空间红外探测器用制冷驱动电路母线电流分析

2020-05-12金占雷徐丽娜李昊谦许云飞

激光与红外 2020年4期

吴南,金占雷,徐丽娜,李昊谦,许云飞,原娜

(北京空间机电研究所,北京 100094)

1 引言

空间红外遥感全天时工作的优点使其得到广泛的应用[1],红外探测器是空间红外遥感的核心器件,为了提高红外探测器性能,需要通过主动制冷降低探测器的工作温度,遏制探测器暗电流的产生和增大信噪比[2-5],随着红外探测器规模的日益增大对制冷的能力和精度提出了更高的要求。目前国内已有很多家单位进行了控制算法和硬件电路的研究[6],文献[7]、[8]建立了基于DSP的制冷控制系统；文献[9]建立了基于FPGA的斯特林制冷机控制系统；文献[10]总结了国内外制冷控制系统的研究进展,文中指出制冷机控制器效率最高可达到96 %,如何提高制冷控制的转换效率,是提高整个控制效率的重中之重的环节。研究制冷控制器各部分的电流及功耗并对功耗占比较大部分进行减功耗设计是大功率制冷控制器的重要研究内容,对于指导单机的热设计和小型化设计具有重要意义。

本文通过simulink对大功率制冷驱动电路母线电流进行仿真分析,研究参数变化对母线滤波电路功耗的影响,包括：①H桥电源电流仿真分析；②负载、调制度参数变化对母线电流影响分析；③母线滤波电容的电流趋势原因分析。

2 制冷驱动电路建模

制冷控制器是由完成红外探测系统内脉冲管制冷机驱动控制的电路单元、产生制冷控制器内部二次电源的DC/DC电源模块、温度反馈电路、驱动放大电路以及装载上述电路的结构体组成。制冷控制器的作用就是根据测温二极管反馈的温度信号和设定温度的差值调节电机驱动电源的幅值,驱动活塞按照规定的频率运动,从而实现对制冷量的控制,达到对冷指温度的调节和控制目的。如图1所示。

图1 制冷控制器工作原理框图Fig.1 Operating principle of refrigeration controller

脉管制冷机低温制冷由于温度低、功耗大,通常采用SPWM波控制H桥实现DC/AC变换。其中驱动电路采用经典的H桥式电路,图2中的两组MOSFET(F1,F4)和(F2,F3)轮流导通,以一定的频率驱动制冷机M1。为减少DC/AC高次谐波对制冷机的扰动及减小电磁波对外的辐射干扰,需要在DC/AC输出端放置低通滤波器滤除高次谐波。考虑滤波效果和能量效率,采用LC低通滤波电路。

图2 驱动电路简化模型Fig.2 Simplified model of driving circuit

SPWM的调制比ρ定义为：

(1)

其中,US为sin调制波幅值;UT三角载波幅值。

假定负载M1为纯电阻RM1。设定UC1～UC3为电容C1～C3(C1～C3电容均为86 μF)两端的电压,IC1～IC3为C1～C3的电流,IL1～IL3为L1～L3(L1～L3电感为100 μH)的电流,IF1～IF4为F1～F4(F1～F4的导通内阻均为0.028 Ω)的电流,IM1为流过M1的电流。基于以上条件开展仿真分析。

3 驱动电路仿真分析

3.1 H桥电源电流仿真分析

图2中两组MOSFET(F1,F4)和(F2,F3)轮流导通,IH为H桥电源的电流,因此:

IH=IF1+IF3

(2)

由H桥的工作原理可知:

IF1=IF4

(3)

IF2=IF3

(4)

因此,IH出现了倍频,即IH频率是IM1频率的2倍。

针对SPWM调制比ρ=1、RM1=5 Ω的情况进行仿真,结果如图3所示。可以看出,输出滤波电感上的电流为:

IL2=IC2+IM1

(5)

IF1与IF3相位差180°(0.01 s),H桥电源电流为IH=IF1+IF3,母线电源电流IL1为IH的低频分量,母线滤波电容电流IC1为IH的高频分量:

IH=IL1+IC1

(6)

(a)UC2

(b)IM1

(c)IC2

(d)IL2

(e)IF1

(f)IH

(g)IL1

(h)IC1

3.2 负载RM1、调制度ρ变化对IL1、IC1的影响分析

进一步分析IH、IL1、IC1,由H桥的工作原理可知,对于任意ρ,在SPWM的最大占空比α满足：

α=(1+ρ)/2

(7)

将图3的IH局部放大如图4所示,对比图3(b)、(d)和图4可知：

IH极大值≈-IH极小值≈IL2极大值≈IM1极大值

(8)

IH在极值处一个载波周期(50 ns)内的平均值,即IL1极大值可以表示为:

IL1极大值≈IH极大值α+IH极小值(1-α)

=IH极大值(2α-1)

=ρIH极大值≈ρIM1极大值

=1.414ρIM1有效值

(9)

图4 IH局部放大图Fig.4 Partial enlarged drawing of IH

在IL1的非极大值位置也可以用相同方法进行瞬时值的计算,由图3(g)可以看出,IL1近似为直流量加上输出波两倍频率(100 Hz)的正弦,IL1均值和IL1有效值可以分别表示为：

(10)

=0.612IL1极大值

H6：品牌创新能力对新疆农产品品牌竞争力有正向影响，即新疆农业发展的技术创新能力、管理创新能力、形象创新能力越强，新疆农产品区域品牌竞争力越强。

≈0.612ρIM1极大值

(11)

IC1为IH的高频分量,IC1极小值、IC1均值、IC1有效值分别为：IC1极小值≈-IM1极大值-ρIM1极大值

(12)

IC1均值=0

(13)

(14)

当忽略控制器内阻时,输出电流可以表示为:

(15)

将式(15)代入式(9)～(14),可以得到忽略控制器内阻的IL1、IC1与U母线电源、RM1的关系:

(16)

IL1均值≈1/2ρIM1极大值

(17)

IL1有效值≈0.612ρIM1极大值

(18)

IC1极小值≈-IM1极大值-ρIM1极大值

(19)

IC1均值=0

(20)

(21)

根据图2模型进行simulink仿真,当调制比ρ在0.4和1之间保持恒定、RM1从1～10 Ω变化时,IM1极大值、IL1极大值、IL1均值、IL1有效值、IC1极小值、IC1均值、IC1有效值变化情况如图5所示。

图5 Simulink仿真结果Fig.5 Simulation result of simulink

仿真结果显示,当ρ恒定时驱动电路输出电压UC2保持恒定,IM1极大值、IL1极大值、IL1均值、IL1有效值均与1/RM1极大值成正比关系。以ρ=0.8、负载RM1=1 Ω为例,仿真结果如下所示：

(22)

式(22)与式(9)～(14)揭示的规律一致,其中IC1有效值的公式推算比较困难,因此采用分析和数据拟合的方法进行的IC1有效值计算。由图5(g)看出在仿真设定的条件下,当ρ不变时IC1有效值随着1/RM1线性增大；而RM1不变时IC1有效值随着ρ的增大而先增大后减小。IC1有效值在三维图中显示如图6(a)所示,可以看出极值点均在ρ=0.8附近。对IC1有效值的仿真结果进行拟合,可得:

(23)