空間核電源系統整流裝置設計

馬 東，靳 洋，吳春瑜，李 陽，錢 循，劉世超

（上海空間電源研究所，上海 200245）

0 引言

空間核電源是影響航天工業和空間探索發展的主要空間設備?？臻g核電源系統管理，對于深空探測與空間科學而言，也是不可或缺的技術支撐［1］。與太陽能不同，核電源不會受環境限制，具有明顯的優勢，因而受到研究人員的高度關注和研究［2］。相比于航天器的最大直流母線電壓100 V 而言，千瓦級空間核電源熱電轉換系統的發電機輸出電壓為2 000 V交流電，呈現高壓特性；相比于傳統的交流電工頻50 Hz 而言，空間核電源熱電轉換系統的輸出頻率為1 kHz，呈現高頻特性［3］。因此，此課題研究的難點在于輸入的高壓高頻，而為了滿足負載需求，輸出需降至100 V 的直流電。此外，發電機輸出的交流信號含有高次諧波干擾，會導致發電機發熱，運行噪聲和振動增加，造成發電機效率降低；發電機的輸出電壓和電流會失真，這會導致功率因數下降，并給后端功率轉換電路帶來沉重負擔。

為了解決以上整流問題，有以下兩種解決途徑：一種為在交流側增加諧波補償裝置，但是在某些場合下，濾波裝置和整流器的功率等級是非常接近的，這種情況不僅將增加系統損耗，而且降低了系統的可靠性［4-5］；另一種方法是改變整流器的拓撲結構來達到盡可能減少諧波的目的，這也是減少諧波的一種基本方法。傳統的拓撲結構主要為高頻脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）整流和多脈波整流，對于這兩種結構，高頻PWM 整流具有相對復雜的驅動電路，而且對于高功率設備而言，擁有一定的局限性［6-7］；而多脈沖整流具有簡單的電路拓撲和低功耗的特點，其效率和可靠性均很高，這也是高功率整流系統改善諧波污染的有效途徑［8-12］。

在多脈沖整流技術中，整流器的組成包括三相變壓器、功率器件、平衡電抗器及其他儲能元器件。在空間核電源系統中，輸入的高頻會導致功率器件工作損耗大，因此，本課題提出使用這種不可控的多脈波整流技術。對于三相變壓器而言，在多脈波整流領域通常會選擇自耦變壓器，然而，在空間核電源系統中，滿足技術要求的自耦變壓器的體積均過于笨重，因此，在本文中選擇使用隔離變壓器。相比于自耦變壓器，隔離變壓器制作簡單，工作更加穩定，而且起到隔離降壓的作用。經過多脈波整流后的輸出電壓并不能滿足輸出需求，需考慮使用高效的直流降壓變換技術?？紤]到航天領域指標要求與穩定性需求，本裝置采用LLC 諧振變換器來實現。

1 電路拓撲與工作原理

1.1 電路拓撲

在本文中，前級采用12 脈波整流器進行整流，將2 000 V、1 kHz 的交流電轉換為300 V 的直流電，后級采用LLC 諧振變換器進行隔離降壓，使輸出電壓達到標準的100 V 直流電。本文采用如圖1 所示的電路拓撲。前級的12脈波整流器主要由三相三繞組隔離型變壓器、三相整流橋和三抽頭平衡電抗器組成，其中，三抽頭平衡電抗器可以確保兩個三相整流橋獨立工作；后級的LLC 諧振變換器采用半橋設計，不僅可以起到隔離降壓的作用，而且可以減少功率器件的使用。

圖1 空間核電源系統整流電路拓撲Fig.1 Topology of proposed rectification circuit in space nuclear power

1.2 12 脈波整流器

三相三繞組隔離型變壓器的繞組結構示意圖如圖2 所示。三相三繞組變壓器采用Ddy11 聯結組別，圖中：一次三相繞組接成三角形，每相匝數為N0；二次三相繞組一組接成三角形，每相匝數為N1；二次三相繞組另外一組接成星型，每相匝數為N2。為了實現二次兩組繞組的線電壓數值相等且方向上相差30°，則有

一次三相繞組接成三角形能夠有效抑制3的倍數次諧波流入電網，三繞組變壓器電壓矢量圖如圖3所示。

圖2 三相三繞組隔離型變壓器的繞組結構示意圖Fig.2 Winding configuration of the three-phase three-winding isolation transformer

圖3 三繞組變壓器電壓矢量圖Fig.3 Voltage vectors diagram of the three-phase three-winding transformer

定義電壓差vP在兩個三相橋之間引起的電流為環流iP。由式（3）可知，vP中主要是6 次諧波，在分析環流時，忽略高次諧波，只考慮6 次諧波的影響。vd中主要是直流量和12 次諧波分量，在分析輸出電壓脈動時只考慮12 次諧波的影響。在繞制平衡電抗器時，經常把上下兩個繞組繞在同一個鐵芯上面，此時兩個繞組之間存在相互耦合，設平衡電抗器兩個繞組的自感大小均為L，耦合系數為kM，互感M=kML。考慮互感的平衡電抗器原理及結構圖，如圖4 所示，圖中分別為上、下兩個整流橋流入平衡電抗器的電流，id為平衡電抗器流向濾波電容和負載的電流。

圖4 對應的12 脈波等效電路圖如圖5（a）所示。由于耦合的存在，不能直觀地得到簡化等值電路，因此，對圖5（a）中存在耦合的部分進行解耦，得到了簡化后的等效電路圖，如圖5（b）所示。

解耦后，由圖5（b）可得到環流iP的計算公式為

圖4 考慮互感的平衡電抗器原理及結構圖Fig.4 Principle and structure diagram of interphase reactor with mutual inductance

圖5 12 脈波整流等效電路圖Fig.5 Equivalent circuit diagram of the 12-pulse rectification

式中：vp.6、Vp.6分別為vP中6 次諧波分量的瞬時值和有效值；L為平衡電抗器的自感值；LP為等效電感，

如圖5 所示，左側的二端口網絡等效為電壓源串聯阻抗（即戴維南等值電路）的形式，vd.dc和vd.12分別為平衡電抗器等效中點電壓vd的直流分量和12 次諧波分量，id.dc和id.12分別為平衡電抗器等效中點電流id的直流分量和12 次諧波分量，輸出電流計算為

式中：Z為等效電路的12 次諧振等效阻抗，則有

式中：|Z|和θ分別為阻抗Z的模和相角。

對圖5（b）列寫杰爾霍夫電流方程，可求得上下兩個整流橋流入平衡電抗器的電流id1和id2與iP、id的關系分別為

由式（10）可知，電流id1和id2的脈動不僅跟環流有關，還跟輸出電流id有關。以上整流橋流入平衡電抗器的電流id1為例，則id1中的周期分量id1.per和直流分量Id1.dc分別為

定義電流脈動量：

對于輸出電壓的脈動來說，只考慮12 次諧波，可得輸出電壓vout的計算公式為

式中：vout=Vd.dc和vout.per分別為輸出電壓的直流分量、周期分量。

同樣，定義輸出電壓的脈動量：

1.3 半橋LLC 諧振變換器

本課題采用半橋LLC 諧振變換器電路拓撲，如圖6 所示。由于LLC 諧振回路中諧振電流近似于正弦波，因此，可以采用基波近似法（FHA）對諧振電路進行分析，即忽略副邊整流電路的非線性特性，將副邊整流電路與濾波電路等效折算為副邊的交流負載，在變壓器原邊則忽略諧振回路方波激勵源中的高次分量，形成線性的正弦激勵電路，從而將非線性電路轉化為線性電路，如圖7 所示。

圖6 半橋LLC 諧振變換器電路拓撲Fig.6 Topology of half-bridge LLC resonant converter circuit

圖7 半橋LLC 諧振變換器等效電路圖Fig.7 Equivalent circuit diagram of half-bridge LLC resonant resonant converter

圖中，雙端口網絡模型的諧振回路中，Vi.FHA為等效諧振回路端口輸入電壓，Vo.FHA為等效諧振網絡端口輸出電壓，Zin(jω)為輸入阻抗，Ro.oc為變壓器副邊等效電阻負載。定義電壓增益為M諧振回路輸出電壓與輸入電壓的比值，即

LLC 諧振變換器的輸出電壓是通過調節諧振回路輸入方波的開關頻率來實現的，當輸出功率下降或輸入直流電壓增壓，通過增加開關頻率來調節輸出電壓，使其保持穩定。因此，為了應對負載的變化，LLC 諧振變換器工作在單位增益點附近，輸出電壓可以在開關頻率變化相對較小的范圍內應對寬負載變化下進行調節。

2 仿真分析

根據空間核電源系統、航天器供電母線與其負載功率之間的關系，針對以上參數分析和設計，仿真參數見表1。

表1 變換器參數指標Tab.1 Parameters of converter

空間核動力的電源系統的輸出電壓為2 000 V、1 kHz 的交流電，而航天器供電母線電壓為100 V 的直流電。針對以上的分析，采用Matlab 中的Simulink對以上拓撲進行仿真。輸入電壓和輸入電流波形如圖8 所示，為使電壓電流表達清晰，已將輸入電壓衰減了125 倍。輸出電壓波形仿真結果如圖9 所示。

圖8 輸入電壓與輸入電流的仿真結果Fig.8 Simulation results of the input voltage and the input current

圖9 輸出電壓波形仿真結果Fig.9 Simulation result of the curve of DC output voltage

3 實驗驗證及結果

3.1 實驗驗證

空間核電源系統整流裝置如圖10 所示，由于實驗室條件有限，沒有能夠產生2 000 V、1 kHz 的實驗設備，為了實驗需要，增加了升壓變壓器。

圖10 空間核電源系統整流裝置Fig.10 Rectification device in space nuclear power system

3.2 實驗結果

輸入電壓電流和輸出電壓電流功率的示意圖如圖11 所示。由于實驗條件受限，無法檢測功率因數和諧波含量等實驗要求的指標，但從該實驗結果可以看出，輸出電壓實現了穩定的12 脈波電壓輸出，該變換器已經達到了高功率因數輸出的指標要求。

圖11 空間核電源系統整流裝置試驗結果Fig.11 Test results of rectification device in space nuclear power system

4 結束語

本文研究了高降壓比、高功率因數的空間核電源系統整流裝置。實驗結果表明，對于輸入交流電流，12 脈波整流器不僅可以降低輸入電流的諧波，還可以降低諧波輸出電壓的幅值和紋波頻率。在本文中，12 脈沖二極管整流還可以有效地減小變換器的尺寸，提高功率密度。而本文使用半橋LLC 諧振變換器大大提高了整體的效率，提高了可靠性。