CN113629999A - 一种等离子体推进器用脉冲储能模块及其高效控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种等离子体推进器用脉冲储能模块高效控制方法，包括脉冲储能模块高效率恒流储能控制方法和脉冲储能模块原边开关管低损耗控制方法；本发明巧妙利用储能变换器升压器件的寄生参数实现输入电流的正弦变化，利用电流正负换向的时刻进行开关管驱动信号切换，并利用绝缘栅型场效应管饱和时双向导电性和本体比寄生体二极管低得多的导通电阻的特性，使正弦电流为负向时不经过体二极管回馈，而是经由开关管本体直接流向母线的控制方法，实现功率管低损耗，从而提高储能模块的转换效率，降低器件温升，增加模块的功率密度和可靠性。

Description

一种等离子体推进器用脉冲储能模块及其高效控制方法
技术领域
本发明涉及一种等离子体电推进器用脉冲储能模块及其高效控制方法，属于能源技术领域。
背景技术
等离子体电推进以其功率灵活可变、结构简单、可靠性高、在低功率下能够保持高比冲等特点，可用于执行微小型航天器姿态控制、阻力补偿以及精确编队等任务，成为当前电推进技术研究的热点和发展方向之一。等离子体电推进能源控制主要包括点火模块的控制和储能模块的控制，其中点火模块控制主要包括点火脉冲的宽度，电压幅值等，影响电推进器的放电频率；储能模块的控制包括储能速率，稳压精度，放电响应速度等，直接影响电推进器的推力指标，因此储能模块控制方法的优劣成为设计的关键问题。
储能模块传统的控制方法是利用高压直流源串接限流电阻的方法，系统简单，可靠，但也存在着体积较大，储能效率低，储能时间长的缺点，一般用于地面测试设备；高频变换器的发展使储能元器件的重量体积大大减小，也推动了电推进器在空间的应用，但随着频率的不断提高，储能变换器开关管的损耗也急剧增加，限制了储能模块的体积进一步缩小；另外，航天器用电推进储能模块采用太阳能电池作为供电输入电源，输出电压往往高于1000V，这会导致储能变换器升压器件匝比很大，寄生电容电感等参数影响占比显著，高频脉冲波形畸变严重，限制了储能模块的工作频率进一步提升。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种等离子体推进器用脉冲储能模块及其高效控制方法，巧妙利用储能变换器升压器件的寄生参数实现输入电流的正弦变化，利用电流正负换向的时刻进行开关管驱动信号切换，并利用绝缘栅型场效应管饱和时双向导电性和本体比寄生体二极管低得多的导通电阻的特性，使正弦电流为负向时不经过体二极管回馈，而是经由开关管本体直接流向母线的控制方法，实现功率管低损耗，从而提高储能模块的转换效率，降低器件温升，增加模块的功率密度和可靠性。
本发明所采用的技术方案是：脉冲储能模块包括正弦电流频率识别控制模块、正弦电流过零点开关频率调整模块、开关管驱动逻辑执行模块、三元谐振槽升压变换模块；
正弦电流频率识别控制模块根据三元谐振槽升压变换模块的输出电压Uo与输入电压Uin信息识别三元谐振频率值，将三元谐振频率值提供给正弦电流过零点开关频率调整模块，正弦电流过零点开关频率调整模块按照三元谐振槽变换器自身正弦电流的变化规律，调整控制驱动频率，将调整后的驱动频率发送至开关管驱动逻辑执行模块；然后由开关管驱动逻辑执行模块根据驱动频率产生驱动信号，确定驱动信号的起始时刻，并将驱动信号提供给三元谐振槽升压变换模块，实现三元谐振槽升压变换模块的开关管正弦电流在电流为零的时刻开通和关断，同时通过调整单位时间内能量传递的频率补偿三元谐振槽升压变换模块的输出电流，使三元谐振槽升压变换模块的输出电流在工作周期内保持恒定。
一种等离子体推进器用脉冲储能模块高效控制方法包括脉冲储能模块高效率恒流储能控制方法和脉冲储能模块原边开关管低损耗控制方法；
脉冲储能模块高效率恒流储能控制方法实现步骤如下：
根据三元谐振槽升压变换模块的输出电压增益变化范围，将脉冲储能模块的工作周期划分为TS1～TS3阶段；其中，TS1阶段的三元谐振槽升压变换模块的输出电压范围为0～500V，此阶段定义为低频阶段；TS2阶段的三元谐振槽升压变换模块的输出电压范围为500～1500V，此阶段定义为中频阶段；TS3阶段的三元谐振槽升压变换模块的输出电压范围为1500V～2000V，此阶段定义为高频阶段；
在TS1阶段内，三元谐振槽升压变换模块内采用四开关拓扑，其中4个开关管分别为开关管S1～S4，其中，开关管S1、S2位于同一功率支路，开关管S3、S4位于另外一个功率支路；开关管S1、S4组成开关管组S1.4，开关管S2、S3组成开关管组S2.3；控制开关管组S1.4和S2.3交替导通；开关管驱动逻辑执行模块发送的开关驱动信号控制开关管组S1.4和S2.3的驱动信号工作在最低工作频率，同时在正弦电流ir过零时进行开关管组S1.4和S2.3的开关信号切换；
在TS2阶段，控制开关管组S1.4和S2.3的驱动信号的频率不断提高，跟踪正弦电流ir过零时刻，实现开关管零电流开关；
在TS3阶段，控制开关管组S1.4和S2.3的驱动信号工作在最高工作频率，以跟踪正弦电流ir的过零点。
脉冲储能模块一个工作周期内的驱动信号的正半周期定义为t1～t3，其中，t1～t2为正向激励周期，t2～t3为反向激励周期；驱动信号的负半周期定义为t4～t6，其中，t4～t5为正向激励周期，t5～t6为反向激励周期。脉冲储能模块原边开关管低损耗控制方法，控制策略具体为：将正半周期的驱动信号导通时间扩展为t1～(t3-△t)；将负半周期的驱动信号导通时间扩展为t4～(t6-△t)；其中，△t为时间段，△t的取值不超过正半周期反向激励周期的10％。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明利用三元谐振型变换器本身的寄生参数实现开关管的零电流切换，并能利用开关管的双向导电性替代体二极管进行电流回馈，降低了变换器损耗；更进一步，谐振频率识别模块避免了传统模拟集成电路实现正弦电流零开关所必需的大电流传感器，只需利用高频升压变换器系统本来就必要的输入电压、输出电压反馈信号，即可实现谐振槽路电流频率的识别，未增加任何附加成本的同时，去掉了昂贵的大电流精密传感器环节，节省了整机成本。具有上述功能特点的变换器在需要低压大电流、大升压比和对能源供给装置重量体积要求严苛的空间电推进电源领域拥有广阔的应用前景和较高的应用价值。
(2)基于高效储能模块的空间电推进升压变换器工作在重复充放电工作情况下时，由高频功率变换带来的功率管开关损耗和输入侧低压大电流特征决定的功率管通态损耗，成为影响变换器整体效率的关键。另一方面，由于升压变换器始终工作在输出电压持续上升的暂态，引入的负载扰动使三元谐振槽频率始终变化，传统的定频调宽变换技术很难奏效。本发明提出的三元谐振槽频率识别模块能够根据变换器输出电压与输入电压信息识别并计算出三元谐振频率值，将该值提供给调频控制模块，该模块将该频率值与三元谐振型变换器自身正弦电流的变化规律相比较，调整控制驱动频率，然后由驱动逻辑分频模块的输出提供给变换器功率开关，实现开关管正弦电流在电流为零的时刻开通与关断。
(3)三元谐振型变换器工作周期包括能量回馈模式，即谐振电流会反向流过开关管，目前行业内的基于电流传感器的正弦电流零开通与关断的模拟控制方法仅仅通过检测正弦电流实现零电流切换，却未能在低压大电流的输入状态下，同时实现开关管的双向导通，回馈的反向电流将流过开关管的体二极管，造成功率开关的导通损耗依然显著。谐振频率识别模块能够根据变换器输出电压与输入电压信息识别谐振槽路上电流的当前频率值，在一个完整的谐振周期结束时刻驱动对应功率开关关断。该环节按照脉冲储能模块自身谐振频率的变化规律，控制变换器工作频率，在功率变换的全过程中均能实现正弦电流零开关，显著降低高频变换器的开关损耗。由于脉冲储能模块工作在半激励半回馈状态，该调频方法使得回馈反向电流通过开关管本身，而不是体二极管，因此能显著降低处于能量回馈状态下开关管的导通损耗。对于等离子体电推进器用低压大电流升压变换器功率变换的效率提升，从而对推动空间能源装置轻质量小体积的发展具有重要意义。
附图说明
图1为高效储能模块控制流程图；
图2为脉冲储能模块高效率恒流储能控制方法波形图；
图3(a)为传统的脉冲储能模块一个工作周期内正弦电流和驱动信号对应的相位关系图；
图3(b)为脉冲储能模块原边开关管低损耗控制方法波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
等离子体推进器中包括脉冲储能模块，点火模块和控制模块，其中，脉冲储能模块包括正弦电流频率识别控制模块、正弦电流过零点开关频率调整模块、开关管驱动逻辑执行模块、三元谐振槽升压变换模块；
结合图1，本发明提出的正弦电流频率识别控制模块根据三元谐振槽升压变换模块的输出电压Uo与输入电压Uin信息识别三元谐振频率值，将三元谐振频率值提供给正弦电流过零点开关频率调整模块，正弦电流过零点开关频率调整模块按照三元谐振槽变换器自身正弦电流的变化规律，调整控制驱动频率，将调整后的驱动频率发送至开关管驱动逻辑执行模块；然后由开关管驱动逻辑执行模块根据驱动频率产生驱动信号，确定驱动信号的起始时刻，并将驱动信号提供给三元谐振槽升压变换模块，实现三元谐振槽升压变换模块的开关管正弦电流在电流为零的时刻开通和关断，同时通过调整单位时间内能量传递的频率补偿三元谐振槽升压变换模块的输出电流，使三元谐振槽升压变换模块的输出电流在工作周期内保持恒定。
同时这种不断调整开关管开关频率的控制方法还能补偿脉冲储能模块输出电流随着输出电压升高而不断下降的缺点，使整个输出周期内变换器输出电流保持基本恒定，显著提高电推进器电子蓄压器的储能速率，从而为电推进器增加脉冲放电频率提供能源供给，提高平均推力。
一种等离子体推进器用脉冲储能模块高效控制方法包括脉冲储能模块高效率恒流储能控制方法和脉冲储能模块原边开关管低损耗控制方法；
脉冲储能模块高效率恒流储能控制方法实现步骤如图2所示：
根据三元谐振槽升压变换模块的输出电压增益变化范围，将脉冲储能模块的工作周期划分为TS1～TS3阶段；其中，TS1阶段的三元谐振槽升压变换模块的输出电压范围为0～500V，此阶段定义为低频阶段；TS2阶段的三元谐振槽升压变换模块的输出电压范围为500～1500V，此阶段定义为中频阶段；TS3阶段的三元谐振槽升压变换模块的输出电压范围为1500V～2000V，此阶段定义为高频阶段；
在TS1阶段内，三元谐振槽升压变换模块内采用四开关拓扑，其中4个开关管分别为开关管S1～S4，其中，开关管S1、S2位于同一功率支路，开关管S3、S4位于另外一个功率支路；开关管S1、S4组成开关管组S1.4，开关管S2、S3组成开关管组S2.3；控制开关管组S1.4和S2.3交替导通；此时，三元谐振槽升压变换模块的电压输出较低，即此阶段三元谐振槽升压变换模块的输出电压增益较低，三元谐振槽升压变换模块中的三元谐振槽中的正弦电流ir正向激励和反向回馈相差不大，谐振周期Tr1较长，开关管组S1.4和S2.3之间的死区时间也较长，此时开关管驱动逻辑执行模块发送的开关驱动信号控制开关管组S1.4和S2.3的驱动信号工作在最低工作频率，同时在正弦电流ir过零时进行开关管组S1.4和S2.3的开关信号切换；
在TS2阶段，随着输出电压不断升高，三元谐振槽升压变换模块的输出电压增益也不断变大，从而导致谐振周期Tr2不断减小，此阶段开关管驱动逻辑执行模块发送的开关驱动信号控制开关管组S1.4和S2.3的驱动信号的频率不断提高，跟踪正弦电流ir过零时刻，实现开关管零电流开关，此阶段反向回馈电流明显小于正向激励电流；
在TS3阶段，三元谐振槽升压变换模块的输出电压增益达到最大值，此时反向回馈电流减小至最小值，开关管工作周期Tr3也逐渐减小到最小值，此时开关管驱动逻辑执行模块发送的开关驱动信号控制开关管组S1.4和S2.3的驱动信号工作在最高工作频率，以跟踪正弦电流ir的过零点。
至此，整个工作周期结束。
如图3(a)所示为传统的脉冲储能模块一个工作周期内正弦电流和驱动信号对应的相位关系，驱动信号的正半周期定义为t1～t3，其中，t1～t2为正向激励周期，t2～t3为反向激励周期；驱动信号的负半周期定义为t4～t6，其中，t4～t5为正向激励周期，t5～t6为反向激励周期。在t1～t2时刻，开关管S1.4流过正向激励正弦电流，可以看到虽然在电流为零时进行了驱动信号切换，实现了开关管零电流开关，也能实现降低开关损耗的目的，但在t2～t3电流反向回馈阶段，由于此时开关管已经关闭，反向电流只能通过场效应管的体二极管通路返回电源母线。t3～t4时段为死区时间，开关管组S1.4和S2.3均关断，不传递能量。t4～t5时刻与t1～t2时刻情况类似，只不过此时开关管S2.3流过正向激励正弦电流，t5～t6时刻的电流反向回馈仍然导致开关管发热，即在一个工作周期中，四个开关管均存在因反向电流流过体二极管的情况，尤其在输出电压不高的低增益时段，反向回馈电流幅值几乎和正向激励电流相当，造成场效应管热损耗较大，甚至可能因发热导致失效，影响变换器的可靠性。
脉冲储能模块原边开关管低损耗控制方法如图3(b)所示，控制策略是扩展三元谐振槽升压变换模块的驱动信号的时间：
控制策略具体为：将正半周期的驱动信号导通时间扩展为t1～(t3-△t)；△t的取值不超过正半周期反向激励周期的10％；将负半周期的驱动信号导通时间扩展为t4～(t6-△t)；
由于绝缘栅型场效应管具有双向导电特性，理想情况下控制开关管的驱动电压信号可由原来的正半周的正向激励周期t1～t2扩展至现在的t1～t3，但考虑到控制算法的偏差以及开关管的关断恢复时间，为了保障死区时间t3～t4的完整，避免因死区时间不足引起功率开关管S1.3和S2.4直通，发生危险，应将驱动信号关断时刻选择在t3时刻内侧一点，这样在驱动信号关断到正弦电流回零的一点时间仍然由开关管体二极管提供电流回路，只不过此段时间非常短，流过的电流也接近于零，不会引起明显的温升。同理，后半周期的驱动信号将扩展至t6时刻内侧，尽可能的减小开关管体二极管损耗，从而达到原边开关管低损耗的控制目的。基于上述原因，虽然主要的回馈电流不经过开关管的体二极管，但适用于本发明的控制方法的开关管选型还是应考虑其寄生体二极管的反向恢复时间参数，否则会影响开关管本身的关断时间，一般应选择谐振型变换器专用开关管；t1～t6分别为时间轴上的时刻。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种等离子体推进器脉冲储能模块，其特征在于，包括正弦电流频率识别控制模块、正弦电流过零点开关频率调整模块、开关管驱动逻辑执行模块、三元谐振槽升压变换模块；
正弦电流频率识别控制模块根据三元谐振槽升压变换模块的输出电压Uo与输入电压Uin信息识别三元谐振频率值，将三元谐振频率值提供给正弦电流过零点开关频率调整模块；
正弦电流过零点开关频率调整模块按照三元谐振槽变换器自身正弦电流的变化规律，调整控制驱动频率，将调整后的驱动频率发送至开关管驱动逻辑执行模块；
开关管驱动逻辑执行模块根据驱动频率产生驱动信号，确定驱动信号的起始时刻，并将驱动信号提供给三元谐振槽升压变换模块，实现三元谐振槽升压变换模块的开关管正弦电流在电流为零的时刻开通和关断，同时通过调整单位时间内能量传递的频率补偿三元谐振槽升压变换模块的输出电流，使三元谐振槽升压变换模块的输出电流在工作周期内保持恒定。
2.根据权利要求1所述的一种等离子体推进器脉冲储能模块，其特征在于，根据三元谐振槽升压变换模块的输出电压增益变化范围，将脉冲储能模块的工作周期划分为TS1～TS3阶段；其中，TS1阶段的三元谐振槽升压变换模块的输出电压范围为0～500V，此阶段定义为低频阶段；TS2阶段的三元谐振槽升压变换模块的输出电压范围为500～1500V，此阶段定义为中频阶段；TS3阶段的三元谐振槽升压变换模块的输出电压范围为1500V～2000V，此阶段定义为高频阶段。
3.根据权利要求2所述的一种等离子体推进器脉冲储能模块，其特征在于，三元谐振槽升压变换模块内采用四开关拓扑，其中4个开关管分别为开关管S1～S4，其中，开关管S1、S2位于同一功率支路，开关管S3、S4位于另外一个功率支路；开关管S1、S4组成开关管组S1.4，开关管S2、S3组成开关管组S2.3。
4.根据权利要求3所述的一种等离子体推进器脉冲储能模块，其特征在于，在TS1阶段，控制开关管组S1.4和S2.3交替导通；开关管驱动逻辑执行模块发送的开关驱动信号控制开关管组S1.4和S2.3的驱动信号工作在最低工作频率，同时在正弦电流ir过零时进行开关管组S1.4和S2.3的开关信号切换；
在TS2阶段，开关管驱动逻辑执行模块发送的开关驱动信号控制开关管组S1.4和S2.3的驱动信号的频率不断提高，跟踪正弦电流ir过零时刻，实现开关管零电流开关；
在TS3阶段，开关管驱动逻辑执行模块发送的开关驱动信号控制开关管组S1.4和S2.3的驱动信号工作在最高工作频率，以跟踪正弦电流ir的过零点。
5.根据权利要求4所述的一种等离子体推进器脉冲储能模块，其特征在于，脉冲储能模块一个工作周期内的驱动信号的正半周期定义为t1～t3，其中，t1～t2为正向激励周期，t2～t3为反向激励周期；驱动信号的负半周期定义为t4～t6，其中，t4～t5为正向激励周期，t5～t6为反向激励周期；
脉冲储能模块原边开关管低损耗控制方法的控制策略具体为：将正半周期的驱动信号导通时间扩展为t1～(t3-△t)；将负半周期的驱动信号导通时间扩展为t4～(t6-△t)；其中，△t为时间段，△t的取值不超过正半周期反向激励周期的10％。
6.一种等离子体推进器用脉冲储能模块高效控制方法，其特征在于，包括脉冲储能模块高效率恒流储能控制方法和脉冲储能模块原边开关管低损耗控制方法；
脉冲储能模块高效率恒流储能控制方法的实现步骤如下：
在TS1阶段内，控制开关管组S1.4和S2.3交替导通；开关管驱动逻辑执行模块发送的开关驱动信号控制开关管组S1.4和S2.3的驱动信号工作在最低工作频率，同时在正弦电流ir过零时进行开关管组S1.4和S2.3的开关信号切换；
在TS2阶段，控制开关管组S1.4和S2.3的驱动信号的频率不断提高，跟踪正弦电流ir过零时刻，实现开关管零电流开关；
在TS3阶段，控制开关管组S1.4和S2.3的驱动信号工作在最高工作频率，以跟踪正弦电流ir的过零点；
脉冲储能模块原边开关管低损耗控制方法的控制策略具体为：将正半周期的驱动信号导通时间扩展为t1～(t3-△t)；将负半周期的驱动信号导通时间扩展为t4～(t6-△t)；
脉冲储能模块一个工作周期内的驱动信号的正半周期定义为t1～t3，其中，t1～t2为正向激励周期，t2～t3为反向激励周期；驱动信号的负半周期定义为t4～t6，其中，t4～t5为正向激励周期，t5～t6为反向激励周期；△t为时间段。
7.根据权利要求6所述的一种等离子体推进器用脉冲储能模块高效控制方法，其特征在于，脉冲储能模块包括正弦电流频率识别控制模块、正弦电流过零点开关频率调整模块、开关管驱动逻辑执行模块、三元谐振槽升压变换模块；
正弦电流频率识别控制模块根据三元谐振槽升压变换模块的输出电压Uo与输入电压Uin信息识别三元谐振频率值，将三元谐振频率值提供给正弦电流过零点开关频率调整模块；
正弦电流过零点开关频率调整模块按照三元谐振槽变换器自身正弦电流的变化规律，调整控制驱动频率，将调整后的驱动频率发送至开关管驱动逻辑执行模块；
开关管驱动逻辑执行模块根据驱动频率产生驱动信号，确定驱动信号的起始时刻，并将驱动信号提供给三元谐振槽升压变换模块，实现三元谐振槽升压变换模块的开关管正弦电流在电流为零的时刻开通和关断，同时通过调整单位时间内能量传递的频率补偿三元谐振槽升压变换模块的输出电流，使三元谐振槽升压变换模块的输出电流在工作周期内保持恒定。
8.根据权利要求7所述的一种等离子体推进器用脉冲储能模块高效控制方法，其特征在于，三元谐振槽升压变换模块内采用四开关拓扑，其中4个开关管分别为开关管S1～S4，其中，开关管S1、S2位于同一功率支路，开关管S3、S4位于另外一个功率支路；开关管S1、S4组成开关管组S1.4，开关管S2、S3组成开关管组S2.3。
9.根据权利要求8所述的一种等离子体推进器用脉冲储能模块高效控制方法，其特征在于，根据三元谐振槽升压变换模块的输出电压增益变化范围，将脉冲储能模块的工作周期划分为TS1～TS3阶段；其中，TS1阶段的三元谐振槽升压变换模块的输出电压范围为0～500V，此阶段定义为低频阶段；TS2阶段的三元谐振槽升压变换模块的输出电压范围为500～1500V，此阶段定义为中频阶段；TS3阶段的三元谐振槽升压变换模块的输出电压范围为1500V～2000V，此阶段定义为高频阶段。
10.根据权利要求9所述的一种等离子体推进器用脉冲储能模块高效控制方法，其特征在于，△t的取值不超过正半周期反向激励周期的10％。
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CN108880265A (zh) * 2018-07-06 2018-11-23 华南理工大学 一种llc谐振变换器谐振频率自动跟踪方法
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Title
何超: "串联谐振DC/DC变换器的最优轨迹控制", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技II辑》 *

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