羅 聃,張呈象,陽曉彬,劉少鵬,陳偉偉

(中國空間技術(shù)研究院西安分院,西安 710000)

0 引言

性能優(yōu)異的電源變換器需要同時兼顧可靠性、電源穩(wěn)壓精度等技術(shù)指標,這就需要電源變換器的閉環(huán)反饋控制環(huán)路具備非常優(yōu)異的性能。目前,業(yè)界對反饋控制環(huán)路的研究已經(jīng)比較充分,但大多數(shù)研究為了降低研究難度,都將研究對象簡化為單路輸出模型進行,無法真實有效地反映多路輸出模式下的性能。而在衛(wèi)星有效載荷系統(tǒng)的實際應(yīng)用中,大部分用電設(shè)備(比如固態(tài)放大器[1])都需要工作在多路供電工況下。因此如何保證這類電源在多路輸出模式下的供電穩(wěn)定性和精度,是電源變換器在實際應(yīng)用中必須解決的問題。文章提出了一種星載多路輸出電源控制環(huán)路的設(shè)計,確定了BUCK+半橋多路輸出變換器環(huán)路方案,并對該方案進行了建模和閉環(huán)參數(shù)設(shè)計仿真分析。重點開展了多路輸出電路環(huán)路參數(shù)設(shè)計、控制反饋環(huán)路設(shè)計等工作,結(jié)果表明,提出的電源控制環(huán)路設(shè)計非常適用于衛(wèi)星二次電源系統(tǒng)。

1 星載供電直流-直流變換器拓撲結(jié)構(gòu)

出于可靠性的考慮,衛(wèi)星有效載荷設(shè)備往往采用分布式供電方案,也就是每臺設(shè)備單獨配備一個專用電源。同時,由于衛(wèi)星一次電源太陽能陣提供的能源有限,所以對供電電源的轉(zhuǎn)換效率要求往往比較苛刻。并且,衛(wèi)星的多種有效載荷設(shè)備往往需要在多路供電電壓工況下工作,例如典型的固態(tài)放大器一般就需要3路供電電壓。

為同時兼顧高效率和多路輸出的供電需求,目前,星載固態(tài)放大器的100 V母線供電電源變換器大多采用BUCK+半橋式變換拓撲實現(xiàn)[2],文章重點對該拓撲進行了建模和閉環(huán)參數(shù)設(shè)計仿真分析。當衛(wèi)星母線電壓大范圍變化導(dǎo)致電源PWM占空比隨之調(diào)整時,拓撲中的儲能電感設(shè)置在功率變壓器初級BUCK電路的輸出端,而變壓器輸出端則無需再設(shè)置儲能電感[3]。該方案可有效克服多路輸出電源輸出端儲能電感的設(shè)計難點,因此文章提出的星載多路輸出電源控制環(huán)路也采用BUCK+半橋式變換拓撲實現(xiàn),以確保電源多路輸出的穩(wěn)定性。

2 BUCK+半橋電源反饋環(huán)實現(xiàn)方式

為滿足星載功率部件負載的工作特性,為其供電的電源需具有良好的環(huán)路動態(tài)性能。但同時滿足如此多的電源輸出,采用衛(wèi)星一次供電直接提供是不現(xiàn)實的[4],且會導(dǎo)致負載異常,進而導(dǎo)致整星供配電系統(tǒng)故障,造成不可挽回的損失。采用BUCK+半橋多路變換器的兩級拓撲設(shè)計,能在滿足多路輸出的使用要求下,可與整星一次電源有效實現(xiàn)隔離,同時選取的開關(guān)管相比其他拓撲電路的耐壓值可降低一半,且多路輸出端只需要很小的濾波電感和電容便能提供非常穩(wěn)定的輸出電壓,因此具有明顯的優(yōu)勢[5]。

BUCK+半橋的環(huán)路控制電路的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示[6]。該電路拓撲結(jié)構(gòu)是一個單環(huán)電壓控制型的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。該調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要包含主電路(BUCK+半橋變換器)和控制電路兩大部分,兩種電路相互配合共同工作,通過負反饋的方式構(gòu)成了閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)[7]。

圖1 具有反饋環(huán)的BUCK+半橋多路輸出變換器

主電路主要分為前級BUCK變換器和后級半橋變換器兩大部分。Vin、VoB、Vo1、Vo2、Vo3分別表示電路的輸入電壓、前級BUCK的輸出電壓、電路的第一路輸出電壓、電路的第二路輸出電壓與第三路輸出電壓與電路。其中BUCK的輸出電壓VoB作為半橋的輸入電壓。后級半橋變換器的占空比為固定的50%,以期望半橋可等效為一個直流變壓器[8]。其副邊有三路輸出,輸出整流電路均采用全波整流方式。其中第一路輸出電壓Vo1為+28 V,其輸出功率較大。第二路輸出電壓Vo2為+7 V,600 mA,第三路輸出電壓Vo3為+12 V,其負載為控制芯片與驅(qū)動電路,輸出功率較小,采用RC濾波方式[9]。表1給出了主電路的輸入輸出性能指標。

表1 BUCK+半橋多路輸出變換器主要性能指標

圖1中,Vref、Vc、d分別表示調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參考電壓信號、控制器的輸出電壓信號以及PWM比較器的輸出信號(占空比)。通常誤差放大器、補償器用一個集成運放與其外圍的阻容元件實現(xiàn),稱之為控制器或補償網(wǎng)絡(luò)。采樣網(wǎng)絡(luò)使用無隔離型電壓采樣網(wǎng)絡(luò),從圖1中可以看到,Rs1和Rs2組成的分壓網(wǎng)絡(luò)即為電壓采樣網(wǎng)絡(luò),控制電路和主電路輸出端沒有電氣隔離,同時Rs2也是補償網(wǎng)絡(luò)的一部分,因此這里控制器包含了采樣網(wǎng)絡(luò)和補償網(wǎng)絡(luò)兩部分。控制電路的基本工作原理即為輸出電壓Vo3經(jīng)過電壓采樣網(wǎng)絡(luò)分壓后與參考電壓信號Vref比較,其誤差信號通過補償網(wǎng)絡(luò)的調(diào)節(jié)與補償作用輸出控制信號Vc,控制信號輸入到PWM比較器,產(chǎn)生占空比信號,通過開關(guān)管驅(qū)動器驅(qū)動開關(guān)管的導(dǎo)通或關(guān)斷。整個系統(tǒng)的調(diào)節(jié)原理是:在某個瞬間,當輸出電壓高于額定值時,補償網(wǎng)絡(luò)輸出的控制信號Vc降低,使PWM比較器產(chǎn)生占空比信號下降,減小主電路從輸入電源汲取能量的時間,使得輸出電壓的平均值維持不變[10]。

在閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中,該電路通過反饋半橋副邊第三路輸出電壓Vo3,對前級BUCK變換器的占空比d進行調(diào)節(jié),從而控制第三路輸出電壓穩(wěn)定。

3 BUCK+半橋多路輸出電路反饋環(huán)路機理

電路拓撲后級半橋有三路輸出。對于每一路輸出,可以看到其開關(guān)網(wǎng)絡(luò)均是相同的。如果采用開關(guān)網(wǎng)絡(luò)平均模型法對電路反饋環(huán)路建模,只需對從原變換器中分離出來的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)單獨進行分析,得到開關(guān)網(wǎng)絡(luò)平均變量等效電路。再利用開關(guān)網(wǎng)絡(luò)平均變量等效電路即可直接得到半橋每一路輸出的等效電路,以進行動態(tài)特性分析。

根據(jù)圖1電路,可以得到整個BUCK+半橋電路的交流小信號電路模型[11],如圖2所示。

圖2 BUCK+半橋變換器的交流小信號等效電路

定義BUCK輸出濾波器的傳遞函數(shù)He與輸入阻抗Zf。

(1)

(2)

(3)

后級半橋有三路輸出,對于每一路輸出,可以看到其開關(guān)網(wǎng)絡(luò)均是相同的。定義半橋三路輸出濾波的輸入阻抗Zf1、Zf2與Zf3:

(4)

(5)

(6)

同時定義半橋第三路輸出濾波器的傳遞函數(shù)He1(s):

(7)

(8)

考慮漏感后半橋變換器的輸入阻抗ZinHBlk(s)如下:

(9)

(10)

Gvd(s)是用于環(huán)路動態(tài)分析與控制參數(shù)設(shè)計的關(guān)鍵傳遞函數(shù)[12]。將PWM環(huán)節(jié)的數(shù)學模型GPWM(s)考慮進去,根據(jù)建立的主電路小信號模型Gvd(s)與GPWM(s)可以繪制主電路控制對象Gvdm(s)相應(yīng)的波特圖。用于繪制Gvdm(s)波特圖的電路參數(shù)如表2所列。

表2 BUCK+半橋多路輸出變換器電路參數(shù)

為了驗證電路環(huán)路模型理論計算結(jié)果的準確性,用仿真軟件對BUCK+半橋主電路環(huán)路進行仿真掃頻測量,仿真電路的參數(shù)按表2進行取值,將仿真測量得到開環(huán)的頻率特性Gvdm(s)與理論結(jié)果進行對比,如圖3所示。從圖3(a)中可以知道,當漏感為0 μH的理想條件下,理論計算結(jié)果與仿真掃頻結(jié)果在fs/2前都是相當吻合的。這說明了電路采用該環(huán)路模型的理論可以進行電路特性分析,當考慮漏感Llk=2.5 μH的時候,理論計算結(jié)果與仿真結(jié)果也是基本吻合的,只是在較高頻段之后存在些許差異。這是因為考慮漏感的時候半橋中第3路輸出電壓Vo3對輸入電壓VoB的傳函GvgHB(s)的計算仍然是按照理想結(jié)果下的公式(8)近似計算,這種近似計算方式忽略了漏感引起的占空比丟失對第3路輸出電壓的影響[13]。從仿真理論對比結(jié)果來看,這種近似引起的模型差異非常小。若考慮環(huán)路設(shè)計的頻段在10 kHz以前,則這種近似方式在高頻段引起的模型差異不會影響環(huán)路設(shè)計,仍然可以采用該電路模型理論進行電路特性分析。

圖3 主電路Gvdm(s)的仿真結(jié)果與理論計算結(jié)果

上述仿真分析結(jié)果與電路模型分析結(jié)果基本證明了所建立的線性平均模型的正確性。但是上述理論分析與仿真分析是在較為理想的電路條件下得到的,而實際工程電路中往往含有許多寄生參數(shù),比如電容ESR,開關(guān)器件的導(dǎo)通電阻等,如圖4所示。這些寄生參數(shù)其中一些會顯著影響電路的動態(tài)特性并改變電路模型,使理論仿真模型與實際電路模型出現(xiàn)差異。為了消除這些差異,盡量保證仿真準確度,應(yīng)該在仿真與理論建模中考慮到這些寄生參數(shù)的影響。

圖4 考慮寄生參數(shù)的BUCK+半橋多路輸出變換器電路圖

實際工程電路中由于寄生參數(shù)影響,具有更大阻尼特性[14],在各個諧振頻率點沒有明顯的諧振峰,相位平緩下降,沒有劇烈的變化發(fā)生。

而仿真與理論計算的結(jié)果由于沒有考慮到寄生參數(shù)的阻尼作用,在各個諧振頻率點有較明顯的諧振峰和劇烈變化的相位[15]。

如表3所列,寄生參數(shù)主要包含開關(guān)器件的等效導(dǎo)通電阻與電容的ESR這兩大類參數(shù)。其中開關(guān)器件的等效導(dǎo)通電阻根據(jù)電路穩(wěn)態(tài)時流過開關(guān)器件的電流與器件Datasheet提供的伏安特性曲線近似計算得到,注意由于開關(guān)器件的非線性特性,這些導(dǎo)通電阻的值不是固定不變的,一般隨著流過器件的電流(器件兩端的電壓差)增加而減小。對于電容ESR,根據(jù)電容型號對應(yīng)的Datasheet可以得到其ESR取值范圍,不過一般這些Datasheet給出的ESR都是最大值,其值達到幾歐姆,所以這里根據(jù)不同類型的電容通常ESR值得到這里的各電容ESR值。

表3 BUCK+半橋多路輸出變換器的寄生參數(shù)

然后,在仿真與建模中考慮了相關(guān)寄生參數(shù)后,可以讓仿真與理論建模的結(jié)果非常的接近工程實際電路的實測結(jié)果,考慮寄生參數(shù)后的BUCK+半橋電路仿真與理論建模如圖5所示。

圖5 主電路Gvd的實際測量結(jié)果與考慮寄生參數(shù)的仿真與理論結(jié)果

4 電源主要技術(shù)指標

本文研制的BUCK+半橋電源的主要技術(shù)指標,經(jīng)測試結(jié)果如下:

輸出功率:≤168 W

滿載效率:≥91%

相位裕度:45°

熱真空試驗數(shù)據(jù)如表4所列。

表4 熱真空試驗數(shù)據(jù)

產(chǎn)品進行1×10-3Pa熱真空試驗,溫度范圍為-35 ℃～+70 ℃,循環(huán)次數(shù)為3.5個循環(huán),通過拉偏輸入電壓對母線電流、輸出電壓、輸出電壓、母線電流以及相關(guān)遙測測試數(shù)據(jù)判斷產(chǎn)品環(huán)路穩(wěn)定。

產(chǎn)品基于UC1825L運放構(gòu)建的PID控制器與理論PID模型差異太大,所以會使得理論設(shè)計的控制器參數(shù)失效。這里選擇外接運放構(gòu)建PID控制器,實現(xiàn)電路的閉環(huán)調(diào)節(jié)。UC1825L自身的運放作為跟隨器,將外接運放的輸出控制信號傳遞到UC1825L內(nèi)部的PWM比較器之中。外接運放選擇LM124(增益帶寬積1MHz)作為誤差放大器配置PID補償網(wǎng)絡(luò)。

根據(jù)建立的主電路控制對象模型設(shè)計的一組控制器參數(shù)如表5所列,注意其中的極點從設(shè)計的23 kHz移動到68 kHz處。

表5 設(shè)計的PID控制器零極點參數(shù)取值

這里采樣網(wǎng)絡(luò)仍然采用產(chǎn)品的采樣網(wǎng)絡(luò)參數(shù)值。則根據(jù)其余補償網(wǎng)絡(luò)的阻容值并進行選型得到各元件最終的參數(shù)如表6所列。

表6 補償網(wǎng)絡(luò)無源器件的參數(shù)值

根據(jù)上述設(shè)計流程,設(shè)計的一組參數(shù)理論補償效果如圖6(a)所示,截止頻率約為5.36 kHZ,相位裕度46.76°。在產(chǎn)品上驗證的結(jié)果如圖6(b)所示,截止頻率約為4.54 kHz,相位裕度約為43.5°?？梢钥吹嚼碚撛O(shè)計的補償效果與仿真以及實際得到的補償效果基本相近。

圖6 設(shè)計控制器的理論補償效果與實際補償效果

5 總結(jié)

文章對BUCK+半橋多路輸出電源的環(huán)路建模與優(yōu)化進行了研究,采用開關(guān)網(wǎng)絡(luò)平均建模法分別建立前級BUCK電路和后級半橋電路的平均開關(guān)模型,將理論計算模型與仿真和實驗測量模型進行對比,通過分析理論模型與實際模型存在的差異,在理論模型中進一步考慮寄生參數(shù)的影響,最終可以建立與電路實際模型基本一致的理論模型。并依據(jù)該設(shè)計方法對項目電路設(shè)計了一組調(diào)節(jié)器參數(shù)使用外接運放作為控制器對參數(shù)設(shè)計進行驗證,最后通過實驗驗證了控制參數(shù)設(shè)計的合理性,可以有效降低星載電源系統(tǒng)的不穩(wěn)定性,更加可靠的適用于星載條件的工作場合。