斯特林制冷機恒壓驅動電源輸出電流穩定性研究

習中立，張曉青，聶喜亮，李飛艷，李家鵬，陳 軍

（1.華中科技大學能源與動力工程學院，武漢 430074；2.昆明物理研究所，昆明 650000）

0 引言

紅外探測器在接收外界紅外輻射的同時，也對外輻射紅外能量，產生背景噪聲干擾，此外，還會受到HgCdTe、T2SL（Ⅱ類超晶格）等紅外探測器芯片感光材料自身暗電流的影響。當工作在遠低于環境溫度的低溫條件下時，探測器芯片的背景噪聲較小，暗電流小，探測率和響應速度較高[1-3]。根據探測波段、背景溫度、分辨率以及感光材料等的不同，絕大多數紅外探測器芯片的工作溫度在35～130 K溫區，宇宙深空探測用的長波、甚長波紅外探測器芯片的工作溫度在0.1～10 K內[4]。美國國家標準局（NIST）的Radebaugh曾系統總結了各種低溫制冷技術的特點和應用溫區范圍[5-7]：在需要較少制冷量的紅外領域，斯特林制冷機和節流制冷器具有較大優勢，特別是對60 K及以上溫區紅外探測器的冷卻，斯特林制冷機是采用最多的制冷方案。制冷型紅外探測器具有探測距離遠、對動態目標反應速度快、圖像分辨率高等突出優點，廣泛應用于工業氣體泄露監測、森林火災防控、航空航天、地球物理等領域。

紅外探測器工作波段的選擇必須綜合考慮目標輻射特性、背景特征、大氣傳輸特征等因素的影響，不同波段具有不同的特點，如中波探測器對高溫目標探測靈敏度高，大氣透過率好，長波探測器對300 K以下的低溫目標探測靈敏度高[8]。為了獲得更高的探測靈敏度，提高紅外探測器的抗干擾能力，近幾年越來越多的應用需求促使科技人員將不同波段的紅外芯片集成到一套系統中，形成多波段探測技術。在天文探測領域，為了盡可能減小地基紅外望遠鏡背景噪聲的影響，不僅要將紅外探測器芯片冷卻到特定工作溫度，還須同時采用冷光學技術[9-10]將光學系統冷卻到比背景溫度低的溫區范圍內。上述應用對制冷機提出了多溫區制冷以及不同制冷能力的現實需求。目前，可供采用的技術方案有單臺壓縮機驅動多膨脹機冷指方案[11-14]、多級制冷機方案[15-17]以及多臺制冷機獨立工作方案等。長波、甚長波紅外器件對工作溫度波動較為敏感，多臺斯特林制冷機獨立工作能使控溫穩定性更高，系統的調節能力更強，工作可靠性也更高。

通常采用恒壓電源為斯特林制冷機驅動控制電路供電，由于多臺斯特林制冷機同時工作，給紅外探測器系統恒壓電源帶來較大的工作負荷。本文以線性壓縮機驅動的分置式斯特林制冷機為試驗樣機，分別采用單臺恒壓電源為單臺和兩臺制冷機驅動控制電路供電，研究恒壓電源輸出端電流波形變化特性，分析電流波動原因，提出減小電流波動的驅動控制策略，期望為紅外探測器多制冷機多溫區制冷設計提供依據。

1 單臺制冷機驅動控制試驗與結果

1.1 試驗系統

圖1為單臺斯特林制冷機驅動控制試驗系統。該系統以一臺線性壓縮機驅動的分置式斯特林制冷機4為驅動負載，該制冷機壓縮機部件采用單活塞布局，動磁式直線電機驅動，制冷機工作頻率75 Hz，最大電功耗15 W，整機質量小于380 g。在常溫環境下，該制冷機110 K下制冷量大于0.5 W，150 K制冷量大于1 W，主要應用于95～160 K溫區紅外焦平面探測器組件的冷卻，具有體積小、質量輕、效率高和降溫速度快等特點。驅動控制電路3提供制冷機直線往復振蕩所需的交流電信號，電路包含驅動和控制兩大模塊，其中驅動模塊包括電源輸入濾波、DC/AC轉換和輸出濾波、控制模塊包括控溫電路和DSP（數字信號處理器）主控的PWM（脈寬調制）電路。恒壓電源1為驅動控制電路提供所需的總電能，并保持電壓為恒定狀態。

圖1 單臺斯特林制冷機驅動控制試驗系統Fig.1 Single Stirling cryocooler drive control test system

斯特林制冷機工作時，先將控制程序寫入驅動控制電路，再分別連接恒壓電源、驅動控制電路和斯特林制冷機之間的接線。完成準備工作后，調節恒壓電源電壓至所需的電壓值，然后給驅動控制電路供電，驅動控制電路將直流電信號轉換成斯特林制冷機所需的交流信號，并驅動斯特林制冷機運動，在冷端產生冷量。一般認為從恒壓電源輸出到驅動控制電路的電流為恒定的直流信號，但實際上由于控制器電路元件復雜，導致恒壓電源的輸出電流波動，嚴重時可能影響系統的供電穩定性。為研究實際輸出電流的波動情況，在恒壓電源與驅動控制電路之間串聯一個電阻值為0.7 Ω的標準電阻2，用示波器5采集并顯示電阻兩端的電壓信號，得到恒壓電源的輸出電流波形，如圖1所示。

1.2 單臺制冷機驅動試驗結果

圖2為單臺斯特林制冷機驅動控制試驗系統采集的通過串聯電阻的恒壓電源輸出端電流波形。試驗過程中，恒壓電源輸出電壓為24 V，對應的輸出電流有效值為0.3 A。從圖2波形數據可見，恒壓電源輸出到驅動控制電路的電流并不是恒定的，而是周期波動信號，且波動周期與制冷機驅動頻率一致。輸出電流信號的傅里葉級數形式為：

式中：i為電流；e為自然指數；In為電流的傅里葉級數項；t為時間；j為虛數單位；n為階數；ω為周期信號的角頻率，當n=1時具有基波頻率。

由圖2中的波形數據可知，恒壓電源的輸出電流在一個波動周期內的峰峰值約為1.4 A，與有效值0.3 A相比顯著增大。為了滿足斯特林制冷機驅動控制電路的功率輸入需求，在設計系統恒壓電源時必須留有足夠大的電流容量以覆蓋顯著增大的電流波動，這必將導致恒壓電源體積增大，系統可靠性降低。

圖2 單臺制冷機運行時的恒壓電源輸出電流波形Fig.2 The output current waveform of constant voltage supply when a single cryocooler is driven

2 兩臺制冷機驅動控制試驗與結果

將多波段紅外探測系統的多個波段的紅外探測器芯片集成到一個探測器杜瓦組件中，通過分光技術將不同波段的光能反射到對應的感光芯片上，再用不同工作溫區的制冷機分別對芯片進行冷卻。該系統具有集成度高，探測靈敏度高，扛干擾能力強等突出優點，是高性能紅外探測的重要技術路線之一。目前從技術實施層面，采用雙波段共杜瓦是較為可行的系統集成方案。雙波段紅外探測系統采用兩臺斯特林制冷機分別獨立工作，并用兩套驅動控制電路分別驅動對應的制冷機。為了盡可能減小系統尺寸和質量，在為紅外系統供電時，只使用一臺恒壓電源。兩臺驅動控制電路同時工作很可能放大恒壓電源輸出電流的波動幅值，降低系統供電穩定性，因此必須研究兩臺驅動控制電路同時工作時恒壓電源的實際輸出特性。

2.1 兩臺制冷機驅動控制試驗系統

圖3為兩臺斯特林制冷機驅動控制試驗系統。圖中兩臺線性分置式斯特林制冷機4a和4b分別與兩個單獨的驅動控制電路3a和3b連接，制冷機具有相同的運行頻率。兩個驅動控制電路與同一臺恒壓電源1連接，在恒壓電源的主輸出線路上連接一個0.7 Ω的標準電阻2，通過示波器5采集并顯示電阻兩端電壓波形，得到輸出電流信號。示波器6同時采集兩個驅動控制電路輸出到斯特林制冷機的電壓波形，便于分析對比。

圖3 兩臺斯特林制冷機驅動控制試驗系統Fig.3 Two Stirling cryocoolers drive control test system

2.2 兩臺制冷機同時驅動實驗結果

圖4為兩臺制冷機同時驅動時，示波器采集的兩個驅動控制電路輸出到制冷機端的驅動電壓波形，其中綠色為驅動控制電路3a輸出的波形，藍色為驅動控制電路3b輸出的波形。試驗時設置兩臺制冷機具有相同的驅動功率，恒壓電源工作電壓設置為24 V，對應的輸出電流有效值為單臺驅動時的兩倍，為0.6 A。從圖4可以看出，兩臺制冷機同時驅動時，驅動電壓為正弦波，同相位。

圖4 兩臺斯特林制冷機同時運行時的驅動電壓波形Fig.4 Drive voltage waveform when two Stirling cryocoolers are running simultaneously

圖5為兩臺斯特林制冷機同時驅動時恒壓電源輸出端的電流波形。從圖可見，同時驅動兩臺制冷機運行時輸出電流波形仍為周期波動信號，波動周期頻率與制冷機運行頻率一致。通過測量計算，得到該條件下恒壓電源的輸出電流在一個波動周期內的峰峰值約為1.7 A，該數值比驅動單臺制冷機時的1.4 A峰峰值大，但不是成倍增大。

圖5 兩臺斯特林制冷機同時運行時恒壓電源的輸出電流波形Fig.5 The output current waveform of constant voltage sup‐ply when two Stirling cryocoolers are running simultaneously

3 兩臺制冷機驅動控制優化

3.1 理論分析

從前述章節的試驗波形可知，無論驅動單臺制冷機還是兩臺制冷機，恒壓電源輸出的電流波形均為周期信號。當輸出電壓為恒定值時，每個驅動控制電路可單獨看作一個負載，該負載可表示為如下形式：

式中：r為負載阻抗；Rn為負載的總阻抗幅值。設恒壓電源電壓為恒定值Vconst，則輸出到負載1和負載2上的電流i1和i2可分別表示為：

其中，φ為兩個驅動控制電路輸出到制冷機的電壓波形之間的相位夾角，當同相驅動時，該夾角為0°。為簡化分析，取n=1時的基波分量，并假設兩個負載的總阻抗相等，即R=R1=R2，則輸出到負載1和負載2上的電流i1和i2可分別表示為：

由式（7）可見，當φ取值為0時，即兩臺制冷機同相驅動時，恒壓電源輸出的電流最大；當φ取值為±π時，即兩臺制冷機反相驅動時，恒壓電源輸出的電流最小。

3.2 反相驅動試驗驗證

為驗證上述理論，將驅動控制電路3a的控制程序設置為延遲半個周期，然后驅動兩臺斯特林制冷機。示波器采集的兩臺制冷機驅動電壓波形如圖6所示。從圖6可見，兩個驅動控制電路輸出的電壓波形大小相同，相位相反，與控制程序設定相同。恒壓電源工作電壓設置為24 V，對應的輸出電流有效值同樣是單臺驅動時的兩倍，為0.6 A。

圖6 兩臺斯特林制冷機反相運行時的驅動電壓波形Fig.6 Drive voltage waveform when two Stirling cryocoolers are running in reverse phase

圖7為反相驅動兩臺斯特林制冷機時恒壓電源輸出端的電流波形。從圖可見，反相驅動兩臺制冷機時，恒壓電源輸出的電流仍為周期信號，但波形與圖5中同相驅動有所不同。通過測量計算，得到反相驅動下恒壓電源的輸出電流在一個波動周期內的峰峰值約為0.86 A，該數值僅為同相驅動時電流峰峰值的一半，也顯著小于驅動單臺斯特林制冷機時的電流峰峰值。該試驗說明采用反相驅動兩臺斯特林制冷機策略，能夠顯著降低恒壓電源輸出電流的波動幅值，提高供電系統的穩定性。

4 結論

本文從多波段紅外探測技術實際應用需求出發，研究了斯特林制冷機驅動控制電路對系統整機恒壓電源輸出特性的影響。搭建試驗系統，用兩個驅動控制電路分別驅動兩臺線性分置式斯特林制冷機，發現恒壓電源的輸出電流存在與制冷機運行頻率一致的大幅波動信號，可能對系統供電穩定性產生影響。

首先測量了單臺制冷機運行時恒壓電源的輸出電流波形，得到1.4 A的波動峰峰值，然后用同相驅動兩臺制冷機的方式測量恒壓電源的輸出電流波形，并得到1.7 A的波動峰峰值。從理論角度對電源負載進行分析，提出采用反相驅動制冷機方式減小電流波動的思路，并通過試驗得到0.86 A的波動峰峰值，該數值僅為同相驅動時電流峰峰值的一半，也顯著小于驅動單臺制冷機時的電流峰峰值，驗證了理論分析的有效性。