CN107742982A - 一种空间用激光载荷高精度恒流源变换系统 - Google Patents

一种空间用激光载荷高精度恒流源变换系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种空间用激光载荷高精度恒流源变换系统，其包含有恒流源变换模块和激光载荷单元，恒流源变换模块与蓄电池组连接；激光载荷单元与恒流源变换模块连接；恒流源变换模块包含：交错并联BUCK电路、滤波耦合电感、电流采样单元和电压采样单元；交错并联BUCK电路对蓄电池组的变化电压进行转换使供电与激光载荷单元匹配；滤波耦合电感接收由交错并联BUCK电路输出的电流并输出电流滤波；电流采样单元和电压采样单元分别对滤波耦合电感输出的电流和电压进行采样。本发明结构简单，可实现光纤激光高性能供电系统的高效变换，可满足激光载荷的高性能供电要求，对于解决激光载荷空间工程应用时高性能供电问题具有重要意义。

Description

一种空间用激光载荷高精度恒流源变换系统
技术领域
本发明涉及激光载荷的空间应用，特别涉及一种空间用激光载荷高精度恒流源变换系统。
背景技术
随着技术进步，很多先进载荷将越来越多地应用于空间飞行器提高其性能。以激光载荷为例，已广泛应用于遥感、侦查和安全防卫等领域。激光载荷要达到良好的输出性能，要求其供电系统具备高精度的超低纹波恒定电流输出能力，空间应用时，考虑空间应用的不可维护性，需要其具备高可靠的故障监测和保护功能。本发明结合激光载荷空间应用环境的特殊要求，提出了基于新型宽禁带器件的激光载荷高精度超低纹波恒流变换拓扑及控制系统技术方案，可为高性能激光载荷的空间应用解决供电难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种空间用激光载荷高精度恒流源变换系统，从拓扑选型、滤波方案设计以及驱动控制和高可靠保护电路设计等方面，实现供电蓄电池组不调节输出转换为激光载荷所需高精度超低纹波恒流输出，解决空间高性能激光载荷的高可靠供电问题，实现了空间大功率激光载荷的高性能供电。
为了达到上述目的，本发明的一种空间用激光载荷高精度恒流源变换系统，其包含有若干个恒流源变换模块和若干个激光载荷单元，所述恒流源变换模块与为其供电的蓄电池组连接；所述激光载荷单元与所述恒流源变换模块连接，接收所述恒流源变换模块输出的恒定电流并输出激光束；
所述恒流源变换模块包含：交错并联BUCK电路、滤波耦合电感、电流采样单元和电压采样单元；所述交错BUCK电路对所述蓄电池组的变化电压进行转换使供电与所述激光载荷单元匹配；任意一交错并联BUCK电路至少设置有两路BUCK单元；所述滤波耦合电感接收由所述交错BUCK电路输出的电流，并输出电流滤波；所述电流采样单元和电压采样单元分别对所述滤波耦合电感输出的电流和电压进行采样。
优选地，任意一路BUCK电路中均设置有MOS管、电感和二极管，所述MOS管为新型宽禁带器件且开关频率达200kHz以上。
优选地，任意一路BUCK电路中设置有多个相互串联的MOS管，当所述交错BUCK电路的任意一个MOS管开关短路时，通过控制端开与短路的MOS管所串联的另一对应的MOS管，使所述蓄电池组避免短路。
优选地，所述恒流源变换模块设置有相互并联的第一路BUCK电路和第二路BUCK电路；
所述第一路BUCK电路包含第一BUCK单元，所述第二路BUCK电路包含第二BUCK单元；
所述第一BUCK单元和所述第二BUCK单元各自的MOS管采用错相180°的PWM控制方式以提高输出电流纹波频率。
优选地，所述第一BUCK单元包含相互串联的第一MOS管和第二MOS管，所述第二BUCK单元包含相互串联的第三MOS管和第四MOS管。
优选地，第一路BUCK电路和第二路BUCK电路形成了交错并联BUCK电路；
所述第一路BUCK电路的第一脉冲宽度调制信号、该第一路BUCK电路的第一电路输出电流和所述第二路BUCK电路的第二脉冲宽度调制信号、该第二路BUCK电路的第二电路输出电流均正常，且相互之间间隔1/4周期；
当所述交错并联BUCK电路中的一路出现故障时，通过控制断开该故障的BUCK电路的MOS管，所述交错并联BUCK电路衍变成常规单路BUCK电路；
在衍变后的常规单路BUCK电路中，未故障的BUCK电路的脉冲宽度调制信号和该未故障的BUCK电路的输出电流均正常，故障的BUCK电路的脉冲宽度调制信号和该故障的BUCK电路的输出电流不存在；
衍变后的常规单路BUCK电路输出电流纹波频率变为所述交错并联BUCK电路输出电流纹波频率的一半，所述常规单路BUCK电路的输出总电流纹波幅值与所述交错并联BUCK电路的输出总电流纹波幅值不同。
优选地，所述交错并联BUCK电路设置的交错BUCK单元的输入端位于所述滤波耦合电感的一次侧，所述激光载荷单元、所述电流采样单元和所述电压采样单元均位于所述滤波耦合电感的二次侧；
所述交错并联BUCK电路设置的BUCK单元的输入端均与所述蓄电池组连接，其各自的输出端均与所述滤波耦合电感连接；
所述滤波耦合电感、所述电流采样单元和所述激光载荷单元为串联连接；所述激光载荷单元与所述电压采样单元并联连接。
优选地，所述电流采样单元通过电流传感器进行电流采样，对所述滤波耦合电感输出电流反馈控制；
所述电压采样单元通过采样电阻分压进行电压采样，对所述滤波耦合电感输出电压故障监测和保护。
优选地，所述恒流源变换模块还设置有对所述恒流源变换模块输出的恒流进行PID调节、驱动控制以及电路保护的驱动控制及保护单元，其设置有比较器、电压保护电路和电流保护电路，各自通过比较器基准信号、保护电压临界值和保护电流临界值来分别进行交错并联BUCK电路的BUCK单元的驱动控制、过压保护和过流保护；
所述驱动控制及保护单元输入端分别与电流采样单元和电压采样单元连接，其输出端与交错并联BUCK电路的BUCK单元连接。
优选地，若干个恒流源变换模块相互并联连接，每个恒流源变换模块与一个对应的激光载荷单元连接；所述蓄电池组为锂电子蓄电池组，其电压和容量与所述激光载荷单元相匹配。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明提出采用交错并联BUCK拓扑结合耦合电感滤波架构实现高精度超低纹波恒流输出，还实现输出电流纹波达1％以内的高稳流精度，更好满足激光载荷对高性能供电系统的要求。
(2)提出基于专门故障容错控制方法，两路BUCK电路并联架构可以确保在单路故障情况下供电模块功能正常，保障激光载荷维持基本功能。
(3)提出采用新型宽禁带器件结合平面磁集成技术实现储能电感或耦合滤波电感的空间应用，解决变换模块轻量化和高可靠设计问题。
(4)新型宽禁带器件应用可大幅度提高开关工作频率至200kHz以上，且本发明对于解决激光载荷空间工程应用时高性能供电问题具有重要意义。
附图说明
图1为本发明空间用激光载荷高精度恒流源变换系统原理电路；
图2为本发明功率开关串联防短路失效原理图；
图3为交错并联BUCK变换拓扑故障重构原理图；
图4为故障重构前后输出电流波形变化情况示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种空间用激光载荷高精度恒流源变换系统，为了使本发明更加明显易懂，以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述。
如图1所示，本发明的空间用激光载荷高精度恒流源变换系统包含一个蓄电池组10、多个相互独立的高精度恒流源变换模块(例如，高精度恒流源变换模块1、高精度恒流源变换模块2，直至高精度恒流源变换模块n)和多个相互独立的激光载荷单元(例如，激光载荷单元1、激光载荷单元2，直至激光载荷单元n)。其中，每个高精度恒流源变换模块均与对应的一个激光载荷单元。激光载荷单元是工作负载且是恒流源变换模块的供电对象，激光载荷单元接收恒流源变换模块的超低纹波恒定电流输出，输出高质量的激光束，完成载荷基本功能。
蓄电池组10可以是一种锂电子蓄电池组，多个独立的恒流源变换模块采用同一个蓄电池组10供电且相互并联。示例地，蓄电池组10的输出电压记为Vin。蓄电池组10用于为空间激光载荷单元工作期间提供能量供给，该蓄电池组10的电压和容量可根据激光载荷单元中的载荷情况进行合理设计。
如图1所示，任意一个恒流源变换模块包含有第一交错BUCK单元20和第二交错BUCK单元30、驱动控制及保护单元80、滤波耦合电感40、激光载荷单元50、电流采样单元60和电压采样单元70。
第一BUCK单元20和第二BUCK单元30相互并联，第一BUCK单元20和第二BUCK单元30各自的主功率开关采用错相180°的PWM控制的方式，可以将输出电流纹波频率提高一倍，即相同开关频率下可更好满足激光载荷高精度恒流供电要求。第一BUCK单元20和第二BUCK单元30是用于实现高精度恒流源变换模块的电压和电流的适配调节，将蓄电池组10宽范围内变化电压转换成满足激光载荷单元50的恒流供电要求；可以解决当空间激光载荷单元采用蓄电池组供电时，由于蓄电池组放电过程中电压将在宽范围内跌落，且输出电流无法实现稳定控制的问题。
第一BUCK单元20包含MOS管Q1、电感L1和二极管D1，第二BUCK单元包含MOS管Q2、电感L2和二极管D2。其中，第一BUCK单元20的MOS管Q1和第二BUCK单元30的MOS管Q2均可采用新型宽禁带器件(碳化硅、氮化镓等)，且开关频率可达200kHz以上，以实现恒流源变换模块的轻小型化设计，更好地满足空间应用要求。
第一BUCK单元20输入端和第二BUCK单元30输入端与蓄电池组10连接，且各自的输出端均与滤波耦合电感40连接。第一BUCK单元20和第二BUCK单元30位于滤波耦合电感40的一次侧。激光载荷单元50、电流采样单元60和电压采样单元70位于滤波耦合电感40的二次侧。
滤波耦合电感40接收交错并联BUCK单元输出的电流，在降低纹波幅值的基础上再结合激光载荷光耦合特点，串入耦合电感进行滤波，可达到更好的降低纹波效果，输出电流滤波，进一步提高变换模块输出恒流精度，实现超低纹波输出，满足高性能激光载荷对供电模块超低电流纹波要求。
滤波耦合电感40通过与电流采样单元60串联连接来实现与激光载荷单元50连接。激光载荷单元50还并联有电压采样单元70。
电流采样单元60、电压采样单元70分别用于对滤波耦合电感40输出的电流和电压进行采样，以满足恒流输出的反馈控制以及输出过流、过压保护等功能。其中，电流采样单元60通过高精度电流传感器进行电流采样，实现高精度恒流输出的反馈控制；电压采样单元70通过采样常规电阻分压进行电压采样，实现电路输出电压的故障监测和保护。
驱动控制及保护单元80的输入端分别与电流采样单元60和电压采样单元70连接，其输出端与第一BUCK单元20和第二BUCK单元30连接。驱动控制及保护单元80可实现恒流源变换模块的高精度恒流输出的PID调节和驱动控制以及异常情况下电路的高可靠保护。
驱动控制及保护单元80设置有比较器、电压保护电路和电流保护电路，分别通过比较器基准信号Iref、保护电压临界值Ubaohu和保护电流临界值Ibaohu来分别实现BUCK单元的驱动控制作用、过压保护作用和过流保护作用。当交错并联BUCK单元的某一BUCK电路出现故障时，驱动控制及保护单元80通过设计故障容错控制可实现本发明的功能重构，保证激光载荷单元50的高可靠工作。
由于多个独立恒流源变换模块采用同一个蓄电池组供电，当在某个恒流源变换模块的功率MOS管出现短路时，将会导致蓄电池组短路，从而无法为其他恒流源变换模块供电。当其中任意一个BUCK单元出现故障时，还可以通过设计合理的控制电路，来保证恒流源变换模块基本功能不散失，以维持激光载荷单元的基本工作。
所以，为保证本发明的恒流源变换模块在空间应用时的高可靠性，在具体实施过程中，恒流源变换模块的一个BUCK单元还可以采用两个功率MOS管进行串联，防止因一个功率MOS管故障短路而引起蓄电池组10的短路失效。
如图2所示，第一BUCK单元20包含相互串联连接的第一MOS管Q1-1和第二MOS管Q1-2，第二BUCK单元30包含相互串联连接的第三MOS管Q2-1和第四MOS管Q2-2。
当第一MOS管Q1-1和第二MOS管Q1-2中任意一个开关短路，或者第三MOS管Q2-1和第四MOS管Q2-2中任意一个开关短路时，通过控制与短路的MOS管所串联的另一MOS管的断开，可以避免蓄电池组10的短路。
图3所示为交错并联BUCK电路中任一路出现故障时功率电路的故障重构示意图，图4所示为故障重构前后输出电流波形变化情况示意图。
如图3和图4结合所示，在图示的交错并联BUCK电路中，两路的BUCK电路为并联连接；此时，第一MOS管Q1-1和第二MOS管Q1-2串联的BUCK电路的PWM1信号(脉冲宽度调制信号)和该BUCK电路的第一电路输出电流IL1以及第三MOS管Q2-1、第四MOS管Q2-2串联的BUCK电路的PWM2信号和该BUCK电路的第二电路输出电流IL2均正常，且相互之间间隔1/4周期。其中，I0是该两路交错并联BUCK电路的总电流。
当该交错并联BUCK电路中的一路出现短路或者断路故障时，通过控制第三MOS管Q2-1、第四MOS管Q2-2断开，则原交错并联BUCK电路衍变成了常规BUCK电路，仍可维持基本功能正常。
在衍变后的常规BUCK电路中，第一MOS管Q1-1和第二MOS管Q1-2串联的BUCK电路的PWM1信号和该BUCK电路的第一电路输出电流IL1均正常，但是第三MOS管Q2-1、第四MOS管Q2-2串联的BUCK电路的PWM2信号和该BUCK电路的第二电路输出电流IL2不存在。其中，I0是该常规BUCK电路的总电流。
衍变后的常规BUCK电路输出电流纹波频率变为原交错并联BUCK电路输出电流纹波频率的1/2，且衍变后的常规BUCK电路输出总电流纹波幅值有所影响，但仍可保证故障模块所对应的激光载荷单元正常工作。
综上所述，本发明的恒流源变换模块采用交错并联BUCK功率变换与耦合电感滤波结合，新型宽禁带器件可以提高开关频率到200kHz以上，交错并联BUCK功率开关错相工作，进一步提高输出电流纹波频率为原来的两倍，可大幅度降低输出电流纹波幅值；基于专门的故障容错控制可实现在交错并联电路某路出现故障情况下的功能重构，即某一路BUCK单元出现故障情况下，通过控制电路调整，可以确保单路BUCK单元功能正常，维持激光载荷基本工作；通过隔离驱动单元以及专门的电压、电流保护电路，实现激光载荷或功率变换单元在轨故障情况下的保护。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种空间用激光载荷高精度恒流源变换系统，其特征在于，其包含有若干个恒流源变换模块和若干个激光载荷单元，所述恒流源变换模块与为其供电的蓄电池组(10)连接；所述激光载荷单元与所述恒流源变换模块连接，接收所述恒流源变换模块输出的恒定电流并输出激光束；
所述恒流源变换模块包含：交错并联BUCK电路、滤波耦合电感(40)、电流采样单元(60)和电压采样单元(70)；
所述交错并联BUCK电路对所述蓄电池组(10)的变化电压进行转换使供电与所述激光载荷单元匹配；任意一交错并联BUCK电路至少设置有两路BUCK单元；
所述滤波耦合电感(40)接收由所述交错并联BUCK电路输出的电流，并输出电流滤波；
所述电流采样单元(60)和电压采样单元(70)分别对所述滤波耦合电感(40)输出的电流和电压进行采样。
2.如权利要求1所述的激光载荷高精度恒流源变换系统，其特征在于，任意一路BUCK电路中均设置有MOS管、电感和二极管，所述MOS管为新型宽禁带器件且开关频率达200kHz以上。
3.如权利要求2所述的激光载荷高精度恒流源变换系统，其特征在于，任意一路BUCK电路中设置有多个相互串联的MOS管，当所述交错并联BUCK电路的任意一个MOS管开关短路时，通过控制断开与短路的MOS管所串联的另一对应的MOS管，使所述蓄电池组(10)避免短路。
4.如权利要求2所述的激光载荷高精度恒流源变换系统，其特征在于，
所述恒流源变换模块设置有相互并联的第一路BUCK电路和第二路BUCK电路；
所述第一路BUCK电路包含第一BUCK单元(20)，所述第二路BUCK电路包含第二BUCK单元(30)；
所述第一BUCK单元(20)和所述第二BUCK单元(30)各自的MOS管采用错相180°的PWM控制方式以提高输出电流纹波频率。
5.如权利要求4所述的激光载荷高精度恒流源变换系统，其特征在于，
所述第一BUCK单元(20)包含相互串联的第一MOS管(Q1-1)和第二MOS管(Q1-2)，所述第二BUCK单元(30)包含相互串联的第三MOS管(Q2-1)和第四MOS管(Q2-2)。
6.如权利要求5所述的激光载荷高精度恒流源变换系统，其特征在于，
第一路BUCK电路和第二路BUCK电路形成了两路交错并联BUCK电路；
所述第一路BUCK电路的第一脉冲宽度调制信号、该第一路BUCK电路的第一电路输出电流和所述第二路BUCK电路的第二脉冲宽度调制信号、该第二路BUCK电路的第二电路输出电流均正常，且相互之间间隔1/4周期；
当所述交错并联BUCK电路中的一路BUCK电路出现故障时，通过控制断开该故障的BUCK电路的MOS管，所述两路交错并联BUCK电路衍变成常规单路BUCK电路；
在衍变后的常规单路BUCK电路中，未故障的BUCK电路的脉冲宽度调制信号和该未故障的BUCK电路的输出电流均正常，故障的BUCK电路的脉冲宽度调制信号和该故障的BUCK电路的输出电流不存在；
衍变后的常规单路BUCK电路输出电流纹波频率变为所述两路交错并联BUCK电路输出电流纹波频率的一半，所述常规一路BUCK电路的输出总电流纹波幅值与所述两路交错并联BUCK电路的输出总电流纹波幅值不同。
7.如权利要求4或5所述的激光载荷高精度恒流源变换系统，其特征在于，
所述交错并联BUCK电路设置的两路BUCK单元的输入端位于所述滤波耦合电感(40)的一次侧，所述激光载荷单元(50)、所述电流采样单元(60)和所述电压采样单元(70)均位于所述滤波耦合电感(40)的二次侧；
所述交错并联BUCK电路设置的两路BUCK单元的输入端均与所述蓄电池组(10)连接，其各自的输出端均与所述滤波耦合电感(40)连接；
所述滤波耦合电感(40)、所述电流采样单元(60)和所述激光载荷单元(50)为串联连接；所述激光载荷单元(50)与所述电压采样单元(70)并联连接。
8.如权利要求1所述的激光载荷高精度恒流源变换系统，其特征在于，
所述电流采样单元(60)通过电流传感器进行电流采样，对所述滤波耦合电感(40)输出电流反馈控制；
所述电压采样单元(70)通过采样电阻分压进行电压采样，对所述滤波耦合电感(40)输出电压故障监测和保护。
9.如权利要求1所述的激光载荷高精度恒流源变换系统，其特征在于，
所述恒流源变换模块还设置有对所述恒流源变换模块输出的恒流进行PID调节、驱动控制以及电路保护的驱动控制及保护单元(80)，其设置有比较器、电压保护电路和电流保护电路，各自通过比较器基准信号、保护电压临界值和保护电流临界值来分别进行交错并联BUCK电路的BUCK单元的驱动控制、过压保护和过流保护；
所述驱动控制及保护单元(80)输入端分别与电流采样单元(60)和电压采样单元(70)连接，其输出端与交错BUCK电路的交错BUCK单元连接。
10.如权利要求1所述的激光载荷高精度恒流源变换系统，其特征在于，若干个恒流源变换模块相互并联连接，每个恒流源变换模块与一个对应的激光载荷单元连接；所述蓄电池组(10)为锂电子蓄电池组，其电压和容量与所述激光载荷单元相匹配。
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