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(tái)長(zhǎng)期駐空，開展通信、對(duì)地觀測(cè)、國土資源監(jiān)測(cè)和預(yù)警等活動(dòng)?！岸喙δ芎娇掌鳌憋w艇具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：可直升、可長(zhǎng)時(shí)間滯空，且具有較大的有效載荷能力和低能耗等特點(diǎn)，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(yùn)行在20km 高度以上，在未來的軍事、通信、對(duì)地觀測(cè)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(yàn)證項(xiàng)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(jìn)裝置提供動(dòng)力［3］。美國正在研發(fā)一種可與地球運(yùn)轉(zhuǎn)同步的飛艇，它的功能與衛(wèi)星類似，具有進(jìn)行監(jiān)視、安全維護(hù)、導(dǎo)彈防御與氣象預(yù)測(cè)等功能。這架地球同步飛艇充滿了氦氣，用太陽電池和先進(jìn)的燃料電池為飛艇提供動(dòng)力。意大利的首架太陽能無人機(jī)（HELIPLAT）在機(jī)翼蒙皮上粘合了一個(gè)長(zhǎng)達(dá)2 m 的單晶硅太陽電池陣列，還裝有可充電的鋰電池，可實(shí)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(lán)鷹號(hào)、美國研制的“太陽神原型機(jī)”（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(tuán)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(dòng)力母線控制電路的拓?fù)湓O(shè)計(jì)是電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)［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(duì)飛艇的高壓載荷設(shè)計(jì)了相應(yīng)的高壓控制電路，并對(duì)該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，平臺(tái)母線為28V，由于載荷用電需求達(dá)到100kW，所以動(dòng)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(gè)數(shù)量級(jí)，因此必須在系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)。

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(jì)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(zhǎng)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(jìn)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(dá)到100kW 等級(jí)。這個(gè)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)?，可以減小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(qiáng)的特點(diǎn)。

因?yàn)椴捎?00V 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(jì)造成了很大的困難，因此須選擇更高效、更實(shí)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(jiǎn)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(chǔ)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(gè)電容C和一個(gè)儲(chǔ)能電感L，它們對(duì)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)在于加入了一個(gè)額外的降壓級(jí)，這能有效提高整個(gè)電路的輸出功率，但同樣因?yàn)榧尤肓诉@個(gè)降壓級(jí)，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?、大功率能源傳輸和管理的一種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?yàn)槎嚯娖阶儞Q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(chǎng)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(shì)，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(chǎng)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(shí)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(cuò)工作，其驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(shí)其等效電路如圖4所示，二極管發(fā)生短路失效時(shí)其等效電路如圖5所示，可以看出此時(shí)的電路實(shí)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(duì)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(shí)等效電路Fig.4 Equivalent circuit of MOSFET short failure

圖5 二極管短路失效時(shí)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(shí)其電壓為輸出電壓V0的一半。S1、S2交錯(cuò)工作，其驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(chǔ)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(gè)倍頻的關(guān)系。對(duì)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(duì)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(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證以上分析的正確性，本文進(jìn)行了原理樣機(jī)對(duì)三電平變換電路的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

圖8是采用Buck三電平變換電路的實(shí)驗(yàn)波形。驅(qū)動(dòng)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較快。

圖9 紋波及動(dòng)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(gè)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(jí)下降，電路仍然能正常工作，不會(huì)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(shí)驗(yàn)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(chǎng)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(diǎn)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(duì)飛艇的高壓載荷，通過對(duì)各種高可靠性的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析對(duì)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(jì)提高了臨近空間飛艇電源系統(tǒng)的效率和可靠性。

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