空間核電源電力系統功率因數校正技術的研究

靳 洋，劉世超，何小斌，劉繪瑩，鄭 奕

(上海空間電源研究所，上海 200245)

0 引言

由太陽能電池陣與鋰離子蓄電池聯合組成的電源系統因性能可靠，工作壽命長，電功率可達數十千瓦，故在航天器上得到廣泛應用。隨著深空探測任務難度增大，航天器對電源系統的要求越來越苛刻，傳統的太陽能電池-蓄電池電源系統難以滿足更高的任務需求。空間核電源具有能量密度大、功率調節范圍大(百千瓦級至兆瓦級)、壽命長、機動性高、質量輕、體積小、不依賴太陽光照等特點，已成為未來深空探測、星表基地等空間任務中不可替代的能源系統[1-2]。

空間核電源動態熱電轉換系統包括發電機，其輸出交流信號含有諧波畸變，會造成發電機發熱加劇，運行噪聲、振動增大，導致發電機效率下降。發電機輸出的電壓電流發生畸變，會造成電源品質下降，給后端功率變換電路帶來嚴重負擔。因此，需采用功率因數校正技術來抑制和消除諧波，盡可能使輸入電流始終保持正弦化趨勢，實現熱電轉換系統輸出交流信號與直流信號的轉換功能，滿足不同負載的供電需求。

百千瓦級空間核電源熱電轉換系統的發電機輸出電壓為200 V交流電，與目前航天器最高供電母線電壓100 V相比，呈現出高壓特性；其輸出頻率為1 kHz，與傳統的電網供電交流頻率50 Hz相比，呈現出高頻特性。發電機輸出的交流電中含有更高奇次諧波，致使系統的功率因數下降嚴重，極大影響了空間核電源系統的供電品質[3]。

傳統的無源功率因數校正技術(PPFC)將LC濾波電路置于橋式整流器后端，通過增加二極管的導通角對基波相位進行補償。PPFC技術因可實現的系統功率因數較低，故不能滿足大部分設備對電能質量的需求。航天器電源系統對功率因數要求極高，一般的有源功率因數校正技術(APFC)之所以采用Boost變換器是因為：1)電感串聯在輸入端，輸入電流連續，電流紋波小；2)輸出電壓高，輸出濾波電容儲能大，體積小；3)電路簡單可靠，成本低。Boost PFC技術采用平均電流控制模式，在整個輸入電壓范圍內可保持較高的功率因數，且恒頻控制易于實現濾波器的優化[4-5]。

如今，無橋PFC變換器結構中不存在整流橋電路，變換器的效率得以提升。但需要2個開關管根據輸入電壓的極性通過利用復雜的柵極驅動電路來傳遞電流，這無疑增加了控制策略的復雜性和電路的整體成本。此外，相比于普通的PFC電路，無橋PFC電路的電磁干擾(EMI)更為嚴重。因此，半橋PFC電路逐漸成為研究熱點[6-8]。半橋PFC變換器的EMI指標與傳統的PFC變換器相似，但其結構中存在2個開關管。對高功率因數校正器的研究目前正處于發展階段，新的拓撲結構和控制策略將是未來的研究方向。拓撲結構應盡量簡單、可靠，且能實現多種用途[9]。

本文提出了一種新型交錯并聯Boost PFC變換器。該型變換器只使用1個功率開關管，共計使用8個二極管，其中與功率開關管相連的2個二極管用于防止變換器短路，2個并聯二極管用于保護開關管和減小浪涌電壓。變換器包括2條控制環路。電壓外環用于穩定直流輸出，為電流內環正弦化控制提供參考值；電流內環用于控制輸入電流與輸入電壓，實現零相位、正弦化追蹤。本文首先對變換器的拓撲結構和不同模式下的工作狀態進行分析，然后采用狀態空間模型法對基于Boost電路的輸出電壓、輸入電流與占空比的關系進行小信號線性動態建模研究，最后對計算的控制環路及電路工作原理進行仿真驗證。

1 電路拓撲和工作原理

本文提出的新型交錯并聯Boost PFC變換器拓撲結構如圖1所示。在此拓撲中，只使用1個開關管S。電路中二極管D3和D4反偏截止，可防止輸入電壓正負半周工作時的干擾；二極管D7和D8的作用是在開機瞬間或負載短路，PFC輸出電壓低于輸入電壓等非正常狀況下為電容提供充電路徑，防止PFC電感磁飽和對PFC開關管造成危險，同時減輕PFC電感和升壓二極管的負擔，起到保護作用。在開機正常工作后，由于并聯二極管右側的輸出電壓比輸入電壓高，二極管呈反偏截止狀態，對電路工作沒有影響，因而可選用能承受大浪涌電流的普通大電流的整流二極管[10]。

圖1 提出的Boost PFC變換器拓撲結構Fig.1 Topology of proposed Boost PFC converter

根據開關狀態和輸入電壓極性，變換器將在4種等效模式下工作，工作原理如圖2～5所示。

圖2 輸入電壓正半周開關管導通時的等效電路Fig.2 Equivalent circuit of positive half cycle when switch is on

圖3 輸入電壓正半周開關管關斷時的等效電路Fig.3 Equivalent circuit of positive half cycle when switch is off

圖4 輸入電壓負半周開關管導通時的等效電路Fig.4 Equivalent circuit of negative half cycle when switch is on

圖5 輸入電壓負半周開關管關斷時的等效電路Fig.5 Equivalent circuit of negative half cycle when switch is off

由圖2可知，輸入電壓Ui工作于正半周，開關管S閉合。輸入電流Ii流經電感L1、二極管D3、開關管S和二極管D6，二極管D2、D4和D5反向偏置，輸入電壓Ui給電感L1充電。此時，輸出電容Co給負載供電，電感L1上的電壓和輸出電流可表示為

(1)

(2)

式中：UL1為L1電壓；L1為電感量；IL1為流經電感的電流；IC為流過電容的電流；Co為輸出電容值；UC為電容兩端電壓；Io為輸出電流；Uo為變換器輸出電壓；Ro為負載。

由圖3可知，輸入電壓Ui仍工作于正半周，開關管S斷開。電流流經電感L1、二極管D1和二極管D6，電路中其他半導體器件反向偏置。存儲在電感L1上的能量給輸出電容Co和負載供電。此時，電路的工作原理與傳統的升壓變換器相似，電感L1上的電壓和輸出電流可表示為

(3)

(4)

由圖4、5可知，輸入電壓工作于負半周，開關管S閉合。電路工作原理與正半周相似，電流流經電感L2、二極管D4、開關管S和二極管D5。電感L2上的電流大小與輸入電流Ii相等但極性相反。對應的電感L2上的電壓和輸出電流分別為

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：Ui為輸入電壓；UL2為L2電壓；L2為電感量；IL2為流過電感的電流；

2 非線性模型建立

利用狀態空間平均法構建非線性模型，以便更好地對變換器進行穩態分析。分別用兩個狀態線性非時變方程來表示一個開關周期的兩個狀態。利用電路中的動態元件列寫電路動態方程，并通過占空比將兩個狀態非時變方程用一個平均化的方程來表示。假設一個開關周期為一個線性微元，并設定在一個開關周期結束后，動態元件的狀態恢復為初始狀態[11]。在一個開關周期結束后，電感電流的變化量為零，電容電壓的變化量為零。由此導出狀態方程的穩態解，在方程穩態量的基礎上施加擾動，去除線性二階無窮小，進行線性化。方程經拉氏變換，多元函數求偏導，解得方程組表達形式，即Boost變換器的數學模型[12]。

2.1 輸入電流與輸出電壓關于占空比的建模

PFC采用平均電流控制策略，控制環路主要由電流內環和電壓外環組成。為更好地設計電流內環控制參數，依據電感兩端的伏秒平衡原理建立模型。假定電感L1和L2具有相同的電感值，則電感電流等于輸入電流，輸入電壓與電容電壓相等[13]。通過使用狀態空間平均法可得以下狀態變量，在開關管閉合的情況下，由式(1)、(6)的狀態方程，可得

(9)

(10)

由式(3)、(8)的狀態方程，可得

(11)

(12)

假定M和N為狀態空間常數矩陣，可得

(13)

式中：d為變換器的占空比。由于電路中存在開關器件，隨著開關狀態的切換，電路的拓撲相應地發生變換，整個系統可以被看作一個非線性電路。通過采用線性變量平衡點，輸入電流Ii和輸出電容電壓UC可表示為

X=-M-1NUi

(14)

式(14)是狀態變量，輸入電壓Ui是輸入電壓最大值。通過使用拉普拉斯變換可得

(N1-N2)Ui]

(15)

由系統狀態方程可推導出輸入電流Ii和輸出電容電壓UC的傳遞函數為

(16)

(17)

2.2 系統控制策略

變換器的控制結構框圖如圖6所示。電壓環主要由電壓采樣電阻、電壓補償環XU(s)和乘法器組成。電壓環的主要作用是調整輸出電壓以保持其穩定。電流環主要由電流采樣電阻、電流補償環XI(s)和PWM發生器組成。電流環的主要作用是對輸入電流進行調整，使其與輸入電壓同頻同相位，并實現正弦化追蹤。控制電路的基本原理為：采樣電阻對輸入電壓進行采樣，輸出電壓采樣后進入電壓誤差放大器，與采樣后的輸入電壓作為乘法器的輸入端；流經整流橋的輸入電流進行采樣后與乘法器輸出一同進入電流誤差放大器，再與三角波進行比較產生PWM調制信號，從而實現對變換器開關管的控制。通過調整輸入電壓和輸入電流的相位差，減少電流諧波含量，從而提高變換器的功率因數[14-15]。

3 仿真分析

根據航天器供電母線與其負載功率之間的關系，百千瓦級航天器供電母線電壓應大于333 V。功率變換器輸出電壓實際取值為400 V。交流輸入頻率為1 kHz的功率變換器往往采用數字控制方式，但因數字芯片存在單粒子翻轉、閂鎖等問題，故數字控制方式無法在空間應用，而模擬控制方式只適用于交流頻率幾十赫茲的應用場合。因此，需加入交-交變頻器，將發電機輸出的1 kHz交流電變換成電壓等級相同，頻率為50 Hz的交流電。此外，百千瓦級功率變換器往往通過多路并聯輸出實現。

圖6 變換器控制策略結構圖Fig.6 Control structure of proposed converter

為進一步驗證和研究功率變換器的特性參數，利用PLECS軟件對小功率(1 kW)變換電路進行仿真驗證，仿真參數如表1所示。

表1 變換器參數指標

為得到400 V的輸出電壓，占空比可設為0.222。將表1中的變換器參數代入式(14)，可得輸入電流關于占空比的傳遞函數表達式為

(18)

為提高相角裕度，將補償網絡零點選在諧振頻率點附近，同時補償網絡增益設計，使電流環穿越頻率為5 kHz，相角裕度為60°，可得電流環PI控制器參數Kp和Ki分別為0.2和2 130。由計算好的電流內環PI參數，可推導出電壓環PI控制器參數Kp和Ki分別為1.6和333。

圖7為額定功率1 kW波形圖。圖8為在額定負載下的輸入電流與輸入電壓波形圖，可以清晰地看出，輸入電流呈正弦波形，且與輸入電壓保持零相位。圖9為變換器輸入平均電流，平均電流呈正弦半波波形，且與輸入電壓保持一致。圖10為負載由滿載切換到半載時輸出電壓的瞬態響應。

圖7 輸出功率1 kW波形圖Fig.7 Waveform of 1 kW output power

圖8 額定負載下輸入電壓與輸入電流Fig.8 Input voltage and input current at nominal load

圖9 變換器輸入平均電流Fig.9 Average input current of converter

圖10 負載變換時輸出電壓的瞬態響應(滿載-半載)Fig.10 Transient response of output voltage for load variation

4 結束語

本文提出了一種新型交錯并聯Boost PFC電路拓撲。與傳統的交錯并聯Boost PFC電路相比，該型變換器只使用1個功率開關管。拓撲中8個二極管中與功率開關管相連接的2個二極管用于防止變換器短路，另外2個并聯二極管用于保護開關管和減小浪涌電壓。采用狀態空間模型法研究了變換器雙環控制策略，設計的控制補償網絡降低了輸入電流中的諧波含量，實現了輸入電流對輸入電壓的零相位、正弦化追蹤。研究結果表明：設計的新型交錯并聯Boost PFC電路可有效降低空間核電源熱電轉換系統發電機輸出交流信號的諧波含量，既能保證發電機工作于峰值效率下，又可滿足負載直流供電特性。目前，空間核電源系統相關技術還處于攻關階段，在變換效率、體積、重量等方面，離工程化應用要求還存在很大差距。為滿足未來空間應用的需求，后續還需對超高壓電力電子器件，以及如何提升拓撲電路變換效率，如何提高變換器功率密度等問題進行進一步研究。