1.1.3 电源控制装置
1.1.3.1 能量传输方式
航天器电源系统拓扑结构形式的选取应该考虑到轨道、星蚀、功率量级及有效载荷的特殊要求等因素。航天器的飞行任务不同，其航天器电源系统的体积、质量、硬件电路等差别很大，但是它的基本结构形式按功率调节方式可以划分为两大类型，分别为串联母线传输方式与直接能量传输方式（Direct Energy Transfer，DET），串联母线传输的典型方式为峰值功率跟踪方式（Peak Power Tracking，PPT）。直接能量传输方式又可以划分为母线电压不调节、母线电压全调节、光照区母线电压全调节（也称母线电压半调节）三种方式。
图1-1所示为PPT方式和DET方式的简要示意图。
图1-1 两种基本的功率调节方式
（a）峰值功率跟踪（PPT）方式；（b）直接能量传输（DET）方式
PPT方式是非耗散型的。它按航天器的需求输出功率，最大输出可达太阳电池阵的峰值功率，但是，PPT方式需要串联电源变换电路，使输出母线电压稳定。DET是耗散型的调节方式，因为它将负载用不完的功率消耗掉。DET方式采用分流器调节太阳电池阵的输出功率，使母线电压维持在预先设定的范围内，母线电压直接输出，因此传输效率更高。
在DET方式中，为了保证在寿命末期最大限度地利用太阳电池阵输出功率，分流调节器的分流限压值一般设置在寿命末期太阳电池阵最佳工作电压处，不能充分利用寿命初期太阳电池阵输出功率。但对于寿命初期与寿命末期功耗差别不大的卫星来说，由于该方式传输效率最高，因而成为较为理想的选择。
1.1.3.2 母线电压调节方式
母线调节方式可以划分为母线电压全调节、光照区母线电压全调节（也称母线电压半调节）和母线电压不调节三种方式。
1.全调节母线
串联母线传输方式与直接能量传输方式均可实现全调节母线电压。
在国内外航天电源领域，常用的DET方式全调节母线主要包括S3R三域控制全调节母线、S4R两域控制全调节母线和混合布阵两域控制全调节母线三种拓扑方式。常用的MPPT方式全调节母线主要包括串联型MPPT全调节母线和顺序开关分流最大功率调节（S3MPR）全调节母线两种拓扑方式。各种拓扑结构如图1-2和图1-3所示。
图1-2 直接能量传输（DET）型全调节母线拓扑结构
（a）S3R全调节拓扑；（b）混合布阵全调节拓扑；（c）S4R全调节拓扑
图1-3 MPPT型全调节母线拓扑结构
（a）串联型MPPT全调节母线拓扑；（b）S3MPR全调节母线拓扑
全调节母线系统供电母线电压在轨期间始终稳定在规定范围内，光照期调节太阳电池输出电压，完成对母线的供电和对蓄电池组的充电，联合供电或地影期调节蓄电池组输出，稳定母线电压。
全调节母线的优点是供电母线电压始终稳定在规定范围内，稳压精度高，若用电设备适合该电压，则可直接使用，即使需要二次变换时，也可降低二次电源的设计难度，提高二次电源的变换效率。缺点是电源控制器的体积、质量和热耗较大，电源系统的输出阻抗较大，在短期负载加载、卸载和脉冲负载工作时，母线电压的波动和干扰较大。
2.半调节母线
半调节母线是在全调节母线的基础上去掉蓄电池组的放电调节部分，半调节母线系统电源控制器只调节太阳电池的输出电压，在太阳电池的输出功率能够满足负载需求时，保持母线电压稳定。蓄电池组供电时，母线电压输出不调节，通过隔离二极管直接为母线供电，在地影期或联合供电时，母线电压被蓄电池组电压钳位，随蓄电池组电压变化而变化。
半调节母线系统的优点是电源控制器的体积、质量和热耗相对较小。光照期太阳电池单独供电时，母线电压稳定且太阳电池阵能够工作在最大工作点附近（寿命末期），太阳电池利用率与全调节母线相同；阴影期蓄电池组通过隔离二极管直接为母线供电，蓄电池组放电效率较高，电源系统的输出阻抗很小。缺点是母线电压范围较大，对输入电压要求较高的用电设备需经过二次变换，二次电源的设计难度相对较大。如果光照期需要联合供电时，太阳电池不能工作在最大高功率点，太阳电池利用率降低。
半调节母线系统适用于对电源系统输出电压精度要求不高，并且用电设备多数为长期稳定负载的航天器，光照期太阳电池的输出功率能够满足负载需求，无须蓄电池联合供电，既保证了太阳电池的利用率，又提高了蓄电池的放电效率，同时简化了电源控制器的设计。
光照区母线电压全调节方式功率传输效率较高，特别适用于光照时间长、地影时间短的地球同步轨道卫星，简要示意图如图1-4所示。
图1-4 光照区母线电压全调节方式电源分系统拓扑结构
3.不调节母线
不调节母线系统是指不对供电母线电压进行调节，母线电压始终随电池电压变化而变化。光照期，太阳电池输出功率首先满足负载需求，然后满足充电需求，满足供电和充电需求后对地分流。电源控制器只对太阳电池输出功率进行充电调节。
不调节母线也有两种模式：一种是直接能量传输（DET）型不调节母线，另一种是最大功率点跟踪技术（MPPT）的不调节母线。
1）DET型不调节母线
DET型不调节母线的工作原理为，PCU采样蓄电池组的电压和充电电流，控制分流开关的开通与关断，当蓄电池组需要充电时，PCU控制分流开关关断，太阳电池输出功率首先满足负载需要，剩余功率为蓄电池组充电，如果太阳电池的输出功率不能满足负载需要，蓄电池组参与放电，联合供电。当蓄电池组充满电后，太阳电池输出功率只满足负载需要，多余功率由PCU控制对地分流。
DET型不调节母线的太阳电池输出电压始终被蓄电池组钳位，太阳电池阵的最大工作点电压要满足蓄电池组最高电压需要，而当蓄电池组电压没有达到最高电压时，太阳电池的利用率下降。传统不调节母线系统如图1-5所示。
国内的某些低轨SAR载荷卫星采用了DET型不调节供电母线的设计。
2）MPPT不调节母线
MPPT不调节母线系统的工作原理为串联在太阳电池阵与蓄电池组之间的DC-DC模块受蓄电池组充电电流和充电电压以及MPPT控制信号的控制，MPPT电路采样太阳电池阵的输出电压和输出电流经过运算控制DC-DC的工作状态，使太阳电池阵工作在最大功率点，蓄电池组的充电电压和充电电流控制DC-DC输出蓄电池组需要的充电电流和充电电压。
图1-5 DET型不调节母线系统框图
MPPT不调节母线系统解决了传统不调节母线系统太阳电池利用率不高的缺点，太阳电池在光照期始终工作在最大功率点，但是控制电路较复杂，同时，DC-DC模块串联在太阳电池和蓄电池组之间，也会带来能量转换损失，并且降低了系统的可靠性。MPPT不调节母线的工作原理框图如图1-6所示。
图1-6 MPPT不调节母线系统原理框图
国外大多数SAR载荷卫星电源采用MPPT不调节母线系统，如意大利研制的COSMO-SkyMed雷达卫星，加拿大研制的RADARSAT-2，ESA研制的哨兵系列卫星，如Sentinel 1和Sentinel 3 SAR卫星。
不调节母线系统的优点是输出母线具有极小的输出阻抗、极快的响应速度，最大限度地满足了短期峰值负载和脉冲负载的供电需要，电源系统控制简单，电源控制器体积、质量和热耗小，可靠性高。缺点是母线电压变化范围较大，对输入电压要求较高的用电设备需经过二次变换，二次电源的设计难度相对较大。DET型的不调节母线系统太阳电池的输出电压始终被蓄电池组电压钳位，不能工作在最大工作点，太阳电池利用率降低。
1.1.3.3 太阳电池阵功率调节
太阳电池阵功率调节技术从电路的结构形式上可分为串联型调节技术和并联型调节技术，如图1-7所示。串联调节技术主要包括耗散型技术和太阳电池阵最大功率点跟踪技术（MPPT）。目前，耗散型技术早已不再使用，MPPT技术主要应用于深空探测和部分低轨遥感卫星，绝大多数型号采用并联调节技术。并联调节技术按工作方式，可分为顺序部分线性分流调节技术和开关分流调节技术，开关分流调节技术又可细分为PWM型、S3R型和S4R型。航天器分流调节器设计应根据负载特点，进行相应分流方法的选择与设计。
图1-7 常用分流调节技术
1）S3R调节技术
S3R（Sequential Switching Shunt Regulator，顺序开关分流调节）功率调节技术是ESA在20世纪70年代伴随开关调节技术发展起来的。图1-8所示为S3R的原理框图。图中S3R对应的每个分阵的正端通过一个分流开关管连接到地线，通过一个隔离二极管连接到正母线。每个分阵的能量是传递给母线还是分流掉取决于分流开关管的状态。
S3R的技术特点是：所有分流电路完全相同，受控于同一母线误差放大信号（MEA）。分流电路的逻辑状态（开或关）取决于MEA与每级分流电路的参考电压的比较。与PWM技术相比，其有着电路形式简单可靠、效率高等优点。
图1-8 S3R原理框图
2）S4R调节技术
S4R（Serial Sequential Switching Shunt Regulator，串联型顺序开关分流调节）电路原理框图如图1-9所示。S4R电路是在S3R电路的基础上增加了一个为电池充电的串联开关，使太阳电池阵又增加了一个能直接为蓄电池组充电的功能。太阳电池阵所产生的电流流向由MEA（主误差放大器）、BEA（蓄电池组误差放大器）和逻辑控制电路共同控制判定，控制逻辑为向母线供电通路有最高优先权，其次是向蓄电池充电通路，最后为对地分流通路。
图1-9 S4R电路原理框图
3）串联型调节技术——最大功率点跟踪技术
最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）方式是在太阳电池阵与蓄电池组或负载之间引入一个串联开关调节器，用来调节太阳电池阵的输出功率，其原理框图如图1-10所示。MPPT技术使太阳电池始终工作在最大功率点的状态，当温度或者光照影响最大功率点的位置时，能自动调整，使太阳电池的输出功率达到最大。采用MPPT技术可以最大限度地利用太阳能电池转换的电能，以满足航天器的功率需求，优化航天器设计。
图1-10 最大功率点跟踪技术（MPPT）原理框图
MPPT的技术特点是：由于系统串联了开关调节器，其功率传递效率偏低，但能够随时跟踪太阳电池阵的最大功率输出点，太阳电池阵能源利用率较高。最大功率点跟踪技术适用于太阳光照强度变化较大或太阳电池阵工作温度变化剧烈的航天器，如深空探测领域。另外，对于具有大功率载荷的SAR卫星，国外多数卫星采取MPPT技术进行功率控制，以保证大功率载荷的可靠运行。国内MPPT技术应用较晚，目前主要应用于深空探测领域。