開關電源拓撲在飛輪控制系統中的應用綜述*

徐敬勃，譚學謙，姜寧翔，吳 珍

(上海航天控制技術研究所 上海慣性工程技術研究中心·上海·201109)

0 引 言

太陽電池陣-蓄電池組電源系統是目前應用最為廣泛的航天器電源系統，在全世界已發射的至少4000種航天器中，其應用占比達到90%以上。衛星在軌運行時，在光照區間，太陽電池陣給負載供電，同時給蓄電池組充電;在陰影區間，蓄電池組提供負載功率。

隨著空間電源技術的發展，不同電源、不同功率調節方式下的電源母線電壓差異較大。國內衛星電源系統通用規范提出的電源母線電壓范圍為26～100V，對于大多數負載功率小于2k W的電源電壓，母線電壓一般為26～42V;對于負載功率大于2k W的電源系統，母線電壓一般大于50V[1]。在額定負載下，頻率小于10MHz時，電源母線電壓紋波峰峰值一般小于600m V。

1 飛輪電源系統現狀

飛輪及控制力矩陀螺作為衛星姿控系統中的重要執行部件，在機動狀態下，其運行功率往往達到100W甚至200W以上。由于其內部電機的存在，偏置動量輪在6000r/min高轉速時，電機母線端反電勢往往達到32V以上。對于低軌衛星或是在衛星處于陰影區間的非全調節模式下，衛星電源系統提供給飛輪的母線電壓往往低于28V，此狀態下由于衛星電源母線電壓低于飛輪內部電機反電勢，造成飛輪高轉速下力矩無法足額輸出，甚至無法加速到偏置轉速，其應用受到了極大的限制。

以往的飛輪為了克服衛星電源母線電壓過低而無法工作的問題，解決方法是減小電機力矩系數，使其普遍低于0.04(N·m)/A;同時增大飛輪電機電流，使得電機電流大于2.5A，以此實現飛輪高轉速下達到額定輸出力矩的目的。但是由于飛輪摩擦損耗力矩與轉速正相關，無法避免高轉速下輸出力矩的衰減，而過高的電機電流對控制電路中晶體管的性能提出了極高的要求。飛輪在高轉速制動下產生的大量熱耗將降低功率器件的使用壽命。

目前，國內外各廠家生產的偏置動量輪多數采用半橋驅動的無刷直流電機的控制形式[2-4]，通過調整電機母線電壓對飛輪內部電機各繞組上的電機電流進行閉環控制，電機母線輸出端電壓則直接來自于衛星電源系統的輸出電壓，其結構如圖1所示。反作用飛輪多數采用全橋驅動的無刷直流電機的控制形式，其電機電流控制方式可通過調整電機母線電壓的形式實現，其結構如圖2所示，也可通過將PWM波直接加載到各換相MOS管上實現，其本質上仍相當于對電機母線電壓進行調整。

圖1 半橋驅動的飛輪電機母線控制方式Fig.1 Control mode of half-bridge driving in flywheel motor line

圖2 全橋驅動的飛輪電機母線控制方式Fig.2 Control mode of full-bridge driving in flywheel motor line

圖1及圖2中的飛輪電機母線電壓調整方式實際為開關電源中的Buck拓撲，以衛星電源系統的輸出電壓為輸入Uin，以電機電流控制環路中串接的采樣電阻Rs上的電流信號作為反饋。通過運算處理，產生占空比變化的PWM信號控制開關管VT1的通斷，進而調整輸出電壓U0的大小，使其能夠跟蹤電機反電勢的變化，進而實現對電機電流的閉環控制。

輸出電壓U0=D×Uin，其中，D為PWM波的占空比，Uin為衛星電源系統的輸出電壓，也就是飛輪的一次電源輸入電壓。

由于D＜1，因此Buck拓撲是一個降壓調整器，U0＜Uin。

當飛輪轉速達到6000r/min甚至更高轉速時，電機反電勢ea、eb、ec往往會達到32V以上，此時對于衛星電源低于32V的低軌衛星，星上一次電源電壓已經無法滿足飛輪的使用需求。

2 非隔離型拓撲的應用

為解決衛星電源電壓過低及Buck拓撲只能降壓無法升壓的問題，考慮在飛輪電機母線調整模塊中引入升壓環節。

常見的非隔離型升壓拓撲包括Boost拓撲、Buck/Boost拓撲、Boost-Buck拓撲 (Cuk拓撲)[4-5]、Zita拓撲、Sepic拓撲[6]，也可將Boost拓撲和Buck拓撲直接級聯，先對電機母線電壓進行升壓，再引入電機電流閉環，對調整后的母線電壓進行Buck調節。

Boost變換器屬于升壓變換器，其輸出電壓高于輸入電壓。飛輪在運行時，存在加速、穩速、制動等工況，在加速過程中，飛輪電機反電勢與轉速成正比，由0升到最高反電勢，這也要求飛輪電機母線電源調整模塊的輸出電壓具有由0逐漸增大的調整功能。因此，無法直接使用Boost拓撲，往往采用與Buck拓撲或其他拓撲級聯的形式。Zita拓撲和Sepic拓撲較為復雜，且實際應用很少，這里對其不做討論。

2.1 Boost拓撲與Buck拓撲級聯

Boost拓撲具有升壓功能，適用于對衛星電源系統輸出的一次電源電壓進行升壓，設定將22～42V的輸入電壓升壓至45V，供后級Buck拓撲使用。Buck拓撲具有降壓功能，通過電機電流環路中的采樣電阻上的電機電流信號，對其進行PWM閉環控制，跟蹤電機反電勢的變化，使得飛輪能夠在一個固定的電機電流閉環控制下，輸出相應的飛輪力矩。僅以飛輪半橋驅動電路對其進行分析，其結構圖如圖3所示。

圖3 Boost和Buck級聯的飛輪半橋驅動控制方式Fig.3 Control mode of half-bridge driving in flywheel with boost and Buck cascaded Boost

該拓撲以Rf1、Rf2間的分壓Vf作為電壓反饋信號發送給PWM控制環節，控制PWM1的占空比，將22～42V范圍內的一次電源輸入電壓Ui升壓至45V的輸出電壓U01。在電感L1電流連續的情況下，輸出電壓U01為

其中，D1為Boost變換器中PWM1信號的占空比。

Buck拓撲以采樣電阻Rs上的電流信號作為反饋信號發送給PWM控制環節，控制PWM2的占空比，對45V的U01信號進行調制，使得輸出電壓U02跟蹤飛輪電機反電勢的變化，進而維持飛輪在特定力矩指令下的加速運行。

輸出電壓U02為

其中，D2為Buck變換器中PWM2信號的占空比。

輸出電壓紋波ΔU0為[5]

通過增加濾波電感、開關頻率及濾波電容，可以降低輸出電壓的紋波。

Boost、Buck拓撲直接級聯的控制形式優點是結構簡單，兩種拓撲直接級聯，分別控制，由于不需要隔離，能量轉換效率很容易達到90%以上。缺點是:母線上的2個開關管VT1、VT2分別采用2路不同的PWM控制，需要2個控制芯片，為了改善系統EMI特性，減少拍頻干擾，簡化飛輪輸入濾波電路，2路PWM波最好設置為同步;后級需要2個儲能電感L1、L2，2個續流二極管D1、D2，2個濾波電容C1、C2，所需器件體積均比較大，采用PCB布板時，占用面積較大。

2.2 Buck/Boost拓撲

Buck/Boost拓撲，實際上是一種非隔離型反激變換器，其存在反極性輸出和正極性輸出兩種結構，其結構如圖4、圖5所示。

圖4 反極性輸出Buck/Boost拓撲的飛輪半橋驅動控制Fig.4 Control mode of half-bridge in flywheel with Buck/Boost on inverse polarity

在電感電流連續時，Buck/Boost變換器的輸出電壓U0為

其中，D為Buck/Boost拓撲中PWM1和PWM2信號的占空比。

通過增加濾波電感、開關頻率及濾波電容，可以降低輸出電壓的紋波。

以電機電流環路中采樣電阻Rs上測得的電機電流信號作為閉環反饋信號，對開關管VT1、VT2進行PWM控制，使得輸出電壓U0跟蹤飛輪電機反電勢的變化，進而維持飛輪在特定力矩指令下的加速運行。

整流二極管D1、D2可采用同步整流，進一步提高電源功率轉換效率。

正極性的Buck/Boost拓撲與反極性的Buck/Boost拓撲相比，雖然增加了一個開關管VT2和一個整流二極管D2，但可保證飛輪母線端電壓與輸入電壓的同極性，降低了反向電壓對器件的沖擊，同時開關管VT1、VT2及整流二極管D1、D2上承受的峰值電壓更小，有利于提高開關管的可靠性。

Buck/Boost拓撲結構不僅可以解決飛輪一次電源電壓不足的問題，還可以在抑制無刷直流電機轉矩脈動方面[7-9]及飛輪儲能方面[10]得到應用;但其缺點是輸入電流和輸出電流脈動值較大，這對后級飛輪電機電流的閉環控制提出了較高的閉環精度及響應速度的要求。

圖5所示的正極性輸出Buck/Boost拓撲中，開關管VT1和VT2同時導通，同時截止，PWM1和PWM2的占空比均為D。

輸出電壓U0根據占空比的大小，可大于輸入電壓Ui，也可小于輸入電壓Ui，因此，其對一次電源電壓的變化適用范圍更寬。

輸出電壓紋波ΔU0為[5]

2.3 Cuk拓撲

其中，D為Cuk拓撲中PWM信號的占空比。

輸出電壓U0根據占空比的大小，可大于輸入電壓Ui，也可小于輸入電壓Ui，因此，該拓撲同樣適用于一次電源電壓較低或變化范圍較大的飛輪應用場合。

輸出電壓紋波ΔU0為[5]

Cuk變換器又叫Boost-Buck串聯變換器，其同樣具有升壓、降壓功能，且輸出電壓與輸入電壓的極性相反，其結構如圖6所示。

在電感電流連續時，輸出電壓U0為

圖6 反極性輸出Cuk拓撲的飛輪半橋驅動控制方式Fig.6 Control mode of half-bridge driving in flywheel with Cuk on inverse polarity

通過增加濾波電感、開關頻率及濾波電容，可以降低輸出電壓的紋波。

在實際應用時，為了減小開關管的開關損耗，開關頻率fs不可能太大，一般fs＜100k Hz，往往通過增大電感量及增加電容量的方法減小輸出電壓紋波。將輸入儲能電感L1和輸出儲能電感L2繞制在同一個磁芯上，使其具有耦合效應，同時使得各自的等效電感量增大，可以使得輸出電壓的紋波變得更小，同時由于只用了一個磁芯，電感的體積也更小，有利于產品的小型化。輸出電壓紋波的減小，有利于后級飛輪電機電流控制回路的精確閉環控制。

Cuk拓撲的優點是輸入及輸出電流的脈動均較小，缺點是實際應用時參數設置較為復雜。

Cuk拓撲在無刷直流電機轉矩脈動[11]、空調電機控制[12-13]方面已經有了實際應用案例。

3 隔離型拓撲的應用

對于一些高軌衛星，要求其各系統單機內部一次電源及二次電源應物理隔離，隔離阻抗一般要求大于1MΩ。國外的電源模塊廠商如IR公司、Interpoint公司、VPT公司、Alcatel公司，國內的中電43所、771所均有相應的DC-DC模塊，且大多數內部一次地、二次地均采用磁耦或光耦隔離的方案，但這些電源模塊大多數功率較小，且均不具備大功率升壓功能。針對飛輪對大功率升壓模塊的特殊應用需求，具備磁隔離方案的升壓技術也越來越受到關注。

隔離型拓撲主要包括正激式拓撲 (單端、雙端)、反激式拓撲、推挽拓撲、半橋拓撲、全橋拓撲[4]以及更復雜的半橋諧振拓撲、LLC諧振拓撲[5]等，在這里限于篇幅原因不做具體介紹，僅對應用思路做一定介紹。

隔離型拓撲基本上是從非隔離型拓撲中的Buck、Boost、Buck-Boost拓撲演化而來，因此，其在飛輪控制系統中的應用與上述的非隔離型拓撲的應用類似。由于采用了隔離型變壓器，其輸入、輸出實現了電氣隔離，反饋信號通過磁耦或光耦的方案實現。

由于隔離型變換器的初級、次級隔離，因而可將電路中為各芯片供電的小功率DC-DC變壓器集成到次級中，實現變換器次級的多路輸出，由此有效地減小了產品體積。

在實際使用時，可將隔離型變換器直接串接在飛輪電機母線前端，以飛輪電流回路中采樣電阻Rs上的電流信號作為反饋，并對反饋信號進行隔離，實現對變換器的閉環控制。也可在飛輪電路中通用的Buck調整器前端串接隔離變換器，結合Buck調整器的快速響應特性及隔離型變換器的升壓及多路輸出特性，實現系統控制電路的優化。

隔離型變換器在飛輪控制系統中的應用思路如圖7和圖8所示。

圖7 隔離型變換器直接控制方式Fig.7 Straight control mode of isolated converter

在隔離型變換器直接控制方式下，以飛輪電機電流回路中的采樣電阻Rs上的電流反饋信號If作為反饋控制信號，為使輸出空載電壓不至于太高，以輸出電壓采樣信號Vf作為輸出限幅反饋信號，對隔離變換器初級進行PWM控制，達到對飛輪電機電流進行閉環控制的目的。

圖8 隔離型變換器級聯Buck變換器的控制方式Fig.8 Control mode of isolated converter cascade Buck converter

在隔離型變換器級聯Buck變換器的控制方式下，隔離變換器以輸出電壓U01的采樣信號Vf作為反饋信號對隔離變換器初級進行PWM控制，隔離變換器處于電壓閉環、電流開環的工作方式下，U01恒定輸出一個穩定的電壓給后級飛輪控制電路，同時隔離變換器可實現多路輸出，將±12V二次電源集成到一個變換器中。后級串聯Buck變換器，以飛輪電機電流回路中的采樣電阻Rs上的電流反饋信號If作為反饋控制信號，達到對飛輪電機電流進行閉環控制的目的。

隔離型變換器的輸出電壓及電流特性[6]如下所示:

(1)正激變換器 (Forward Converter)

輸出電壓特性

脈動電流特性

(2)反激變換器 (Flyback Converter)

輸出電壓特性

脈動電流特性

(3)推挽變換器 (Push-Pull Converter)

輸出電壓特性

脈動電流特性

(4)半橋變換器 (Half-Bridge Converter)

輸出電壓特性

脈動電流特性

(5)全橋變換器 (Full-Bridge Converter)

輸出電壓特性

脈動電流特性

式 (8)～式 (17)中，Lf為濾波電感值，Ns為二次匝數，Np為一次匝數，Lp為一次繞組電感值，D為PWM信號的占空比，Ts為開關周期。

通過式 (8)～式 (17)可以看出，在設定隔離變換器匝比Ns/Np的情況下，減小開關周期Ts或增大濾波電感Lf或Lp的值，都可以達到減小電流脈動的目的，但電感值太大會造成飛輪閉環控制響應變慢;為了提高變換器的轉換效率，往往希望開關周期Ts越大越好，這又與減小電流脈動的目的相違背，開關周期Ts一般設定在100 k Hz以內。因此，實際應用時，各參數應根據具體負載特性進行設計。

4 結束語

隨著控制理論的發展、材料及工藝的不斷進步，適用于飛輪控制系統的變換器模塊發展越來越成熟，也為飛輪等空間執行機構控制系統的設計提供了更多的選擇。本文提出的幾種非隔離型及隔離型的開關電源拓撲均有各自的優缺點，為未來飛輪控制系統的設計提供了實際性的應用思路。