航天器DC/DC變換器啟動特性建模分析研究

孟憲會 何 宇 熊曉英

(北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

1 引言

我國星載設備中,大多采用濾波器模塊加DC/DC 變換器的形式作為與供配電設備的接口。在實際使用中發現,某些設備加電時會產生上升很快的瞬時浪涌電流甚至造成故障。根據DC/DC 變換器產品手冊以及相關論文,負載設備的浪涌電流主要是DC/DC 變換器引起,在型號試驗中也可以驗證這一點[1-2]。文章結合型號實際,以單管正激型DC/DC 變換器MHF +2805S 為例進行了浪涌電流的機理分析和計算公式推導,建立了啟動瞬間的仿真模型,并通過試驗驗證了仿真模型建立的有效性,這種仿真模型可應用于類似拓撲結構的DC/DC 變換器浪涌電流抑制相關的仿真分析中。

2 浪涌電流產生機理分析

2.1 DC/DC變換器工作原理分析

我國星載設備中,供配電設備與負載設備常用供電接口通常為:供配電設備提供供電母線的正負線,供電母線首先連接到供電控制開關,供電控制開關在配電器內部(有時在負載設備內部);然后經過星上供電電纜,連接到負載設備端。供電正線連接過流保護電路,過流保護電路一般采用熔斷器,其作用在于防止后面負載短路造成整星短路。過流保護電路后面連接設備負載電路,一般設備會采用濾波電路,保證設備EM C 特性;后面增設DC/DC 變換器,提供其他形式的電壓[3]。

在型號研制過程中,曾出現設備開機浪涌電流過大而使繼電器觸點粘連的質量問題。其中涉及的DC/DC 變換器型號為MHF +2805S(Interpoint 公司),其主要特性如表1 所示。

表1 MHF+2805S主要特性Table 1 Main characteristics of MHF+2805S

MHF +2805S 的內部原理框圖如圖1 所示。該變換器為單端正激變換器,內部由輸入濾波器、變壓器、脈寬調制PWM 控制電路、輸出濾波電路及反饋電路組成。模塊特點是主輸入輸出功率回路隔離,內部變壓器磁通只在單方向變化,變換器在開關管導通時將電源能量通過變壓器直接送負載[4]。

圖1 DC/DC 變換器MHF+2805S 的原理框圖Fig 1 Schematic diagram of a DC/DC converter MHF+2805S

正常情況下,變換器采用繼電器作為控制開關,因此可以將其上電過程視為階躍電壓輸入。

DC/DC 電源模塊加電后,輸入濾波電容開始充電,直到電容積聚到足夠能量(建立起穩定門檻電壓12V),在此期間,脈寬調制電路(Pulse Width Modulation Controller)無法工作,主功率開關管均處于截止狀態,即DC/DC 輸入電流等于濾波電容充電電流;由此可見,DC/DC 變換器加電瞬間的阻抗特性取決于其內置輸入濾波器的參數[5]。

當電容能量積聚到足夠能量后(建立起穩定門檻電壓12V),脈寬調制電路開始工作,控制開關管導通,模塊輸出電壓從零開始逐漸增加;等到輸入濾波電容逐漸建立起穩定的額定輸入電壓后,輸出電壓才能穩定到額定值,此后模塊以550kHz 的工作頻率正常工作[6]。

通過試驗可以驗證模塊的啟動過程。圖2 為MHF+2805S 啟動瞬間輸入浪涌電流及輸出電壓測量電路圖及波形圖, 用27V 直流穩壓電源連接DC/DC 變換器MHF +2805S,用繼電器2JB0.5 作為控制開關,電流探頭規格為0.1V/A;繼電器閉合瞬間,模塊的瞬間啟動波形如右圖所示,其中CH1為模塊輸入浪涌電流,CH2 為模塊輸出電壓波形。從圖中可以看出輸入浪涌電流產生4ms 后,輸出電壓才由零逐漸增加到額定電壓+5V,證明圖1 中的主功率開關管在浪涌電流產生時并沒有工作,待到輸入濾波電容積累到一定能量(達到門檻電壓)時,脈寬調制電路開始工作,控制開關管導通,模塊輸出電壓從零開始逐漸增加到5V 額定電壓。

圖2 MH F+2805S 啟動浪涌電流及輸出電壓測量電路圖及波形圖Fig 2 Schematic diagram of an inrush current measuring circuit and oscillogram of a MHF+2805S

以上分析和試驗證明了DC/DC 變換器輸入端的LC 濾波器參數決定了其在開啟瞬間的輸入阻抗特性,模塊的輸入浪涌電流等于輸入濾波器電容的充電電流,往往在最開始的時間振幅最大。

2.2 浪涌電流產生機理分析

從2.1 節圖1 可以看出MHF +2805S 內部輸入端濾波器為常用LC 濾波器,考慮導線線阻、電感內阻以及電容等效ES R(三者之和等效為R),這是一個典型的二階系統。其輸入濾波器原理圖如圖3左圖所示,對此二階系統采用拉普拉斯變換后進行分析,那么其對應的S 域電路如圖3(右圖)所示。

圖3 內置濾波器結構圖及對應的S 域電路圖Fig.3 Schematics of the input filter structure

變換器輸入濾波器的S 域閉環傳遞函數為

其中:L 為時域中濾波器的電感值;C 為時域中濾波器的電容值;φ(S)為S 域閉環傳遞函數;R(S)為S 域輸入函數;C(S)為S 域輸出函數;時域中的L 變到S 域中成為LS ;時域中的C 變到S域中成為1/CS 。

這是一個典型的二階系統,其阻尼比[7]

將變換器參數C =2μF , L =5μH 代入得

其中:R 為考慮導線線阻、電感內阻以及電容等效ES R(三者之和等效為R)

一般情況下, R ＜＜3.2 Ω,因此0 ＜ξ＜1 ,該系統為欠阻尼系統。當輸入端繼電器閉合,相當于在濾波器輸入端增加了一個階躍輸入電壓,此二階系統相應的階躍響應為衰減振蕩過程。

階躍輸入電壓的時域方程為

其中:R(t)為階躍輸入電壓的時域公式;U 0 為階躍輸入電壓的幅值;ε(t)為單位階躍函數。

利用拉普拉斯變換可以得到其S 域方程:

其中:R(S)為階躍輸入電壓R(t)的S 域公式;時域中的單位階躍函數ε(t)變到S 域中成為S 。由此可得濾波電容充電電流的計算公式:

根據電路分析中一些常用函數的拉氏變換表[8]

其中, f(t)為時域中時間變量t 的正弦振蕩函數;ω為正弦函數的角速度;e、a為常數;F(S):時域中的正弦振蕩函數f(t)變到S 域中成為F(S);i(t):浪涌電流的時域表達式;I(S):浪涌電流的時域表達式i(t)變到S 域中成為I(S)。

可以解出浪涌電流的時域表達式:

從上述公式可以看出,隨著時間t 的增大,電容電流也呈衰減振蕩的趨勢。此公式可應用于單端正激拓撲結構的DC/DC 變換器,其中,決定了浪涌電流衰減的趨勢,決定了浪涌電流正負振蕩的趨勢。令則可以求出浪涌電流在不同時間段的極值,其中最大的極值就為浪涌電流幅值。

圖4 為MHF+2805S 在空載時的浪涌電流測量示意圖及實測波形圖,可以看出浪涌電流衰減振蕩的趨勢,其中實測浪涌電流波形幅值為17A,持續時間為10μs。

圖4 MHF+2805S 啟動瞬間輸入電流測量電路圖及波形圖Fig.4 Diagram of inrush current measuring circuit and oscillogram of a MHF+2805S

由此可見,單管正激拓撲結構的DC/DC 變換器中,內置輸入濾波器構成了二階欠阻尼系統,當有階躍電壓輸入時,濾波電容的充電電流便會衰減振蕩,構成了浪涌電流產生的根本原因。

3 DC/DC 變換器啟動特性的建模

3.1 DC/DC變換器啟動瞬間數學模型的建立

通過以上分析可以看出,DC/DC 輸入端的LC濾波器決定了其在啟動瞬間的輸入阻抗特性,因此在DC/DC 啟動特性的仿真分析中,可以利用濾波器參數代替DC/DC。

L、C 的值可以從DC/DC 變換器說明手冊中獲得, L =5μH ,C =2μF ;

R 值的獲取較為困難,此處采取試探法,通過調整R 值的大小,利用實測浪涌電流波形與仿真所得波形進行比對,最后確定MHF+2805S 內置濾波器中R 為0.3Ω。

在第2 節分析中,已經建立了DC/DC 變換器啟動瞬間的數學仿真模型,為R、L 、C 串聯模型,此處確定了數學模型參數大小。

3.2 仿真軟件的選取

在電力電子仿真領域中,可選用的仿真軟件較多,例如Saber、Pspice、M atlab 以及Psim 等;其中Saber 仿真軟件以其仿真速度快、能力強、模型更加有效以及應用更加廣泛而著稱。

Saber 是美國Analogy 公司開發,并于1987年推出的模擬及混合信號仿真軟件,被譽為全球最先進的系統仿真軟件,也是唯一的多技術、多領域的系統仿真產品。Saber 可同時對模擬信號、事件驅動模擬信號、數字信號及模數混合信號進行仿真,應用領域廣泛,包括電子學、電力電子學、電機工程、機械工程及控制系統等。只要仿真對象能用數字表達式進行描述,Saber 就能對其進行系統級仿真。

此處選擇Saber 軟件進行仿真。

3.3 DC/DC變換器啟動瞬間仿真模型的建立及仿真結果驗證

利用脈沖電源代替供電電源和繼電器開關,用以產生一個階躍輸入電壓。

利用R、L 、C 串聯模型代替DC/DC,用于其啟動特性的仿真。

圖5 為MHF +2805S 啟動特性仿真圖形。如圖所示,設置脈沖電源20ms 延時輸出,仿真步長設置為1μs;脈沖電源高電平為27V、低電平為0V、脈沖周期為1s(第一個高電平有效)。

仿真結果如圖5 所示,仿真浪涌電流幅值為15A,持續時間為10μs。浪涌電流仿真波形與圖4中實測波形非常類似,說明原始電路仿真模型的建立是有效的。

圖5 MHF+2805S 啟動特性的仿真圖形及仿真結果Fig.5 Simulation diagram and results of a MHF+2805S'start characteristics

4 仿真模型在浪涌電流抑制中的應用

4.1 增加限流電阻

在DC/DC 變換器供電輸入端之前增加限流電阻,通過延長DC/DC 變換器內濾波電容的充電時間減緩了輸入電壓建立的時間,從而達到抑制浪涌電流的目的。

可以通過此模型確定限流電阻的參數。

增加5Ω限流電阻后的仿真模型如圖6 所示,這種電路可以有效地增加輸入電壓建立時間。仿真結果如圖6 所示,其浪涌電流幅值約為4.4A。

圖6 增加限流電阻后DC/DC 變換器啟動特性的仿真圖形及仿真結果Fig.6 Simulation diagram and results of start characteristics of a MHF+2805S added to a resistor

從仿真分析中可以看出限流電阻越大,浪涌電流幅值越小。但是采用限流電阻方式要考慮到在限流電阻上的壓降以及限流電阻產生的功耗。因此,這種方法只能應用于小功率的場合,在大中功率的場合會產生限流電阻功耗較大等負面影響。

4.2 增加緩啟動電路

根據DC/DC 變換器加電時間越長,產生的浪涌電流越小的特點,可考慮在變換器前增加緩起電路的方式來延緩模塊電壓建立時間。其中的一種電路如圖7 所示。[9]

圖7 緩啟動電路結構圖及各點工作電壓波形圖Fig.7 Schematics of a delayed start circuit and main oscillograms of the circuit

此電路采用絕緣柵型電力金屬氧化物半導體場效應晶體管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect T ransistor, M OSFE T)加電導通時間來延緩DC/DC 變換器的加電時間。該電路的工作原理如下:加電瞬間,N 溝道增強型場效應管(NM OS)門極電壓為零,處于截止狀態,此時N MOS 管漏極源極兩端電壓為電源電壓;電源通過電阻R1給電容C1充電,充電時間常數為R1C1,NM OS 管門極電壓由零逐漸升高,漏源極兩端電壓逐漸降低,直至導通,從而使得DC/DC 變換器輸入端電壓從零逐漸升高到27V[10]。其中,MOS 管即可以放在電源正線輸入端也可以放在電源負線輸入端,兩種方法效果相同,此處將M OS 管放在負端?？梢愿鶕撦d電流、允許的浪涌電流、所需延遲時間等要求初步確定NMOS 型號及各元器件參數。

根據以上電路可以建立加緩啟動電路后的DC/DC 變換器啟動特性仿真模型,如圖8 所示。

仿真結果如圖8 所示,上下波形分別為模塊輸入端的啟動電壓、啟動電流的波形圖。從圖中可以看出,變換器輸入端的啟動電壓從零逐漸上升到27V,啟動電流也從零逐漸上升到0.15A,浪涌電流得到了很好的抑制。

增加緩啟動電路的方法適用于大中功率場合。

5 結論

本文分析了單管正激型DC/DC 變換器的工作原理,并通過試驗驗證了該變換器的啟動過程,分析及試驗結果表明變換器內置輸入濾波器決定了其啟動瞬間的阻抗特性;在此基礎上,文章提出了單管正激型DC/DC 變換器啟動特性仿真模型的建立方法,通過仿真結果與試驗結果的比較,證明了仿真模型建立的有效性。該仿真模型可以廣泛應用于浪涌電流抑制的分析工作中。

圖8 加緩啟動電路后的DC/DC變換器啟動特性仿真模型Fig.8 Simulation schematics and results of start characteristics of a MH F+2805S added to a delayed start circuit

)

[1]張乾,王衛國.星載開關電源浪涌電流抑制電路研究[J].電子技術應用, 2008,34(12):82-84

[2]Elect ronics Group of Crane Aerospace & Electronics.MH F+single, dual and triple DC/DC converters[Z].Crane Aerospace &Electronics, 2006

[3]譚維熾, 胡金剛.航天器系統工程[M].北京:中國科學技術出版社,2009, 4

[4]鐘浩,張季利,何鴻生.QJ987A-95 DC/DC 電源變換器通用規范[S].中國航天工業總公司,1995

[5]Elect ronics Group of Crane Aerospace & Electronics.Inrush current[Z].Crane Aerospace & Electronics,2006

[6]張占松, 蔡宣三.開關電源的原理與設計[M].北京:電子工業出版社,2001

[7]胡壽松.自動控制原理[M].北京:國防工業出版社,2000, 4

[8]姚仲興, 姚維.電路分析原理[M].北京:機械工業出版社, 2005

[9]李演明, 來新泉,賈新章,等.一種DC/DC 開關電源的新穎軟啟動電路設計[J].電子器件,2008,31(2):503-507

[10]丁道宏.電力電子技術[M].北京:航空工業出版社,1999