考虑非理想因素的PCU模块变换器分析与建模

摘要

航天器电源系统是航天器的重要组成部分，保证其稳定正常运行。电源控制器PCU(Power Conditioning Unit)作为电源系统控制单元，其地位至关重要。在大功率的电源系统中，太阳电池阵-蓄电池联合供电体制下的全调节母线控制方式得到了广泛应用。对于采用S3R型功率调节技术航天器电源，PCU通过分流调节器、充电调节器、放电调节器对母线电压进行调节。
　　为实现PCU充电调节、放电调节功能，本文首先对典型非隔离升压、降压变换器进行了介绍。针对航天器电源系统应用背景，选取superbuck电路以及HE-Boost电路分别作为蓄电池充电和放电变换器。为了保证电源系统稳定可靠运行，本文对变换器频率特性进行了分析，建立变换器的小信号模型。实际电路中存在着非理想因素，如滤波电感的非线性、功率器件的等效串联电阻、变压器漏感等等。这些因素导致电路实际工作状态与理想情况存在差异。为优化控制系统参数，提高变换器工作特性，本文分析了对电路特性产生主要影响的非理想因素，对非理想变换器进行了建模和分析。对于Superbuck变换器，由于其电路本身可能存在的右半平面零点，在电路中引入阻尼网络，同时在考虑电感非线性、电路ESR等非理想因素情况下进行变换器小信号建模；对于HE-Boost变换器，电路中变压器漏感续流影响电路工作模态以及频率特性，同时输入电感非线性及其ESR都对变换器工作产生影响。本文详细分析了漏感续流模态并建立了非理想HE-Boost变换器的小信号模型。
　　当PCU模块工作在充电域，Superbuck充电拓扑存在三种工作状态：
　　1.光照充足时恒定电流充电；
　　2.光照不充足时限制电流充电；
　　3.蓄电池充满时恒定电压充电。
　　当PCU模块工作在放电域，HE-Boost放电拓扑为负载供电维持母线电压。根据变换器不同的工作状态，确定了变换器控制策略。根据给定的设计指标，本文给出了Superbuck充电拓扑以及HE-Boost放电拓扑的参数设计，并根据选取的控制策略与搭建的非理想电路模型对控制电路进行了参数设计；搭建了1.8kW放电/3A充电样机平台。通过实验，验证了理论分析的正确性；频率分析实验验证了小信号模型的准确性和控制电路参数。对于Superbuck充电拓扑，理论模型与实验结果对比幅值误差在1dB以内，相角误差在10度以内；HE-Boost变换器模型幅值误差在2dB以内，最大相角误差在20度以内。变换器模型具有较高的准确性，控制器参数满足设计要求。

目录

声明

注 释 表

第一章 绪论

1.1课题研究背景与意义

1.2国内外研究现状

1.3本文主要研究内容及论文结构

第二章 考虑非理想因素的BCR模块Superbuck电路分析与建模

2.1 Superbuck电路工作原理分析与理想情况建模

2.2 Superbuck电路参数设计

2.3考虑电感非线性以及ESR的Superbuck变换器建模

2.4本章小结

第三章 考虑非理想因素的BDR模块HE-Boost电路分析与建模

3.1 HE-Boost电路工作原理分析与建模

3.2 HE-Boost电路参数设计

3.3考虑非理想因素的HE-Boost变换器分析与建模

3.4本章小结

第四章 考虑非理想因素的变换器控制器设计与仿真验证

4.1 Superbuck变换器控制电路设计与仿真验证

4.2 HE-Boost变换器控制电路设计与仿真验证

4.3本章小结

第五章 实验验证及对比分析

5.1实验验证

5.2 Superbuck变换器实验验证

5.3 HE-Boost变换器实验验证

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1全文工作总结

6.2后续工作展望

参考文献

附录A

附录B

致谢

在学期间研究成果及发表的学术论文