臨近空間飛艇電源系統(tǒng)新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究

林曉輝 陸翀 張興浩 周明中 王新征

（1 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150080）（2 上海空間電源研究所，上海 200245）

1 引言

臨近空間（距海平面高度20～50km 的空間區(qū)域）有著穩(wěn)定的氣象條件和電磁特性，數(shù)十年來人們一直在嘗試?yán)门R近空間平臺長期駐空，開展通信、對地觀測、國土資源監(jiān)測和預(yù)警等活動。“多功能航空器”飛艇具有獨特的優(yōu)勢：可直升、可長時間滯空，且具有較大的有效載荷能力和低能耗等特點，因此世界各國都在飛艇方面開展了多種多樣的研究［1］。臨近空間飛艇運行在20km 高度以上，在未來的軍事、通信、對地觀測等領(lǐng)域有著巨大作用［2］。

美國、日本、歐洲等國都有高性能的飛艇問世。美國導(dǎo)彈防御局正在發(fā)展的“高空飛艇”（High Altitude Airship，HAA）演示驗證項目，采用太陽電池陣和燃料電池組的復(fù)合電源系統(tǒng)，利用薄如膠片的光電電池將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔転轱w艇的推進裝置提供動力［3］。美國正在研發(fā)一種可與地球運轉(zhuǎn)同步的飛艇，它的功能與衛(wèi)星類似，具有進行監(jiān)視、安全維護、導(dǎo)彈防御與氣象預(yù)測等功能。這架地球同步飛艇充滿了氦氣，用太陽電池和先進的燃料電池為飛艇提供動力。意大利的首架太陽能無人機（HELIPLAT）在機翼蒙皮上粘合了一個長達2 m 的單晶硅太陽電池陣列，還裝有可充電的鋰電池，可實現(xiàn)全天候飛行。日本晶都陶瓷公司和北見工業(yè)大學(xué)（Kitami Institute of Technology）共同研制開發(fā)的太陽能汽車藍鷹號、美國研制的“太陽神原型機”（Helios）等均采用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但太陽電池發(fā)電效率均不高［4］。

國內(nèi)目前在研究的有中科院光電院氣球中心、航天科技集團公司中國空間技術(shù)研究院、華東電子工程研究所和中國特種飛行器研究所，主要是研制平流層飛艇［5］。

電源系統(tǒng)是臨近空間飛艇的關(guān)鍵技術(shù)之一。其高壓動力母線控制電路的拓?fù)湓O(shè)計是電源系統(tǒng)設(shè)計的一個難點［6］。本文提出了一種臨近空間飛艇電源系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，針對飛艇的高壓載荷設(shè)計了相應(yīng)的高壓控制電路，并對該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進行了實驗驗證。

2 電源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究

臨近空間飛艇電源系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，平臺母線為28V，由于載荷用電需求達到100kW，所以動力母線選為400V 高壓。平流層飛艇的電源系統(tǒng)，不論是功率需求還是母線電壓都比傳統(tǒng)的衛(wèi)星電源系統(tǒng)在指標(biāo)上提高了一個數(shù)量級，因此必須在系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上進行改進。

2.1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

臨近空間飛艇電源系統(tǒng)，采用降壓式電路（Buck）三電平變換技術(shù)和升壓式電路（Boost）三電平變換技術(shù)設(shè)計電源控制器。系統(tǒng)框圖如圖1所示。太陽電池陣采用柔性薄膜太陽電池；蓄電池組采用比能量高及循環(huán)壽命長的鋰離子蓄電池；控制部分（包括功率調(diào)節(jié)和鋰離子蓄電池組在軌管理等），均采用先進的控制技術(shù)［7］。

一般臨近空間飛艇采用400 V 以上的高壓母線，輸出功率達到100kW 等級。這個高壓將產(chǎn)生兩方面的問題。首先在器件選擇方面，難以選擇合適的開關(guān)管和二極管，器件電壓冗余度小，可靠性低；其次在功率損耗方面，由于功率需求的增大，即使1%的損耗也將帶來巨大的熱能。飛艇電源系統(tǒng)中發(fā)熱量最大的元器件，一般是高壓大功率放電電路中的功率MOS管，通過選擇適當(dāng)?shù)姆烹婋娐吠負(fù)洌梢詼p小MOS 管的開關(guān)應(yīng)力，從而大大降低MOS管的開關(guān)損耗，減小MOS 管的溫升，從而使高壓大功率電源系統(tǒng)可靠性得到提高［8］。

圖1 臨近空間飛艇電源系統(tǒng)工作原理框圖Fig.1 New topology of electrical power systems used on near space airship

2.2 高壓控制電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究

隨著技術(shù)的日趨完善，高壓母線技術(shù)體現(xiàn)出可靠性高、效率高、體積小、質(zhì)量小、調(diào)節(jié)能力強的特點。

因為采用400V 的高壓母線，一般系統(tǒng)的28V母線的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不再適用，較高的母線電壓和較大的功率給電路元器件的選擇和電路的設(shè)計造成了很大的困難，因此須選擇更高效、更實用的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

在電路結(jié)構(gòu)方面，很少采用簡單的升壓（Boost）及降壓（Buck）電路，取而代之的是一些能輸出更大功率，功率器件受電應(yīng)力小，可靠性更高的電路結(jié)構(gòu)，如Super Boost 電路、多電平電路、Add On Smart電路、推挽電路、全橋電路等。

典型的幾種電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中D、D1、D2、D3為二極管，S、S1、S2、S3為開關(guān)管，L為儲能電感，T1、T2、T3、T4為變壓器，C為電容。

圖2 可靠性更高的電路結(jié)構(gòu)Fig.2 Circuit topology of higher reliability

Super Boost電路結(jié)構(gòu)在普通的Boost電路上增加了一個電容C和一個儲能電感L，它們對電路提供了連續(xù)的輸入輸出電流。此電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是頻率高，輸出電流大，磁性元件的體積可以控制得很小，電路占空比可調(diào)范圍較大；缺點是功率器件的開關(guān)損耗大，開關(guān)管控制復(fù)雜。

Add On Smart電路結(jié)構(gòu)的主要特點在于加入了一個額外的降壓級，這能有效提高整個電路的輸出功率，但同樣因為加入了這個降壓級，電路的效率在理論上低于89%，而且使用了過多的磁性元件，開關(guān)管上的電壓尖峰難以處理。

多電平變換拓?fù)涫歉邏骸⒋蠊β誓茉磦鬏敽凸芾淼囊环N較為理想的解決方案。在中、高電壓大功率變換技術(shù)中，串聯(lián)多電平電壓型變換得到了廣泛的重視，這是因為多電平變換技術(shù)能使功率開關(guān)的電壓應(yīng)力成倍下降，低電壓器件能夠用于高電壓場合。三電平變換技術(shù)具有降低1／2其原型拓?fù)涞拈_關(guān)管電壓應(yīng)力的優(yōu)勢，使其非常適用于高輸入和高輸出電壓中大功率的應(yīng)用場合［9］。

在400V 電壓的工作情況下，在采用三電平電路的情況下，開關(guān)管只需承受200V 的電壓，因此大大提高了器件的選擇范圍，開關(guān)的工作頻率為輸出頻率的一半，大大降低了開關(guān)損耗。圖3給出了Buck三電平變換電路的拓?fù)洌渲卸xCb為飛跨電容，穩(wěn)態(tài)時其電壓為輸出電壓V0的一半。S1、S2是開關(guān)管，D1、D2為續(xù)流二極管，L為電感，C為濾波電容，R為負(fù)載。S1、S2交錯工作，其驅(qū)動信號相差180°相角［10］。

圖3 Buck三電平變換電路Fig.3 Buck three-level conversion circuit

Buck三電平變換電路開關(guān)管發(fā)生短路失效時其等效電路如圖4所示，二極管發(fā)生短路失效時其等效電路如圖5所示，可以看出此時的電路實際上是Buck電路，放電調(diào)節(jié)電路仍然正常工作，所以Buck三電平變換電路相對于Buck 電路可靠性更高［11］。選擇Buck三電平變換電路能滿足飛艇電源系統(tǒng)需求。

圖4 開關(guān)管短路失效時等效電路Fig.4 Equivalent circuit of MOSFET short failure

圖5 二極管短路失效時等效電路Fig.5 Equivalent circuit of diode short failure

圖6給出了Boost三電平變換電路的拓?fù)洌渲卸xCb為飛跨電容，穩(wěn)態(tài)時其電壓為輸出電壓V0的一半。S1、S2交錯工作，其驅(qū)動信號相差180°相角［12］。

圖6 Boost三電平變換電路Fig.6 Boost three-level conversion circuit

Boost三電平變換電路的工作情況如圖7所示，其中ⅠL為儲能電感的電流，Ts為開關(guān)管的開關(guān)周期。

圖7 Boost三電平變換電路的工作情況Fig.7 Working condition of Boost three-level conversion circuit

從圖7中可以看出Boost三電平變換電路中，輸出電感電流的頻率與開關(guān)管工作頻率有一個倍頻的關(guān)系。對于相同的輸出電感，采用三電平變換電路后，Boost電路的最大電感電流紋波僅為傳統(tǒng)電路的1／4。反過來講，對于相同的電流紋波要求，Boost三電平變換電路的輸出電感量，只需傳統(tǒng)兩電平變換電路的1／4，從而可以大大減小電感的體積和損耗。

3 實驗分析

為了驗證以上分析的正確性，本文進行了原理樣機對三電平變換電路的實驗驗證，驗證新型拓?fù)浞吓R近空間飛艇的高壓、高功率密度需求，以保證在工程應(yīng)用中的高可靠性。實驗結(jié)果如下。

圖8是采用Buck三電平變換電路的實驗波形。驅(qū)動及電壓波形如圖8（a）所示，從圖中可以看出，Buck三電平開關(guān)管斷開時其承受的電壓應(yīng)力是輸入電壓的1／2。圖8（b）是Buck三電平電路的驅(qū)動及電流波形，由圖可見，電感電流頻率是開關(guān)管頻率的2 倍，所以可有效減小電感的體積和質(zhì)量。

圖8 驅(qū)動及電壓、電流波形Fig.8 Waveform of driving，voltage and current

圖9是電路的紋波及動態(tài)響應(yīng)波形。由圖可見，Buck三電平電路母線紋波在136 mV 左右，動態(tài)響應(yīng)速度較快。

圖9 紋波及動態(tài)響應(yīng)波形Fig.9 Waveform of ripple and dynamic response

如圖10所示，Buck三電平電路，如果1個開關(guān)管失效，電路工作頻率減半，開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力與輸入電壓相等，器件的降額等級下降，電路仍然能正常工作，不會損失輸出功率，因此其可靠性較高。

圖10 關(guān)鍵器件失效情況下電路工作波形Fig.10 Waveform of circuit during key components failure

以上實驗結(jié)果表明：三電平的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以使輸入輸出濾波器的尺寸大大減小，有利于減小體積、提高功率密度，且符合工程應(yīng)用中的高可靠性要求，在寬范圍輸入電壓和高壓輸入的應(yīng)用場合具有很好的應(yīng)用前景。

4 結(jié)束語

根據(jù)臨近空間飛艇電源系統(tǒng)輸出電壓高、輸出功率大的任務(wù)特點及要求，本文提出了一種新型電源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。針對飛艇的高壓載荷，通過對各種高可靠性的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析對比表明，三電平變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能有效減小元器件電壓應(yīng)力，符合臨近空間飛艇電源系統(tǒng)的高壓需求，且符合工程應(yīng)用中的高可靠性要求，并且通過三電平電路的設(shè)計提高了臨近空間飛艇電源系統(tǒng)的效率和可靠性。

（References）

［1］Higashimata Akira，Adachi Kazutaka，Hashizume Takenori，et al.Design of a headway distance control system for ACC［J］.JSAE Review，2001，22：5-22

［2］楊秉，楊健，李小將，等.臨近空間飛艇運行環(huán)境及其影響［J］.航天器環(huán)境工程，2008，25（6）：555-557 Yang Bing，Yang Jian，Li Xiaojiang，et al.The operating environment of near-space and its effects on the airship［J］.Spacecraft Environment Engineering，2008，25（6）：555-557（in Chinese）

［3］胡文琳，叢力田.平流層飛艇預(yù)警探測技術(shù)進展及應(yīng)用展望［J］.現(xiàn)代雷達，2011，33（1）：5-7 Hu Wenlin，Cong Litian，Technologies progress and applied expectation of stratospheric airshi［J］.Modern Rada，2011，33（1）：5-7（in Chinese）

［4］胡賽純，湯青云.太陽能利用現(xiàn)狀與趨勢［J］.湖南城建高等專科學(xué)校學(xué)報，2013，12（1）：47-49 Hu Ssaichun，Tang Qingyun，Situation and tendency of solar energy application［J］.Journal of Hunan Urban Construction College，2013，32（1）：47-49（in Chinese）

［5］方麗娟，屈衛(wèi)東.平流層飛艇多能源管理系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計［D］.上海：上海交通大學(xué)，2008 Fang Lijuan，Qu Weidong.Stratosphere airship multienergy management and optimizing system design［D］.Shanghai：Shanghai Jiaotong University，2008（in Chinese）

［6］王蓮英，楊柳，張功學(xué)，等.平流層飛艇的關(guān)鍵技術(shù)探討［J］.飛航導(dǎo)彈，2007，7：30-33 Wang Lianying，Yang Liu，Zhang Gongxue，et al.The key technology of the stratosphere airship［J］.Aerodynamic Missile Journal，2007，7：30-33（in Chinese）

［7］李國欣.航天器電源系統(tǒng)技術(shù)概論［M］.北京：中國宇航出版社，2008：912-916 Li Guoxin.Spacecraft power system technology［M］.Beijing：China Astronautics Press，2008：912-916（in Chinese）

［8］劉大海，閻健，張健勇，等.平流層飛艇的能源技術(shù)和平衡分析［J］.航天返回與遙感，2006，27（2）：6-13 Liu Dahai，Yan Jian，Zhang Jianyong，et al.Power technology and energy balance analysis of the stratosphere airship［J］.Spacecraft Recover ＆ Remote Sensing，2006，27（2）：6-13（in Chinese）

［9］Barbi I.DC／DC converter for high input voltage［C］／／IEEE PESC’98.New York：IEEE，1998：1-7

［10］王正仕.高輸入電壓三電平零電壓軟開關(guān)DC／DC變換電路［J］.電力電子技術(shù)，2001，35（2）：21-23 Wang Zhengshi.High input voltage three-level zerovoltage soft-switching DC／DC converter［J］.Power Electronics，2001，35（2）：21-23（in Chinese）

［11］薛雅麗.Buck三電平直流變換器的研究［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2003 Xue Yali.Research on Buck three-level DC converter［D］.Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2003（in Chinese）

［12］許奕偉.帶隔離變壓器的Boost型三電平變換器研究［D］.南京：南京理工大學(xué)，2012 Xu Yiwei.Research on the three-level Boost converter with isolated transformer［D］.Nanjing：Nanjing University of Science and Technology，2012（in Chinese）