潜艇自动操舵系统电源研究

方宁张明徐望王小东严雷方臣富

（1.上海交通大学上海200240）（2.海军九〇二厂上海200083）（3.江苏科技大学镇江212003）

潜艇自动操舵系统电源研究

方宁1，2张明1徐望2王小东2严雷3方臣富3

（1.上海交通大学上海200240）（2.海军九〇二厂上海200083）（3.江苏科技大学镇江212003）

自动操舵系统电源是潜艇最重要的设备之一，其主要作用是将潜艇上220V/400Hz交流转换为多路连续输出的27V直流，并分配供给自动操舵系统。自动操舵系统工作的可靠性对保障潜艇上浮、下潜以及按预定航向航行具有关键作用。论文采用单端正激高频逆变功率变换单元为主电路，采用有源钳位磁通复位技术和PFM控制模式构建恒压输出闭环控制电路，并进行逆变功率变换主电路的冗余设计以及电源功能模块化和模块热插拔设计，实现了功率变换和输出恒压闭环控制。试验表明，研究的潜艇自动操舵系统电源结构简单、操作方便，开关损耗小、能效高，电源输出电压稳定、工作可靠性高，完全满足潜艇对输出电压质量和可靠性要求。

潜艇；自动操舵；电源；逆变；功率变换

Class NumberU664.3

1 引言

自动操舵系统电源是潜艇自动操舵系统的供电装置，对工作可靠性、电磁兼容性及环境适应性要求特别高，因为潜艇自动操舵系统电源出现故障，潜艇就不能正常工作，立即丧失训练和作战能力。我国引进潜艇服役时间延长，元器件逐渐老化、性能下降和部分元器件损坏失效，引起自动操舵系统操舵性能下降、发生故障频率增加。引进潜艇自动操舵系统电源没有引进备品，因此迫切需要研制能够完全替代的潜艇自动操舵系统电源。

潜艇自动操舵系统电源按照要求必须与原装电源完全互换，即机箱结构可与原装电源机箱完全整体替换，研制的功能模盒能够完全与原装功能模盒完全互换；输入输出电气技术参数及电气功能特性、EMC特性、温度特性和振动特性等与原装电源一致。本文根据潜艇自动操舵系统对电源参数和可靠性要求，采用单端正激高频逆变电路拓扑、有源钳位磁通复位技术实现电能变换，主电路拓扑结构简单、电能变换效率高；采用PFM闭环控制模式构成恒压闭环控制系统；采用电路冗余设计，电路功能模块化和模块热插拔设计提高电源可靠性，从而保证某个电路功能模块发生故障时，电源仍然能够继续向潜艇自动操舵系统供电并可及时带电更换电路功能模块，从而为潜艇作战训练提供可靠保障。

电源主要由十个功能模盒组成，内部为上下两层完全对称布局的双通道结构。每个通道包括交流配电及保护功能模盒A；变换功能模盒B1、B2；两个直流配电及保护功能模盒C1、C2，两个通道分上下两层，从左到右分别为变换功能模盒B2、直流配电及保护功能模盒C1、交流配电及保护功能模盒A、直流配电及保护功能模盒C2和变换功能模盒B1。

2 单端正激高频逆变功率变换器

2.1 功率变换器主电路设计

潜艇自动操舵仪电源应必须体积小，且密封在一个金属空壳内，只能依靠传导散热的设计要求，功率变换器采用如图1所示的单端正激高频逆变电路拓扑结构。逆变电路由高频变压器T1、功率开关管Q1、钳位开关管QC、钳位电容CC组成，Dq1和Dqc分别为功率开关管Q1和钳位开关管QC的体二极管，谐振电容Cr为功率开关管Q1和钳位开关管QC的输出等效电容［1-3］。如图1所示，设计的电路拓扑结构简单，功率器件较少，且只需一路驱动电路，便于安装，减少功耗［4］。

功率开关管Q1在驱动脉冲作用下开通时，通过高频变压器T1向负载提供电能；功率开关管Q1关断后，首先由负载电流向谐振电容Cr充电，当谐振电容Cr电压达到输入电压时，高频变压器T1原边电压过零，励磁电感与谐振电容Cr谐振，当谐振电容Cr电压达到输入电压与钳位电容电压之和时，钳位开关管QC的反并联二极管Dqc导通，钳位电容电压作为负电压加在高频变压器T1原边，高频变压器T1励磁电感电流线性下降，高频变压器T1磁芯复位，在反并联二极管Dqc导通的时候，零电压开通钳位开关管QC，高频变压器T1可以在钳位电容电压作用下反向励磁［5，6］。钳位电容CC在钳位开关管QC的反并联二极管Dqc导通时处于充电状态，在钳位开关管QC导通后处于放电状态，因此钳位电容CC的两端电压具有浮动性，可以实现双向对称磁化［7］。逆变电路将直流电逆变后得到高频方波交流电，经高频变压器T1降压，再通过由副边MOSFET管D1，MOSFET管D2，输出电感L0，输出滤波电容C1整流滤波后，得到所需的直流电。

如图2所示，设计的单端正激高频逆变功率变换电路的一个工作周期可分为八个运行阶段：1）主功率开关管Q1零电压开通，电能通过高频变压器T1传递到负载；2）Q1零电压关断，谐振电容Cr充电到Uin；3）Cr充电到Uin+VCc，钳位开关管Qc的集射极压降VQc被钳位到零；4）钳位电容CC通过Dqc导通充电；5）钳位开关管Qc零电压开通，CC放电；6）QC钳位开关管Qc零电压关断，Q1的管压降VDS1谐振到Uin；7）VDS1谐振到零；8）功率开关管Q1的体二极管Dq1导通，Q1零电压开通。

2.2 功率变换器PFM闭环控制设计

采用UC3864集成控制芯片为核心组成如图3所示的PFM闭环控制电路实现对电源输出功率和特性控制。脉频调制电路工作频率最大值fmax为240kHz、最小值为fmin为50kHz。PI调节电路的输出信号送到UC3864的2脚，也即误差放大器的正相输入端。实际应用时UC3864的3脚和4脚相连，通过改变2脚的电位，即改变了误差放大器的输出，误差放大器的输出控制压频振荡器的输出频率，即通过改变2脚电压值调节输出脉冲的频率，进而改变占空比而调节输出电压。当PI调节信号增大时，UC3864输出的PFM信号频率提高，输出脉冲信号占空比增大，输出电压升高；当PI调节信号减小时，UC3864的输出信号频率减小，输出脉冲信号占空比减小，输出电压降低［8］。因此，无论由于何种原因引起输出电压发生变化，都可以通过PFM闭环控制电路使输出电压稳定到设定值。

PFM控制系统还具有完善的保护电路、软启动电路和重新启动电路等。当出现故障时，芯片的两个输出端将被拉成低电平，输出被封锁，起到保护作用。软启动电路使开机时输出脉冲由零缓慢增加，使输出电压逐渐升高到设定值。通过在UC3864的16脚外接电容C6，可以实现软启动功能和重新启动功能［9］。

在不同的PI调节信号情况下，测试了UC3864输出的不同频率脉冲波形，测试的波形如图4所示。随着UC3864的2脚电位的升高，输出脉冲的频率增加，占空比增加，输出电压升高。

3 单端正激高频逆变功率变换电路冗余设计

采用电路冗余技术，使两路电源模块同时向负载供电，与多重故障检测和保护措施相配合，从而大大提高了电源工作的可靠性［10～11］。冗余电源模块阵列中的各电源功能模盒具有热插拔特性，可以带电拆卸、安装和维修。

如图5所示，本文设计的电源设置了两个完全相同的Uo变换与分配通道，它们互为备份，由中央控制台设置的通道开关切换。两个交流配电与保护功能模盒同时给两个通道供电。工作原理分析如下：

通道1和通道2互为两个独立的电源；每一个通道由一个交流配电及保护电路功能模盒A、两个电源变换功能模盒B1、B2和一个直流配电及保护功能模盒C组成，通道2的工作原理与通道1的工作原理完全相同；通道1中的交流配电及保护电路功能模盒A给通道1中的电源变换功能模盒B2和B1的a路供电。通道2中的交流配电及保护电路功能模盒A给通道1中的电源变换功能模盒B2和B1的b路供电；通道1中的电源变换功能模盒B2的a1路和b1路并联输出，电源变换功能模盒B2的a2路和b2路并联输出；通道1中的B2输出经C1变为8路Uo输出，B1输出经C2变为8路Uo输出。

研制电源的电路冗余原理和工作过程分析如下（以通道1为例说明）：通道1中所有元部件均无故障，输出16路Uo直流电；如有一个A故障，会影响B2和B1功能模盒的a路供电，此时仍有16路Uo输出；如B2功能模盒中有一路DC-DC前端1故障，会影响A功能模盒中1-1和1-2路供电，但输出仍为16路27V直流电；如B2中有一个DC-DC（1-1）故障，会影响B2中DC-DC（1-1）路输出，但输出仍为16路27V直流电；如有一个DC-DC功能模盒B1（2-1与2-2或1-1与1-2）故障，输出仍为16路Uo直流电；如有一个DC-DC功能模盒B1（1-1与2-2或1-2与2-1）故障，输出仍为16路Uo直流电；如有一个DC-DC功能模盒B1（1-2与2-2或1-1与2-1）故障，输出为12路Uo直流电，其中功能模盒C1输出8路Uo，功能模盒C（2）输出4路Uo，4路无输出，同时功能模盒C2产生故障信号到中央控制台；如有一个直流配电及保护功能模盒（C2）故障，输出为12路27V直流电，功能模盒C1输出8路27V；功能模盒C2输出4路27V，4路无输出，同时C2产生故障信号到中央控制台。

4 潜艇自动操舵系统电源EMC设计

4.1 输入交流滤波电路设计

交流配电路（保护功能模盒A功能模盒）EMC原理如图6所示。图中是EMC技术核心。EMC电路由两个共模电感L1、L2，六个共模电容C1、C2、C3、C4、C5、C6以及两个瞬态电压抑制TVS1、TVS2组成。两个共模电感L1、L2能有效地抑制高次谐波电流信号干扰［12］，而六个共模电容C1、C2、C3、C4、C5、C6能有效过滤掉高次谐波电压信号，两个瞬态电压抑制TVS1，TVS2能有效起到“削平”尖峰电压的幅值［13］。这样实现了对电压、电流高次谐波信号有效的抑制，从而大大降低了共模输入噪声和对瞬态过压起到了有效保护作用［14］，将从输入端进入的较为“粗糙”的220V/400Hz交流电变为“洁净光滑”的220V/400Hz交流电输出，从而提高了电源的抗电磁干扰的能力。

4.2 输出直流滤波电路设计

直流配电路（直流配电及保护功能模盒C1、C2）EMC原理见图7，直流配电路（直流配电及保护功能模盒C1、C2）是由八路完全相同的电路组成，其中每一路所采用的EMC技术都完全相同。图中无源滤波网络是直流配电路（直流配电及保护功能模盒C1、C2）实现EMC技术的核心，EMC电路由八个共模电感L1-L8和八个差模电容C1-C8以及十六个穿心电容Z1-Z16组成［15］。通过这个无源滤波网络将从DC-DC变换器（变换功能模盒B1、B2）输出的27V直流电进一步的滤波处理，从而更进一步实现对27V直流电纹波的抑制，最大限度地提高电源的品质。

5 结语

1）潜艇自动操舵系统电源采用单端正激高频逆变电路，结构简单、开关损耗小、电能变换效率高，可提高电源可靠性；采用PFM闭环控制系统，实现了对电源输出功率和输出电压的控制。

2）潜艇自动操舵系统电源采用电路冗余设计，两路单端正激高频逆变功率变换电路（四块电源变换功能模盒）可同时输出功率和输出电压，只要一块电源变换功能模盒正常工作，便会继续输出功率和输出电压，从而大大提高了潜艇自动操舵系统电源工作可靠性。

3）潜艇自动操舵系统电源采用了EMC设计，在电源变换功能模盒前配置了交流滤波电路（交流配电及保护功能模盒），在电源变换功能模盒后配置了直流滤波电路（直流配电及保护功能模盒），从而大大提高了潜艇自动操舵系统电源抗电磁干扰能力。

［1］刘飞，韦克康，邵闻博，等.ZVS-PWM正激变换器有源钳位磁复位技术的研究［J］.通信电源技术，2008，25（1）：25-28.

［2］张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计［M］.北京：电子工业出版社，2004：106-136.

［3］Li Q，Lee F C.Large-signal transient analysis of forward converter with active-clamp reset［J］.IEEE Power electronics specialists conference，May，1998，29（1）：633-639.

［4］徐友慧，陈克选，刘晓风，等.单端正激逆变焊机电路的分析与设计［J］.电焊机，2014，44（9）：53-56.

［5］赵志英，龚春英，秦海鸿.高频变压器分布电容的影响因素分析［J］.中国电机工程学报，2008，28（9）：55-60.

［6］徐明，尹斌，周岩.ZVS PWM全桥变换器副边箝位电路研究［J］.电力自动化设备，2006，26（9）：43-46.

［7］钟炎平，赖向东，权建州，等.功率变压器中磁通的复位与平衡［J］.电工技术，2001（7）：10-11.

［8］陈宪彪，尹斌.一种基于UC3846的变频设计与应用［J］.信息通信，2012（1）：66-67.

［9］赵晨光，冯全源，王丹.一种PFM控制模式高效反激转换器的设计［J］.半导体技术，2014，39（9）：646-650.

［10］孙怀义.冗余设计技术与可靠性关系研究［J］.仪器仪表学报，2007，28（11）：2089-2092.

［11］郭玉俤，林周布.一种应用于直流电源的热替换与冗余新技术［J］.通信电源技术，2005，22（5）：45-47.

［12］戴宪滨，赵毅，李荣毅.电力系统中高次谐波的危害及其限制方法［J］.沈阳工程学院学报（自然科学版），2008，4（4）：327-329.

［13］王博，张秀青.电磁兼容技术及其在开关电源中的应用［J］.电源技术应用，2008（6）：31-34.

［14］区健昌.电子设备的电磁兼容性设计［M］.北京：电子工业出版社，2003.

［15］杨继深.穿心电容的应用［J］.安全与电磁兼容，2002（3）：41-41.

Power Supply for Submarines Automatic Steering System

FANG Ning1，2ZHANG Ming1XU Wang2WANG Xiaodong2YAN Lei3FANG Chenfu3
（1.Shanghai Jiao Tong University，Shanghai200240）（2.The 902 Factory of Navy，Shanghai200083）（3.Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang212003）

The sort of power supply for submarine automatic steering system is the most important equipment in the submarine.The main function is to convert 220V/400Hz AC to multiple continuous output 27V DC and distribute the DC to automatic steering system.The reliability of power supply is critical to guarantee that the submarine is floating，diving and sailing on a scheduled course.In this paper，single-ended forward high-frequency inverter power conversion main circuit and active clamp magnetic reset technology are adopted，closed-loop control system constituted is realized by adopting PFM modulation system to establish constant voltage output closed-loop control circuit，the redundancy technology，the power function modularization and the modularization hot swap design are adopted to realize power conversion and constant voltage output closed-loop control.The experiment results show that this system has simple structure，easy operation，small switching loss，high electrical-energy transform efficiency，steady output voltage and high reliability.It can meet the requirement of the submarine on the quality and reliability of the output voltage.

submarine，automatic steering，power supply，inverter，power conversion

U664.3

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.07.030

2017年1月3日，

2017年2月19日

方宁，男，工程师，研究方向：电气工程自动化。张明，男，硕士研究生，高级工程师，研究生学历，研究方向：电力系统自动控制。徐望，男，硕士研究生，高级工程师，研究方向：导航仪器控制技术。王小东，男，工程师，研究方向：自动化。严雷，男，硕士研究生，研究方向：电力电子技术。方臣富，男，教授，博士生导师，研究方向：电力电子技术。