基于非隔離型Weinberg變換器的放電調(diào)節(jié)單元分析與應(yīng)用

胡文斌，吳彥妮，陳彥如，馬季軍

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基于非隔離型Weinberg變換器的放電調(diào)節(jié)單元分析與應(yīng)用

胡文斌，吳彥妮，陳彥如，馬季軍

（上?？臻g電源研究所，上海 200245）

文章以高壓、大功率的載人航天器電源控制系統(tǒng)放電調(diào)節(jié)單元為應(yīng)用背景，分析了非隔離型Weinberg變換器的拓?fù)涮攸c(diǎn)、工作模態(tài)及小信號(hào)模型，對(duì)采用穩(wěn)壓環(huán)和限流環(huán)并聯(lián)控制的環(huán)路進(jìn)行建模、穩(wěn)定性分析及驗(yàn)證測(cè)試。結(jié)果表明，基于非隔離型Weinberg變換器的放電調(diào)節(jié)單元具有良好的電能轉(zhuǎn)換特性，能滿足載人航天器電源新型應(yīng)用的要求。

載人航天器；電源控制系統(tǒng)；放電調(diào)節(jié)單元；非隔離型Weinberg變換器；小信號(hào)模型

0 引言

載人航天器電源系統(tǒng)逐步呈現(xiàn)出高電壓、大功率、長(zhǎng)壽命、高可靠性和高穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)趨勢(shì)。對(duì)于與功率負(fù)載直接級(jí)聯(lián)的放電調(diào)節(jié)單元，這種設(shè)計(jì)要求尤為突出。載人航天器電源控制系統(tǒng)中，蓄電池放電調(diào)節(jié)單元（battery discharge regulator, BDR）在陰影區(qū)控制蓄電池放電，為負(fù)載提供功率并保證母線電壓在一定的范圍內(nèi)；或在光照區(qū)出現(xiàn)峰值功率時(shí)，協(xié)助太陽(yáng)電池陣參與調(diào)節(jié)母線電壓[1]。其實(shí)

質(zhì)為具有高效率并兼顧靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能的升壓型DC/DC變換器。

國(guó)內(nèi)常用于載人航天器放電調(diào)節(jié)單元的拓?fù)渲饕型仆祀娐贰⑷珮螂娐?、疊加式全橋電路和交錯(cuò)并聯(lián)boost電路等，在導(dǎo)航衛(wèi)星和深空探測(cè)飛行器的低壓母線領(lǐng)域也拓展應(yīng)用了非隔離型Weinberg拓?fù)鋄2-5]。相比其他拓?fù)涠?，非隔離型Weinberg拓?fù)浼扔须娏黟侂娂夹g(shù)的主要特點(diǎn)（只有一個(gè)輸入電感而沒(méi)有輸出電感），又具有效率高、

輸入輸出電流連續(xù)、工作等效頻率是開(kāi)關(guān)頻率2倍等優(yōu)點(diǎn)[6-7]。它適合于中、高壓輸出場(chǎng)合，常用于1～2kW的功率等級(jí)[8]。此外，非隔離型Weinberg拓?fù)淇梢钥醋鞲咦杩沟碾娏黟侂婋娫聪蛲仆熳儔浩魈峁┠芰?，輸入電源通過(guò)耦合電感與變壓器相連；由于電感的繞組在高頻工作狀態(tài)呈現(xiàn)高阻抗特性，變壓器的磁通不平衡問(wèn)題并不嚴(yán)重[9]。

本文擬就非隔離型Weinberg拓?fù)浼胺烹娬{(diào)節(jié)單元展開(kāi)分析，并進(jìn)行建模、設(shè)計(jì)和電性能測(cè)試，驗(yàn)證非隔離型Weinberg放電調(diào)節(jié)單元的電能轉(zhuǎn)換特性，及其在載人航天器電源高壓、大功率的特性需求下應(yīng)用的可行性。

1 非隔離型Weinberg電路工作原理分析

1.1 電路拓?fù)?/p>

非隔離型Weinberg變換器電路拓?fù)淙鐖D1所示，其中考慮了耦合電感和耦合變壓器的漏感LK、TK及勵(lì)磁電感Lm、Tm的雜散參數(shù)，以修正理想狀態(tài)下的拓?fù)?。開(kāi)關(guān)管Q1和Q2交錯(cuò)180°工作，當(dāng)Q1、Q2為共同導(dǎo)通的狀態(tài)時(shí)，拓?fù)涮幱谥丿B導(dǎo)通模式；反之，拓?fù)涮幱诜侵丿B模式。根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研和分析可知，非重疊模式下的Weinberg變換器更適用于BDR[10]，故下面針對(duì)非重疊模式進(jìn)行電路拓?fù)浞治觥?/p>

圖1 非隔離型Weinberg變換器電路拓?fù)?/p>

1）開(kāi)關(guān)管Q1或Q2導(dǎo)通，在耦合變壓器的作用下分別促使二極管D2和D1導(dǎo)通，此時(shí)續(xù)流二極管D3關(guān)斷；

2）開(kāi)關(guān)管Q1和Q2關(guān)斷，此時(shí)續(xù)流二極管D3導(dǎo)通。

圖2 非重疊工作模式下主要的電壓電流波形

1.2 電路工作模態(tài)分析

圖3給出了電路在一個(gè)開(kāi)關(guān)工作周期5個(gè)階段的工作模態(tài)等效電路。

(a) 模態(tài)1 [t0, t1] (b) 模態(tài)2 [t1, t2]

(c) 模態(tài)3 [t2, t3] (d) 模態(tài)4 [t3, t4]

(e) 模態(tài)5 [t4, t5]

1）在模態(tài)1 [0,1]過(guò)程中，如圖3(a)所示，Q1、D2導(dǎo)通，Q2、D1、D3關(guān)斷。輸入電流流經(jīng)2個(gè)支路：Q1=Tm+out，D2=out，其中out為變壓器一次側(cè)電流。此時(shí)電感L1的電流為L(zhǎng)1=2out+Tm，耦合電感的中點(diǎn)電壓CT=out/2。D2導(dǎo)通將Q2的DS端電壓DS2鉗位在out。

2）在模態(tài)2 [1,2]過(guò)程中，如圖3(b)所示，Q1先關(guān)斷。由于漏感TK和LK的作用，在電流完全

流經(jīng)D3之前，D1、D2的電流逐漸減小。在Q1關(guān)斷時(shí)，D1的電流等于out，在2時(shí)刻達(dá)到穩(wěn)態(tài)。此階段在輸出電流上體現(xiàn)為峰值為2out的尖峰。

3）在模態(tài)3 [2,3]過(guò)程中，如圖3(c)所示，Q1、Q2、D2關(guān)斷，D1、D3導(dǎo)通。此時(shí)輸出電流由流經(jīng)電感L2的電流和變壓器的勵(lì)磁電流兩部分組成，其中L1=L2+Tm=out，D2=out。耦合電感的中點(diǎn)電壓CT=(in+out)/2；D1導(dǎo)通將Q1的DS端電壓DS1鉗位在out。若耦合電感的耦合系數(shù)為1，則此時(shí)耦合電感量為41。

4）在模態(tài)4 [3,4]過(guò)程中，如圖3(d)所示，Q2導(dǎo)通，D3隨后關(guān)斷。由于漏感TK和LK的作用，在Q2導(dǎo)通瞬間，變壓器漏感抑制電流的變化，電流無(wú)法立即全部流過(guò)Q2以及D1。隨著D3電流的減小，Q2和D1的電流逐漸增加。

5）從模態(tài)5 [4,5]開(kāi)始切換至另一路開(kāi)關(guān)管，工作狀態(tài)與模態(tài)1類似。

通過(guò)上述模態(tài)分析可以看出，漏感的存在減小了開(kāi)關(guān)電流的上升斜率及開(kāi)通損耗，但引起了模態(tài)切換時(shí)的電流尖峰。

1.3 拓?fù)湫⌒盘?hào)模型的建立及分析

為分析拓?fù)涮匦?，采用狀態(tài)平均的方法對(duì)拓?fù)溥M(jìn)行非隔離型Weinberg變換器小信號(hào)模型的推導(dǎo)。為便于小信號(hào)建模，做如下假設(shè)：

1）忽略切換的瞬態(tài)過(guò)程；

2）忽略死區(qū)時(shí)間；

3）忽略耦合電感漏感和勵(lì)磁電感；

4）忽略自耦變壓器漏感和勵(lì)磁電感。

因而，非隔離型Weinberg變換器工作模態(tài)可以簡(jiǎn)化為2種，如圖4所示。

在整個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，根據(jù)電感電壓和電容電流的關(guān)系，可得Weinberg電路的大信號(hào)模型，在此基礎(chǔ)上于直流工作點(diǎn)附近做微小擾動(dòng)，結(jié)合穩(wěn)態(tài)工

作時(shí)各量間的關(guān)系，得到非隔離型Weinberg變換器拓?fù)涞男⌒盘?hào)交流等效模型如式(1)所示。

(a) 開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通工作狀態(tài)

(b) 開(kāi)關(guān)管截止工作狀態(tài)

考慮濾波電容寄生電阻C、濾波電感等效電阻L，小信號(hào)交流等效電路如圖5所示。

圖5 非隔離型Weinberg變換器拓?fù)涞男⌒盘?hào)模型

2 控制環(huán)路的建模與分析

放電調(diào)節(jié)單元系統(tǒng)層面采用單電壓穩(wěn)壓環(huán)并聯(lián)平均電流限流環(huán)的控制方式，控制原理如圖6所示?？刂齐娐返墓δ軐?shí)現(xiàn)過(guò)程如下：采樣輸

出電壓與電壓基準(zhǔn)比較形成主誤差放大信號(hào)，再疊加與外部其他模塊間的均流信號(hào)形成升壓控制信號(hào)，采用純比例控制使輸出電壓保持在(101±0.5)V的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓功能；采樣模塊輸出電流信號(hào)與

限流輸出基準(zhǔn)比較形成反饋，當(dāng)放電調(diào)節(jié)單元輸出電流大于16A時(shí)，限流環(huán)輸出控制信號(hào)負(fù)飽和，采用比例-積分控制保證輸出電流維持在(16±

0.2)A的范圍內(nèi)，完成輸出限流功能。采用雙環(huán)取小控制，使升壓信號(hào)和限流信號(hào)可以自動(dòng)切換，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓環(huán)和限流環(huán)的雙環(huán)并聯(lián)工作。PWM芯片采用UC1525。

圖6 放電調(diào)節(jié)單元控制原理框圖

分析原理框圖可得到在電感電流連續(xù)工作狀態(tài)時(shí)，非隔離型Weinberg拓?fù)湓陔妷涵h(huán)穩(wěn)壓并聯(lián)

平均電流環(huán)限流控制下系統(tǒng)的小信號(hào)模型，如圖7所示。其中V為輸出電壓采樣系數(shù)；V()為穩(wěn)壓環(huán)的補(bǔ)償傳遞函數(shù)；I為平均電流采樣系數(shù)；I()為限流環(huán)的補(bǔ)償傳遞函數(shù)；m是調(diào)節(jié)器增益，m=1/m；m為鋸齒波的峰值，UC1525芯片的m為3.5V。

圖7 放電調(diào)節(jié)單元的小信號(hào)交流等效模型

根據(jù)小信號(hào)模型分析可知，穩(wěn)壓環(huán)和限流環(huán)的控制對(duì)象分別為V()和I()，穩(wěn)壓環(huán)路和限流環(huán)路的增益分別為V()和I()：

式(3)～式(6)中：VD()為占空比到輸出電壓的傳遞函數(shù)；V()的范圍為[0.01, 0.03]，取中間值0.02；VC()為電壓環(huán)路的補(bǔ)償傳遞函數(shù)；ID()為占空比到輸出電流的傳遞函數(shù)；I()為1/16，即0.0625；IC()為電壓環(huán)路的補(bǔ)償傳遞函數(shù)。

據(jù)此，對(duì)系統(tǒng)小信號(hào)模型運(yùn)用MathCAD分析可知：

1）穩(wěn)壓環(huán)回路函數(shù)幅頻曲線在5kHz左右通過(guò)0dB，幅值裕度為42.14dB，相位裕度為23.9°。其波特圖如圖8所示，補(bǔ)償前原始回路傳遞函數(shù)的幅頻曲線為V_o()，相頻曲線為V_o()；補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)的幅頻曲線為VC()，相頻曲線為VC()；補(bǔ)償后開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的幅頻曲線為()，相頻曲線為H()。補(bǔ)償后穩(wěn)壓環(huán)具有較好的穩(wěn)定性。

圖8 放電調(diào)節(jié)單元的波特圖（穩(wěn)壓環(huán)）

2）限流環(huán)幅頻曲線在3.45kHz處通過(guò)0dB，幅值裕度為88.59dB，相位裕度為53.5°。其波特圖如圖9所示，補(bǔ)償前原始回路傳遞函數(shù)的幅頻曲線為I_o()，相頻曲線為I_o()；補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)的幅頻曲線為IC()，相頻曲線為IC()；補(bǔ)償后環(huán)傳遞函數(shù)的幅頻曲線為()，相頻曲線為I()。從建模分析結(jié)果可知補(bǔ)償后限流環(huán)具有良好的穩(wěn)定性。

圖9 放電調(diào)節(jié)單元的波特圖（限流環(huán)）

3 應(yīng)用驗(yàn)證

根據(jù)原理分析進(jìn)行器件選型和參數(shù)設(shè)計(jì)（如

表1所示），按照BDR的電性能要求（如表2所示）制作樣機(jī)進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證。

3.1 功能驗(yàn)證

3.1.1 升壓功能測(cè)試

根據(jù)以上分析結(jié)果，針對(duì)輸入電壓in=68、79、92V，輸出電流out由1A逐步變化到15A的工況進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，非隔離型Weinberg電路在電源電壓全范圍內(nèi)均能實(shí)現(xiàn)升壓功能，不同負(fù)載電流下均能穩(wěn)定工作，圖10(a)為額定工作狀態(tài)（in=79V，out=10A）下的穩(wěn)壓環(huán)工作波形，波形同時(shí)表明開(kāi)關(guān)管電流無(wú)偏磁現(xiàn)象。

3.1.2 限流功能測(cè)試

在恒阻負(fù)載模式下對(duì)限流環(huán)進(jìn)行測(cè)試。在輸入電壓in=79V的額定工作狀態(tài)下，當(dāng)負(fù)載為6.2Ω，即輸出電流=16.29A（＞16A）時(shí)，電路能穩(wěn)定地工作在16A的限流狀態(tài)，如圖10(b)所示。

(a) 穩(wěn)壓環(huán)

(b) 限流環(huán)

3.2 性能驗(yàn)證

3.2.1 放電效率測(cè)試

圖11給出了輸入電壓in=68、79、92V時(shí)，輸出電流out由6～15A的放電效率曲線：額定負(fù)載電流狀態(tài)下，放電調(diào)節(jié)單元的整體效率在96.4%以上；滿載工作狀態(tài)下，放電效率大于95.3%?？梢?jiàn)放電調(diào)節(jié)單元具有較高的變換效率。

圖11 放電效率曲線

3.2.2 穩(wěn)定性測(cè)試

使用Venable Instruments公司的Model 3120頻率響應(yīng)分析儀，對(duì)穩(wěn)壓環(huán)基于注入正弦波電壓小信號(hào)擾動(dòng)（osc=1V）的方式進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)試；并采用負(fù)載突變的方式進(jìn)行環(huán)路切換的穩(wěn)定性測(cè)試。

在in=79V及電流out=10A的額定工況下，分別對(duì)不同負(fù)載（1～15A）及不同電源電壓（68、79、85、92V）下的工作狀態(tài)進(jìn)行了全范圍測(cè)試，如圖12所示。測(cè)試所得相位裕度分別為[25.30°, 33.75°]和[23.14°, 30.08°]，表明放電調(diào)節(jié)單元在負(fù)載和電源變化的情況下具有較好的電路穩(wěn)定性，但仍有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

(a) Vin=79V時(shí)輸出電流全范圍測(cè)試

(b) Iout=10A時(shí)輸入電壓全范圍測(cè)試

3.2.3 動(dòng)態(tài)性能測(cè)試

在額定工況下進(jìn)行1kW負(fù)載階躍的動(dòng)態(tài)性能測(cè)試，負(fù)載電流的變化過(guò)程為out=1A→10A→1A。

測(cè)試結(jié)果如圖13所示，電路工作正常，電路切換過(guò)程無(wú)嘯叫，母線電壓最大超調(diào)量為2.52V，恢復(fù)時(shí)間為13.24ms，滿足性能要求。

(a) Iout=1A→10A

(b) Iout=10A→1A

4 結(jié)束語(yǔ)

由各項(xiàng)應(yīng)用及驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果可知：基于非隔離型Weinberg拓?fù)涞姆烹娬{(diào)節(jié)單元能夠?qū)崿F(xiàn)載人航天電源變換器的升壓、限流功能，且開(kāi)關(guān)管電流無(wú)偏磁問(wèn)題，體現(xiàn)出較好的電能轉(zhuǎn)換特性，可應(yīng)用于載人航天器電源控制系統(tǒng)的放電調(diào)節(jié)單元。

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（編輯：張艷艷）

Analysis and application of battery discharge regulator unit based on non-isolated Weinberg converter

Hu Wenbin, Wu Yanni, Chen Yanru, Ma Jijun

(Shanghai Institute of Space Power Sources, Shanghai 200245, China)

The topology features and operating modes of the non-isolated Weinberg converter (NIWC) are analyzed, in the context of the battery discharge regulator(BDR) unit of the manned spacecraft power control system, which boasts high-voltage and high-power. The AC small signal equivalent models are established for the topology of the converter, as well as for the control system based on the parallel control mode which contains the voltage regulator loop and the current limiting loop. The electrical performances, such as the boost function, the limiting protection, the discharge efficiency, the stability and the dynamic performance, are tested and verified on a 1.5kW prototype with the designed circuit parameters. It is concluded that the BDR with NIWC shows desirable energy conversion characteristics, thus meets the requirement of the manned spacecraft power control system.

manned spacecraft; power control system; battery discharge regulator; non-isolated Weinberg converter; small-signal models

V423.4+4; TM46

A

1673-1379(2016)03-0289-07

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.03.010

胡文斌（1991—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)檩d人航天器電源控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析及放電調(diào)節(jié)單元設(shè)計(jì)。E-mail: huwenbin_hit@sina.com。

2015-12-08；

2016-05-03

http://www.bisee.ac.cn E-mail: htqhjgc@126.com Tel: (010)68116407, 68116408, 68116544