專利名稱：具有分散總線電容的航天器調(diào)節(jié)單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種航天器調(diào)節(jié)單元(Spacecraft Regulation Unit)SRU，其包括多個(gè)電源轉(zhuǎn)換模塊(power conversion module)，所述電源轉(zhuǎn)換模塊適于經(jīng)由互連裝置耦合到電源總線，以向衛(wèi)星的設(shè)備提供適配的功率電平。
背景技術(shù)：
這種航天器調(diào)節(jié)單元SRU在現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)是公知的，例如來(lái)自AlcatelTM的SpaceBus 4000-功率調(diào)整單元(power conditioning unit)“SB4-PCU”。航天器調(diào)節(jié)單元SRU是用于13到19kW之間的平臺(tái)PF功率的功率調(diào)整單元PCU。SRU由物理的并排電源轉(zhuǎn)換模塊制成，電源轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)量由單元功率電平來(lái)確定。為每個(gè)預(yù)定的電源轉(zhuǎn)換模塊的集合提供電源總線電容器組(bank)或模塊。SB4-PCU因此針對(duì)全功率而被調(diào)整(dimensioned)(連接、電池容量(battery charge)、總線電容器以及太陽(yáng)能電池組列調(diào)節(jié)模塊的結(jié)構(gòu))。
很明顯，功率電平越高，用于總線電壓控制的所請(qǐng)求的電源總線電容越大。實(shí)際上，在給定的電功率轉(zhuǎn)換帶寬，更大的總線負(fù)載(busload)瞬變需要更大的總線電容以限制總線電壓瞬變。
然而，在其低端，已知航天器調(diào)節(jié)單元在這樣的情況下不是最優(yōu)的其中并非集合中的所有電源轉(zhuǎn)換模塊都存在，即當(dāng)調(diào)節(jié)單元由縮減數(shù)量的電源轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成時(shí)，其中這些電源轉(zhuǎn)換模塊經(jīng)由互連裝置和電源總線耦合到電源總線電容器組。
由于總線電容針對(duì)最高功率電平而被設(shè)置(sized)，電源總線電容器組對(duì)于低功率SRU也是過(guò)量的。應(yīng)當(dāng)指出，從一個(gè)功率電平到另一個(gè)功率電平對(duì)電源總線電容器組的占用無(wú)論如何都是可能的，但是這既不是正確的產(chǎn)業(yè)化解決方法，也不提供優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)容量(volume)。
此外，電信同步衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)正面臨高度競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)，其中技術(shù)和成本性能必須不斷改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種航天器調(diào)節(jié)單元SRU，該SRU屬于上面已知的類型但使用能在量和成本方面提高競(jìng)爭(zhēng)力的合適的技術(shù)。該SRU也需要從6到13kW非常有競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)保持覆蓋從3kW開(kāi)始的低端范圍的可能性。
根據(jù)本發(fā)明，由于這樣的事實(shí)而達(dá)到所述目的所述電源轉(zhuǎn)換模塊中每一個(gè)都具有經(jīng)由所述互連裝置耦合到所述電源總線的總線電容器。
這樣，實(shí)現(xiàn)了具有分散電容的航天器調(diào)節(jié)單元SRU或功率調(diào)整單元PCU。通過(guò)分散的電容，其意味著電源總線電容器組被分布在不同的電源轉(zhuǎn)換模塊中，即不再在單個(gè)專用模塊中被實(shí)現(xiàn)。這節(jié)省了指定電源總線電容器模塊并允許總線電容隨平行電源轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)量增長(zhǎng)，由此產(chǎn)生了隨功率電平增高而降低的總線阻抗，如控制約束通常所要求的。
由于模塊化SRU是用隨功率電平增高而增大的模塊數(shù)量而制成的，因此將總線電容分布到電源轉(zhuǎn)換模塊中是極好的解決方案。所述單元由此包含功率電平越高就越大的總線電容。
除了量和容量上的優(yōu)點(diǎn)之外，所述分散總線電容還減少了所述單元的開(kāi)發(fā)和重復(fù)制造的成本。實(shí)際上，已不再考慮任何專用的總線電容模塊。
額外的優(yōu)點(diǎn)是改進(jìn)的EMC特性，當(dāng)利用分散總線電容被構(gòu)成時(shí)，模塊化單元可能具有該特性。實(shí)際上，在該情況下，每個(gè)電源轉(zhuǎn)換模塊在其附近都具有合適的電容電平，這在電功率的任何循環(huán)之前提供了電流波形的平滑。這特別適用于已知的連續(xù)開(kāi)關(guān)分流穩(wěn)壓器S3R轉(zhuǎn)換器，其中必須以電源總線電平處理較大的電流階躍(current step)。
然而應(yīng)當(dāng)指出，由于分散電容，在一些應(yīng)用中可能出現(xiàn)模塊電容和互連隱現(xiàn)電感(interconnecting looming inductance)之間的寄生諧振。
為防止這種情況，本發(fā)明的另一個(gè)特征實(shí)施例在于，所述總線電容器還耦合到與所述電源總線平行的電壓總線。
這樣，通過(guò)創(chuàng)建與所述電源總線并行的電壓總線，抑制了分布總線電容和寄生電感之間的諧振。
在優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明的特征還在于，所述電源總線是高電平電源總線，而所述電壓總線是低電平電壓總線。
這樣，達(dá)到了上面提到的對(duì)分布總線電容和寄生電感之間的諧振的抑制。
本發(fā)明的另一特征實(shí)施例還在于，所述總線電容器和所述電壓總線通過(guò)電阻器耦合，而所述總線電容器和所述電源總線通過(guò)電感器耦合。
現(xiàn)在用具有寄生電感的、從諧振角度出發(fā)的合適的設(shè)計(jì)提供(provision)來(lái)考慮上述分散總線電容，其中所述電容器是在所述電源轉(zhuǎn)換模塊中被實(shí)現(xiàn)的。這樣，解決了模塊化功率調(diào)整單元內(nèi)分散(即分布)總線電容和互連電感之間諧振的問(wèn)題。通過(guò)增加合適的電感器(例如100nH)和電阻器(例如10mOhm)，確保對(duì)所述電壓總線和電源總線二者的抑制。
再次在優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明的特征還在于，所述電壓總線位于適于與所述電源轉(zhuǎn)換模塊互連的母板上。
本發(fā)明的航天器調(diào)節(jié)單元的特征還在于，所述電源轉(zhuǎn)換模塊被構(gòu)建在與所述電壓總線和電源總線垂直的不同子板上。
優(yōu)選地，所述電源總線和電壓總線基本上在相同的電壓電平，而流經(jīng)所述電源總線的電流比流經(jīng)所述電壓總線的電流高很多。
應(yīng)當(dāng)指出，權(quán)力要求中使用的術(shù)語(yǔ)“包括”不應(yīng)被解釋為限于其后列出的裝置。因此，“包括裝置A和B的設(shè)備”這一表述的范圍不應(yīng)限于只由部件A和B組成的設(shè)備。其意味著所述設(shè)備僅關(guān)于本發(fā)明的相關(guān)部件是A和B。
類似地，應(yīng)當(dāng)指出，也用在權(quán)利要求中的術(shù)語(yǔ)“耦合”不應(yīng)被解釋為限于僅直接連接。因此，“耦合到設(shè)備B的設(shè)備A”這一表述的范圍不應(yīng)限于其中設(shè)備A的輸出直接連接到設(shè)備B的輸入的設(shè)備或系統(tǒng)。其意味著在A的輸出和B的輸入之間存在路徑，所述路徑可以是包括其它設(shè)備或裝置的路徑。


通過(guò)參考以下結(jié)合附圖的實(shí)施例的描述，本發(fā)明的上述及其它目的和特征將變得更加顯而易見(jiàn)，并且本發(fā)明本身將得到最好的理解，其中-圖1示意地示出了如在根據(jù)本發(fā)明的航天器調(diào)節(jié)單元SRU中所實(shí)現(xiàn)的電源匯流條(power bar)和具有總線電容器(Cmod)的電源轉(zhuǎn)換模塊；-圖2是圖1中項(xiàng)目的單極模型；以及-圖3是電源匯流條和具有電容器諧振補(bǔ)償提供(R’board，L’mod)的電源轉(zhuǎn)換模塊的單極模型。
具體實(shí)施例方式
向衛(wèi)星的設(shè)備供電的基線是100V的完全的調(diào)節(jié)電源總線，其在日照期間使用太陽(yáng)能電池組列源而在無(wú)日照期間使用兩節(jié)鋰離子電池。然而，在較低功率，可以使用單個(gè)電池。該設(shè)備被細(xì)分為不同的機(jī)械模塊，這允許構(gòu)建考慮電源需求的航天器調(diào)節(jié)單元SRU或功率調(diào)整單元PCU。
圖1示出了用于13kW到19kW之間的平臺(tái)PF功率的航天器調(diào)節(jié)單元SRU或功率調(diào)整單元PCU的雙極模型。SRU由物理的并排電源轉(zhuǎn)換模塊制成，所述電源轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)量由單元功率電平來(lái)確定。每個(gè)電源轉(zhuǎn)換模塊都構(gòu)建在不同的“子板”上，并且經(jīng)由互連裝置耦合到由電源匯流條構(gòu)成的高電平電源總線，以向衛(wèi)星的設(shè)備供電。平行子板垂直于電源總線以及也用于互連所述電源轉(zhuǎn)換模塊的母板。
每個(gè)電源轉(zhuǎn)換模塊都具有總線電容器Cmod，該總線電容器經(jīng)由互連裝置耦合到電源總線的高電平電源匯流條。
由于分布在若干不同的并排物理電源轉(zhuǎn)換模塊中，因此所述總線電容構(gòu)成電網(wǎng)。SRU被定義為具有分散電容。這意味著(例如上面提到的現(xiàn)有技術(shù)中所使用的)所述電源總線電容器組現(xiàn)在分布于不同的電源轉(zhuǎn)換模塊中，即不再被實(shí)現(xiàn)在單個(gè)專用模塊中。
因此，解決了模塊電容和互連隱現(xiàn)電感之間的寄生諧振問(wèn)題。
因此，基于借助于子板或印刷電路板PCB參數(shù)、導(dǎo)線、銅或鋁匯流條等的電源匯流條的詳細(xì)實(shí)現(xiàn)，來(lái)仔細(xì)地確定關(guān)聯(lián)的阻抗。
所產(chǎn)生的模型如圖1所示。其對(duì)應(yīng)于具有150μF總線電容或總線電容器Cmod的模塊，其中每個(gè)電源轉(zhuǎn)換模塊將Cmod連接到構(gòu)成電源總線的正向和返向電源匯流條?？偩€電容器Cmod被實(shí)現(xiàn)在PCB上。借助于例如銅線來(lái)確保所述互連。因此，所述模塊包含PCB布線(PCB track)的電阻、導(dǎo)線的電阻和(正向和返向路徑的)匯流條的電阻，以及關(guān)聯(lián)的電感。
更詳細(xì)地，總線電容器Cmod經(jīng)由第一電感Lmod/2和第二電感Lcon/2的串口連接而耦合到正向和返向電源匯流條，即耦合到電源總線，所述第一電感與代表電源轉(zhuǎn)換模塊的第一電阻Rmod/2串聯(lián)，所述第二電感與代表互連裝置的第二電阻Rcon/2串聯(lián)。由于這里考慮雙極模型，因此這些串口連接平行穿過(guò)總線電容器Cmod。
在電源轉(zhuǎn)換模塊到電源匯流條的連接之間，可以在電源匯流條中的每個(gè)上考慮第三電感Lbar/2和第三電阻Rbar/2的串口連接。
在進(jìn)行任何進(jìn)一步分析之前，上述雙極模型首先被簡(jiǎn)化成如圖2所示的等同的單極模型。
這將在不影響所述補(bǔ)償提供的最終實(shí)現(xiàn)的情況下，顯著簡(jiǎn)化后續(xù)推理的說(shuō)明。
作為簡(jiǎn)明的說(shuō)明，這里考慮(僅有)兩個(gè)電源轉(zhuǎn)換模塊的情形。每個(gè)模塊由總線電容器Cmod來(lái)表示，該總線電容器經(jīng)由值為L(zhǎng)con+Lmod的電感和值為Rcon+Rmod的電阻的串口連接而耦合到電源總線。電感Lbar和電阻Rbar的串口連接出現(xiàn)在兩個(gè)模塊到電源總線的連接之間。
等同的網(wǎng)絡(luò)在于具有下列阻抗計(jì)算(impedance figure)的串聯(lián)諧振RLC電路，其中所述元素的值作為實(shí)際的實(shí)現(xiàn)例子而給出
Rser＝2Rmod+2Rcon+Rbar＝1.29mΩLser＝2Lmod+2Lcon+Lbar＝56nHCser=Cmod2=75μF]]>這導(dǎo)致下面的諧振頻率和特征阻抗Fres=12π1LC≈78kHz]]>Rchar=LC=27mΩ>>Rser]]>顯然，在沒(méi)有指定提供的情況下，諧振不能通過(guò)線路電阻來(lái)抑制。這隨著100kHz的標(biāo)準(zhǔn)電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)頻率可能與所述諧振頻率重合而更加嚴(yán)重，其產(chǎn)生不可接受的電壓瞬變。
在前面的段落中，已經(jīng)闡述了連接到電源總線的模塊電容器的模型，并且已經(jīng)指出了諧振行為。
將如下面解釋的那樣來(lái)解決模塊化電源調(diào)節(jié)單元內(nèi)部的分散(即分布)總線電容和互連電感之間的諧振的問(wèn)題。
在下面的段落中，將公開(kāi)一種諧振補(bǔ)償提供。
抑制分布總線電容和寄生電感之間的諧振的基本思想，在于創(chuàng)建與電源總線平行的低電平電壓總線，并且優(yōu)選地以母板級(jí)別創(chuàng)建，其具有合適的電感器L’mod(100nH)和電阻器R’board(10mOhm)，這確保對(duì)電源總線和母板上的電壓總線二者的抑制，母板上的電壓總線此后也稱為母板總線。
所述諧振補(bǔ)償提供因而在于實(shí)現(xiàn)與第一總線平行的第二電壓總線。所述第一總線由電源匯流條(正向的和返向的)構(gòu)成。所述第二總線由母板內(nèi)的銅線平面(copper plan)(正向的和返向的)構(gòu)成。
所述母板與包括電源轉(zhuǎn)換模塊的子板相垂直，以便在這些不同的電源轉(zhuǎn)換模塊之間提供中或低的電源連接裝置。所述母板與用于在不同模塊之間提供高功率的電源匯流條相平行。盡管它們基本上在相同的電壓電平，然而以DC(直流)為主的高功率電流流經(jīng)電源總線，而主要由瞬時(shí)電壓變化引起的低電流流經(jīng)電壓總線或母板總線。
為防止電源電流在母板內(nèi)流通，以模塊級(jí)別、朝向母板銅線平面來(lái)添加一些串聯(lián)阻抗。相應(yīng)的(單極)模型在圖3中示出。
以模塊級(jí)別、朝向母板總線的串聯(lián)電阻Rboard明顯與寄生電感Lboard串聯(lián)。后一部件主要由將每個(gè)模塊連接到母板的插電源的連接器來(lái)激勵(lì)(并設(shè)置(sized))。
更具體地，將電阻器優(yōu)選地插在母板上以構(gòu)成總線電容器Cmod與電壓總線或母板總線之間的產(chǎn)生的電阻R’board，同時(shí)插入電感器以構(gòu)成總線電容器Cmod與電源總線之間的產(chǎn)生的電感L’mod。
關(guān)于圖2所示的電源總線和模塊電容器單極模型，已經(jīng)忽略了若干阻抗。這被如下證明—串聯(lián)電阻Rmod和Rcon由于其顯著低于產(chǎn)生的電阻R’board而被忽略；—電感Lcon關(guān)于產(chǎn)生的電感L’mod而被忽略，這是由于后一電感被故意增加至大大高于第一個(gè)電感的級(jí)別；以及-出于類似的原因，電源總線和母板總線二者的串聯(lián)電阻和電感被忽略。
應(yīng)當(dāng)指出，進(jìn)行對(duì)被構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性分析以及具有詳細(xì)阻抗特征的模擬，以證明上面的近似是貼切的。
還應(yīng)當(dāng)指出，為諧振補(bǔ)償而構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性條件與平行模塊的數(shù)量無(wú)關(guān)。
最后應(yīng)當(dāng)指出，以上就功能塊描述了本發(fā)明的實(shí)施例。根據(jù)以上給出的這些塊的功能描述，如何利用已知電子部件制造這些塊的實(shí)施例，對(duì)于設(shè)計(jì)電子設(shè)備領(lǐng)域的技術(shù)人員而言是顯而易見(jiàn)的。因此，沒(méi)有給出所述功能塊的內(nèi)容的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。
盡管以上結(jié)合指定裝置描述了本發(fā)明的原理，然而應(yīng)當(dāng)清楚地理解，這個(gè)描述僅作為例子，而不作為對(duì)如所附權(quán)利要求所定義的本發(fā)明范圍的限制。
權(quán)利要求
1.一種航天器調(diào)節(jié)單元SRU，其包括多個(gè)電源轉(zhuǎn)換模塊，所述電源轉(zhuǎn)換模塊適于經(jīng)由互連裝置耦合到電源總線，以向衛(wèi)星的設(shè)備提供適配的功率電平，其特征在于，所述電源轉(zhuǎn)換模塊中每一個(gè)都具有經(jīng)由所述互連裝置耦合到所述電源總線的總線電容器(Cmod)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的航天器調(diào)節(jié)單元，其特征在于，所述總線電容器(Cmod)還耦合到與所述電源總線平行的電壓總線。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的航天器調(diào)節(jié)單元，其特征在于，所述電源總線是高電平電源總線，其特征還在于，所述電壓總線是低電平電壓總線。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的航天器調(diào)節(jié)單元，其特征在于，所述總線電容器(Cmod)和所述電壓總線通過(guò)電阻器(R’board)耦合，其特征還在于，所述總線電容器(Cmod)和所述電源總線通過(guò)電感器(L’mod)耦合。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的航天器調(diào)節(jié)單元，其特征在于，所述電壓總線位于母板上，其中該母板適于與所述電源轉(zhuǎn)換模塊連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的航天器調(diào)節(jié)單元，其特征在于，所述電源轉(zhuǎn)換模塊被構(gòu)建在不同的子板上，其中所述子板與所述電壓總線和所述電源總線相垂直。
7.根據(jù)權(quán)利要求3的航天器調(diào)節(jié)單元，其特征在于，所述電源總線和所述電壓總線基本上在相同的電壓電平，其特征還在于，流經(jīng)所述電源總線的電流比流經(jīng)所述電壓總線的電流高很多。
全文摘要
一種具有分散電容的航天器調(diào)節(jié)單元SRU或功率調(diào)整單元，其包括幾個(gè)電源轉(zhuǎn)換模塊，每個(gè)經(jīng)由互連裝置耦合到高電平電源總線以向衛(wèi)星設(shè)備供電。每個(gè)電源轉(zhuǎn)換模塊具有經(jīng)由互連裝置耦合到高電平電源總線的總線電容器。分布于不同電源轉(zhuǎn)換模塊中的總線電容器由此替代已知公共電源總線電容器組。這節(jié)省了指定電源總線電容器組并允許總線電容隨平行電源轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)量增長(zhǎng)，由此產(chǎn)生隨電源電平增高而降低的總線阻抗。這就量和成本、在幾個(gè)功率范圍中改進(jìn)了SRU?？偩€電容器還耦合到與高電平電源總線平行的母板上的低電平電壓總線。低電平電壓總線構(gòu)成諧振補(bǔ)償提供以抑制分散總線電容與寄生互連電感之間的諧振。還通過(guò)附加的電阻和電感改進(jìn)補(bǔ)償。
文檔編號(hào)H02J7/00GK1885665SQ20061009310
公開(kāi)日2006年12月27日 申請(qǐng)日期2006年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月22日
發(fā)明者C·J·J·德勒波 申請(qǐng)人:阿爾卡特公司