航天器多路精確穩(wěn)壓DC-DC變換器數(shù)字控制研究.pdf

1、航天器DC-DC模塊屬于高端電源，與民用產(chǎn)品相比，除了更嚴(yán)格的可靠性指標(biāo)以外，目前迫切需要擺脫傳統(tǒng)的定制電源開(kāi)發(fā)模式，為用戶建立步驟化的設(shè)計(jì)平臺(tái)，降低設(shè)計(jì)的重復(fù)性和縮短研發(fā)周期。研制多路精確穩(wěn)壓輸出的數(shù)字電源是面向這一挑戰(zhàn)的關(guān)鍵解決途徑，其核心技術(shù)是開(kāi)發(fā)數(shù)字控制器。數(shù)字電源不僅可根據(jù)用戶需求靈活調(diào)節(jié)輸出電壓，而且可避免因模擬器件老化、參數(shù)漂移帶來(lái)環(huán)路不穩(wěn)定的問(wèn)題。目前，國(guó)外主流IC公司已相繼研制出各具特色的數(shù)字電源，而國(guó)內(nèi)對(duì)數(shù)字電源的研

2、發(fā)大多集中于DSP和國(guó)外數(shù)字IC平臺(tái)的工程實(shí)踐，對(duì)專用數(shù)字集成控制芯片的研制與國(guó)際水平仍有較大差距。
　　本文的研究目標(biāo)是研制一款專用的數(shù)字電源控制器芯片，開(kāi)發(fā)適用于航天器的多路精確穩(wěn)壓數(shù)字DC-DC模塊，并對(duì)DC-DC模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與效率優(yōu)化、建模方法和分布式供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性等問(wèn)題進(jìn)行深入研究。本文的技術(shù)路線是在FPGA平臺(tái)上對(duì)數(shù)字控制器的算法和功能進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，并將其流片為一款具有抗輻照加固的專用芯片，并依此研制一款高性能的數(shù)

3、字DC-DC變換器。
　　本文首先設(shè)計(jì)基于中間母線結(jié)構(gòu)的DC-DC變換器和多路PWM輸出的數(shù)字控制器，分析多路精確穩(wěn)壓DC-DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制方式和反饋環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)方案，為后續(xù)研究建立試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)。
　　針對(duì)航天電源原副邊完全隔離的設(shè)計(jì)需求和應(yīng)用環(huán)境的限制，提出基于中間母線數(shù)字DC-DC變換器的設(shè)計(jì)方法。采用原邊開(kāi)環(huán)控制、副邊每路獨(dú)立調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)多路精確穩(wěn)壓輸出，并對(duì)中間母線電壓和變壓器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高DC-D

4、C模塊的轉(zhuǎn)換效率。
　　為了實(shí)現(xiàn)高精度控制，在不增加控制器內(nèi)核頻率的條件下，采用“比較器-計(jì)數(shù)器與數(shù)字抖動(dòng)相結(jié)合”的混合數(shù)字脈寬調(diào)制方法減小輸出電壓紋波中的低頻極限環(huán)噪聲，提高輸出電壓的調(diào)節(jié)精度，并對(duì)極限環(huán)振蕩的產(chǎn)生原因、改進(jìn)方法和數(shù)字抖動(dòng)的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行深入研究。
　　采用能量因數(shù)(Energy Factor, EF)法建立Buck、Boost、Buck/Boost三種變換器的實(shí)際電壓傳輸模型，研究 DC-DC變換器的轉(zhuǎn)換效

5、率、阻尼時(shí)間常數(shù)與 EF的關(guān)系，分析輸出電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性與阻尼時(shí)間常數(shù)的關(guān)系，提出利用EF模型分析DC-DC模塊性能的方法，為數(shù)字電源的步驟化參數(shù)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
　　通過(guò)研究單級(jí)同步Buck變換器的閉環(huán)輸出阻抗特性，提出級(jí)聯(lián)式直流分布式電源中源變換器輸出阻抗的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。分析源變換器輸出阻抗與輸入電壓、輸出功率的關(guān)系以及中間母線濾波器對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能的影響，給出輸出濾波電容的設(shè)計(jì)原則；并采用注入電壓源擾動(dòng)測(cè)量阻抗比的