一种双母线太阳电池阵功率冗余扩展装置

技术领域

本发明涉及卫星技术领域，尤其涉及一种双母线太阳电池阵功率冗余扩展装置。

背景技术

卫星电源系统母线电压常用的有3种，低电压(28V)、中电压(42V)和高电压(100V)。一般航天器用电功率要求通常在2～5kW之间，母线电压采用28V和42V居多。通常情况下，航天器只采用一级母线电压方式进行供电，但当二级母线电源功率需求较大时，DC/DC变换器的热耗较大，对热设计和装配都带来了很大难度，还可能需要进行订制化设计，影响到产品研制进度。因此，如果采用相互独立的双母线供电系统，可解决DC/DC带来的问题。

一般情况下，卫星载荷功率较大时，采用双母线电源系统，一组向载荷供电，一组向卫星平台供电，太阳电池阵和蓄电池组都需要进行单独设计。卫星在轨工作状态下，如果向卫星平台供电的太阳电池阵出现功率异常减小的故障，会导致平台功能异常，进一步得影响负载工作时间，进而影响整星的安全。

发明内容

本发明提供了一种双母线太阳电池阵功率冗余扩展装置，包括太阳电池分阵SAS1、太阳电池分阵SAS2、第一分流模块、第一推挽电路、冗余扩展控制系统、第一分压电路、第二分流模块、第二推挽电路、第二分压电路、滞环比较器、第四三极管、第一运算放大器、第二运算放大器，其中，所述太阳电池分阵SAS1一端接地，所述太阳电池分阵SAS1另一端分别与所述第一分流模块、所述冗余扩展控制系统、所述第一分压电路、+42V电源母线相连。

所述太阳电池分阵SAS2一端接地，所述太阳电池分阵SAS2另一端分别与所述第二分流模块、所述冗余扩展控制系统、所述第二分压电路、+28V电源母线相连。

所述第一分流模块还分别与所述第一推挽电路、所述冗余扩展控制系统、所述第一分压电路、+42V电源母线相连。

所述第一推挽电路还分别与接地端、所述第四三极管C极、所述第一运算放大器输出端相连。

所述冗余扩展控制系统还分别与所述第一分压电路、+42V电源母线、第二分流模块、第二分压电路、+28V电源母线、所述滞环比较器相连。

所述第一分压电路还分别与+42V电源母线、所述第一运算放大器同相输出端、接地端相连。

所述第二分流模块还分别与所述第二推挽电路、所述第二分压电路、+28V电源母线相连。

所述第二推挽电路还分别与接地端、VCC端、所述第二运算放大器输出端相连。

所述第二分压电路还分别与+28V电源母线、所述第二运算放大器同相输出端、所述滞环比较器、接地端相连。

所述滞环比较器还与所述第四三极管B极相连，所述第四三极管E极接地。

所述第一运算放大器反向输入端与基准电压REF-42V相连。

所述第二运算放大器反向输入端与基准电压REF-28V相连。

作为本发明的进一步改进，该双母线太阳电池阵功率冗余扩展装置还包括第一二极管、第三二极管，其中，所述第一二极管阳极分别与所述太阳电池分阵SAS1另一端、所述第一分流模块、所述冗余扩展控制系统相连，所述第一二极管阴极分别与所述第一分压电路、+42V电源母线相连。

所述第三二极管阳极分别与所述太阳电池分阵SAS2另一端、所述第二分流模块相连，所述第二二极管阴极还分别与所述第二分压电路、+28V电源母线相连。

作为本发明的进一步改进，所述第一分流模块包括第一分流管、第五电阻、第六电阻，其中，所述第一分流管D极分别与所述太阳电池分阵SAS1另一端、所述冗余扩展控制系统、所述第一二极管阳极相连，所述第一分流管G极与所述第五电阻一端相连，所述第一分流管S极分别与所述第六电阻一端、接地端相连。

所述第五电阻另一端分别与所述第一推挽电路、所述第六电阻另一端相连。

所述第六电阻另一端还与所述第一推挽电路相连，所述第六电阻一端还与接地端相连。

作为本发明的进一步改进，所述第一推挽电路包括第一三极管、第二三极管,该双母线太阳电池阵功率冗余扩展装置还包括第七电阻、第八电阻，其中，所述第一三极管C极与VCC相连，所述第一三极管E极分别与所述第二三极管E极、所述第五电阻另一端、所述第六电阻另一端相连，所述第一三极管B极分别与所述第二三极管B极、所述第七电阻一端、所述第四三极管C极相连。

所述第二三极管E极还分别与所述第五电阻另一端、所述第六电阻另一端相连，所述第二三极管C极接地，所述第二三极管B极还分别与所述第七电阻一端、所述第四三极管C极相连。

所述第七电阻另一端与所述第一运算放大器输出端相连。

所述第八电阻一端与所述第四三极管B极相连，所述第八电阻另一端分别与所述滞环比较器、所述冗余扩展控制系统相连。

作为本发明的进一步改进，所述冗余扩展控制系统包括PMOS管、第三三极管、第二二极管，该双母线太阳电池阵功率冗余扩展装置还包括第一电阻、第二电阻、第九电阻，其中，所述PMOS管G极与所述第二电阻一端相连，所述PMOS管S极分别与所述第一电阻一端、所述太阳电池分阵SAS1另一端、所述第一分流管D极、所述第一二极管阳极相连，所述PMOS管D极与所述第二二极管阳极相连。

所述第三三极管C极分别与所述第一电阻另一端、所述第二电阻另一端相连，所述第三三极管E极与接地端相连，所述第三三极管B极与所述第九电阻一端相连。

所述第二二极管阴极分别与所述第三二极管阴极、所述第二分压电路、+28V电源母线相连。

所述第一电阻一端还分别与所述太阳电池分阵SAS1另一端、所述第一分流管D极、所述第一二极管阳极相连，所述第一电阻另一端还与所述第二电阻另一端相连。

作为本发明的进一步改进，所述第一分压电路(4)包括第三电阻(R3)、第四电阻(R4)，其中，所述第三电阻一端分别与所述第一二极管阴极、+42V电源母线相连，所述第三电阻另一端分别与所述第四电阻一端、所述第一运算放大器同相输出端相连。

所述第四电阻一端还与所述第一运算放大器同相输出端相连，所述第四电阻另一端接地。

作为本发明的进一步改进，所述第二分流模块包括第二分流管、第十电阻、第十一电阻，其中，所述第二分流管D极分别与所述太阳电池分阵SAS2另一端、所述第三二极管阳极相连，所述第二分流管G极与所述第十电阻一端相连，所述第二分流管S极分别与接地端、所述第十一电阻一端相连。

所述第十电阻另一端分别与所述第十一电阻另一端、所述第二推挽电路相连。

所述第十一电阻一端还与接地端相连，所述第十一电阻另一端还与所述第二推挽电路相连。

作为本发明的进一步改进，所述第二推挽电路包括第五三极管、第六三极管，该双母线太阳电池阵功率冗余扩展装置还包括第十二电阻，其中，所述第五三极管C极与VCC相连，所述第五三极管E极分别与所述第六三极管E极、所述第十电阻另一端、所述第十一电阻另一端相连，所述第五三极管B极分别与所述第六三极管B极、所述第十二电阻一端相连，所述第十二电阻另一端与所述第二运算放大器输出端相连。

所述第六三极管E极还分别与所述第十电阻另一端、所述第十一电阻另一端相连，所述第六三极管C极接地，所述第六三极管B极还与所述第十二电阻一端相连。

作为本发明的进一步改进，所述第二分压电路包括第十三电阻、第十四电阻，其中，所述第十三电阻一端与所述第三二极管阴极、所述第二二极管阴极、+28V电源母线相连，所述第十三电阻另一端分别与所述滞环比较器、所述第十四电阻一端、所述第二运算放大器同相输出端相连。

所述第十四电阻一端还与所述第二运算放大器同相输出端、所述滞环比较器相连，所述第十四电阻另一端接地。

作为本发明的进一步改进，所述滞环比较器包括第三运算放大器、第四运算放大器、第一与非门、第二与非门，该双母线太阳电池阵功率冗余扩展装置还包括第十五电阻、第十六电阻，其中，所述第三运算放大器输出端与所述第一与非门A端相连，所述第三运算放大器同相输出端与基准电压REF1相连，所述第三运算放大器反向输入端与所述第十五电阻一端相连。

所述第四运算放大器输出端与所述第二与非门B端相连，所述第四运算放大器同相输出端与所述第十六电阻一端相连，所述第四运算放大器反向输入端与基准电压REF2相连。

所述第一与非门B端与所述第二与非门Y端、所述第八电阻另一端、所述第九电阻另一端相连，所述第一与非门Y端与所述第二与非门A端相连。

所述第二与非门Y端还与所述第八电阻另一端、所述第九电阻另一端相连。

所述第十五电阻另一端分别与所述第十三电阻另一端、所述第二运算放大器同相输出端、所述第十四电阻一端、所述第十六电阻另一端相连；

所述第十六电阻另一端还与所述第十三电阻另一端、所述第二运算放大器同相输出端、所述第十四电阻一端相连。

本发明的有益效果是：1.本发明在两种母线体制的太阳电池阵之间建立功率互联通道，提升整星可靠性；2.本发明通过降压互联技术，实现两种电压太阳电池阵之间配合使用，以此提高卫星平台供电的功率冗余扩展能力，进而提高卫星的任务可靠性。

附图说明

图1是双母线太阳电池阵功率冗余扩展装置的原理框图。

具体实施方式

如图1所示，本发明公开了一种双母线太阳电池阵功率冗余扩展装置，包括太阳电池分阵SAS1、太阳电池分阵SAS2、第一分流模块1、第一推挽电路2、冗余扩展控制系统3、第一分压电路4、第二分流模块5、第二推挽电路6、第二分压电路7、滞环比较器8、第四三极管Q4、第一运算放大器U1、第二运算放大器U2，其中，

所述太阳电池分阵SAS1一端接地，所述太阳电池分阵SAS1另一端分别与所述第一分流模块1、所述冗余扩展控制系统3、所述第一分压电路4、+42V电源母线相连。

所述太阳电池分阵SAS2一端接地，所述太阳电池分阵SAS2另一端分别与所述第二分流模块5、所述冗余扩展控制系统3、所述第二分压电路7、+28V电源母线相连。

所述第一分流模块1还分别与所述第一推挽电路2、所述冗余扩展控制系统3、所述第一分压电路4、+42V电源母线相连。

所述第一推挽电路2还分别与接地端、所述第四三极管Q4 C极、所述第一运算放大器U1输出端相连。

所述冗余扩展控制系统3还分别与所述第一分压电路4、+42V电源母线、第二分流模块5、第二分压电路7、+28V电源母线、所述滞环比较器8相连。

所述第一分压电路4还分别与+42V电源母线、所述第一运算放大器U1同相输出端、接地端相连。

所述第二分流模块5还分别与所述第二推挽电路6、所述第二分压电路7、+28V电源母线相连。

所述第二推挽电路6还分别与接地端、VCC端、所述第二运算放大器U2输出端相连。

所述第二分压电路7还分别与+28V电源母线、所述第二运算放大器U2同相输出端、所述滞环比较器8、接地端相连。

所述滞环比较器8还与所述第四三极管Q4 B极相连，所述第四三极管Q4 E极接地。

所述第一运算放大器U1反向输入端与基准电压REF-42V相连。

所述第二运算放大器U2反向输入端与基准电压REF-28V相连。

该双母线太阳电池阵功率冗余扩展装置还包括第一二极管D1、第三二极管D3，其中，

所述第一二极管D1阳极分别与所述太阳电池分阵SAS1另一端、所述第一分流模块1、所述冗余扩展控制系统3相连，所述第一二极管D1阴极分别与所述第一分压电路4、+42V电源母线相连。

所述第三二极管D3阳极分别与所述太阳电池分阵SAS2另一端、所述第二分流模块5相连，所述第二二极管D2阴极还分别与所述第二分压电路7、+28V电源母线相连。

所述第一分流模块1包括第一分流管V1、第五电阻R5、第六电阻R6，其中，所述第一分流管V1 D极分别与所述太阳电池分阵SAS1另一端、所述冗余扩展控制系统3、所述第一二极管D1阳极相连，所述第一分流管V1G极与所述第五电阻R5一端相连，所述第一分流管V1 S极分别与所述第六电阻R6一端、接地端相连。

所述第五电阻R5另一端分别与所述第一推挽电路2、所述第六电阻R6另一端相连。

所述第六电阻R6另一端还与所述第一推挽电路2相连，所述第六电阻R6一端还与接地端相连。

所述第一推挽电路2包括第一三极管Q1、第二三极管Q2,该双母线太阳电池阵功率冗余扩展装置还包括第七电阻R7、第八电阻R8，其中，所述第一三极管Q1 C极与VCC相连，所述第一三极管Q1 E极分别与所述第二三极管Q2 E极、所述第五电阻R5另一端、所述第六电阻R6另一端相连，所述第一三极管Q1 B极分别与所述第二三极管Q2 B极、所述第七电阻R7一端、所述第四三极管Q4 C极相连。

所述第二三极管Q2 E极还分别与所述第五电阻R5另一端、所述第六电阻R6另一端相连，所述第二三极管Q2 C极接地，所述第二三极管Q2 B极还分别与所述第七电阻R7一端、所述第四三极管Q4 C极相连。

所述第七电阻R7另一端与所述第一运算放大器U1输出端相连。

所述第八电阻R8一端与所述第四三极管Q4 B极相连，所述第八电阻R8另一端分别与所述滞环比较器8、所述冗余扩展控制系统3相连。

所述冗余扩展控制系统3包括PMOS管V2、第三三极管Q3、第二二极管D2，该双母线太阳电池阵功率冗余扩展装置还包括第一电阻R1、第二电阻R2、第九电阻R9，其中，所述PMOS管V2 G极与所述第二电阻R2一端相连，所述PMOS管V2 S极分别与所述第一电阻R1一端、所述太阳电池分阵SAS1另一端、所述第一分流管V1 D极、所述第一二极管D1阳极相连，所述PMOS管V2 D极与所述第二二极管D2阳极相连。

所述第三三极管Q3 C极分别与所述第一电阻R1另一端、所述第二电阻R2另一端相连，所述第三三极管Q3 E极与接地端相连，所述第三三极管Q3 B极与所述第九电阻R9一端相连。

所述第二二极管D2阴极分别与所述第三二极管D3阴极、所述第二分压电路7、+28V电源母线相连。

所述第一电阻R1一端还分别与所述太阳电池分阵SAS1另一端、所述第一分流管V1D极、所述第一二极管D1阳极相连，所述第一电阻R1另一端还与所述第二电阻R2另一端相连。

所述第一分压电路4包括第三电阻R3、第四电阻R4，其中，所述第三电阻R3一端分别与所述第一二极管D1阴极、+42V电源母线相连，所述第三电阻R3另一端分别与所述第四电阻R4一端、所述第一运算放大器U1同相输出端相连。

所述第四电阻R4一端还与所述第一运算放大器U1同相输出端相连，所述第四电阻R4另一端接地。

所述第二分流模块5包括第二分流管V3、第十电阻R10、第十一电阻R11，其中，所述第二分流管V3 D极分别与所述太阳电池分阵SAS2另一端、所述第三二极管D3阳极相连，所述第二分流管V3 G极与所述第十电阻R10一端相连，所述第二分流管V3 S极分别与接地端、所述第十一电阻R11一端相连。

所述第十电阻R10另一端分别与所述第十一电阻R11另一端、所述第二推挽电路6相连。

所述第十一电阻R11一端还与接地端相连，所述第十一电阻R11另一端还与所述第二推挽电路6相连。

所述第二推挽电路6包括第五三极管Q5、第六三极管Q6，该双母线太阳电池阵功率冗余扩展装置还包括第十二电阻R12，其中，所述第五三极管Q5 C极与VCC相连，所述第五三极管Q5 E极分别与所述第六三极管Q6 E极、所述第十电阻R10另一端、所述第十一电阻R11另一端相连，所述第五三极管Q5 B极分别与所述第六三极管Q6 B极、所述第十二电阻R12一端相连，所述第十二电阻R12另一端与所述第二运算放大器U2输出端相连。

所述第六三极管Q6 E极还分别与所述第十电阻R10另一端、所述第十一电阻R11另一端相连，所述第六三极管Q6 C极接地，所述第六三极管Q6 B极还与所述第十二电阻R12一端相连。

所述第二分压电路7包括第十三电阻R13、第十四电阻R14，其中，所述第十三电阻R13一端与所述第三二极管D3阴极、所述第二二极管D2阴极、+28V电源母线相连，所述第十三电阻R13另一端分别与所述滞环比较器8、所述第十四电阻R14一端、所述第二运算放大器U2同相输出端相连。

所述第十四电阻R14一端还与所述第二运算放大器U2同相输出端、所述滞环比较器8相连，所述第十四电阻R14另一端接地。

所述滞环比较器8包括第三运算放大器U3、第四运算放大器U4、第一与非门U5、第二与非门U6，该双母线太阳电池阵功率冗余扩展装置还包括第十五电阻R15、第十六电阻R16，其中，所述第三运算放大器U3输出端与所述第一与非门U5 A端相连，所述第三运算放大器U3同相输出端与基准电压REF1相连，所述第三运算放大器U3反向输入端与所述第十五电阻R15一端相连。

所述第四运算放大器U4输出端与所述第二与非门U6 B端相连，所述第四运算放大器U4同相输出端与所述第十六电阻R16一端相连，所述第四运算放大器U4反向输入端与基准电压REF2相连。

所述第一与非门U5 B端与所述第二与非门U6 Y端、所述第八电阻R8另一端、所述第九电阻R9另一端相连，所述第一与非门U5 Y端与所述第二与非门U6A端相连。

所述第二与非门U6 Y端还与所述第八电阻R8另一端、所述第九电阻R9另一端相连。

所述第十五电阻R15另一端分别与所述第十三电阻R13另一端、所述第二运算放大器U2同相输出端、所述第十四电阻R14一端、所述第十六电阻R16另一端相连。

所述第十六电阻R16另一端还与所述第十三电阻R13另一端、所述第二运算放大器U2同相输出端、所述第十四电阻R14一端相连。

本发明工作原理：

为说明该技术，本发明使用两路太阳电池分阵SAS1和SAS2进行说明，太阳电池分阵SAS2连接+28V电源母线，太阳电池分阵SAS1连接+42V电源母线，在轨运行时，如果+28V太阳电池阵和+42V太阳电池阵能力正常时，两条母线为独立工作状态，互联通道均处于断开状态。

第三运算放大器U3、第四运算放大器U4、与非门U5和与非门U6构成滞环比较器8，PMOS管V2、第三三极管Q3和第二二极管D2构成冗余扩展控制系统3。当VBUS-28V电压经第十三电阻R13和第十四电阻R14的分压高于基准电压VREF1和VREF2时，其中基准电压VREF1大于基准电压VREF2，第三运算放大器U3输出为低电平，第四运算放大器U4输出为高电平，第一与非门U5输出为高电平，第二与非门U6输出为低电平，控制第三三极管Q3和第四三极管Q4均为断开状态，VBUS-42V(+42V电源母线)和VBUS-28V(+28V电源母线)为独立工作状态。

VBUS-28V电压母线经第十三电阻R13和第十四电阻R14分压后与基准电压REF-28V进行比较，控制第五三极管Q5和第六三极管Q6组成的第二推挽电路6，实现第二分流管V3的开通和关断，实现28V母线的电压稳定，第三二极管D3(隔离二极管)实现太阳电池阵SAS2输出与28V母线的隔离。

当太阳电池分阵SAS2输出功率不足时，母线电压VBUS-28V会持续降低，如果不加以控制，最终卫星平台将无法正常工作，导致卫星任务失败。

当VBUS-28V经第十三电阻R13和第十四电阻R14的分压持续降低，低于基准电压VREF2时，第四运算放大器U4输出为低电平，第二与非门U6输出为高电平，将驱动第三三极管Q3和第四三极管Q4均导通，第三三极管Q3导通后，PMOS管V2将导通；第四三极管Q4导通后，屏蔽掉第一运算放大器U1对第一推挽电路2的控制，第一推挽电路2中第二三极管Q2将处于导通状态，控制第一分流管V1断开，太阳电池阵SAS1输出功率经PMOS管V2和第二二极管D2(隔离二极管)向VBUS-28V母线供电。对于不调节母线的太阳电池阵-蓄电池组电源系统，卫星母线电压受到蓄电池组电压电压钳位，此时，太阳电池阵SAS1输出功率不再向VBUS-42V母线供电。

当VBUS-28V经第十三电阻R13和第十四电阻R14的分压在基准电压REF1和基准电压REF2之间时，第四运算放大器U4输出由低电平变为高电平，第三运算放大器U3维持输出为高电平，第一与非门U5输出为低电平，滞环比较器8输出维持原状，为高电平。

当VBUS-28V经第十三电阻R13和第十四电阻R14的分压持续升高，高于基准电压REF1时，第三运算放大器U3输出由高电平变为低电平，第一与非门U5输出为高电平，第四运算放大器U4输出为高电平，第二与非门U6输出由高电平变为低电平，第三三极管Q3和第四三极管Q4均断开，使得PMOS管V2断开，太阳电池分阵SAS1停止向VBUS-28V母线供电。第一推挽电路2中的第一三极管Q1和第二三极管Q2重新由第一运算放大器U1的控制。

当卫星功率较高时，一般采用双母线供电，采用两组太阳电池阵，分别向一种母线供电，本发明在两种太阳电池阵之间建立一种功率通路，可以使得高电压阵可以向低电压母线供电，提升了向卫星平台供电的低电压母线功率裕度，提升系统可靠性。

本发明通过降压互联技术，实现两种太阳电池阵之间配合使用，以此提高卫星平台供电的功率裕度，进而提高太阳电池阵利用率。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。