大功率處理單元陽(yáng)極電源模塊的研究

馬季軍，屈誠(chéng)志，吳晨昊，石磊磊，吉裕暉

(上海空間電源研究所，上海200245)

1 引言

相比傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)方式，電推進(jìn)具有比沖高、壽命長(zhǎng)、綜合性能好等優(yōu)點(diǎn)，在航天器的推進(jìn)系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。20世紀(jì)50年代以來(lái)，美國(guó)、蘇聯(lián)、德國(guó)、英國(guó)、日本和中國(guó)相繼開(kāi)展了電推進(jìn)技術(shù)的研究。其中，霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)憑借其推力密度大、可靠性好等優(yōu)勢(shì)，在衛(wèi)星和深空探測(cè)器上獲得了廣泛的應(yīng)用，在執(zhí)行位置保持和軌道轉(zhuǎn)移等任務(wù)時(shí)，可以大幅提高航天器的有效載荷重量、壽命以及深空探測(cè)距離[1-3]。國(guó)際上已有超過(guò)10種GEO平臺(tái)采用了霍爾電推進(jìn)技術(shù)[4-5]。

隨著任務(wù)需求的不斷擴(kuò)展，大推力成為霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)的主要發(fā)展方向[6]。根據(jù)能量守恒原理，霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)推力越大，則其供電系統(tǒng)即功率處理單元的功率也就越大。而由于陽(yáng)極電源功率占功率處理單元的90%以上，大推力也就意味著需要大功率的陽(yáng)極電源。Bozak等[7]對(duì)15 kW、50 kW甚至100 kW以上的功率處理單元都進(jìn)行了研究，José[8]也進(jìn)行了20 kW的功率處理單元的研究。國(guó)外對(duì)于大功率的陽(yáng)極電源普遍采用多個(gè)陽(yáng)極電源模塊串并聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)，作為整個(gè)大功率陽(yáng)極電源的基石，陽(yáng)極電源模塊也是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。目前，我國(guó)千瓦級(jí)的霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)已經(jīng)充分驗(yàn)證并應(yīng)用于某些衛(wèi)星，但是大功率的陽(yáng)極電源模塊的研究依然處于摸索階段。

本文從功率拓?fù)洹㈦娐贩抡娴确矫鎸?duì)大功率的陽(yáng)極電源進(jìn)行研究，并通過(guò)試驗(yàn)表明理論分析的可行性和正確性。

2 陽(yáng)極電源功率拓?fù)?/h2>

霍爾電推進(jìn)陽(yáng)極電源的難點(diǎn)在于選擇合適的功率拓?fù)洌詽M足其大功率、多模式的工作特點(diǎn)。首先從功率角度出發(fā)，不同的功率拓?fù)渚哂胁煌倪m用功率等級(jí)，其一般的適用功率如表1所示。

表1 變換拓?fù)溥m用場(chǎng)合Table 1 Application occasions of different topologies

由表1可知，對(duì)于大功率(幾千瓦到幾十千瓦級(jí)別)的應(yīng)用，采用全橋拓?fù)涫沁m合的。而在傳統(tǒng)的全橋拓?fù)渲校葡嗳珮蚴潜容^成熟的技術(shù)。移相全橋電路拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 移相全橋電路Fig.1 Phase-shifted full-bridge circuit

通過(guò)采用移相控制方式，移相全橋電路可以實(shí)現(xiàn)原邊開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)，但是該電路也存在以下缺點(diǎn)：①超前臂實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)容易，但滯后臂較為困難；②副邊占空比丟失嚴(yán)重；③副邊整流二極管為硬開(kāi)關(guān)，其兩端電壓尖峰高、反向恢復(fù)問(wèn)題嚴(yán)重；④整流橋的寄生振蕩。為了解決以上問(wèn)題，趙磊等[9]提出了采用死區(qū)時(shí)間控制策略來(lái)擴(kuò)展移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)范圍的方法；阮新波等[10-12]提出在原邊或副邊增加有源或無(wú)源電路來(lái)實(shí)現(xiàn)零電壓零電流軟開(kāi)關(guān)。以上方法雖然解決移相全橋的部分問(wèn)題，但是由于本質(zhì)還是傳統(tǒng)的原邊移相控制的移相全橋電路，不可避免地會(huì)保留一些移相全橋的缺點(diǎn)。而Zhang[13]提出了一種采用副邊移相的電路拓?fù)洌@一拓?fù)湎鄬?duì)傳統(tǒng)移相全橋拓?fù)渚哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)：①原邊所有開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)條件一致，且在全負(fù)載范圍內(nèi)都能實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通；②副邊整流二極管自然換流，反向恢復(fù)電流小，且其兩端電壓在關(guān)斷時(shí)被鉗位在輸出電壓上；③由于拓?fù)涮匦裕喈?dāng)于在拓?fù)渲星度肓松龎航Y(jié)構(gòu)，所以具有高的電壓增益；④不需要輸出濾波電感。即副邊移相拓?fù)渚哂袑挿秶碾妷涸鲆妗④涢_(kāi)關(guān)能力，并且電路形式簡(jiǎn)單，因此，采用副邊移相電路作為霍爾電推進(jìn)陽(yáng)極電源的功率拓?fù)洹?/p>

副邊移相電路拓?fù)淙鐖D2所示。工作時(shí)，MT1、MT4和 MT2、MT3互補(bǔ)導(dǎo)通；MT5相對(duì) MT2移相，MT6相對(duì)MT1移相。C1～C6為緩沖電容，D1～D6為功率MOSFET的反并聯(lián)二極管，DR1、DR2是整流二極管，電感Lk可以是變壓器漏感也可以是外加電感。根據(jù)電感Lk上電流在開(kāi)關(guān)管(MT1，MT4或 MT2，MT3)關(guān)斷時(shí)的狀態(tài)，變換器可以工作在連續(xù)電流(CCM)模式(關(guān)斷時(shí)Ip≠0)和斷續(xù)電流(DCM)模式(關(guān)斷時(shí)Ip＝0)。

圖2 副邊移相電路拓?fù)銯ig.2 Topology of secondary phase-shifted circuit

在進(jìn)行分析之前，為簡(jiǎn)化分析，先做以下假設(shè)：①所有元器件都是理想的；②忽略極間電容；③變壓器勵(lì)磁電感為無(wú)窮大；④變換器輸出電容足夠大，以至于輸出電壓可以近似認(rèn)為不變。并定義以下參數(shù)：電源電壓Vin，電感Lk，電感電流為Ip，變壓器變比1∶N，輸出電壓Vo，定義變換器增益為d＝Vo/N˙Vin。

2.1 CCM模式

CCM模式下的工作波形如圖3所示，在一個(gè)周期內(nèi)，共有10種工作狀態(tài)，由于前后半個(gè)周期工作狀態(tài)類(lèi)似，所以只需分析前5個(gè)狀態(tài)。

圖3 CCM模式工作波形Fig.3 Working waveform of CCM mode

1)模式1：[T0-T1]。在T0時(shí)刻之前，電源向負(fù)載傳輸能量，電感電流為負(fù)(即與參考方向相反)。在T0時(shí)刻，MT2和MT3關(guān)斷，但關(guān)斷后電感電流不為0，電感電流將流過(guò)MT1、MT4的反并二極管D1、D4。由于反并二極管導(dǎo)通，使得MT1和MT4兩端的電壓鉗位在0，這就為MT1和MT4實(shí)現(xiàn)ZVS導(dǎo)通創(chuàng)造了條件。在T1時(shí)刻，開(kāi)關(guān)死區(qū)時(shí)間結(jié)束，MT1和MT4導(dǎo)通，模式1結(jié)束。時(shí)刻t(T0＜t＜T1)，電感電流的值由式(1)所示。

2)模式2：[T1-T2]。T1時(shí)刻，MT1和MT4零電壓導(dǎo)通，但此時(shí)電感電流依然為負(fù)，因此，此時(shí)電感電流將流過(guò)MT1和MT4的溝道。在T2時(shí)刻，電感電流增加到0(由負(fù)到0)，模式2結(jié)束。時(shí)刻t(T1＜t＜T2)電感電流依然用公式(1)計(jì)算。

3)模式3：[T2-T3]。T2時(shí)刻，電感電流Ip到0，流過(guò)DR2的電流也為0，因此DR2實(shí)現(xiàn)ZCS關(guān)斷。T2時(shí)刻之后，在電源的作用下，電感電流開(kāi)始正向增加，DR1開(kāi)始導(dǎo)通，且由于電感電流是從0開(kāi)始增加的，因此DR1可以ZCS開(kāi)通。而此時(shí)MT5依然導(dǎo)通，所以變壓器副邊被 MT5和DR1短路，變壓器兩端電壓Vt為0，輸入電壓直接加在電感Lk上，電感電流Ip線性增加。時(shí)刻t(T2＜t＜T3)，電感電流的值由式(2)表示。

4)模式 4：[T3-T4]。T3時(shí)刻，MT5關(guān)斷，此時(shí)電感電流為正，因此，MT6的反并二極管D6導(dǎo)通，將MT6兩端電壓鉗位為 0，從而為 MT6的ZVS開(kāi)通創(chuàng)造了條件。T4時(shí)刻MT6開(kāi)通，模式4結(jié)束。時(shí)刻t(T3＜t＜T4)，電感電流的值由公式(3)表示。

5)模式 5：[T4-T5]。T4時(shí)刻，MT6 ZVS開(kāi)通，此時(shí)電感電流依然為正，因此，電流開(kāi)始流過(guò)MT6的溝道。T5時(shí)刻，MT1和MT4關(guān)斷，這一模式結(jié)束。時(shí)刻t(T4＜t＜T5)，電感電流的值依然可以由式(3)計(jì)算。

接下來(lái)半個(gè)周期的狀態(tài)與以上5個(gè)狀態(tài)類(lèi)似。

2.2 DCM模式

由公式(3)可知，當(dāng)d＞1時(shí)，電感電流在T5時(shí)刻可以為0，此時(shí)電路工作模式將由CCM模式變?yōu)镈CM模式。在DCM模式下，電路有8個(gè)工作狀態(tài)，如圖4所示，且前后半個(gè)周期原理一致，分析同CCM模式。

圖4 DCM模式工作波形Fig.4 Working waveform of DCM mode

由以上分析可知，在CCM和DCM模式下，開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)特性如表2所示。

表2 CCM和DCM開(kāi)關(guān)特性Table 2 Switching characteristics of CCM and DCM

即在CCM模式下，原、副邊開(kāi)關(guān)管可以實(shí)現(xiàn)ZVS開(kāi)通，副邊整流二極管可以實(shí)現(xiàn) ZCS；在DCM模式下，原邊開(kāi)關(guān)管和整流二極管可以實(shí)現(xiàn)ZCS，副邊開(kāi)關(guān)管可以實(shí)現(xiàn)ZVS開(kāi)通。

3 電路仿真

根據(jù)第2節(jié)的分析與文獻(xiàn)[15]可知，拓?fù)漭敵龉β逝c原邊電感值、驅(qū)動(dòng)移相角存在函數(shù)關(guān)系，在CCM模式下拓?fù)鋫鬏數(shù)哪芰颗c原邊電感值的關(guān)系如式(4)～(6)所示。

式中：φ為開(kāi)關(guān)管MT6控制信號(hào)相對(duì)MT1的移相角，Pb(Lk)為歸一化功率，f(φ，d)為關(guān)于移相角φ和d的函數(shù)，ωs為開(kāi)關(guān)角頻率。

取d為1，開(kāi)關(guān)頻率為25 kHz，可以得到在不同電感值時(shí)，輸出功率與移相角φ的曲線，如圖5所示。由圖可知，當(dāng)輸出功率為6500 W，開(kāi)關(guān)頻率為25 kHz時(shí)，選取原邊電感值為5 μH能滿足要求。

圖5 CCM模式輸出功率與原邊電感、移相角φ的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship of output power with primary inductance and phase shift angle φ in CCM mode

在DCM模式下，拓?fù)鋫鬏數(shù)哪芰颗c電感值之間的函數(shù)關(guān)系如式(7)所示。

采用Saber仿真軟件對(duì)副邊移相電路進(jìn)行仿真分析。仿真采用的是理想的MOSFET和變壓器模型。仿真參數(shù)為輸入電壓100 V，輸出額定功率 6500 W，開(kāi)關(guān)頻率 25 kHz，原邊電感量5 μH，變壓器變比為 1∶3，輸出濾波電容 100 μF。

3.1 閉環(huán)仿真

閉環(huán)仿真的原理圖如圖6所示，由功率電路(主電路)、反饋控制回路及隔離驅(qū)動(dòng)電路組成。功率電路即副邊移相拓?fù)洌环答伩刂苹芈钒妷翰蓸与娐贰I調(diào)節(jié)電路、UC1875移相控制芯片及其外圍電路。通過(guò)仿真得到輸出電壓為500 V、輸出功率為6500 kW時(shí)的電路仿真波形如圖7～10所示。圖7給出了陽(yáng)極電源模塊的輸出電壓波形以及原邊電感電流波形，由圖可知，其輸出電壓穩(wěn)定在500 V(out)，原邊電感電流I(1，16)的峰值為141.5 A，通過(guò)第2節(jié)的分析以及圖4可知，此時(shí)變換器工作在斷續(xù)模式。圖8為原邊開(kāi)關(guān)管ZCS開(kāi)通波形，圖中上半部分波形為流過(guò)原邊某MOS管的電流波形，下半部分為該MOS管DS兩端的電壓波形(B_ds)以及GS(bg)兩端的驅(qū)動(dòng)波形，由圖可知，在MOS管驅(qū)動(dòng)上升時(shí)，流過(guò)MOS管的電流為0，因此此時(shí)變換器實(shí)現(xiàn)了原邊開(kāi)關(guān)管ZCS開(kāi)通。圖9為副邊開(kāi)關(guān)管ZVS開(kāi)通波形，其中F_ds為副邊MOS管DS兩端電壓波形，F(xiàn)g為其GS兩端電壓波形，由圖可知，在驅(qū)動(dòng)波形上升前(即MOS管開(kāi)通前)，副邊MOS管DS兩端的電壓已經(jīng)為0，因此變換器實(shí)現(xiàn)了副邊開(kāi)關(guān)管ZVS開(kāi)通。圖10為副邊整流二極管ZCS波形，由圖可知，副邊整流二極管每個(gè)周期都是從電流為0開(kāi)始導(dǎo)通，關(guān)閉的時(shí)候其電流也為0，因此整流二極管ZCS開(kāi)通以及關(guān)斷。通過(guò)與第2節(jié)理論分析對(duì)比可知，仿真結(jié)果與理論分析一致。

圖6 閉環(huán)仿真原理圖Fig.6 Schematic diagram of closed-loop simulation

圖7 輸出電壓以及原邊電感電流波形Fig.7 Output voltage and primary inductor current waveform

圖8 原邊開(kāi)關(guān)管ZCS開(kāi)通波形Fig.8 ZVS turn-on waveform of primary switch

圖9 副邊開(kāi)關(guān)管ZVS開(kāi)通波形Fig.9 ZVS turn-on waveform of secondary switch

圖10 副邊整流二極管ZCS波形Fig.10 ZCS waveform of secondary side rectifier diode

3.2 動(dòng)態(tài)響應(yīng)

為了分析變換器在切載時(shí)的響應(yīng)，以下對(duì)變換器在輸出電壓為500 V時(shí)的負(fù)載進(jìn)行滿載—半載—滿載切換，負(fù)載切換如圖 11所示。在30.000 001 ms時(shí)切半載，在60.000 001 ms切回滿載，輸出電壓波形如圖12所示。由圖可知，在切半載時(shí)，變換器電壓上沖較小，上沖時(shí)間也較短；在切滿載時(shí)，電壓下沖較小，下沖時(shí)間也較短，說(shuō)明變換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較好。

圖11 負(fù)載切換示意圖Fig.11 Diagram of load changing

圖12 負(fù)載切換的輸出電壓波形Fig.12 Output voltage waveform of load changing

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)理論計(jì)算以及仿真結(jié)果繪制原理圖及PCB，通過(guò)設(shè)計(jì)調(diào)試，研制了一臺(tái)5 kW的原理樣機(jī)。原理樣機(jī)的輸入電壓為100 V，根據(jù)基準(zhǔn)設(shè)置的不同，其輸出電壓為300～500 V可調(diào)，輸出功率為5 kW，試驗(yàn)中以100 V的電源模擬100 V母線，電子負(fù)載模擬霍爾推力器特性。當(dāng)輸出電壓為350 V時(shí)，變換器處于CCM工作模式，其波形如圖13～15所示。由圖13可知，原邊MOS管DS兩端電壓(綠色波形)在驅(qū)動(dòng)(藍(lán)色波形)開(kāi)通前就已經(jīng)下降為 0，因此原邊 MOS管為 ZVS開(kāi)通。由圖14可知，副邊開(kāi)關(guān)管DS兩端電壓(藍(lán)色波形)在驅(qū)動(dòng)(綠色波形)開(kāi)通前也已經(jīng)下降為0，因此副邊MOS管為ZVS開(kāi)通。由圖15可知，通過(guò)副邊整流二極管的電流在一個(gè)周期內(nèi)從0開(kāi)始最后下降到0，即副邊整流二極管實(shí)現(xiàn)了ZCS開(kāi)通及關(guān)斷。

圖13 原邊開(kāi)關(guān)管ZVS開(kāi)通波形Fig.13 ZVS turn-on waveform of primary switch

圖14 副邊開(kāi)關(guān)管ZVS開(kāi)通波形Fig.14 ZVS turn-on waveform of secondary switch

圖15 副邊整流二極管ZCS波形Fig.15 ZCS waveform of secondary side rectifier diode

由以上分析可知，原理樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了原邊MOS管的ZVS開(kāi)通、副邊MOS管的ZVS開(kāi)通以及副邊整流二極管的ZCS，與理論、仿真分析一致。但是其電感電流波形并非理論分析中的分段直線，而是分段曲線，這是由于電感是以平均電流值進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是實(shí)際中根據(jù)流過(guò)電感的電流不同，其感值會(huì)略有不同，即電流小時(shí)，其電感值較大；電流大時(shí)，其電感值較小，從而使得實(shí)際的電感電流如圖13中紫色波形。

5 結(jié)論

1)副邊移相電路可以實(shí)現(xiàn)原邊開(kāi)關(guān)管的ZVS導(dǎo)通、副邊開(kāi)關(guān)管的ZVS導(dǎo)通以及副邊整流二極管的自然換流，因此電路具有高的變換效率，在大功率的應(yīng)用中具有明顯優(yōu)勢(shì)；

2)副邊移相電路具有高的電壓增益，以及寬范圍的軟開(kāi)關(guān)能力，能夠很好地適應(yīng)負(fù)載范圍變化大、具有模式切換要求的霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)；

3)大功率的陽(yáng)極電源模塊的研制成功，意味著可以通過(guò)模塊串并聯(lián)組合的方式形成更大功率的陽(yáng)極電源，進(jìn)一步提高霍爾電推進(jìn)供電系統(tǒng)的功率，為未來(lái)大推力、高比沖的霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)打好基礎(chǔ)。