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航天器一次电源向模块化、通用性、大功率及高动态响应等方向发展。目前在轨服务的航天器一次电源的各种性能指标大都不能满足下一代航天器载荷的需求,主要体现在:1)不具有积木式模块化安装能力;2)无通用性、普适性的能力;3)母线多采用半控调节方式,不能满足其脉冲载荷与母线稳定性的需要;4)多为混合阵调节模式,已不符合模块化及大功率调节的要求;5)按功能分为三种拓扑,无通用性集成化拓扑。下一代航天器一次电源的要求:高功率密度、高动态响应能力、高压母线、大功率、具有集成化拓扑的模块化设计及扩展能力强。本文将对这些问题开展研究: 针对三节砷化镓材料太阳电池阵列输出寄生电容带来的开通电流过冲问题,采用延迟开通技术有效地减少了开通电流过冲。本文实现了全开关有序分流技术对输出母线进行调整,有序串联开关技术对蓄电池进行充电调节,Boost电路进行蓄电池的放电调节。采用动态滞回区间设计的驱动有效地提高了分流模块极限占空比无法实现的问题,解决了多模块并机工作的双边调节现象。反馈相角提升环节的设计能够解决由延迟驱动带来的母线动态性能变差问题。该航天器一次平台的建立,为后续高动态响应及高功率密度的研究提供了对比验收平台,也给出了提高各种指标的解决办法。 为了实现航天器一次电源的通用性与普适性能力,本文对传统的有序串联开关充电电路的两域控制进行了改进,使之具有太阳电池阵列最大功率充电的能力。此方案解决了有序串联开关充电单元无法最大功率充电问题。具有最大功率充电能力的有序串联开关也为低轨道卫星的设计提供了解决办法。扰动观察法的采样步长优化设计为实现最大功率跟踪满足高稳态要求及快速动态能力的问题提供了解决手段。 为了满足脉冲负载对母线动态性能要求,研究了针对脉冲负载动态性能提高的稳态 PI控制及动态 PD控制的分离式主误差运放设计方法,并分析了PD带宽不影响稳态PI调节的设计方法。基于此方法,采用前面建立的功率调节仿真平台进行了传统的PI与PID控制的对比分析。 在不改变现有一次电源电流型跨导控制模式的情况下,采用Sigma-Delta调制驱动的方法减少了相同功率等级下的母线输出滤波电容阵容量大小,从而相应地提高了PCU的功率密度,同时提高了动态响应能力。该设计的主要思想是针对相同开关损耗的情况下,提出采用Sigma-Delta调制驱动的相比于传统的滞回方法具有一定的超频能力,即相同损耗下采用Sigma-Delta技术的具有更高的开关频率。理论分析了超频常数的确定办法,同时分析了采用该驱动技术对控制环路带来的影响,并给出了相应的解决办法。 为了满足具有模块化扩展能力的航天器一次电源拓扑及相应的主误差控制器设计,本文提出了模块化母线多响应的拓扑与满足母线优先原则的主误差控制器。该拓扑整合了分流调节,充电调节及放电调节于一体,能同时处理太阳电池阵列及蓄电池的两种不同功率源。从动态及稳态角度出发,分析了该拓扑的工作模式。建立了各种调节模式下的小信号传递函数;针对竞争模式分析了耦合产生的原因,并给出了响应的解耦控制方法。