施凱敏 ，張東來 ，王子才 ，張 華 ，呂文琪

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001；2.深圳航天科技創(chuàng)新研究院電力電子所，廣東 深圳518057；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣東 深圳518055)

0 引言

電推進(jìn)具有比沖高、壽命長及轉(zhuǎn)換效率較高等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用電推進(jìn)可大大減少推進(jìn)劑攜帶量，增加航天器有效載荷，降低發(fā)射成本。因此，采用電推進(jìn)是未來航天器發(fā)展的必然趨勢[1]。 氙離子電推進(jìn)及霍爾電推進(jìn)是國際上航天器目前最廣泛采用的電推進(jìn)方式[2]。

電推進(jìn)系統(tǒng)一般由電推進(jìn)電源系統(tǒng)(Power Processing Unit，PPU)、推進(jìn)貯供系統(tǒng)及推力器組成，其中PPU 在電推進(jìn)系統(tǒng)中的地位十分重要。 典型的氙離子PPU 由屏柵電源、加速電源、陽極電源、陰極加熱電源、陰極點(diǎn)火電源、陰極觸持電源、中和器加熱電源、中和器觸持及中和器點(diǎn)火電源組成，其中屏柵電源功率占氙離子PPU總功率的80%以上，穩(wěn)態(tài)輸出電壓在1 000 V 以上。 典型的霍爾PPU 由陽極電源、陰極點(diǎn)火電源、陰極觸持電源及陰極加熱電源組成，其中陽極電源功率占霍爾PPU總功率的90%以上，穩(wěn)態(tài)輸出電壓在300 V 以上[3]。 因此屏柵電源及陽極電源這類大功率高壓輸出電源是目前氙離子電推進(jìn)系統(tǒng)的核心部件，是目前國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)[4]。

日本三菱公司針對200 mN 及250 mN 量級霍爾PPU的陽極電源采用了兩個(gè)功率變換器組合使用的方式實(shí)現(xiàn)升壓大功率變換[5]，其中兩個(gè)功率變換器的原邊全橋逆變部分并聯(lián)輸入，副邊倍流整流部分串聯(lián)輸出。 該拓?fù)渚哂休敵鲭妷悍秶^寬、輸出二極管應(yīng)力小等特點(diǎn)。 NASA 研制的千瓦量級霍爾PPU 陽極電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用了較為成熟的移相全橋拓?fù)?，該拓?fù)淠軌蛟谳^寬的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開通，從而使開關(guān)損耗較小，同時(shí)還可以改善EMC 特性[6]。NASA 格林研究中心針對5～10 kW 量級離子電推進(jìn)中屏柵電源寬輸出電壓范圍的需求，提出了移相/PWM 混合控制雙全橋拓?fù)鋄7]。 該拓?fù)湓叞瑑蓚€(gè)并聯(lián)的全橋功率變換，通過對原邊開關(guān)管的開關(guān)控制可使副邊的六個(gè)整流二極管工作在并聯(lián)或串聯(lián)的方式。該拓?fù)渚哂熊涢_關(guān)、寬輸入輸出電壓變化范圍的特點(diǎn)。 針對AlphaBus 衛(wèi)星平臺(tái)及高效多級等離子體推力器對PPU 的電性能需求，德國Astrium 公司提出了一種平頂諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[8]。 該拓?fù)漭^適用于輸入輸出電壓都相對固定的場合，同時(shí)由于主功率變壓器上的電流為方波，電流有效值較小，導(dǎo)通損耗較低，且變換器開關(guān)頻率較低，因此該拓?fù)渚哂行矢?、開關(guān)管應(yīng)力低、易于并聯(lián)等特點(diǎn)。

由以上可以看出，單級全橋拓?fù)湟云涔β首儔浩鞔判纠寐矢摺㈤_關(guān)管電壓和電流應(yīng)力小及結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)在目前的電推進(jìn)電源系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。但是當(dāng)電推進(jìn)系統(tǒng)有多模式工作需求時(shí)，屏柵電源及陽極電源需具備寬輸入輸出電壓范圍工作能力，此時(shí)傳統(tǒng)脈寬調(diào)制型全橋拓?fù)浯嬖谡伎毡茸兓秶蟆?設(shè)備利用率低、體積大及效率低等問題[9-12]。 因此，本文提出了一種適用于寬輸入輸出電壓范圍的兩級式功率拓?fù)?，如圖1所示。前級為兩相反向耦合交錯(cuò)并聯(lián)Boost 變換器，該變換器具有電感紋波小且效率較高等優(yōu)點(diǎn)[13-15]，主要負(fù)責(zé)補(bǔ)償輸入母線電壓及寬范圍調(diào)節(jié)輸出電壓；而后級為工作于最優(yōu)頻率點(diǎn)的不控諧振拓?fù)?，效率較高，主要負(fù)責(zé)高變比隔離升壓。 該拓?fù)浼軜?gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)為功能去耦，輸入輸出電壓調(diào)節(jié)范圍較寬。

圖1 適用于寬輸入輸出電壓范圍的兩級式功率拓?fù)?/p>

1 變換器特性

1.1 反向耦合交錯(cuò)并聯(lián)Boost 變換器等效電感分析

圖2 為反向耦合交錯(cuò)并聯(lián)Boost 變換器原理圖。 從圖中可得：

圖2 反向耦合交錯(cuò)并聯(lián)Boost 變換器

式中L1和L2為耦合電感自感；M 為耦合電感互感；k 為耦合電感耦合系數(shù)。

假設(shè)耦合電感自感相等，即L1=L1=L，則式(1)可簡化為：

當(dāng)變換器工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，變換器輸入輸出電壓關(guān)系為：

圖3 為交錯(cuò)并聯(lián)Boost 變換器反向耦合電感電壓電流波形。 從圖中可以看出，變換器根據(jù)占空比小于或者大于0.5 可工作于兩種狀態(tài)。 根據(jù)圖3 中耦合電感兩端的電壓波形、式(2)及式(3)可知交錯(cuò)并聯(lián)Boost 變換器反向耦合電感在占空比D 小于0.5 或大于0.5 的等效電感相等，均如等式(4)所示。 兩者唯一的不同是當(dāng)D＜0.5時(shí)，耦合電感電流紋波由Leq1決定；而當(dāng)D＞0.5 時(shí)，耦合電感電流紋波由Leq3決定。

由以上分析及圖3 可得耦合電感紋波電流為：

圖3 反向耦合電感典型波形

圖4 等效電感歸一化系數(shù)及耦合電感紋波電流隨占空比D 變化曲線圖

根據(jù)式(4)及式(5)可得在不同的耦合系數(shù)k 的情況下，等效電感歸一化系數(shù)(Leq/L)及耦合電感紋波電流隨占空比D 變化而變化的曲線，如圖4 所示。從圖中可以看出，當(dāng)占空比D 小于0.5 時(shí)，等效電感隨著占空比的增大而增大；當(dāng)D 大于0.5 時(shí)，等效電感隨著占空比增大而減小，且等效電感在D=0.5 時(shí)達(dá)到最大值，此時(shí)耦合電感紋波電流也處于極小值。 因此在設(shè)計(jì)耦合電感時(shí)應(yīng)考慮將額定占空比設(shè)計(jì)在0.5 左右使紋波電流較小，減小開關(guān)管電流峰值及有效值，達(dá)到減小開關(guān)管損耗及提高效率的目的。 從圖4 中還可以看到，隨著耦合系數(shù)的增大，D=0.5 時(shí)的等效電感值也逐漸增大，但紋波電流并無明顯的減小。 且由式(4)及圖3 可知，變換器輸入電流紋波隨著耦合系數(shù)k 的增大而逐漸增大，從而提高了輸入濾波器的紋波抑制要求。

1.2 耦合電感磁芯設(shè)計(jì)

假設(shè)耦合電感兩繞組對稱，匝數(shù)一樣，電流相等，若耦合電感磁芯的窗口面積完全被利用，可得式(6)：

式中：ku為耦合電感填充系數(shù)；Wa為磁芯窗口面積；N為耦合電感匝數(shù)；J 為電流密度。

假設(shè)耦合電感采用環(huán)形粉芯磁性，則磁芯磁通強(qiáng)度B 為：

式中，le為磁路長度。

耦合電感兩繞組平均電流相等，從式(7)可以看出，耦合電感磁芯直流磁通抵消，只有交流磁通，且由圖3可知，磁芯交流磁通峰峰值ΔB 為：

式中，Δiin為交錯(cuò)Boost 變換器輸入電流峰峰值。

由圖3 可知交錯(cuò)Boost 變換器輸入電流峰峰值由等效電感Leq2決定，則Δiin為：

耦合電感自感為：

聯(lián)立式(6)～式(10)，可得磁芯面積需滿足下式：

假設(shè)兩級變換器總體效率為η，輸出最大功率為Pomax，則式(11)可簡化為：

由式(12)可知，當(dāng)占空比D=0.5 時(shí)，耦合電感磁芯面積為最小值。因此，應(yīng)在最惡劣情況設(shè)計(jì)耦合電感磁芯，即占空比在最大或者最小值時(shí)計(jì)算耦合電感面積。

1.3 定頻LLC 變換器軟開關(guān)條件分析

本文提出的兩級式功率拓?fù)浜蠹壊捎玫氖枪ぷ饔谥C振頻率點(diǎn)的LLC 變換器，因此LLC 變換器原邊主功率開關(guān)管軟開關(guān)主要通過激磁電感電流實(shí)現(xiàn)。 當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，激磁電感電流處于最大值，為：

式 中，ILm為 峰 值 激 磁 電 流；Lm為LLC 主 功率變壓器激磁電感；vb為LLC 變換器輸入母線電壓；Tsr為LLC 變換器開關(guān)頻率。

為使主功率開關(guān)管能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓開通，LLC 主功率變壓器激磁電流需在死區(qū)時(shí)間內(nèi)使主功率開關(guān)管漏源極電容及變壓器寄生電容完全充放電：

式中，td為LLC 變換器原邊開關(guān)管死區(qū)時(shí)間；Cso為開關(guān)管漏源極等效電容；CT為主功率變壓器等效寄生電容。聯(lián)立式(6)和式(7)，可得激磁電感需滿足下式：

由式(8)可知，激磁電感取值不受負(fù)載及輸入電壓的影響， 即當(dāng)激磁電感取值合理時(shí)，LLC 變換器主功率開關(guān)管能夠在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開通。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證所提出拓?fù)涞奶匦?，搭建了原理樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 表1 給出了原理樣機(jī)的主要系統(tǒng)參數(shù)。 本文所提出的兩級式拓?fù)淇刂撇呗院唸D如圖5 所示。從圖中可以看出，該拓?fù)洳捎昧穗p環(huán)控制策略，其中外環(huán)為總輸出電壓與Boost 輸出電壓外環(huán)，總輸出電壓外環(huán)負(fù)責(zé)補(bǔ)償輸入電壓變化及寬范圍調(diào)節(jié)輸出電壓，Boost 輸出電壓外環(huán)的作用為當(dāng)負(fù)載短路等故障狀態(tài)下限制Boost 變換器的最大輸出電壓。 總輸出電壓外環(huán)與Boost 輸出限壓外環(huán)的PID 輸出信號經(jīng)二極管取小后作為開關(guān)管峰值電流內(nèi)環(huán)的給定。 同時(shí)為了防止發(fā)生次諧波振蕩，開關(guān)管峰值電流反饋信號需與斜坡補(bǔ)償信號求和后才能作為電流內(nèi)環(huán)的反饋信號。

表1 原理樣機(jī)參數(shù)

圖5 兩級式拓?fù)淇刂撇呗院唸D

圖6 及圖7 分別給出了當(dāng)輸出電壓vo=1 000 V 及1 200 V 時(shí)，本文所提出的兩級式拓?fù)湓诓煌斎腚妷簵l件下的關(guān)鍵點(diǎn)波形圖，其中vb為前級交錯(cuò)Boost 變換器輸出電壓，vo為輸出電壓，iL1及iL2為耦合電感電流波形。 從圖中可以看出，當(dāng)輸入電壓在23～30V 變化時(shí)，兩級式拓?fù)漭敵鲭妷憾寄軌蛟? 000 ～1 200 V 范圍內(nèi)調(diào)整， 即兩級式拓?fù)渚邆鋵捿斎胼敵鲭妷悍秶ぷ髂芰Γ^適用于有“多模式”工作需求的電推進(jìn)系統(tǒng)。從圖中還可以看出，當(dāng)占空比D 越接近0.5 時(shí)，耦合電感電流峰峰值越小。

圖6 當(dāng)vo=1 000 V 時(shí)兩級式拓?fù)湓诓煌斎腚妷簵l件下的關(guān)鍵點(diǎn)波形

圖7 當(dāng)vo=1 200 V 時(shí)兩級式拓?fù)湓诓煌斎腚妷簵l件下的關(guān)鍵點(diǎn)波形

圖8 當(dāng)vo=1 200 V 時(shí)后級LLC 變換器在不同負(fù)載條件下的軟開關(guān)波形

圖9 當(dāng)vo=1 000 V 時(shí)后級LLC 變換器在不同負(fù)載條件下的軟開關(guān)波形

圖8 及圖9 分別給出了當(dāng)輸出電壓vo=1 000 V 及1 200 V 時(shí)，后級LLC 變換器在不同負(fù)載條件下的軟開關(guān)波形，其中vg6和vQ6分別為開關(guān)管Q6的柵極和漏源極電壓，ir為諧振電感電流。 從圖中可以看出LLC 變換器原邊主功率開關(guān)管在全輸出電壓范圍內(nèi)都能實(shí)現(xiàn)較寬范圍的軟開關(guān)。 需要注意的是，當(dāng)負(fù)載較輕時(shí)，LLC 變換器原邊諧振電感電流ir畸變較為嚴(yán)重。 這是由于主功率高壓變壓器原副邊匝比較大，寄生電容較大，由式(15)可知需較大的激磁電流才能使開關(guān)管實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。當(dāng)負(fù)載較輕時(shí)，激磁電流在原邊諧振電容電流中占的比例較大，因而產(chǎn)生了較嚴(yán)重的畸變。

3 結(jié)論

本文提出了一種具備寬輸入輸出電壓范圍工作能力的兩級式功率拓?fù)洹Ｔ撏負(fù)淝凹墳榉聪蝰詈蟽上嘟诲e(cuò)并聯(lián)Boost 變換器，主要負(fù)責(zé)補(bǔ)償輸入母線電壓及寬范圍調(diào)節(jié)輸出電壓，同時(shí)反向耦合電感有效地降低了電感電流紋波；后級為工作于最優(yōu)頻率點(diǎn)的LLC 拓?fù)?，主要?fù)責(zé)高變比隔離升壓，同時(shí)LLC 拓?fù)渲鞴β书_關(guān)管都能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，效率較高。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該拓?fù)溥m用于有“多模式”工作需求的電推進(jìn)電源系統(tǒng)。