《電子技術應用》
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一種MPPT與S3R融合拓撲電源控制器
電子技術應用
王博鑫，劉樹峰，鄒吉煒，賈旭，張偉，戴路
長光衛(wèi)星技術股份有限公司
摘要： 采用直接能量傳輸方式的衛(wèi)星電源系統(tǒng)具有電路結(jié)構簡單、可靠性高的優(yōu)點，但是太陽電池陣能源利用率低。相比之下，采用最大功率點跟蹤技術可以最大程度地利用太陽電池陣的輸出功率，但是控制相對復雜，且存在開路高壓風險。提出了一種最大功率點跟蹤（MPPT）與順序開關分流調(diào)節(jié)（S3R）融合拓撲電源控制器，在提高太陽電池陣能源利用率的同時保證了系統(tǒng)的可靠性，并且避免太陽電池陣的開路高壓問題。對所提出電源控制器的系統(tǒng)組成、模式切換方法以及最大功率點追蹤原理進行了詳細的介紹，并且搭建了試驗樣機進行實驗驗證，實驗結(jié)果證明了理論分析的正確性。
中圖分類號：TN710；TM914 文獻標志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.246060
中文引用格式： 王博鑫，劉樹峰，鄒吉煒，等. 一種MPPT與S3R融合拓撲電源控制器[J]. 電子技術應用，2025，51(5)：98-103.
英文引用格式： Wang Boxin，Liu Shufeng，Zou Jiwei，et al. A power controller integrating MPPT and S3R topology[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(5)：98-103.
A power controller integrating MPPT and S3R topology
Wang Boxin，Liu Shufeng，Zou Jiwei，Jia Xu，Zhang Wei，Dai Lu
Chang Guang Satellite Technology Co.，Ltd.
Abstract： Satellite power systems using direct energy transmission have the advantages of simple circuit structure and high reliability, but the solar array energy utilization rate is low. In contrast, using maximum power point tracking technology can maximize the output power of the solar array, but the control is relatively complex and there is a risk of open circuit high voltage. This article proposes a MPPT (Maximum Power Point Tracking) and S3R (Sequential Switching Shunt Regulator) fusion topology power controller, which improves the energy utilization of the solar array while ensuring the reliability of the system and avoiding the open-circuit high voltage problem of the solar array. This article introduces the system composition, mode switching method, and maximum power point tracking principle of the proposed power controller in detail, and builds a test prototype for experimental verification. The experimental results prove the correctness of the theoretical analysis.
Key words : power controller；maximum power point tracking；sequential switching shunt regulator

引言

近年來，我國空間技術發(fā)展迅速，在軌衛(wèi)星數(shù)量不斷增多，衛(wèi)星正朝著大功率、輕量化、批量研制的趨勢發(fā)展[1]。而這一發(fā)展方向也決定了衛(wèi)星的電源系統(tǒng)需要具備更大功率密度，在保證供電能力的同時減小電源系統(tǒng)的體積和重量[2]。

電源分系統(tǒng)主要承擔衛(wèi)星在測試、發(fā)射、在軌運行期間為衛(wèi)星平臺系統(tǒng)和有效載荷提供能源及能源管理的任務，是衛(wèi)星的“心臟”，在整個為衛(wèi)星系統(tǒng)中具有重要地位。目前衛(wèi)星電源系統(tǒng)可以分為兩種，一種是采用傳統(tǒng)直接能量傳輸(DET)的電源系統(tǒng)，其中以順序開關分流調(diào)節(jié)(S3R)技術最為常見；另一種是采用最大功率點跟蹤(MPPT)技術的電源系統(tǒng)[3-4]。

采用直接能量傳輸方式的電源系統(tǒng)在太陽電池陣提供的能量有富余時將多余的能量消耗在分流電路和太陽電池陣中，是一種損耗分流式調(diào)節(jié)技術[5-6]。該方式具有可靠性高、傳輸效率高、電路簡潔、控制簡單的優(yōu)點，但是太陽電池陣電壓被蓄電池組電壓鉗位，能源利用率較低[7]。

采用MPPT技術的電源系統(tǒng)可以使太陽電池陣始終工作于最大功率點上，相比于S3R能源利用率可以提升10%~20%。這有助于減小太陽電池陣的面積，從而在降低衛(wèi)星體積重量的同時節(jié)約成本[8-9]。但傳統(tǒng)的MPPT控制技術在蓄電池組充滿之后會使太陽電池陣逐漸偏離最大功率點，直至開路。而電源系統(tǒng)設計時，會以壽命末期且高溫工作的工況進行能源平衡分析，此時太陽電池陣電壓明顯低于低溫出影時的電壓。所以采用傳統(tǒng)MPPT控制技術的電源系統(tǒng)若太陽電池陣在低溫出影時處于開路狀態(tài)，則高開路電壓可能對太陽電池陣及控制器產(chǎn)生不利影響[10]。

為提高太陽陣能源利用率，減小電源系統(tǒng)體積重量、降低成本，發(fā)展MPPT技術具有重要意義。目前空間電源中的MPPT控制以模擬控制為主，模擬控制具有可靠性強、實時性好的優(yōu)點，并且具有豐富的在軌飛行經(jīng)歷[11-12]。

為了在提高太陽電池陣能源利用率的同時充分保障系統(tǒng)的可靠性，并且避免傳統(tǒng)MPPT控制方法帶來的太陽電池陣開路高壓問題，本文提出了一種MPPT與S3R融合拓撲電源控制器。所提出的電源控制器采用模擬控制方案，既能工作于MPPT模式又能工作于S3R模式，且兩種模式既能根據(jù)蓄電池組電壓情況自主切換，也可以通過指令強制切換至S3R模式，從而確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行。


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作者信息：

王博鑫，劉樹峰，鄒吉煒，賈旭，張偉，戴路

（長光衛(wèi)星技術股份有限公司，吉林 長春 130000）


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