基于非隔離型Weinberg變換器的放電調節單元分析與應用

胡文斌，吳彥妮，陳彥如，馬季軍

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基于非隔離型Weinberg變換器的放電調節單元分析與應用

胡文斌，吳彥妮，陳彥如，馬季軍

（上海空間電源研究所，上海 200245）

文章以高壓、大功率的載人航天器電源控制系統放電調節單元為應用背景，分析了非隔離型Weinberg變換器的拓撲特點、工作模態及小信號模型，對采用穩壓環和限流環并聯控制的環路進行建模、穩定性分析及驗證測試。結果表明，基于非隔離型Weinberg變換器的放電調節單元具有良好的電能轉換特性，能滿足載人航天器電源新型應用的要求。

載人航天器；電源控制系統；放電調節單元；非隔離型Weinberg變換器；小信號模型

0 引言

載人航天器電源系統逐步呈現出高電壓、大功率、長壽命、高可靠性和高穩定性的設計趨勢。對于與功率負載直接級聯的放電調節單元，這種設計要求尤為突出。載人航天器電源控制系統中，蓄電池放電調節單元（battery discharge regulator, BDR）在陰影區控制蓄電池放電，為負載提供功率并保證母線電壓在一定的范圍內；或在光照區出現峰值功率時，協助太陽電池陣參與調節母線電壓[1]。其實

質為具有高效率并兼顧靜態和動態性能的升壓型DC/DC變換器。

國內常用于載人航天器放電調節單元的拓撲主要有推挽電路、全橋電路、疊加式全橋電路和交錯并聯boost電路等，在導航衛星和深空探測飛行器的低壓母線領域也拓展應用了非隔離型Weinberg拓撲[2-5]。相比其他拓撲而言，非隔離型Weinberg拓撲既有電流饋電技術的主要特點（只有一個輸入電感而沒有輸出電感），又具有效率高、

輸入輸出電流連續、工作等效頻率是開關頻率2倍等優點[6-7]。它適合于中、高壓輸出場合，常用于1～2kW的功率等級[8]。此外，非隔離型Weinberg拓撲可以看作高阻抗的電流饋電電源向推挽變壓器提供能量，輸入電源通過耦合電感與變壓器相連；由于電感的繞組在高頻工作狀態呈現高阻抗特性，變壓器的磁通不平衡問題并不嚴重[9]。

本文擬就非隔離型Weinberg拓撲及放電調節單元展開分析，并進行建模、設計和電性能測試，驗證非隔離型Weinberg放電調節單元的電能轉換特性，及其在載人航天器電源高壓、大功率的特性需求下應用的可行性。

1 非隔離型Weinberg電路工作原理分析

1.1 電路拓撲

非隔離型Weinberg變換器電路拓撲如圖1所示，其中考慮了耦合電感和耦合變壓器的漏感LK、TK及勵磁電感Lm、Tm的雜散參數，以修正理想狀態下的拓撲。開關管Q1和Q2交錯180°工作，當Q1、Q2為共同導通的狀態時，拓撲處于重疊導通模式；反之，拓撲處于非重疊模式。根據文獻調研和分析可知，非重疊模式下的Weinberg變換器更適用于BDR[10]，故下面針對非重疊模式進行電路拓撲分析。

圖1 非隔離型Weinberg變換器電路拓撲

1）開關管Q1或Q2導通，在耦合變壓器的作用下分別促使二極管D2和D1導通，此時續流二極管D3關斷；

2）開關管Q1和Q2關斷，此時續流二極管D3導通。

圖2 非重疊工作模式下主要的電壓電流波形

1.2 電路工作模態分析

圖3給出了電路在一個開關工作周期5個階段的工作模態等效電路。

(a) 模態1 [t0, t1] (b) 模態2 [t1, t2]

(c) 模態3 [t2, t3] (d) 模態4 [t3, t4]

(e) 模態5 [t4, t5]

1）在模態1 [0,1]過程中，如圖3(a)所示，Q1、D2導通，Q2、D1、D3關斷。輸入電流流經2個支路：Q1=Tm+out，D2=out，其中out為變壓器一次側電流。此時電感L1的電流為L1=2out+Tm，耦合電感的中點電壓CT=out/2。D2導通將Q2的DS端電壓DS2鉗位在out。

2）在模態2 [1,2]過程中，如圖3(b)所示，Q1先關斷。由于漏感TK和LK的作用，在電流完全

流經D3之前，D1、D2的電流逐漸減小。在Q1關斷時，D1的電流等于out，在2時刻達到穩態。此階段在輸出電流上體現為峰值為2out的尖峰。

3）在模態3 [2,3]過程中，如圖3(c)所示，Q1、Q2、D2關斷，D1、D3導通。此時輸出電流由流經電感L2的電流和變壓器的勵磁電流兩部分組成，其中L1=L2+Tm=out，D2=out。耦合電感的中點電壓CT=(in+out)/2；D1導通將Q1的DS端電壓DS1鉗位在out。若耦合電感的耦合系數為1，則此時耦合電感量為41。

4）在模態4 [3,4]過程中，如圖3(d)所示，Q2導通，D3隨后關斷。由于漏感TK和LK的作用，在Q2導通瞬間，變壓器漏感抑制電流的變化，電流無法立即全部流過Q2以及D1。隨著D3電流的減小，Q2和D1的電流逐漸增加。

5）從模態5 [4,5]開始切換至另一路開關管，工作狀態與模態1類似。

通過上述模態分析可以看出，漏感的存在減小了開關電流的上升斜率及開通損耗，但引起了模態切換時的電流尖峰。

1.3 拓撲小信號模型的建立及分析

為分析拓撲特性，采用狀態平均的方法對拓撲進行非隔離型Weinberg變換器小信號模型的推導。為便于小信號建模，做如下假設：

1）忽略切換的瞬態過程；

2）忽略死區時間；

3）忽略耦合電感漏感和勵磁電感；

4）忽略自耦變壓器漏感和勵磁電感。

因而，非隔離型Weinberg變換器工作模態可以簡化為2種，如圖4所示。

在整個開關周期內，根據電感電壓和電容電流的關系，可得Weinberg電路的大信號模型，在此基礎上于直流工作點附近做微小擾動，結合穩態工

作時各量間的關系，得到非隔離型Weinberg變換器拓撲的小信號交流等效模型如式(1)所示。

(a) 開關管導通工作狀態

(b) 開關管截止工作狀態

考慮濾波電容寄生電阻C、濾波電感等效電阻L，小信號交流等效電路如圖5所示。

圖5 非隔離型Weinberg變換器拓撲的小信號模型

2 控制環路的建模與分析

放電調節單元系統層面采用單電壓穩壓環并聯平均電流限流環的控制方式，控制原理如圖6所示。控制電路的功能實現過程如下：采樣輸

出電壓與電壓基準比較形成主誤差放大信號，再疊加與外部其他模塊間的均流信號形成升壓控制信號，采用純比例控制使輸出電壓保持在(101±0.5)V的范圍內，實現穩壓功能；采樣模塊輸出電流信號與

限流輸出基準比較形成反饋，當放電調節單元輸出電流大于16A時，限流環輸出控制信號負飽和，采用比例-積分控制保證輸出電流維持在(16±

0.2)A的范圍內，完成輸出限流功能。采用雙環取小控制，使升壓信號和限流信號可以自動切換，實現穩壓環和限流環的雙環并聯工作。PWM芯片采用UC1525。

圖6 放電調節單元控制原理框圖

分析原理框圖可得到在電感電流連續工作狀態時，非隔離型Weinberg拓撲在電壓環穩壓并聯

平均電流環限流控制下系統的小信號模型，如圖7所示。其中V為輸出電壓采樣系數；V()為穩壓環的補償傳遞函數；I為平均電流采樣系數；I()為限流環的補償傳遞函數；m是調節器增益，m=1/m；m為鋸齒波的峰值，UC1525芯片的m為3.5V。

圖7 放電調節單元的小信號交流等效模型

根據小信號模型分析可知，穩壓環和限流環的控制對象分別為V()和I()，穩壓環路和限流環路的增益分別為V()和I()：

式(3)～式(6)中：VD()為占空比到輸出電壓的傳遞函數；V()的范圍為[0.01, 0.03]，取中間值0.02；VC()為電壓環路的補償傳遞函數；ID()為占空比到輸出電流的傳遞函數；I()為1/16，即0.0625；IC()為電壓環路的補償傳遞函數。

據此，對系統小信號模型運用MathCAD分析可知：

1）穩壓環回路函數幅頻曲線在5kHz左右通過0dB，幅值裕度為42.14dB，相位裕度為23.9°。其波特圖如圖8所示，補償前原始回路傳遞函數的幅頻曲線為V_o()，相頻曲線為V_o()；補償網絡傳遞函數的幅頻曲線為VC()，相頻曲線為VC()；補償后開環傳遞函數的幅頻曲線為()，相頻曲線為H()。補償后穩壓環具有較好的穩定性。

圖8 放電調節單元的波特圖（穩壓環）

2）限流環幅頻曲線在3.45kHz處通過0dB，幅值裕度為88.59dB，相位裕度為53.5°。其波特圖如圖9所示，補償前原始回路傳遞函數的幅頻曲線為I_o()，相頻曲線為I_o()；補償網絡傳遞函數的幅頻曲線為IC()，相頻曲線為IC()；補償后環傳遞函數的幅頻曲線為()，相頻曲線為I()。從建模分析結果可知補償后限流環具有良好的穩定性。

圖9 放電調節單元的波特圖（限流環）

3 應用驗證

根據原理分析進行器件選型和參數設計（如

表1所示），按照BDR的電性能要求（如表2所示）制作樣機進行應用驗證。

3.1 功能驗證

3.1.1 升壓功能測試

根據以上分析結果，針對輸入電壓in=68、79、92V，輸出電流out由1A逐步變化到15A的工況進行測試。測試結果表明，非隔離型Weinberg電路在電源電壓全范圍內均能實現升壓功能，不同負載電流下均能穩定工作，圖10(a)為額定工作狀態（in=79V，out=10A）下的穩壓環工作波形，波形同時表明開關管電流無偏磁現象。

3.1.2 限流功能測試

在恒阻負載模式下對限流環進行測試。在輸入電壓in=79V的額定工作狀態下，當負載為6.2Ω，即輸出電流=16.29A（＞16A）時，電路能穩定地工作在16A的限流狀態，如圖10(b)所示。

(a) 穩壓環

(b) 限流環

3.2 性能驗證

3.2.1 放電效率測試

圖11給出了輸入電壓in=68、79、92V時，輸出電流out由6～15A的放電效率曲線：額定負載電流狀態下，放電調節單元的整體效率在96.4%以上；滿載工作狀態下，放電效率大于95.3%。可見放電調節單元具有較高的變換效率。

圖11 放電效率曲線

3.2.2 穩定性測試

使用Venable Instruments公司的Model 3120頻率響應分析儀，對穩壓環基于注入正弦波電壓小信號擾動（osc=1V）的方式進行穩定性測試；并采用負載突變的方式進行環路切換的穩定性測試。

在in=79V及電流out=10A的額定工況下，分別對不同負載（1～15A）及不同電源電壓（68、79、85、92V）下的工作狀態進行了全范圍測試，如圖12所示。測試所得相位裕度分別為[25.30°, 33.75°]和[23.14°, 30.08°]，表明放電調節單元在負載和電源變化的情況下具有較好的電路穩定性，但仍有進一步優化的空間。

(a) Vin=79V時輸出電流全范圍測試

(b) Iout=10A時輸入電壓全范圍測試

3.2.3 動態性能測試

在額定工況下進行1kW負載階躍的動態性能測試，負載電流的變化過程為out=1A→10A→1A。

測試結果如圖13所示，電路工作正常，電路切換過程無嘯叫，母線電壓最大超調量為2.52V，恢復時間為13.24ms，滿足性能要求。

(a) Iout=1A→10A

(b) Iout=10A→1A

4 結束語

由各項應用及驗證測試結果可知：基于非隔離型Weinberg拓撲的放電調節單元能夠實現載人航天電源變換器的升壓、限流功能，且開關管電流無偏磁問題，體現出較好的電能轉換特性，可應用于載人航天器電源控制系統的放電調節單元。

（References）

[1] 李國欣. 大型航天器電源系統技術概論[M]. 北京: 中國宇航出版社, 2008: 1076-1082

[2] 方國隆, 張玉花, 馬季軍. “神舟”號載人飛船電源分系統的研制[J]. 上海航天, 2003, 6(5): 11-17

Fang Guolong, Zhang Yuhua, Ma Jijun. The development of the power subsystem of Shenzhou manned spaceship[J]. Aerospace Shanghai, 2003, 6(5): 11-17

[3] 陳啟忠, 馬季軍, 王娜, 等. 天宮一號目標飛行器電源分系統設計[J]. 上海航天, 2011, 28(6): 7-11

Chen Qizhong, Ma Jijun, Wang Na, et al. Power subsystem design for Tianggong-1 target spacecraft[J]. Aerospace Shanghai, 2011, 28(6): 7-11

[4] Fernandez A, Tonicello F, Aroca J. Battery discharge regulator for space applications based on the boost converter[C]//Proceedings of the IEEE Applied Power Electronics Conference, 2010: 1792-1799

[5] Weinberg A H, Boldo P R. A high power, high frequency, DC to DC converter for space applications[C]//Proceedings of the IEEE Power Electronics Specialists Conference. Toledo, 1992:1140-1147

[6] Maset E, Ferreres A. 5kW Weinberg converter for battery discharge in high-power communications satellites[C]//Proceedings of the 36thIEEE Power Electronics Specialists Conference. Recife, 2005: 69-75

[7] Maset E, Ejea J B, Ferreres A. High-efficiency Weinberg converter for battery discharging in aerospace applications[C]//Proceedings of the IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition. Dallas, TX, 2006: 1510-1516

[8] Pressman A I, Billings K, Morey T. 開關電源設計[M]. 3版. 王志強, 肖文勛, 虞龍, 等, 譯. 北京: 電子工業出版社, 2010: 355-359

[9] 陳騫, 鄭瓊林, 李艷. 單電感電流連續型推挽類拓撲的推衍和特性研究[J]. 中國電機工程學報, 2013, 33(6): 85-92

Chen Qian, Zheng Trillion Q, Li Yan. Derivation and characterization of single-inductor push-pull based topologies with continuous currents[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(6): 85-92

[10] 陳騫, 鄭瓊林, 李艷, 等. 一種高效率蓄電池放電調節器的優化設計與損耗分析[J]. 電工技術學報, 2013, 28(8): 224-232

Chen Qian, Zheng Trillion Q, Li Yan, et al. Parameter design and power loss analysis of a high efficiency battery discharge regulator[J]. Transaction of China Electrotechnical Society, 2013, 28(8): 224-232

（編輯：張艷艷）

Analysis and application of battery discharge regulator unit based on non-isolated Weinberg converter

Hu Wenbin, Wu Yanni, Chen Yanru, Ma Jijun

(Shanghai Institute of Space Power Sources, Shanghai 200245, China)

The topology features and operating modes of the non-isolated Weinberg converter (NIWC) are analyzed, in the context of the battery discharge regulator(BDR) unit of the manned spacecraft power control system, which boasts high-voltage and high-power. The AC small signal equivalent models are established for the topology of the converter, as well as for the control system based on the parallel control mode which contains the voltage regulator loop and the current limiting loop. The electrical performances, such as the boost function, the limiting protection, the discharge efficiency, the stability and the dynamic performance, are tested and verified on a 1.5kW prototype with the designed circuit parameters. It is concluded that the BDR with NIWC shows desirable energy conversion characteristics, thus meets the requirement of the manned spacecraft power control system.

manned spacecraft; power control system; battery discharge regulator; non-isolated Weinberg converter; small-signal models

V423.4+4; TM46

A

1673-1379(2016)03-0289-07

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.03.010

胡文斌（1991—），男，碩士研究生，研究方向為載人航天器電源控制系統穩定性分析及放電調節單元設計。E-mail: huwenbin_hit@sina.com。

2015-12-08；

2016-05-03

http://www.bisee.ac.cn E-mail: htqhjgc@126.com Tel: (010)68116407, 68116408, 68116544