趙海彬，陳嘉偉，鐘后陽

(1.海軍潛艇學(xué)院，山東青島 266011；2.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫 214082)

0 引言

深潛救生艇是一種可與沉沒失事潛艇對(duì)接，援救出被困幸存艇員的載人潛水器，是執(zhí)行潛艇救生保障的核心防救裝備[1–3]。受到海洋環(huán)境、失事潛艇坐沉海底姿態(tài)等影響，深潛救生艇作業(yè)是一項(xiàng)與操縱人員技能密切相關(guān)的復(fù)雜人因工程，而深潛救生艇模擬器是目前有效提高操縱人員實(shí)操技能的主要手段之一[4]。

深潛救生艇模擬器主要由本體、六自由度平臺(tái)系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、對(duì)接系統(tǒng)和教控系統(tǒng)等組成，其中本體分為指揮艙和救生艙，如圖1所示。指揮艙是人員操縱深潛救生艇模擬器的部位，因此艙內(nèi)布置有與實(shí)裝一致的各種儀器設(shè)備和控制面板，由24 V 電壓供電[5–6]。

圖1 深潛救生艇模擬器Fig.1 The simulator of SRV

為了提高深潛救生艇模擬器系統(tǒng)魯棒性，同時(shí)降低能耗，系統(tǒng)24 V 電源采用“電網(wǎng)+光伏”雙回路供電模式，2種供電排布方式為并聯(lián)結(jié)構(gòu)，其中光伏供電模塊由DC/DC變換器將直流12 V 電壓變換為直流24 V，以提供給24 V 配電網(wǎng)路，進(jìn)而送入并網(wǎng)至指揮艙，向艙內(nèi)供電，如圖2所示。

圖2 深潛救生艇模擬器24 V 電源結(jié)構(gòu)Fig.2 The 24 V power supply structure of SRV simulator

受到工作環(huán)境、功能任務(wù)等要求，深潛救生艇模擬器指揮艙儀器設(shè)備和控制面板對(duì)電磁干擾敏感，但目前深潛救生艇模擬器光伏供電模塊高電磁干擾（包括較弱的抗干擾能力和較強(qiáng)的干擾其他設(shè)備能力）問題突出，嚴(yán)重影響了模擬器性能發(fā)揮。

為滿足深潛救生艇模擬器對(duì)24 V 電源低電磁干擾特性的需求，本文針對(duì)現(xiàn)有變換器技術(shù)缺點(diǎn)，提出一種輸入電流零紋波、輸出電流低紋波的新型DC-DC 變換器，以作為深潛救生艇模擬器24 V 電源的電路，從而有效降低外界傳導(dǎo)干擾對(duì)24 V 電源的影響，保證24 V 電源工作時(shí)對(duì)指揮艙內(nèi)設(shè)備和面板的低干擾，以提高模擬器性能。

1 工作模式

本文提出的深潛救生艇模擬器24 V 電源新型變換器為零輸入電流紋波單開關(guān)管直流變換器，變換器由1個(gè)功率開關(guān)管（S）、4個(gè)電容器（Co，C1，C2，C3）、2 個(gè)二極管（D1，D2）、4 個(gè)電感（L1，L2，L3，L4）和負(fù)載組成，如圖3所示。

圖3 變換器結(jié)構(gòu)原理圖Fig.3 The schematic diagram of converter

深潛救生艇模擬器24 V 電源新型變換器在CCM工作模式下的工作狀態(tài)包括2種，如圖4所示。2種狀態(tài)具體如下：

狀態(tài)1[t0,t1]（見圖4（a））：此狀態(tài)為傳統(tǒng)直通狀態(tài)，在此狀態(tài)下，開關(guān)管S導(dǎo)通，二極管D1和D2截止，D1和D2分別被VC1+VC2和VCo反向偏置。輸入電壓Vg及電容C1，C2，C3，Co共同放電將能量傳輸?shù)截?fù)載側(cè)，當(dāng)開關(guān)管S兩端電壓降為0時(shí)，該狀態(tài)結(jié)束。

狀態(tài)2[t1,t2]（見圖4（b））：開關(guān)管S關(guān)斷，二極管D1和D2導(dǎo)通，開關(guān)管S被VC1+VC2反向偏置。此時(shí)輸入電壓Vg為電容C1，C2，C3，Co充電，當(dāng)電容C1，C2，C3，Co充電結(jié)束，二極管D1和D2的電流降為0時(shí)，此狀態(tài)結(jié)束。

圖4 變換器工作狀態(tài)Fig.4 The working states of converter

2 直流穩(wěn)態(tài)分析

為簡(jiǎn)化深潛救生艇模擬器24 V 電源新型變換器電路分析，假設(shè)變換器電容、電感、二極管和功率管等均為理想情況；4 個(gè)電感L1，L2，L3，L4容值相同且流過電流連續(xù)；4 個(gè)電容C1，C2，C3，Co相同且電容容值足夠大。

變換器電路工作在D<0.5情況下，在一個(gè)工作周期內(nèi)工作過程為工作模式1~2，每個(gè)階段的時(shí)間分別為Dts，（1-D）ts。

變換器按照開關(guān)頻率周期工作，在第一個(gè)工作過程中，變換器工作于工作模式1下，進(jìn)行直流穩(wěn)態(tài)分析得到電壓和電流關(guān)系分別有：

式中，在工作模式1 下：VL1_ON，VL2_ON，VL3_ON，VL4_ON分別為電感L1，L2，L3，L4兩端電壓；IL1，IL2，IL3，IL4為流過電感L1，L2，L3，L4的電流；IC1_ON，IC2_ON，IC3_ON，IC4_ON為流過電容C1，C2，C3，Co的電流。

在第2個(gè)工作過程中，變換器工作于工作模式2下，進(jìn)行直流穩(wěn)態(tài)分析得到電壓和電流關(guān)系分別有：

在工作模式2下：VS為開關(guān)管兩端電壓；VL1_OFF，VL2_OFF，VL3_OFF，VL4_OFF分別為電感L1，L2，L3，L4兩端電壓；IL1，IL2，IL3，IL4為流過電感L1，L2，L3，L4的電流；IC1_OFF，IC2_OFF，IC3_OFF，IC4_OFF為流過電容C1，C2，C3，Co的電流；ID1，ID2為流過二極管D1，D2的電流。

電路工作在穩(wěn)態(tài)且理想情況下，根據(jù)電感的伏秒平衡法則：

可得：

又由：

可得：

進(jìn)而得到：

綜上可得深潛救生艇模擬器24 V 電源新型變換器的輸入輸出關(guān)系為：

3 應(yīng)力分析

根據(jù)深潛救生艇模擬器24 V 電源新型變換器工作原理中電壓增益的推導(dǎo)過程，可得電容電壓應(yīng)力為：

開關(guān)管和二極管的電壓應(yīng)力為：

根據(jù)基爾霍夫電流定律可得：

由功率守恒可得：

根據(jù)穩(wěn)態(tài)條件下電容的安秒平衡：

可得開關(guān)管、二極管和電感電流應(yīng)力為：

將變換器中主要器件的電壓和電流應(yīng)力進(jìn)行總結(jié)，如表1所示。

表1 變換器主要器件電壓和電流應(yīng)力Tab.1 Voltage and current stressof converter’s main devices

4 功耗分析

深潛救生艇模擬器24 V 電源新型變換器功耗包括開關(guān)管損耗、二極管損耗、耦合繞組損耗和電容損耗。變換器帶寄生參數(shù)的等效電路如圖5所示。為了計(jì)算變換器的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，將所有二極管的正向壓降和等效導(dǎo)通電阻定義為VFD和rD；開關(guān)管的等效導(dǎo)通電阻定義為rS；耦合繞組的寄生電阻分別為rL1，rL2，rL3，rL4；電容C1，C2，C3，Co的寄生電阻分別為rC1，rC2，rC3，rCo。

圖5 帶寄生參數(shù)等效電路圖Fig.5 Equivalent circuit diagram with parasitic parameters

開關(guān)管損耗包括導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，其導(dǎo)通損耗為：

開關(guān)管的開關(guān)損耗為：

既然旅游者具有其自身的特殊性，并且外出旅游就是為了放松，享受閑暇時(shí)間的自由，那么就應(yīng)該在充分理解游客的基礎(chǔ)上，做出有針對(duì)性的安排，來減少其不文明行為發(fā)生的機(jī)會(huì)。既然游客喜歡刻字或者涂鴉，那么就可以給游客提供涂鴉的專門空間和位置，在景區(qū)的適當(dāng)位置建立游客涂鴉區(qū)或者留言區(qū)，這樣的管理措施就是有意識(shí)的“順”的行為，然后，在通過其他的規(guī)則、標(biāo)識(shí)等方式進(jìn)行“導(dǎo)”，可以大幅度降低游客發(fā)生不文明行為的可能性。

開關(guān)管的總損耗為：

二極管損耗包括導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，其導(dǎo)通損耗為：

二極管的開關(guān)損耗為：

二極管的總損耗為：

電感的總損耗為：

電容的損耗為：

電容的總損耗為：

所以，總功率損耗為：

5 參數(shù)設(shè)計(jì)

5.1 電感參數(shù)設(shè)計(jì)

深潛救生艇模擬器24 V 電源新型變換器電感計(jì)算公式為：

式中：VL為電感上的電壓；D為占空比；fS為開關(guān)管頻率；ΔIL為電感的電流紋波。

其中，rL為電感的紋波系數(shù)，一般取0.2。

把式（9）、式（22）、式（34）代入式（33）得：

5.2 電容參數(shù)設(shè)計(jì)

深潛救生艇模擬器24 V 電源新型變換器電容計(jì)算公式為：

式中：IC為電容上的電流；ΔVC為電容的電壓紋波。

其中，rC為電感的紋波系數(shù)，一般取0.02。

在開關(guān)周期（0≤t

將式（11）~式（14）、式（16）、式（17）和（37）帶入式（36）得：

在實(shí)際應(yīng)用中，變換器電容值的選取應(yīng)大于計(jì)算值[7 –8]。

5.3 開關(guān)管和二極管參數(shù)設(shè)計(jì)

深潛救生艇模擬器24 V 電源新型變換器開關(guān)管和二極管可根據(jù)它們的電壓和電流應(yīng)力，即式（15）、式（20）～式（22）選擇。

因此，深潛救生艇模擬器24 V 電源新型變換器設(shè)計(jì)選用功率開關(guān)管型號(hào)為IRFP4668PbF，二極管型號(hào)為STTH6002CW，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)總結(jié)如表2所示。

表2 變換器參數(shù)Tab.2 The specific parameters of converter

6 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于分析，設(shè)計(jì)100 W 變換器樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)與仿真設(shè)計(jì)參數(shù)一致，驗(yàn)證所提出的深潛救生艇模擬器24 V 電源新型變換器理論正確性，圖6為D=0.25時(shí)變換器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)輸入輸出波形。

圖6 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)波形Fig.6 The experimental oscillograms of prototype

圖6（a）為變換器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)輸入電壓Vg、輸出電壓Vo及輸入電流iin的實(shí)驗(yàn)波形，當(dāng)輸入電壓Vg=25 V 時(shí)，能夠達(dá)到輸出電壓Vo=50 V，說明樣機(jī)與所設(shè)計(jì)電路參數(shù)一致，且輸出電壓能夠保持穩(wěn)定；圖6（b）為變換器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)開關(guān)管S兩端電壓VDS、所流過電流iS、驅(qū)動(dòng)信號(hào)VGS波形圖，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)電路工作于狀態(tài)1下，開關(guān)管關(guān)斷時(shí)電路工作于狀態(tài)2下；圖6（c）為變換器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)二極管D1兩端電壓VD1、流經(jīng)電流iD1、二極管D2兩端電壓VD2、流經(jīng)電流iD2波形圖；圖6（d）為變換器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)電感L1，L2，L3，L4所流經(jīng)電流iL1，iL2，iL3，iL4的波形圖，其中iL1及iL4為輸入電流及輸出電流，通過波形圖可知，輸入、輸出電流能夠?qū)崿F(xiàn)零紋波，以保證變換器穩(wěn)定運(yùn)行。

針對(duì)不同功率等級(jí)，對(duì)變換器樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，各功率等級(jí)下樣機(jī)效率變化曲線如圖7所示。在50 W 情況下，變換器效率能夠達(dá)到95.89%，隨著功率等級(jí)的升高效率進(jìn)一步提高，當(dāng)100 W 時(shí)，效率為95.96%。

圖7 樣機(jī)效率曲線Fig.7 The efficiency curve of prototype

7 結(jié)語

本文提出的深潛救生艇模擬器24 V 電源新型變換器，通過前級(jí)引入電感L1和L2能夠有效減小輸入電流紋波影響，實(shí)現(xiàn)電流零紋波輸入，從而有效降低外界傳導(dǎo)干擾對(duì)主24 V 電源的影響，實(shí)現(xiàn)了電路穩(wěn)定運(yùn)行；通過引入電感L4能夠在保證電路增益不變的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)電路輸出電流零紋波。不僅保證了主24 V電源工作時(shí)對(duì)外部設(shè)備的低干擾，同時(shí)能夠達(dá)到優(yōu)化器件選型，能夠完全滿足深潛救生艇模擬器對(duì)24 V電源低電磁干擾特性的需求。