专利名称：具有分散总线电容的航天器调节单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种航天器调节单元(Spacecraft Regulation Unit)SRU，其包括多个电源转换模块(power conversion module)，所述电源转换模块适于经由互连装置耦合到电源总线，以向卫星的设备提供适配的功率电平。
背景技术：
这种航天器调节单元SRU在现有技术中已经是公知的，例如来自AlcatelTM的SpaceBus 4000-功率调整单元(power conditioning unit)“SB4-PCU”。航天器调节单元SRU是用于13到19kW之间的平台PF功率的功率调整单元PCU。SRU由物理的并排电源转换模块制成，电源转换模块的数量由单元功率电平来确定。为每个预定的电源转换模块的集合提供电源总线电容器组(bank)或模块。SB4-PCU因此针对全功率而被调整(dimensioned)(连接、电池容量(battery charge)、总线电容器以及太阳能电池组列调节模块的结构)。
很明显，功率电平越高，用于总线电压控制的所请求的电源总线电容越大。实际上，在给定的电功率转换带宽，更大的总线负载(busload)瞬变需要更大的总线电容以限制总线电压瞬变。
然而，在其低端，已知航天器调节单元在这样的情况下不是最优的其中并非集合中的所有电源转换模块都存在，即当调节单元由缩减数量的电源转换模块构成时，其中这些电源转换模块经由互连装置和电源总线耦合到电源总线电容器组。
由于总线电容针对最高功率电平而被设置(sized)，电源总线电容器组对于低功率SRU也是过量的。应当指出，从一个功率电平到另一个功率电平对电源总线电容器组的占用无论如何都是可能的，但是这既不是正确的产业化解决方法，也不提供优化的实现容量(volume)。
此外，电信同步卫星产业正面临高度竞争的市场，其中技术和成本性能必须不断改进。
发明内容
本发明的目的是提供一种航天器调节单元SRU，该SRU属于上面已知的类型但使用能在量和成本方面提高竞争力的合适的技术。该SRU也需要从6到13kW非常有竞争力，同时保持覆盖从3kW开始的低端范围的可能性。
根据本发明，由于这样的事实而达到所述目的所述电源转换模块中每一个都具有经由所述互连装置耦合到所述电源总线的总线电容器。
这样，实现了具有分散电容的航天器调节单元SRU或功率调整单元PCU。通过分散的电容，其意味着电源总线电容器组被分布在不同的电源转换模块中，即不再在单个专用模块中被实现。这节省了指定电源总线电容器模块并允许总线电容随平行电源转换模块的数量增长，由此产生了随功率电平增高而降低的总线阻抗，如控制约束通常所要求的。
由于模块化SRU是用随功率电平增高而增大的模块数量而制成的，因此将总线电容分布到电源转换模块中是极好的解决方案。所述单元由此包含功率电平越高就越大的总线电容。
除了量和容量上的优点之外，所述分散总线电容还减少了所述单元的开发和重复制造的成本。实际上，已不再考虑任何专用的总线电容模块。
额外的优点是改进的EMC特性，当利用分散总线电容被构成时，模块化单元可能具有该特性。实际上，在该情况下，每个电源转换模块在其附近都具有合适的电容电平，这在电功率的任何循环之前提供了电流波形的平滑。这特别适用于已知的连续开关分流稳压器S3R转换器，其中必须以电源总线电平处理较大的电流阶跃(current step)。
然而应当指出，由于分散电容，在一些应用中可能出现模块电容和互连隐现电感(interconnecting looming inductance)之间的寄生谐振。
为防止这种情况，本发明的另一个特征实施例在于，所述总线电容器还耦合到与所述电源总线平行的电压总线。
这样，通过创建与所述电源总线并行的电压总线，抑制了分布总线电容和寄生电感之间的谐振。
在优选实施例中，本发明的特征还在于，所述电源总线是高电平电源总线，而所述电压总线是低电平电压总线。
这样，达到了上面提到的对分布总线电容和寄生电感之间的谐振的抑制。
本发明的另一特征实施例还在于，所述总线电容器和所述电压总线通过电阻器耦合，而所述总线电容器和所述电源总线通过电感器耦合。
现在用具有寄生电感的、从谐振角度出发的合适的设计提供(provision)来考虑上述分散总线电容，其中所述电容器是在所述电源转换模块中被实现的。这样，解决了模块化功率调整单元内分散(即分布)总线电容和互连电感之间谐振的问题。通过增加合适的电感器(例如100nH)和电阻器(例如10mOhm)，确保对所述电压总线和电源总线二者的抑制。
再次在优选实施例中，本发明的特征还在于，所述电压总线位于适于与所述电源转换模块互连的母板上。
本发明的航天器调节单元的特征还在于，所述电源转换模块被构建在与所述电压总线和电源总线垂直的不同子板上。
优选地，所述电源总线和电压总线基本上在相同的电压电平，而流经所述电源总线的电流比流经所述电压总线的电流高很多。
应当指出，权力要求中使用的术语“包括”不应被解释为限于其后列出的装置。因此，“包括装置A和B的设备”这一表述的范围不应限于只由部件A和B组成的设备。其意味着所述设备仅关于本发明的相关部件是A和B。
类似地，应当指出，也用在权利要求中的术语“耦合”不应被解释为限于仅直接连接。因此，“耦合到设备B的设备A”这一表述的范围不应限于其中设备A的输出直接连接到设备B的输入的设备或系统。其意味着在A的输出和B的输入之间存在路径，所述路径可以是包括其它设备或装置的路径。
通过参考以下结合附图的实施例的描述，本发明的上述及其它目的和特征将变得更加显而易见，并且本发明本身将得到最好的理解，其中-图1示意地示出了如在根据本发明的航天器调节单元SRU中所实现的电源汇流条(power bar)和具有总线电容器(Cmod)的电源转换模块；-图2是图1中项目的单极模型；以及-图3是电源汇流条和具有电容器谐振补偿提供(R’board，L’mod)的电源转换模块的单极模型。
具体实施例方式
向卫星的设备供电的基线是100V的完全的调节电源总线，其在日照期间使用太阳能电池组列源而在无日照期间使用两节锂离子电池。然而，在较低功率，可以使用单个电池。该设备被细分为不同的机械模块，这允许构建考虑电源需求的航天器调节单元SRU或功率调整单元PCU。
图1示出了用于13kW到19kW之间的平台PF功率的航天器调节单元SRU或功率调整单元PCU的双极模型。SRU由物理的并排电源转换模块制成，所述电源转换模块的数量由单元功率电平来确定。每个电源转换模块都构建在不同的“子板”上，并且经由互连装置耦合到由电源汇流条构成的高电平电源总线，以向卫星的设备供电。平行子板垂直于电源总线以及也用于互连所述电源转换模块的母板。
每个电源转换模块都具有总线电容器Cmod，该总线电容器经由互连装置耦合到电源总线的高电平电源汇流条。
由于分布在若干不同的并排物理电源转换模块中，因此所述总线电容构成电网。SRU被定义为具有分散电容。这意味着(例如上面提到的现有技术中所使用的)所述电源总线电容器组现在分布于不同的电源转换模块中，即不再被实现在单个专用模块中。
因此，解决了模块电容和互连隐现电感之间的寄生谐振问题。
因此，基于借助于子板或印刷电路板PCB参数、导线、铜或铝汇流条等的电源汇流条的详细实现，来仔细地确定关联的阻抗。
所产生的模型如图1所示。其对应于具有150μF总线电容或总线电容器Cmod的模块，其中每个电源转换模块将Cmod连接到构成电源总线的正向和返向电源汇流条。总线电容器Cmod被实现在PCB上。借助于例如铜线来确保所述互连。因此，所述模块包含PCB布线(PCB track)的电阻、导线的电阻和(正向和返向路径的)汇流条的电阻，以及关联的电感。
更详细地，总线电容器Cmod经由第一电感Lmod/2和第二电感Lcon/2的串口连接而耦合到正向和返向电源汇流条，即耦合到电源总线，所述第一电感与代表电源转换模块的第一电阻Rmod/2串联，所述第二电感与代表互连装置的第二电阻Rcon/2串联。由于这里考虑双极模型，因此这些串口连接平行穿过总线电容器Cmod。
在电源转换模块到电源汇流条的连接之间，可以在电源汇流条中的每个上考虑第三电感Lbar/2和第三电阻Rbar/2的串口连接。
在进行任何进一步分析之前，上述双极模型首先被简化成如图2所示的等同的单极模型。
这将在不影响所述补偿提供的最终实现的情况下，显著简化后续推理的说明。
作为简明的说明，这里考虑(仅有)两个电源转换模块的情形。每个模块由总线电容器Cmod来表示，该总线电容器经由值为Lcon+Lmod的电感和值为Rcon+Rmod的电阻的串口连接而耦合到电源总线。电感Lbar和电阻Rbar的串口连接出现在两个模块到电源总线的连接之间。
等同的网络在于具有下列阻抗计算(impedance figure)的串联谐振RLC电路，其中所述元素的值作为实际的实现例子而给出
Rser＝2Rmod+2Rcon+Rbar＝1.29mΩLser＝2Lmod+2Lcon+Lbar＝56nHCser=Cmod2=75μF]]>这导致下面的谐振频率和特征阻抗Fres=12π1LC≈78kHz]]>Rchar=LC=27mΩ>>Rser]]>显然，在没有指定提供的情况下，谐振不能通过线路电阻来抑制。这随着100kHz的标准电源转换开关频率可能与所述谐振频率重合而更加严重，其产生不可接受的电压瞬变。
在前面的段落中，已经阐述了连接到电源总线的模块电容器的模型，并且已经指出了谐振行为。
将如下面解释的那样来解决模块化电源调节单元内部的分散(即分布)总线电容和互连电感之间的谐振的问题。
在下面的段落中，将公开一种谐振补偿提供。
抑制分布总线电容和寄生电感之间的谐振的基本思想，在于创建与电源总线平行的低电平电压总线，并且优选地以母板级别创建，其具有合适的电感器L’mod(100nH)和电阻器R’board(10mOhm)，这确保对电源总线和母板上的电压总线二者的抑制，母板上的电压总线此后也称为母板总线。
所述谐振补偿提供因而在于实现与第一总线平行的第二电压总线。所述第一总线由电源汇流条(正向的和返向的)构成。所述第二总线由母板内的铜线平面(copper plan)(正向的和返向的)构成。
所述母板与包括电源转换模块的子板相垂直，以便在这些不同的电源转换模块之间提供中或低的电源连接装置。所述母板与用于在不同模块之间提供高功率的电源汇流条相平行。尽管它们基本上在相同的电压电平，然而以DC(直流)为主的高功率电流流经电源总线，而主要由瞬时电压变化引起的低电流流经电压总线或母板总线。
为防止电源电流在母板内流通，以模块级别、朝向母板铜线平面来添加一些串联阻抗。相应的(单极)模型在图3中示出。
以模块级别、朝向母板总线的串联电阻Rboard明显与寄生电感Lboard串联。后一部件主要由将每个模块连接到母板的插电源的连接器来激励(并设置(sized))。
更具体地，将电阻器优选地插在母板上以构成总线电容器Cmod与电压总线或母板总线之间的产生的电阻R’board，同时插入电感器以构成总线电容器Cmod与电源总线之间的产生的电感L’mod。
关于图2所示的电源总线和模块电容器单极模型，已经忽略了若干阻抗。这被如下证明—串联电阻Rmod和Rcon由于其显著低于产生的电阻R’board而被忽略；—电感Lcon关于产生的电感L’mod而被忽略，这是由于后一电感被故意增加至大大高于第一个电感的级别；以及-出于类似的原因，电源总线和母板总线二者的串联电阻和电感被忽略。
应当指出，进行对被构成网络的稳定性分析以及具有详细阻抗特征的模拟，以证明上面的近似是贴切的。
还应当指出，为谐振补偿而构成的网络的稳定性条件与平行模块的数量无关。
最后应当指出，以上就功能块描述了本发明的实施例。根据以上给出的这些块的功能描述，如何利用已知电子部件制造这些块的实施例，对于设计电子设备领域的技术人员而言是显而易见的。因此，没有给出所述功能块的内容的详细结构。
尽管以上结合指定装置描述了本发明的原理，然而应当清楚地理解，这个描述仅作为例子，而不作为对如所附权利要求所定义的本发明范围的限制。
权利要求
1.一种航天器调节单元SRU，其包括多个电源转换模块，所述电源转换模块适于经由互连装置耦合到电源总线，以向卫星的设备提供适配的功率电平，其特征在于，所述电源转换模块中每一个都具有经由所述互连装置耦合到所述电源总线的总线电容器(Cmod)。
2.根据权利要求1的航天器调节单元，其特征在于，所述总线电容器(Cmod)还耦合到与所述电源总线平行的电压总线。
3.根据权利要求2的航天器调节单元，其特征在于，所述电源总线是高电平电源总线，其特征还在于，所述电压总线是低电平电压总线。
4.根据权利要求2的航天器调节单元，其特征在于，所述总线电容器(Cmod)和所述电压总线通过电阻器(R’board)耦合，其特征还在于，所述总线电容器(Cmod)和所述电源总线通过电感器(L’mod)耦合。
5.根据权利要求2的航天器调节单元，其特征在于，所述电压总线位于母板上，其中该母板适于与所述电源转换模块连接。
6.根据权利要求2的航天器调节单元，其特征在于，所述电源转换模块被构建在不同的子板上，其中所述子板与所述电压总线和所述电源总线相垂直。
7.根据权利要求3的航天器调节单元，其特征在于，所述电源总线和所述电压总线基本上在相同的电压电平，其特征还在于，流经所述电源总线的电流比流经所述电压总线的电流高很多。
全文摘要
一种具有分散电容的航天器调节单元SRU或功率调整单元，其包括几个电源转换模块，每个经由互连装置耦合到高电平电源总线以向卫星设备供电。每个电源转换模块具有经由互连装置耦合到高电平电源总线的总线电容器。分布于不同电源转换模块中的总线电容器由此替代已知公共电源总线电容器组。这节省了指定电源总线电容器组并允许总线电容随平行电源转换模块的数量增长，由此产生随电源电平增高而降低的总线阻抗。这就量和成本、在几个功率范围中改进了SRU。总线电容器还耦合到与高电平电源总线平行的母板上的低电平电压总线。低电平电压总线构成谐振补偿提供以抑制分散总线电容与寄生互连电感之间的谐振。还通过附加的电阻和电感改进补偿。
文档编号H02J7/00GK1885665SQ20061009310
公开日2006年12月27日 申请日期2006年6月21日 优先权日2005年6月22日
发明者C·J·J·德勒波 申请人:阿尔卡特公司