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(duì)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(gè)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(gè)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?yàn)椴⒙?lián)工作的各個(gè)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(tái)或多臺(tái)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(dòng)的能力。
均流技術(shù)就是對(duì)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(tái)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(dòng)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(dòng)均流法和自主均流(或最大直流電源電流自動(dòng)均流)法等，其中自主均流法因其均流精度高，易于實(shí)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(dòng)態(tài)性能。而目前采用的自主均流法在動(dòng)態(tài)過程中的均流效果并不理想，均流過程中會(huì)出現(xiàn)直流電源電流瞬時(shí)過沖，觸發(fā)保護(hù)直流電源電路設(shè)計(jì)誤動(dòng)作，因此需對(duì)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(dòng)態(tài)性能。
2 改進(jìn)式自主均流
所謂自主均流法，實(shí)質(zhì)上也是主從直流電源模塊均流法，即在n個(gè)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(dòng)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(shí)現(xiàn)冗余，不會(huì)因某個(gè)直流電源模塊的故障而影響整個(gè)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(gè)直流電源模塊的均流誤差信號(hào)和參考直流電源電壓信號(hào)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(shí)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(duì)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(hào)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(cè)直流電源電壓相比較產(chǎn)生直流電源電壓誤差信號(hào)，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(gè)直流電源電流，從而實(shí)現(xiàn)了各個(gè)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(duì)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(dòng)：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(dòng)態(tài)響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)來改善整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。第二，把均流調(diào)節(jié)器輸出的均流誤差信號(hào)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(hào)和直流電源電壓誤差信號(hào)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(dòng)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(hào)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(duì)大功率雷達(dá)直流電源采用的全橋變換器拓?fù)?，利用改進(jìn)式均流控制方法設(shè)計(jì)均流控制直流電源電路設(shè)計(jì)，驗(yàn)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(jì)是一個(gè)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(hào)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(jì)
對(duì)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(duì)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(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。當(dāng)這兩個(gè)環(huán)的增益相交時(shí)，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(dòng)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(jì)簡(jiǎn)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(gè)環(huán)路的交越頻率要錯(cuò)開，以減小各個(gè)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(jì)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(hào)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(hào)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(dòng)量、電感電流的擾動(dòng) 量、占空比的擾動(dòng)量;參考電壓K為常量且擾動(dòng)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(gè)小電容來減少干擾。
4 仿真分析
本文設(shè)計(jì)了3臺(tái)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(tái)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(duì)并聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。圖5為未加均流控制時(shí)，三個(gè)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(shí)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(shí)均流誤差為11％ ，超出均流誤差所允許的5％ 的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。采用本文設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)的每個(gè)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(dòng)態(tài)過程中可能出現(xiàn)的過流現(xiàn)象，系統(tǒng)瞬時(shí)響應(yīng)很快，具有很好的動(dòng)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(shí)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(gè)直流電源模塊均勻分擔(dān)，動(dòng)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(shí)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(hào)模型，設(shè)計(jì)了大功率開關(guān)直流電源的均流直流電源電路設(shè)計(jì)并進(jìn)行了仿真驗(yàn)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(dòng)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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