雷達(dá)大功率直流電源并聯(lián)均流技術(shù)的研究
2017-6-20 10:53:31??????點(diǎn)擊：
1、引言
隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)對直流電源功率的要求越來越高，但受電力電子器件性能的限制，單個開關(guān)直流電源模塊的輸出功率往往不能滿足要求。采用多個直流電源模塊并聯(lián)運(yùn)行輸出大功率是目前雷達(dá)直流電源技術(shù)發(fā)展的重要方向。
然而，一般情況下不能將直流電源模塊直接并聯(lián)，因為并聯(lián)工作的各個直流電源模塊特性并不一致，外特性好的直流電源模塊，可能承擔(dān)更多的負(fù)載直流電源電流，甚至過載，而某些外特性差的直流電源模塊運(yùn)行于輕載，甚至基本上空載運(yùn)行。結(jié)果熱應(yīng)力分配不均，極易損壞，降低了系統(tǒng)的可靠性。為防止一臺或多臺直流電源模塊運(yùn)行在直流電源電流極限狀態(tài)，必須采取有效的控制措施，能夠?qū)崿F(xiàn)直流電源模塊并聯(lián)運(yùn)行過程中直流電源電流的均勻分配，從而保證各直流電源模塊間直流電源電流應(yīng)力和熱應(yīng)力的均勻分配，并提高輸出直流電源電壓抗負(fù)載擾動的能力。
均流技術(shù)就是對系統(tǒng)中各并聯(lián)直流電源模塊的輸出直流電源電流加以控制，盡可能的均分系統(tǒng)輸出總直流電源電流，確保多臺直流電源模塊可靠運(yùn)行的一種特殊措施。均流的重要性在于優(yōu)化瞬變和動態(tài)響應(yīng)，減輕熱處理負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)可靠性。目前主要的均流方法有輸出阻抗法、主從均流法、平均直流電源電流自動均流法和自主均流(或最大直流電源電流自動均流)法等，其中自主均流法因其均流精度高，易于實現(xiàn)冗余的優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用。在雷達(dá)直流電源中，由于負(fù)載突變范圍大，要求直流電源系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能。而目前采用的自主均流法在動態(tài)過程中的均流效果并不理想，均流過程中會出現(xiàn)直流電源電流瞬時過沖，觸發(fā)保護(hù)直流電源電路設(shè)計誤動作，因此需對自主均流法進(jìn)行改進(jìn)。
本文介紹了傳統(tǒng)自主均流的原理，指出其存在的不足，然后通過改進(jìn)控制回路的結(jié)構(gòu)，采用改進(jìn)式自主均流策略，提高雷達(dá)直流電源的均流動態(tài)性能。
2 改進(jìn)式自主均流
所謂自主均流法，實質(zhì)上也是主從直流電源模塊均流法，即在n個并聯(lián)的直流電源模塊中，輸出直流電源電流最大的直流電源模塊，將自動成為主直流電源模塊，而其余的直流電源模塊則為從直流電源模塊。各從直流電源模塊的直流電源電壓誤差依次被整定，以校正負(fù)載直流電源電流分配的不均衡。采用這種方法可以較好的實現(xiàn)冗余，不會因某個直流電源模塊的故障而影響整個系統(tǒng)的運(yùn)行。
早期的自主均流法是直流電源電壓型均流控制，其工作原理如圖1所示：每個直流電源模塊的均流誤差信號和參考直流電源電壓信號一起注入到直流電源電壓誤差比較器中，通過控制輸出直流電源電壓實現(xiàn)均流。這種控制本質(zhì)上來講是直流電源電壓型的控制，它不具備直流電源電流型控制的優(yōu)點(diǎn)，而且均流環(huán)在直流電源電壓環(huán)之外，均流環(huán)的帶寬受帶寬很窄的直流電源電壓環(huán)的限制，不能對負(fù)載突變做出快速響應(yīng)。
目前常用的自主均流法是在圖1的直流電源電壓環(huán)內(nèi)添加直流電源電流環(huán)，通過直流電源電流誤差信號來調(diào)整直流電源電壓的基準(zhǔn)，此調(diào)整后的直流電源電壓基準(zhǔn)與直流電源模塊的檢測直流電源電壓相比較產(chǎn)生直流電源電壓誤差信號，經(jīng)過校正后作為直流電源電流基準(zhǔn)，輸出直流電源電流將跟隨這個直流電源電流，從而實現(xiàn)了各個直流電源模塊的均流控制 。但是，在該策略中，均流環(huán)仍在直流電源電壓環(huán)的外面，仍受直流電源電壓環(huán)的影響，不能對負(fù)載突變做出快速響應(yīng)。
改進(jìn)式自主均流法的原理如圖2所示，與圖1相比，改進(jìn)式自主均流法在控制結(jié)構(gòu)上作了以下改動：第一，在直流電源電壓環(huán)內(nèi)添加帶寬較寬的直流電源電流環(huán)，這樣可以利用直流電源電流內(nèi)環(huán)動態(tài)響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)來改善整個系統(tǒng)的動態(tài)性能。第二，把均流調(diào)節(jié)器輸出的均流誤差信號直接注入到直流電源電流調(diào)節(jié)器的正相輸入端，均流誤差信號和直流電源電壓誤差信號一起進(jìn)行直流電源電流調(diào)節(jié)。均流環(huán)與直流電源電壓環(huán)平行，其頻帶寬度不再受直流電源電壓環(huán)的限制，系統(tǒng)的動態(tài)均流效果得到進(jìn)一步的提高。第三，采集的直流電源電流信號是電感直流電源電流，屬于平均直流電源電流控制模式，具有很強(qiáng)的抗噪聲能力。
本文針對大功率雷達(dá)直流電源采用的全橋變換器拓?fù)洌酶倪M(jìn)式均流控制方法設(shè)計均流控制直流電源電路設(shè)計，驗證方案的可行性。
3 基于改進(jìn)式自主均流法的全橋變換器并聯(lián)系統(tǒng)
3．1 改進(jìn)式自主均流法系統(tǒng)分析
改進(jìn)式自主均流控制直流電源電路設(shè)計是一個三環(huán)控制系統(tǒng)，其中外環(huán)是直流電源電壓環(huán)，由直流電源電壓采樣器和直流電源電壓調(diào)節(jié)器組成；中間環(huán)是均流環(huán)，由二極管、均流母線CSB和均流調(diào)節(jié)器組成；內(nèi)環(huán)是直流電源電流環(huán)，由直流電源電流采樣器和直流電源電流調(diào)節(jié)器組成。由全橋變換器工作原理和三端開關(guān)器件模型法，可建立基于改進(jìn)式自主均流法的全橋變換器并聯(lián)系統(tǒng)的閉環(huán)小信號模型，如圖3所示。
3．2 改進(jìn)式自主均流控制系統(tǒng)的設(shè)計
對于圖2的均流控制方法，由平均直流電源電流模式控制理論可知，直流電源電流環(huán)作為直流電源電壓環(huán)的內(nèi)環(huán)，為了減小直流電源電流環(huán)引起的相移對直流電源電壓環(huán)的影響，應(yīng)取直流電源電流環(huán)的交越頻率遠(yuǎn)大于直流電源電壓環(huán)的交越頻率。在低頻域內(nèi)直流電源電壓環(huán)起主要作用，變換器表現(xiàn)為直流電源電壓源的特性，在高頻域內(nèi)直流電源電流環(huán)起主要作用，保證控制的快速動態(tài)響應(yīng)特性。當(dāng)這兩個環(huán)的增益相交時，相交處兩者的相位不能相反，以避免引起全體環(huán)路增益下陷而使系統(tǒng)不穩(wěn)定。在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，直流電源電流環(huán)的交越頻率盡量高，一般約為開關(guān)頻率的1／5～1／4，較高的直流電源電流環(huán)增益帶寬可以提高單直流電源模塊和多直流電源模塊并聯(lián)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng) 。而直流電源電壓環(huán)的穿越頻率必須低于直流電源電流環(huán)的穿越頻率，一般為直流電源電流環(huán)穿越頻率的1／10左右。
均流控制只要求各直流電源模塊輸出直流電源電流的直流值相等，所以為了控制系統(tǒng)的設(shè)計簡單，均流調(diào)節(jié)器采用比例環(huán)節(jié)，比例環(huán)節(jié)的增益要盡量地大，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，放大倍數(shù)越大越好。
根據(jù)多環(huán)控制理論，三個環(huán)路的交越頻率要錯開，以減小各個環(huán)路之間相互作用引起的不穩(wěn)定。全體環(huán)路增益Toverall和外部環(huán)路增益Touter要滿足相位裕度大于45。，增益裕量大于6dB，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
本文設(shè)計直流電源電流環(huán)、直流電源電壓環(huán)和均流環(huán)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫问揭妶D4。
圖中，為電流采樣增益為脈寬調(diào)制傳遞函 數(shù);為均流放大器的傳遞函數(shù);C?(s)為電壓放大器的 傳遞函數(shù);GJs)為電流環(huán)的電流放大器傳遞函數(shù)為 均流環(huán)輸出的誤差信號在電流環(huán)內(nèi)的傳遞函數(shù);為電 壓環(huán)輸出的誤差信號在電流環(huán)內(nèi)的傳遞函數(shù);心⑴為占空 比到輸出電壓的傳遞函數(shù);為占空比到輸出電流的傳 遞函數(shù)上、人、3各為輸出電壓的擾動量、電感電流的擾動 量、占空比的擾動量;參考電壓K為常量且擾動量。
由圖3可推導(dǎo)出全橋變換器中電壓傳遞函數(shù)G:(s),電 流傳遞函數(shù)為，電壓環(huán)的開環(huán)增益，電流環(huán)的開 環(huán)增益KU)均流環(huán)。
直流電源電流環(huán)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為
均流環(huán)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)采用比例調(diào)節(jié)器。由于均流母線很容易引入外界噪聲干擾，在均流環(huán)調(diào)節(jié)器的反饋電阻上并聯(lián)一個小電容來減少干擾。
4 仿真分析
本文設(shè)計了3臺全橋變換器并聯(lián)運(yùn)行，其參數(shù)為：輸入直流電源電壓Vin=270V，輸出直流電源電壓Vo=12V，輸出額定直流電源電流：Io=200A，開關(guān)頻率f=200kHz，主變壓器副邊原邊匝數(shù)比：n=1／10；輸出濾波電感Lf=5μH；輸出濾波電容Cf=470μF。假設(shè)三臺直流電源模塊的輸出電感附加電阻分別為0．001Ω、0．002Ω和0．003Ω。
采用MATLAB仿真軟件對并聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。圖5為未加均流控制時，三個全橋變換器直流電源模塊輸出直流電源電流波形。從圖中可以看出，穩(wěn)態(tài)時直流電源模塊1到直流電源模塊3的輸出直流電源電流分別為209A，202A，187A，此時均流誤差為11％ ，超出均流誤差所允許的5％ 的國家標(biāo)準(zhǔn)。采用本文設(shè)計的自主均流控制后，并聯(lián)系統(tǒng)中各直流電源模塊直流電源電流波形如圖6所示。穩(wěn)態(tài)時負(fù)載基本平均分布，輸出最大直流電源電流為201A，最小直流電源電流為198A，均流誤差只有1.5％左右，可見均流效果良好。
圖7為突加、突減25％額定負(fù)載時的每個并聯(lián)直流電源模塊的輸出直流電源電流波形。由仿真結(jié)果可以看出：負(fù)載突變過程中直流電源模塊的輸出直流電源電流差異很小，過沖在5A以內(nèi)，避免了動態(tài)過程中可能出現(xiàn)的過流現(xiàn)象，系統(tǒng)瞬時響應(yīng)很快，具有很好的動態(tài)均流效果。
圖8為并聯(lián)系統(tǒng)中某一直流電源模塊故障無輸出時各直流電源模塊輸出直流電源電流波形，由圖可見負(fù)載直流電源電流由另外兩個直流電源模塊均勻分擔(dān)，動態(tài)過程中系統(tǒng)能穩(wěn)定的工作。
5 結(jié)論
并聯(lián)直流電源模塊直流電源的均流技術(shù)是實現(xiàn)大功率機(jī)載直流電源系統(tǒng)的關(guān)鍵，也是其可靠工作的前提。本文介紹了改進(jìn)式自主均流法的工作原理，建立了基于改進(jìn)式自主均流控制方法的全橋變換器的小信號模型，設(shè)計了大功率開關(guān)直流電源的均流直流電源電路設(shè)計并進(jìn)行了仿真驗證。仿真結(jié)果表明所采用的均流控制方法可以保證并聯(lián)系統(tǒng)在各種情況下都能穩(wěn)定地運(yùn)行，且均流精度良好，動態(tài)響應(yīng)快，可應(yīng)用于機(jī)載雷達(dá)直流電源系統(tǒng)。
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