航天器DC/DC变换器启动特性建模分析研究

2010-01-08孟宪会熊晓英

航天器工程 2010年1期

孟宪会何宇熊晓英

(北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

1 引言

我国星载设备中,大多采用滤波器模块加DC/DC 变换器的形式作为与供配电设备的接口。在实际使用中发现,某些设备加电时会产生上升很快的瞬时浪涌电流甚至造成故障。根据DC/DC 变换器产品手册以及相关论文,负载设备的浪涌电流主要是DC/DC 变换器引起,在型号试验中也可以验证这一点[1-2]。文章结合型号实际,以单管正激型DC/DC 变换器MHF +2805S 为例进行了浪涌电流的机理分析和计算公式推导,建立了启动瞬间的仿真模型,并通过试验验证了仿真模型建立的有效性,这种仿真模型可应用于类似拓扑结构的DC/DC 变换器浪涌电流抑制相关的仿真分析中。

2 浪涌电流产生机理分析

2.1 DC/DC变换器工作原理分析

我国星载设备中,供配电设备与负载设备常用供电接口通常为:供配电设备提供供电母线的正负线,供电母线首先连接到供电控制开关,供电控制开关在配电器内部(有时在负载设备内部);然后经过星上供电电缆,连接到负载设备端。供电正线连接过流保护电路,过流保护电路一般采用熔断器,其作用在于防止后面负载短路造成整星短路。过流保护电路后面连接设备负载电路,一般设备会采用滤波电路,保证设备EM C 特性;后面增设DC/DC 变换器,提供其他形式的电压[3]。

在型号研制过程中,曾出现设备开机浪涌电流过大而使继电器触点粘连的质量问题。其中涉及的DC/DC 变换器型号为MHF +2805S(Interpoint 公司),其主要特性如表1 所示。

表1 MHF+2805S主要特性Table 1 Main characteristics of MHF+2805S

MHF +2805S 的内部原理框图如图1 所示。该变换器为单端正激变换器,内部由输入滤波器、变压器、脉宽调制PWM 控制电路、输出滤波电路及反馈电路组成。模块特点是主输入输出功率回路隔离,内部变压器磁通只在单方向变化,变换器在开关管导通时将电源能量通过变压器直接送负载[4]。

图1 DC/DC 变换器MHF+2805S 的原理框图Fig 1 Schematic diagram of a DC/DC converter MHF+2805S

正常情况下,变换器采用继电器作为控制开关,因此可以将其上电过程视为阶跃电压输入。

DC/DC 电源模块加电后,输入滤波电容开始充电,直到电容积聚到足够能量(建立起稳定门槛电压12V),在此期间,脉宽调制电路(Pulse Width Modulation Controller)无法工作,主功率开关管均处于截止状态,即DC/DC 输入电流等于滤波电容充电电流;由此可见,DC/DC 变换器加电瞬间的阻抗特性取决于其内置输入滤波器的参数[5]。

当电容能量积聚到足够能量后(建立起稳定门槛电压12V),脉宽调制电路开始工作,控制开关管导通,模块输出电压从零开始逐渐增加;等到输入滤波电容逐渐建立起稳定的额定输入电压后,输出电压才能稳定到额定值,此后模块以550kHz 的工作频率正常工作[6]。

通过试验可以验证模块的启动过程。图2 为MHF+2805S 启动瞬间输入浪涌电流及输出电压测量电路图及波形图, 用27V 直流稳压电源连接DC/DC 变换器MHF +2805S,用继电器2JB0.5 作为控制开关,电流探头规格为0.1V/A;继电器闭合瞬间,模块的瞬间启动波形如右图所示,其中CH1为模块输入浪涌电流,CH2 为模块输出电压波形。从图中可以看出输入浪涌电流产生4ms 后,输出电压才由零逐渐增加到额定电压+5V,证明图1 中的主功率开关管在浪涌电流产生时并没有工作,待到输入滤波电容积累到一定能量(达到门槛电压)时,脉宽调制电路开始工作,控制开关管导通,模块输出电压从零开始逐渐增加到5V 额定电压。

图2 MH F+2805S 启动浪涌电流及输出电压测量电路图及波形图Fig 2 Schematic diagram of an inrush current measuring circuit and oscillogram of a MHF+2805S

以上分析和试验证明了DC/DC 变换器输入端的LC 滤波器参数决定了其在开启瞬间的输入阻抗特性,模块的输入浪涌电流等于输入滤波器电容的充电电流,往往在最开始的时间振幅最大。

2.2 浪涌电流产生机理分析

从2.1 节图1 可以看出MHF +2805S 内部输入端滤波器为常用LC 滤波器,考虑导线线阻、电感内阻以及电容等效ES R(三者之和等效为R),这是一个典型的二阶系统。其输入滤波器原理图如图3左图所示,对此二阶系统采用拉普拉斯变换后进行分析,那么其对应的S 域电路如图3(右图)所示。

图3 内置滤波器结构图及对应的S 域电路图Fig.3 Schematics of the input filter structure

变换器输入滤波器的S 域闭环传递函数为

其中:L 为时域中滤波器的电感值;C 为时域中滤波器的电容值;φ(S)为S 域闭环传递函数;R(S)为S 域输入函数;C(S)为S 域输出函数;时域中的L 变到S 域中成为LS ;时域中的C 变到S域中成为1/CS 。

这是一个典型的二阶系统,其阻尼比[7]

将变换器参数C =2μF , L =5μH 代入得

其中:R 为考虑导线线阻、电感内阻以及电容等效ES R(三者之和等效为R)

一般情况下, R ＜＜3.2 Ω,因此0 ＜ξ＜1 ,该系统为欠阻尼系统。当输入端继电器闭合,相当于在滤波器输入端增加了一个阶跃输入电压,此二阶系统相应的阶跃响应为衰减振荡过程。

阶跃输入电压的时域方程为

其中:R(t)为阶跃输入电压的时域公式;U 0 为阶跃输入电压的幅值;ε(t)为单位阶跃函数。

利用拉普拉斯变换可以得到其S 域方程:

其中:R(S)为阶跃输入电压R(t)的S 域公式;时域中的单位阶跃函数ε(t)变到S 域中成为S 。由此可得滤波电容充电电流的计算公式:

根据电路分析中一些常用函数的拉氏变换表[8]

其中, f(t)为时域中时间变量t 的正弦振荡函数;ω为正弦函数的角速度;e、a为常数;F(S):时域中的正弦振荡函数f(t)变到S 域中成为F(S);i(t):浪涌电流的时域表达式;I(S):浪涌电流的时域表达式i(t)变到S 域中成为I(S)。

可以解出浪涌电流的时域表达式:

从上述公式可以看出,随着时间t 的增大,电容电流也呈衰减振荡的趋势。此公式可应用于单端正激拓扑结构的DC/DC 变换器,其中,决定了浪涌电流衰减的趋势,决定了浪涌电流正负振荡的趋势。令则可以求出浪涌电流在不同时间段的极值,其中最大的极值就为浪涌电流幅值。

图4 为MHF+2805S 在空载时的浪涌电流测量示意图及实测波形图,可以看出浪涌电流衰减振荡的趋势,其中实测浪涌电流波形幅值为17A,持续时间为10μs。

图4 MHF+2805S 启动瞬间输入电流测量电路图及波形图Fig.4 Diagram of inrush current measuring circuit and oscillogram of a MHF+2805S

由此可见,单管正激拓扑结构的DC/DC 变换器中,内置输入滤波器构成了二阶欠阻尼系统,当有阶跃电压输入时,滤波电容的充电电流便会衰减振荡,构成了浪涌电流产生的根本原因。

3 DC/DC 变换器启动特性的建模

3.1 DC/DC变换器启动瞬间数学模型的建立

通过以上分析可以看出,DC/DC 输入端的LC滤波器决定了其在启动瞬间的输入阻抗特性,因此在DC/DC 启动特性的仿真分析中,可以利用滤波器参数代替DC/DC。

L、C 的值可以从DC/DC 变换器说明手册中获得, L =5μH ,C =2μF ;

R 值的获取较为困难,此处采取试探法,通过调整R 值的大小,利用实测浪涌电流波形与仿真所得波形进行比对,最后确定MHF+2805S 内置滤波器中R 为0.3Ω。

在第2 节分析中,已经建立了DC/DC 变换器启动瞬间的数学仿真模型,为R、L 、C 串联模型,此处确定了数学模型参数大小。

3.2 仿真软件的选取

在电力电子仿真领域中,可选用的仿真软件较多,例如Saber、Pspice、M atlab 以及Psim 等;其中Saber 仿真软件以其仿真速度快、能力强、模型更加有效以及应用更加广泛而著称。

Saber 是美国Analogy 公司开发,并于1987年推出的模拟及混合信号仿真软件,被誉为全球最先进的系统仿真软件,也是唯一的多技术、多领域的系统仿真产品。Saber 可同时对模拟信号、事件驱动模拟信号、数字信号及模数混合信号进行仿真,应用领域广泛,包括电子学、电力电子学、电机工程、机械工程及控制系统等。只要仿真对象能用数字表达式进行描述,Saber 就能对其进行系统级仿真。

此处选择Saber 软件进行仿真。

3.3 DC/DC变换器启动瞬间仿真模型的建立及仿真结果验证

利用脉冲电源代替供电电源和继电器开关,用以产生一个阶跃输入电压。

利用R、L 、C 串联模型代替DC/DC,用于其启动特性的仿真。

图5 为MHF +2805S 启动特性仿真图形。如图所示,设置脉冲电源20ms 延时输出,仿真步长设置为1μs;脉冲电源高电平为27V、低电平为0V、脉冲周期为1s(第一个高电平有效)。

仿真结果如图5 所示,仿真浪涌电流幅值为15A,持续时间为10μs。浪涌电流仿真波形与图4中实测波形非常类似,说明原始电路仿真模型的建立是有效的。

图5 MHF+2805S 启动特性的仿真图形及仿真结果Fig.5 Simulation diagram and results of a MHF+2805S'start characteristics

4 仿真模型在浪涌电流抑制中的应用

4.1 增加限流电阻

在DC/DC 变换器供电输入端之前增加限流电阻,通过延长DC/DC 变换器内滤波电容的充电时间减缓了输入电压建立的时间,从而达到抑制浪涌电流的目的。

可以通过此模型确定限流电阻的参数。

增加5Ω限流电阻后的仿真模型如图6 所示,这种电路可以有效地增加输入电压建立时间。仿真结果如图6 所示,其浪涌电流幅值约为4.4A。

图6 增加限流电阻后DC/DC 变换器启动特性的仿真图形及仿真结果Fig.6 Simulation diagram and results of start characteristics of a MHF+2805S added to a resistor

从仿真分析中可以看出限流电阻越大,浪涌电流幅值越小。但是采用限流电阻方式要考虑到在限流电阻上的压降以及限流电阻产生的功耗。因此,这种方法只能应用于小功率的场合,在大中功率的场合会产生限流电阻功耗较大等负面影响。

4.2 增加缓启动电路

根据DC/DC 变换器加电时间越长,产生的浪涌电流越小的特点,可考虑在变换器前增加缓起电路的方式来延缓模块电压建立时间。其中的一种电路如图7 所示。[9]

图7 缓启动电路结构图及各点工作电压波形图Fig.7 Schematics of a delayed start circuit and main oscillograms of the circuit

此电路采用绝缘栅型电力金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect T ransistor, M OSFE T)加电导通时间来延缓DC/DC 变换器的加电时间。该电路的工作原理如下:加电瞬间,N 沟道增强型场效应管(NM OS)门极电压为零,处于截止状态,此时N MOS 管漏极源极两端电压为电源电压;电源通过电阻R1给电容C1充电,充电时间常数为R1C1,NM OS 管门极电压由零逐渐升高,漏源极两端电压逐渐降低,直至导通,从而使得DC/DC 变换器输入端电压从零逐渐升高到27V[10]。其中,MOS 管即可以放在电源正线输入端也可以放在电源负线输入端,两种方法效果相同,此处将M OS 管放在负端。可以根据负载电流、允许的浪涌电流、所需延迟时间等要求初步确定NMOS 型号及各元器件参数。

根据以上电路可以建立加缓启动电路后的DC/DC 变换器启动特性仿真模型,如图8 所示。

仿真结果如图8 所示,上下波形分别为模块输入端的启动电压、启动电流的波形图。从图中可以看出,变换器输入端的启动电压从零逐渐上升到27V,启动电流也从零逐渐上升到0.15A,浪涌电流得到了很好的抑制。

增加缓启动电路的方法适用于大中功率场合。

5 结论

本文分析了单管正激型DC/DC 变换器的工作原理,并通过试验验证了该变换器的启动过程,分析及试验结果表明变换器内置输入滤波器决定了其启动瞬间的阻抗特性;在此基础上,文章提出了单管正激型DC/DC 变换器启动特性仿真模型的建立方法,通过仿真结果与试验结果的比较,证明了仿真模型建立的有效性。该仿真模型可以广泛应用于浪涌电流抑制的分析工作中。