串联调整管总电流限制电路、电流控制电路、输出电流检测电路、电压控制电路、输出电压检测电路以及控制运放电路；
[0009] 电压嵌位电路，被配置为用于将编程控制电压参考信号CV_Prog放大，并将其与卫星帆板电源阵列模拟器的输出电压AG进行比较和误差放大，完成电压闭环控制，实现嵌位电压控制；
[0010] 功率串联调整管，被配置为用于完成输出电压/电流的功率调整；包括多个功率MOSFET，采用均流方式将输出电流并联均分输出；
[0011] 总电流限制电路，被配置为用于控制每个功率MOSFET的最大工作电流；
[0012] 输出电流检测电路，被配置为用于将通过取样
电阻R1将输出电流转化为的电压信号，进行差分放大，输出电流检测信号；
[0013] 电流控制电路，被配置为用于将电流检测信号与编程控制电流参考信号CC_Prog进行误差放大，进而控制电流输出，实现恒流控制；
[0014] 输出电压检测电路，被配置为用于将输出电压进行差分放大，输出电压检测信号VMON；
[0015] 电压控制电路，被配置为用于将输出电压检测信号VMON与编程控制电压参考信号CV_Prog进行误差放大，进而控制电压输出，实现恒压控制；
[0016] 控制运放电路，被配置为用于将总电流限制电路、电流控制电路、电压控制电路输出的误差信号转化为控制功率串联调整管的
控制信号FET_control；
[0017] 数字处理单元，被配置为用于实现输出电压/电流的编程值和电压/电流的测量回读功能；包括数字处理器、
存储器、ADC模
块以及DAC模块；
[0018] DAC模块，被配置为用于将数字处理单元输出电压/电流的编程值，转换成电压/电流的基准信号；
[0019] ADC模块，被配置为用于将电压/电流的取样值，转换成电压/电流的测量值，送入数字处理器；
[0020] 数字处理器，被配置为用于对ADC模块输出的电压/电流测量值进行处理；
[0021] 存储器，被配置为用于对数字处理器处理的信号进行存储；
[0022] 数字处理单元输出电压/电流的编程值，经过DAC模块生成电压/电流的基准信号，与取样信号进行误差放大，控制功率串联调整管的导通程度，完成输出电压/电流的程控调整；同时，输出电压/电流取样检测后，由ADC模块输出电压/电流测量值，送入数字处理器，完成电压/电流测量回读功能。
[0023] 优选地，电压嵌位电路，包括
差分放大器电路和多级放大电路；
[0024]
差分放大器电路，包括
运算放大器N1和外围器件；外围器件包括电阻R1-R10、电容C1-C4、
二极管V3和
三极管V1、三极管V2；
[0025] 电阻R1的一端连接至AG端，电阻R1的另一端和电阻R2的一端、电容C1的一端组成公共端连接至运算放大器N1的负向输入端；电阻R2的另一端连接至输出端；电阻R3的一端连接至DAC模块，电阻R3的另一端和电阻R4的一端、电阻R5的一端、电容C1的另一端组成公共端连接至运算放大器N1的正向输入端；电阻R5的另一端连接至5V电压；电阻R4的另一端连接至三极管V2的发射极；电容C2的一端和运算放大器N1的V-端组成公共端连接至-15VG，电容C2的另一端接AG端；电容C3的一端和运算放大器N1的V+端组成公共端连接至+15VG，电容C3的另一端接AG端；电阻R6的一端连接至运算放大器N1的输出端，电阻R6的另一端和二极管V3的
阳极组成公共端连接至三极管V1的发射极；二极管V3的
阴极和三极管V1的基极组成公共端接AG端；电阻R7的一端连接至电压源；电阻R7的另一端和三极管V2的基极组成公共端连接至三极管V1的集
电极；电阻R8的一端连接至电压源；电阻R8的另一端连接至三极管V2的集电极；三极管V2的发射极连接至多级放大电路；
[0026] 多级放大电路，包括电阻R9-R17、电容C4-C5、二极管V4、二极管V6、三极管V5和三极管N2A、三极管N2B；
[0027] 电容C4的一端、电阻R9的一端、电阻R10的一端、电阻R11的一端、电阻R12的一端和二极管V4的阳极组成公共端连接至三极管V2的发射极；电阻R9的另一端和电容C4的另一端组成公共端连接至电容C5的一端，电容C5的另一端和电阻R10的另一端组成公共端连接至输出端；电阻R11的另一端连接至三极管V5的基极；电阻R13的一端连接至三极管V5的集电极；三极管V5的发射极接输出端；电阻R12的另一端、二极管V4的阴极、电阻R13的另一端组成公共端连接至二极管V6的阴极；二极管V6的阳极和电阻R14的一端连接，电阻R14的另一端和电阻R15的一端组成公共端连接至电阻R16的一端和电阻R17的一端组成的公共端；电阻R15的另一端连接至三极管N2A的发射极；三极管N2A的基极接AG端，三极管N2A的集电极接总电流限制电路，电阻R16的另一端连接至N2B的发射极；三极管N2B的基极接AG端，三极管N2B的集电极接控制运放电路，电阻R16的另一端接AG端。
[0028] 优选地，三极管V1组成的放大电路采用共基形式。
[0029] 优选地，电容C4、电容C5、电阻R9和电阻R10组成闭合环路，用于实现电路的环路补偿和电压偏置。
[0030] 优选地，该模拟器具有最大开路电压为170V，最大
短路电流为3.8A，最大功率为596W的IV曲线输出能力。
[0031] 优选地，选取差分放大器的放大倍数为38.2。
[0032] 优选地，V1选用NPN三极管MMBT6517，V2和V5选用PNP三极管PZTA92，运算放大器N1采用LT1001，功率串联调整管选用IRFP260N。
[0033] 此外，本发明还提到一种电压嵌位方法，该方法采用如上所述的卫星帆板电源阵列模拟器，具体包括如下步骤：
[0034] 步骤1：数字处理单元输出的编程控制电压参考信号CV_Prog经差分放大器电路进行信号放大，并
叠加固定偏置电压，转换为参考于卫星帆板电源阵列模拟器输出电压负端OUT-(即图1中OUT-)的A点控制电压VA；
[0035] 步骤2：控制电压VA与卫星帆板电源阵列模拟器的输出电压AG经多级放大电路进行比较后输出误差信号，误差信号通过三极管N2A和三极管N2B进行信号放大，控制功率串联调整管的控制信号FET_control和总电流限制信号Lower_VGC，进而控制功率串联调整管的导通程度和总电流限制电路，实现电压快速嵌位。
[0036] 本发明所带来的有益技术效果：
[0037] 1、采用快速线性串联调整电路，以输出电流为直接受控量，以输出电压为控制量，通过取样输出电压，获得相应的输出电流参考，通过误差放大和闭环控制，调节功率调整管的导通程度，实现压控电流源的输出特性，最终完成IV曲线的功率输出。
[0038] 2、采用高速宽范围的电压嵌位控制电路，由运放和三极管组成多级放大电路，调节电流环的误差信号，可实现快速宽范围的输出电压嵌位控制；嵌位电压和电压参考信号进行比较和误差放大，完成电压闭环控制，通过编程控制电压参考信号改变输出嵌位电压，实现嵌位电压的可编程控制。
[0039] 3、由运放和三极管构建快速宽输出范围的差分放大器：采用运放驱动高电压三极管V1、V2，可有效拓展放大器输出范围；V1组成的放大电路采用共基形式，可显著提升放大器的速度。
[0040] 4、通过编程设置编程电压CV_Prog，可以设定嵌位电压的控制值，实现嵌位电压的可编程控制。
[0041] 5、采用多级放大电路，调节环路误差，可实现快速的输出电压嵌位控制。
[0042] 6、利用环路补偿和电压偏置，使系统具有良好的
稳定性。
附图说明
[0043] 图1为卫星帆板电源阵列模拟器的电路原理
框图。
[0044] 图2为本发明电压嵌位电路的电路原理图。
[0045] 图3为测试结果图。
具体实施方式
[0046] 下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
[0048] 如图1所示，一种卫星帆板电源阵列模拟器，包括模拟控制单元和数字处理单元；
[0049] 模拟控制单元，被配置为用于完成信号的采集和功率输出控制；包括电压嵌位电路、功率串联调整管总电流限制电路、电流控制电路、输出电流检测电路、电压控制电路、输出电压检测电路以及控制运放电路；
[0050] 电压嵌位电路，被配置为用于将编程控制电压参考信号CV_Prog放大，并将其与卫星帆板电源阵列模拟器的输出电压AG进行比较和误差放大，完成电压闭环控制，实现嵌位电压控制；
[0051] 功率串联调整管，被配置为用于完成输出电压/电流的功率调整；包括多个功率MOSFET，采用均流方式将输出电流并联均分输出；
[0052] 总电流限制电路，被配置为用于控制每个功率MOSFET的最大工作电流；
[0053] 输出电流检测电路，被配置为用于将通过取样电阻R1将输出电流转化为的电压信号，进行差分放大，输出电流检测信号；
[0054] 电流控制电路，被配置为用于将电流检测信号与编程控制电流参考信号CC_Prog进行误差放大，进而控制电流输出，实现恒流控制；
[0055] 输出电压检测电路，被配置为用于将输出电压进行差分放大，输出电压检测信号VMON；
[0056] 电压控制电路，被配置为用于将输出电压检测信号VMON与编程控制电压参考信号CV_Prog进行误差放大，进而控制电压输出，实现恒压控制；
[0057] 控制运放电路，被配置为用于将总电流限制电路、电流控制电路、电压控制电路输出的误差信号转化为控制功率串联调整管的控制信号FET_control；
[0058] 数字处理单元，被配置为用于实现输出电压/电流的编程值和电压/电流的测量回读功能；包括数字处理器、存储器、ADC模块以及DAC模块；
[0059] DAC模块，被配置为用于将数字处理单元输出电压/电流的编程值，转换成电压/电流的基准信号；
[0060] ADC模块，被配置为用于将电压/电流的取样值，转换成电压/电流的测量值，送入数字处理器；
[0061] 数字处理器，被配置为用于对ADC模块输出的电压/电流测量值进行处理；
[0062] 存储器，被配置为用于对数字处理器处理的信号进行存储；
[0063] 数字处理单元输出电压/电流的编程值，经过DAC模块生成电压/电流的基准信号，与取样信号进行误差放大，控制功率串联调整管的导通程度，完成输出电压/电流的程控调整；同时，输出电压/电流取样检测后，由ADC模块输出电压/电流测量值，送入数字处理器，完成电压/电流测量回读功能。
[0064] 卫星帆板电源阵列模拟器有两种工作模式：固定模式和仿真模式。在固定模式下，模拟器可提供常规程控电源功能，实现恒定电压或恒定电流输出功能，其工作原理为：恒压状态下，电压控制电路控制输出。输出电压经电压检测电路进行差分放大，输出电压检测信号VMON(电压检测信号0～4.5V对应输出0至满量程电压)，与CV_Prog(0～-4.5V对应满量程设定电压)进行误差放大，由电压控制电路控制FET_control信号，实现输出的恒压控制。恒流模式下，通过取样电阻R1将输出电流转化为电压信号，经输出电流检测电路，与CC_Prog进行误差放大，由电流控制电路控制电流输出，实现恒流控制。为降低功率串联调整管的电流
应力，可利用多个功率MOSFET，采用均流方式将输出电流并联均分输出，同时以每一路输出电流为精确控制对象，通过总电流限制电路控制每个功率MOSFET的最大工作电流，从而保障每个功率MOSFET安全可靠工作。电压控制、电流控制和总电流限制经3个二极管共阳极连接，运算生成一个功率串联调整管的控制信号(FET_control)，控制功率串联调整管的导通程度，实现常规程控电源输出控制功能。
[0065] 在仿真模式下，可实现IV曲线的模拟输出，因此要求系统具有快速宽范围压控电流源的特性，其工作原理为：每个工作点由电压/电流坐标对定义，输出曲线由相应的电压/电流点表确定，其中电压作为查表地址，对应存储相应电流参考值，存储在存储器中。工作时，通过对输出电压
采样，作为存储点表的索引来连续调整恒定电流环路，从而实现仿真模式的快速功率调整。在此模式下，为避免电压环路的影响，将电压控制运放的同相输入端接+5V，以屏蔽电压控制通路。由于电压控制处于开环状态，需要对输出电压进行有效的嵌位控制，以减小负载快速切换状态下的输出电压过冲，因而本发明设置专
门的电压嵌位电路。
[0066] 由图2可见，差分放大器电路，包括运算放大器N1和外围器件；外围器件包括电阻R1-R10、电容C1-C4、二极管V3和三极管V1、三极管V2；
[0067] 电阻R1的一端连接至AG端，电阻R1的另一端和电阻R2的一端、电容C1的一端组成公共端连接至运算放大器N1的负向输入端；电阻R2的另一端连接至输出端；电阻R3的一端连接至XX端，电阻R3的另一端和电阻R4的一端、电阻R5的一端、电容C1的另一端组成公共端连接至运算放大器N1的正向输入端；电阻R5的另一端连接至5V电压；电阻R4的另一端连接至三极管V2的发射极；电容C2的一端和运算放大器N1的V-端组成公共端连接至-15VG，电容C2的另一端接AG端；电容C3的一端和运算放大器N1的V+端组成公共端连接至+15VG，电容C3的另一端接AG端；电阻R6的一端连接至运算放大器N1的输出端，电阻R6的另一端和二极管V3的阳极组成公共端连接至三极管V1的发射极；二极管V3的阴极和三极管V1的基极组成公共端接AG端；电阻R7的一端连接至电压源；电阻R7的另一端和三极管V2的基极组成公共端连接至三极管V1的集电极；电阻R8的一端连接至电压源；电阻R8的另一端连接至三极管V2的集电极；三极管V2的发射极连接至多级放大电路；
[0068] 采用运放N1驱动高耐压三极管V1、V2，可有效拓展放大器输出范围；V1的放大电路采用共基形式，可显著提升放大器的速度。工作时将编程电压CV_Prog转变成参考OUT-的A点控制电压VA，因此可得：
[0069]
[0070] 其中，5VR为5V参考电压，用于设定固定偏置值，抵消通道上结压降包括(V5、N2的BE结压降和V6结压降)，由此，通过设定CV_Prog的值，可以设定嵌位电压的控制值。
[0071] 多级放大电路，包括电阻R9-R17、电容C4-C5、二极管V4、二极管V6、三极管V5和三极管N2A、三极管N2B；
[0072] 电容C4的一端、电阻R9的一端、电阻R10的一端、电阻R11的一端、电阻R12的一端和二极管V4的阳极组成公共端连接至三极管V2的发射极；电阻R9的另一端和电容C4的另一端组成公共端连接至电容C5的一端，电容C5的另一端和电阻R10的另一端组成公共端连接至输出端；电阻R11的另一端连接至三极管V5的基极；电阻R13的一端连接至三极管V5的集电极；三极管V5的发射极接输出端；电阻R12的另一端、二极管V4的阴极、电阻R13的另一端组成公共端连接至二极管V6的阴极；二极管V6的阳极和电阻R14的一端连接，电阻R14的另一端和电阻R15的一端组成公共端连接至电阻R16的一端和电阻R17的一端组成的公共端；电阻R15的另一端连接至三极管N2A的发射极；三极管N2A的基极接AG端，三极管N2A的集电极接总电流限制信号Lower_VGC，电阻R16的另一端连接至N2B的发射极；三极管N2B的基极接AG端，三极管N2B的集电极接功率串联调整管的控制信号FET_control，电阻R16的另一端接AG端。
[0073] 当模拟器处于正常电流源控制时，电路处于恒流模式，实际输出的电压值小于设定嵌位电压的控制值，此时AG电位低于A电位，即B点电压低于A点电位，V5不导通，使N2A和电路对FET_control和Lower_VGC信号不影响；当模拟器切换或开路时，电路退出恒流模式，此时AG电位高于A电位控制电压VA，V5开始导通，由于整个放大电路的放大增益很高，可通过V6、N2A和N2B快速地将FET_control和Lower_VGC拉低，进而控制功率串联调整管的导通程度和总电流限制电路，实现电压快速嵌位。
[0074] 实施例2：
[0075] 在上述实施例1的
基础上，本发明还提到一种电压嵌位方法，具体包括如下步骤：
[0076] 步骤1：数字处理单元输出的电压编程值CV_Prog经差分放大器电路进行信号放大，并叠加固定偏置电压，转换为参考于卫星帆板电源阵列模拟器的输出电压负端OUT-(即图1中OUT-)的A点控制电压VA；
[0077] 步骤2：控制电压VA与卫星帆板电源阵列模拟器的输出电压AG经多级放大电路进行比较后输出误差信号，误差信号通过三极管N2A和三极管N2B进行信号放大，控制功率串联调整管的控制信号FET_control和总电流限制信号Lower_VGC，进而控制功率串联调整管的导通程度和总电流限制电路，实现电压快速嵌位。
[0078] 本发明要求模拟器具有最大开路电压170V，最大短路电流3.8A，最大功率596W的IV曲线输出能力，由于电路DAC输出范围为-5V～0V，
电阻器R1-R5的取值，三极管V1、V2和V5的耐压参数的选取，与最大开路电压的范围有关，为保证最大电压170V的输出能力，考虑到一定的余量，因此选取差分放大器放大倍数为38.2，各电阻器的取值如图2；V1选用ONsemi公司的高耐压NPN三极管MMBT6517，其VCEO为350V；V2和V5选用Fairchild公司的高耐压PNP三极管PZTA92，其VCEO为-300V。为抵消通道上的1.8V的结压降(等效3个结电压)，同时防止固定模式下电压嵌位动作，留取0.5V的控制裕度，因而固定偏置值最终设计为1.3V。运放N1采用高精度运放LT1001，可完成有源电压的精确调整；串联调整管选用Infineon公司的产品IRFP260N，漏源极最大电压为200V，最大导通电流可达50A，最大导通电阻为55mΩ，为降低器件电流和功率应力，采用14个MOSFET并联。
[0079] 本发明中样机模拟IV输出曲线，输出参数设置为：短路电流Isc为2.5A，开路电压Voc为100V，最大功率点电流Im为2.25A，最大功率点电压Vm为80V。采用AV6595A户外光伏组件测试仪进行测试，测试点时间间隔为62.5μs，测试的结果见图3。由图3可见：
[0080] 1、模拟器在负载快速切换状态下开路电压误差为0.42％，最大功率点电压误差为0.88％，可实现快速的输出电压嵌位控制，并具有较好的控制精度。
[0081] 2、在负载快速切换状态下的没有电压过冲，电路具有良好的电流动态控制性能。
[0082] 本发明采用快速线性串联调整电路，实现压控电流源的输出特性，完成IV曲线的功率输出。采用快速、宽范围、可编程的电压嵌位方法，实现输出特性曲线的精确模拟，满足快速曲线变化和快速负载调节控制的要求。
[0083] 当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，
本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
