航天器ISOP直流變換器控制策略研究

楊雙景

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

航天器ISOP直流變換器控制策略研究

楊雙景

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

分析了電壓型控制和電流型控制的輸入串聯－輸出并聯（ISOP）航天器直流變換器的輸入均壓、輸出均流特性，指出了電壓型控制可以實現其輸入電壓自動均壓、輸出電流自動均流；電流型控制時其輸入端電壓等分是不穩定平衡，不能實現其輸入端自動均壓、輸出自動均流。在電流控制模式下提出新的輸入均壓控制策略。通過1kW樣機的仿真和試驗結果，驗證了文章分析的正確性和控制方法的有效性。

航天器；功率變換器；均壓；均流；控制

1 引言

目前，我國功率在1～2kW的航天器使用28V供電母線；功率在3～4kW的航天器使用42V供電母線；功率超過10kW的航天器使用100V供電母線。國外功率小于1.5kW的航天器使用28V供電母線；功率小于8kW的航天器使用50V供電母線；功率大于8kW的航天器使用100V或120V供電母線。隨著航天器的快速發展，功率需求的不斷提高，航天器的供電母線電壓也不斷提升，因此，對航天器二次電源輸入電壓適應范圍提出了更高要求。當航天器母線電壓為28～50V時，可以通過單個二次電源連接母線給負載供電；當航天器母線電壓為100V或更高時，可以通過多個模塊化的二次電源輸入串聯給負載供電，或者通過單個二次電源連接母線供電。但是當采用單個二次電源供電時，需要選取更高耐壓的功率器件以滿足母線高壓要求。目前，航天器功率器件中高壓功率器件相對較少，因此，在高壓母線供電系統中采用多個二次電源模塊輸入串聯－輸出并聯（Input－series Output－parallel，ISOP）的供電方式將成為后續航天器二次電源設計和應用的趨勢，如何實現多個二次電源模塊輸入均壓和輸出均流，將是此類電源模塊設計的核心。

輸入串聯結構電源模塊重要的優點為：①每個模塊的輸入電壓為總輸入電壓的1／n（n為串聯模塊數），可以大幅度降低開關器件的電壓應力；②低壓功率器件可以用于輸入高壓場合，降低開關管的導通損耗，提高了系統的效率；③在低壓輸出場合，輸入串聯－輸出并聯（ISOP）結構提高了每個模塊的電壓轉換率，系統效率得到提高［1－8］。由于輸入端采用串聯模式，因此各電源模塊輸入端電容的可靠性和安全性必須加以重視，一般采用兩個電容串聯的設計方式，以防止電容失效造成對母線電壓短路。同時，輸入電容設計應作為變換器的關鍵點進行控制。

本文分析了采用電壓型和電流型控制方式的ISOP變換器輸入均壓和輸出均流特點，指出了采用電壓型控制可以實現ISOP變換器輸入端自動均壓、輸出端自動均流，不需要額外的輸入均壓和輸出均流控制措施。采用電流型控制不能實現ISOP組合變換器輸入端自動均壓、輸出端自動均流，必須采用輸入均壓措施加以控制。進一步提出了一種基于峰值電流和交錯脈寬調制（PWM）控制芯片技術實現均壓的新控制方式。

2 電壓控制模式和電流控制模式ISOP變換器分析

ISOP變換器的輸入端和輸出端不能共地，必須采用隔離式變換器。本文選擇雙管正激變換器作為ISOP變換器的基本模塊。為了簡化分析輸入均壓和輸出均流原理，ISOP變換器由兩個雙管正激變換器組成，如圖1所示。圖中Vin為輸入總電壓，iin為輸入總電流，VO為輸出總電壓，VC1為模塊1輸入電壓，iC1為模塊1輸入電容電流，iP1模塊1輸入電流，Vrect1為模塊1整流電壓，iLf1為模塊1濾波電感電流，VO1為模塊1輸出電壓；VC2為模塊2輸入電壓，iC2為模塊2輸入電容電流，iP2模塊2輸入電流，Vrect2為模塊2整流電壓，iLf2為模塊2濾波電感電流，VO2為模塊2輸出電壓。

圖1 ISOP雙管正激變換器Fig.1 ISOP two－transistor forward converter

2.1 電壓控制模式均壓、均流分析

圖2給出了電壓控制模式框圖，圖中Voref為輸出電壓基準信號，Vof為輸出電壓采樣信號，GVO為輸出電壓環傳遞函數，Ve為誤差放大器輸出信號，VRAMP為控制芯片三角波信號，d1為模塊1占空比信號，d2為模塊2占空比信號，COMP為比較器。假設變換器串聯兩模塊參數完全匹配并且已經進入穩定狀態，由于輸出功率不變，并且輸入電壓Vin恒定，則變換器的輸入電流iin保持不變。由于參數一致，則兩模塊輸入電壓均衡、輸出電流均衡。這時假設模塊1輸入電壓VC1受到擾動信號而電壓上升，由于兩模塊占空比d1＝d2，則平均整流電壓Vrect1＞Vrect2（如圖1所示），因此，瞬間電感電流iLf1＞iLf2。變壓器原、副邊電流成比例關系，所以使得iP1＞iP2，那么輸入分壓電容C1的電流iC1＝iin－iP1＜0，使得VC1下降，形成負反饋；輸入分壓電容C2的電流iC2＝iin－iP2＞0，使得VC2上升，同樣形成負反饋。因此，整個系統是穩定的，可以實現輸入自動均壓、輸出自動均流。

圖2 電壓控制模式框圖Fig.2 Voltage control mode scheme

但是，這種控制策略不能保證輸入端電壓完全均壓，輸入端不均壓的程度與兩個輸入串聯模塊參數差異程度有關。假設兩個串聯模塊變壓器匝比不相同，其他參數完全一致。兩個變壓器匝比分別為m1和m2，并且m1＞m2（m＝MS／MP，MS為變壓器副邊繞組匝數，MP為變壓器原邊繞組匝數）。當電路進入穩定工作狀態后，兩串聯分壓電容電流平均值為零，則兩串聯模塊平均輸入電流為IPj＝Iin。由于變壓器原、副邊電流成比例關系，因此可以得到兩模塊輸出平均電流為

式中：ILfj為模塊j的輸出濾波電感電流，IPj為模塊j的輸入電流，mj為模塊j的變壓器匝比，dj為模塊j的占空比。

由式（1）可知，由于變壓器匝比的不同，將使得輸出電流不均衡；若兩變壓器匝比一致，盡管輸入電壓不均壓，也是可以實現輸出電流均衡。ISOP雙管正激變換器輸出平均電流與輸入電壓和負載的關系為

式中：VCj為模塊j的輸入電壓，R為變換器負載大小。

當系統進入穩定后，兩模塊的占空比d1＝d2＝d。從式（2）可以得到

同理可以推導出，當n個（n≥3）模塊組成ISOP變換器時，輸入電壓和其變壓匝比之間的關系：

由式（3）和式（4）可知，當其他參數完全匹配，變壓器匝比不一致時，每個模塊輸入電壓比與其變壓器匝比的平方成反比，不能實現輸入端電壓完全均壓。同理，可以分析兩輸入模塊其他參數不匹配時，也不能實現輸入端電壓完全均壓，輸入不均壓程度和其電路參數差異有關。

由此可見，電壓控制模式可以實現輸入串聯－輸出并聯組合式變換器輸入端自動均壓，不需要額外的控制電路，簡化了電路系統的結構，提高了系統的穩定性。但是由于電壓型控制模式系統的動態響應比較差，開關變換器本身等效為二階系統，穩定性差并且補償網絡設計比較復雜。因此，在動態響應要求比較高的電源系統中常選擇電流控制模式，其將變換器的全部狀態量作為反饋變量，從而使變換器等效為一個一階無條件的穩定系統，補償網絡設計比較簡單。因而，電流型控制策略越來越受到重視并得到了廣泛的應用。

2.2 電流控制模式均壓、均流分析

圖3給出了電流型控制模式框圖，其中圖3（a）為平均電流控制模式框圖，圖3（b）為峰值電流控制模式框圖。圖中，GiL1為電流環1傳遞函數，GiL2為電流環2傳遞函數。

圖3 電流型控制模式框圖Fig.3 Current control mode scheme

假設變換器兩串聯模塊參數完全匹配并且已經進入穩定狀態。由于輸出功率不變，并且輸入電壓Vin恒定，則變換器的輸入電流iin保持不變；由于參數一致，則兩模塊輸入電壓均衡、輸出電流均衡。這時假設模塊1輸入電壓VC1受到一電壓擾動信號ΔvC1而上升，電流環調節器工作使得模塊1的占空比d1減小，其平均輸入電流IP1減小。分壓電容C1平均電流IC1＝Iin－IP1＞0，VC1上升形成正反饋；同理可推得VC2下降，也是一個正反饋。這將導致模塊1輸入電壓VC1逐漸增加，模塊2輸入電壓VC2逐漸減小，兩模塊輸入電壓差越來越大，最終將穩定在模塊2占空比最大狀態，系統不能穩定工作。由式（2）可知當兩輸入電容電壓不均壓時，兩模塊占空比d1≠d2，因此輸出電流不能均流。

由此可見，即使在電路參數一致的情況下，串聯模塊輸入端電壓的等分也是一種不穩定平衡，不能實現輸入端電壓自動均壓和輸出端電流自動均流。

對于如圖1所示的由2個模塊組成的ISOP變換器，為了確保輸入電容電壓均壓，只要保證其中一個輸入電容電壓為Vin／2即可。由于輸入電容C2與輸入電源共地，因此可以選擇電容C2上的電壓作為受控對象，使其電壓為Vin／2，實現輸入電容上電壓均壓。

圖4給出了基于平均電流控制和峰值電流控制的輸入電壓均壓控制模型。vO＿EA為輸出電壓誤差放大器輸出信號，viLf1為模塊1輸出濾波電感電流采樣信號，viLf2為模塊2輸出濾波電感電流采樣信號，Gvc為輸入均壓環傳遞函數，vuc＿EA為輸入均壓環的輸出。

圖4 電流控制模式的輸入電壓均壓控制框圖Fig.4 Input voltage sharing control block based on current control mode

假設變換器采用平均電流控制模式并進入穩定工作狀態，模塊1輸入電壓受到一擾動電壓ΔvC1上升，即Vin／2＞VC2。因此，vuc＿EA上升，viL1－Δd1減小，模塊1占空比d1增大，其平均輸入電流IP1增大，輸入電壓VC1下降，形成負反饋，輸入電壓均壓。同理可以分析出Vin／2＜VC2時，也可以實現輸入分壓電容均壓。

假設變換器采用峰值電流控制模式并進入穩定工作狀態，模塊1輸入電壓受到一擾動電壓ΔvC1上升，即Vin／2＞VC2，此時，vuc＿EA上升，viL1－vuc＿EA減小，這將使得模塊1占空比d1增大，其平均輸入電流IP1增大，輸入電壓VC1下降，形成負反饋，輸入電壓均壓。同理可以分析出Vin／2＜VC2時，也可以實現輸入分壓電容均壓。

對于多個模塊組成ISOP變換器時，輸出電壓的變化量表達式為

式中：n為串聯輸入變換器模塊數量，D為穩態占空比，ΔVCj為模塊j的輸入電壓變化量，m為變壓器匝比，ΔDj為模塊j的占空比變化量。

由式（5）可以看出，當總輸入電壓（Vin＝保持不變時，各個模塊占空比變化量的和將引起輸出電壓發生變化。為了實現在輸入均壓和保證輸出電壓變化量為0，因此，各個模塊占空比變化量的和為必須0，即。因此，可以得到n個（n≥3）模塊組成ISOP變換器時，輸入均壓控制框圖如圖5所示。

由圖5所示，n－1個輸入均壓環和一個輸出電壓環即可以實現輸入均壓和輸出端穩壓的功能，并且輸入均壓環和輸出電壓環獨立工作，互不影響，實現了輸入均壓環和輸出電壓環的解耦控制，易于設計輸出電壓調節器。

圖5 n個模塊輸入串聯輸出并聯控制框圖Fig.5 ISOP converter with n modules input series

3 仿真分析

利用PSIM（Power Simulation）仿真軟件對由2個雙管正激變換器組成的ISOP變換器進行仿真分析，主電路如圖1所示。主要參數為：輸入直流電壓600V；輸出電壓200V；額定輸出電流5A；開關頻率100kHz；變壓器原副邊匝比為1／m＝22∶48，變換器進入穩態后，t1時刻模塊1分壓電容電壓受到10%的擾動信號上升。

圖6給出了電壓控制模式仿真圖。從圖中可以看出重新進入穩態后，兩輸入電容電壓均壓；輸出濾波電感電流均流。圖7給出了電流控制模式仿真圖，當系統受擾后重新進入新的穩態，兩模塊輸入電壓相差近200V。圖8給出了采用輸入均壓控制策略的電流控制模式仿真圖，從圖中可以看出重新進入穩態后，變換器仍然能實現輸入均壓和輸出均流。

圖6 電壓控制模式仿真波形圖Fig.6 Simulated waveforms in voltage control mode

圖7 電流控制模式仿真波形圖Fig.7 Simulated waveforms in current control mode

圖8 帶有輸入均壓控制的電流控制模式仿真波形圖Fig.8 Simulated waveforms in current control mode with input voltage sharing control

4 試驗及分析

輸入串聯－輸出并聯雙管正激變換器試驗樣機的主要參數是：額定輸入電壓520V，其他參數與第3節仿真參數一致。

圖9和圖10分別給出了電壓控制模式和電流控制模式下，變壓器原邊波形和兩濾波電感電流波形。圖9中自上而下分別為：模塊1變壓器原邊電壓、模塊1電感電流、模塊2變壓器原邊電壓和模塊2電感電流。圖10中自上而下分別為：模塊1變壓器原邊電壓、模塊1電感電流、模塊2變壓器原邊電壓和模塊2電感電流。從圖9、圖10中可以看出電壓控制模式下ISOP雙管正激變換器可以自動實現輸入均壓和輸出均流；電流模式下，采用均壓控制以后可以實現輸入端電壓近似均衡，輸出端近似均流。

圖11和圖12分別給出了電壓控制模式和電流控制模式下，總的輸入電壓從490V突變到570V又突變到490V時，總的輸入壓、兩輸入串聯分壓電容以及輸出電壓波形。圖11中自上而下分別為：輸入總電壓、模塊1輸入電壓、模式2輸入電壓和輸出總電壓。圖12中自上而下分別為：輸入總電壓、模塊1輸入電壓、模式2輸入電壓和輸出總電壓。從圖11、圖12中可以看出，無論是在電壓模式下還是在電流模式下，當輸入電壓突變時，兩輸入電容電壓能很好地跟蹤總的輸入電壓變化，并且變換器能夠很好地實現輸入均壓。

圖9 電壓模式下變壓器原邊電壓、濾波電感電流波形Fig.9 Primary voltage waveforms of transformers and inductor current waveforms in voltage control mode

圖10 電流模式下變壓器原邊電壓、濾波電感電流波形Fig.10 Primary voltage waveforms of transformers and inductor current waveforms in current control mode

圖11 電壓模式下輸入電壓突變時實驗波形圖Fig.11 Experimental waveforms corresponding to a step change of total input voltage in voltage control mode

圖12 電流模式下輸入電壓突變時實驗波形圖Fig.12 Experimental waveforms corresponding to a step change of total input voltage in current control mode

5 結束語

本文針對ISOP直流變換器輸入均壓、輸出均流特性進行分析，提出了在電壓控制模式下，輸入端能夠實現自然均壓，輸出自然均流，不需要額外的均壓控制電路；在電流控制模式下，輸入電壓不能自動均壓，須要增加額外的均壓控制電路。同時，本文提出了在電流控制模式下的一種新的輸入均壓控制方法，仿真和試驗均驗證了本文提出方法的正確性，可以為今后我國高壓母線航天器中的二次電源設計和研制提供參考。

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（編輯：李多）

Research on Control Strategy for Input－series Output－parallel DC－DC Converter of Spacecraft

YANG Shuangjing
（Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）

The characteristics of input voltage and output current sharing in input－series outputparallel（ISOP）DC－DC converters in spacecraft with voltage mode control and current mode control are analyzed in this paper.It points out that voltage mode control can guarantee the input voltage and output current sharing，while the input voltage balance with current mode control is instable，and current mode control cannot ensure input voltage and output current sharing.A novel input voltage sharing control strategy with current mode control is proposed.Simulated and experimental results with a 1kW prototype verify the correctness of the analysis and the proposed control method.

spacecraft；power converter；voltage sharing；current sharing；control

V442

：ADOI：10.3969／j.issn.1673－8748.2016.01.009

2015－11－27；

：2016－01－05

楊雙景，男，工程師，從事航天器總體設計及項目管理工作。Email：ysjtravis＠126.com。