潛艇自動操舵系統(tǒng)電源研究

方寧張明徐望王小東嚴雷方臣富

（1.上海交通大學上海200240）（2.海軍九〇二廠上海200083）（3.江蘇科技大學鎮(zhèn)江212003）

潛艇自動操舵系統(tǒng)電源研究

方寧1，2張明1徐望2王小東2嚴雷3方臣富3

（1.上海交通大學上海200240）（2.海軍九〇二廠上海200083）（3.江蘇科技大學鎮(zhèn)江212003）

自動操舵系統(tǒng)電源是潛艇最重要的設備之一，其主要作用是將潛艇上220V/400Hz交流轉換為多路連續(xù)輸出的27V直流，并分配供給自動操舵系統(tǒng)。自動操舵系統(tǒng)工作的可靠性對保障潛艇上浮、下潛以及按預定航向航行具有關鍵作用。論文采用單端正激高頻逆變功率變換單元為主電路，采用有源鉗位磁通復位技術和PFM控制模式構建恒壓輸出閉環(huán)控制電路，并進行逆變功率變換主電路的冗余設計以及電源功能模塊化和模塊熱插拔設計，實現(xiàn)了功率變換和輸出恒壓閉環(huán)控制。試驗表明，研究的潛艇自動操舵系統(tǒng)電源結構簡單、操作方便，開關損耗小、能效高，電源輸出電壓穩(wěn)定、工作可靠性高，完全滿足潛艇對輸出電壓質量和可靠性要求。

潛艇；自動操舵；電源；逆變；功率變換

Class NumberU664.3

1 引言

自動操舵系統(tǒng)電源是潛艇自動操舵系統(tǒng)的供電裝置，對工作可靠性、電磁兼容性及環(huán)境適應性要求特別高，因為潛艇自動操舵系統(tǒng)電源出現(xiàn)故障，潛艇就不能正常工作，立即喪失訓練和作戰(zhàn)能力。我國引進潛艇服役時間延長，元器件逐漸老化、性能下降和部分元器件損壞失效，引起自動操舵系統(tǒng)操舵性能下降、發(fā)生故障頻率增加。引進潛艇自動操舵系統(tǒng)電源沒有引進備品，因此迫切需要研制能夠完全替代的潛艇自動操舵系統(tǒng)電源。

潛艇自動操舵系統(tǒng)電源按照要求必須與原裝電源完全互換，即機箱結構可與原裝電源機箱完全整體替換，研制的功能模盒能夠完全與原裝功能模盒完全互換；輸入輸出電氣技術參數(shù)及電氣功能特性、EMC特性、溫度特性和振動特性等與原裝電源一致。本文根據(jù)潛艇自動操舵系統(tǒng)對電源參數(shù)和可靠性要求，采用單端正激高頻逆變電路拓撲、有源鉗位磁通復位技術實現(xiàn)電能變換，主電路拓撲結構簡單、電能變換效率高；采用PFM閉環(huán)控制模式構成恒壓閉環(huán)控制系統(tǒng)；采用電路冗余設計，電路功能模塊化和模塊熱插拔設計提高電源可靠性，從而保證某個電路功能模塊發(fā)生故障時，電源仍然能夠繼續(xù)向潛艇自動操舵系統(tǒng)供電并可及時帶電更換電路功能模塊，從而為潛艇作戰(zhàn)訓練提供可靠保障。

電源主要由十個功能模盒組成，內部為上下兩層完全對稱布局的雙通道結構。每個通道包括交流配電及保護功能模盒A；變換功能模盒B1、B2；兩個直流配電及保護功能模盒C1、C2，兩個通道分上下兩層，從左到右分別為變換功能模盒B2、直流配電及保護功能模盒C1、交流配電及保護功能模盒A、直流配電及保護功能模盒C2和變換功能模盒B1。

2 單端正激高頻逆變功率變換器

2.1 功率變換器主電路設計

潛艇自動操舵儀電源應必須體積小，且密封在一個金屬空殼內，只能依靠傳導散熱的設計要求，功率變換器采用如圖1所示的單端正激高頻逆變電路拓撲結構。逆變電路由高頻變壓器T1、功率開關管Q1、鉗位開關管QC、鉗位電容CC組成，Dq1和Dqc分別為功率開關管Q1和鉗位開關管QC的體二極管，諧振電容Cr為功率開關管Q1和鉗位開關管QC的輸出等效電容［1-3］。如圖1所示，設計的電路拓撲結構簡單，功率器件較少，且只需一路驅動電路，便于安裝，減少功耗［4］。

功率開關管Q1在驅動脈沖作用下開通時，通過高頻變壓器T1向負載提供電能；功率開關管Q1關斷后，首先由負載電流向諧振電容Cr充電，當諧振電容Cr電壓達到輸入電壓時，高頻變壓器T1原邊電壓過零，勵磁電感與諧振電容Cr諧振，當諧振電容Cr電壓達到輸入電壓與鉗位電容電壓之和時，鉗位開關管QC的反并聯(lián)二極管Dqc導通，鉗位電容電壓作為負電壓加在高頻變壓器T1原邊，高頻變壓器T1勵磁電感電流線性下降，高頻變壓器T1磁芯復位，在反并聯(lián)二極管Dqc導通的時候，零電壓開通鉗位開關管QC，高頻變壓器T1可以在鉗位電容電壓作用下反向勵磁［5，6］。鉗位電容CC在鉗位開關管QC的反并聯(lián)二極管Dqc導通時處于充電狀態(tài)，在鉗位開關管QC導通后處于放電狀態(tài)，因此鉗位電容CC的兩端電壓具有浮動性，可以實現(xiàn)雙向對稱磁化［7］。逆變電路將直流電逆變后得到高頻方波交流電，經(jīng)高頻變壓器T1降壓，再通過由副邊MOSFET管D1，MOSFET管D2，輸出電感L0，輸出濾波電容C1整流濾波后，得到所需的直流電。

如圖2所示，設計的單端正激高頻逆變功率變換電路的一個工作周期可分為八個運行階段：1）主功率開關管Q1零電壓開通，電能通過高頻變壓器T1傳遞到負載；2）Q1零電壓關斷，諧振電容Cr充電到Uin；3）Cr充電到Uin+VCc，鉗位開關管Qc的集射極壓降VQc被鉗位到零；4）鉗位電容CC通過Dqc導通充電；5）鉗位開關管Qc零電壓開通，CC放電；6）QC鉗位開關管Qc零電壓關斷，Q1的管壓降VDS1諧振到Uin；7）VDS1諧振到零；8）功率開關管Q1的體二極管Dq1導通，Q1零電壓開通。

2.2 功率變換器PFM閉環(huán)控制設計

采用UC3864集成控制芯片為核心組成如圖3所示的PFM閉環(huán)控制電路實現(xiàn)對電源輸出功率和特性控制。脈頻調制電路工作頻率最大值fmax為240kHz、最小值為fmin為50kHz。PI調節(jié)電路的輸出信號送到UC3864的2腳，也即誤差放大器的正相輸入端。實際應用時UC3864的3腳和4腳相連，通過改變2腳的電位，即改變了誤差放大器的輸出，誤差放大器的輸出控制壓頻振蕩器的輸出頻率，即通過改變2腳電壓值調節(jié)輸出脈沖的頻率，進而改變占空比而調節(jié)輸出電壓。當PI調節(jié)信號增大時，UC3864輸出的PFM信號頻率提高，輸出脈沖信號占空比增大，輸出電壓升高；當PI調節(jié)信號減小時，UC3864的輸出信號頻率減小，輸出脈沖信號占空比減小，輸出電壓降低［8］。因此，無論由于何種原因引起輸出電壓發(fā)生變化，都可以通過PFM閉環(huán)控制電路使輸出電壓穩(wěn)定到設定值。

PFM控制系統(tǒng)還具有完善的保護電路、軟啟動電路和重新啟動電路等。當出現(xiàn)故障時，芯片的兩個輸出端將被拉成低電平，輸出被封鎖，起到保護作用。軟啟動電路使開機時輸出脈沖由零緩慢增加，使輸出電壓逐漸升高到設定值。通過在UC3864的16腳外接電容C6，可以實現(xiàn)軟啟動功能和重新啟動功能［9］。

在不同的PI調節(jié)信號情況下，測試了UC3864輸出的不同頻率脈沖波形，測試的波形如圖4所示。隨著UC3864的2腳電位的升高，輸出脈沖的頻率增加，占空比增加，輸出電壓升高。

3 單端正激高頻逆變功率變換電路冗余設計

采用電路冗余技術，使兩路電源模塊同時向負載供電，與多重故障檢測和保護措施相配合，從而大大提高了電源工作的可靠性［10～11］。冗余電源模塊陣列中的各電源功能模盒具有熱插拔特性，可以帶電拆卸、安裝和維修。

如圖5所示，本文設計的電源設置了兩個完全相同的Uo變換與分配通道，它們互為備份，由中央控制臺設置的通道開關切換。兩個交流配電與保護功能模盒同時給兩個通道供電。工作原理分析如下：

通道1和通道2互為兩個獨立的電源；每一個通道由一個交流配電及保護電路功能模盒A、兩個電源變換功能模盒B1、B2和一個直流配電及保護功能模盒C組成，通道2的工作原理與通道1的工作原理完全相同；通道1中的交流配電及保護電路功能模盒A給通道1中的電源變換功能模盒B2和B1的a路供電。通道2中的交流配電及保護電路功能模盒A給通道1中的電源變換功能模盒B2和B1的b路供電；通道1中的電源變換功能模盒B2的a1路和b1路并聯(lián)輸出，電源變換功能模盒B2的a2路和b2路并聯(lián)輸出；通道1中的B2輸出經(jīng)C1變?yōu)?路Uo輸出，B1輸出經(jīng)C2變?yōu)?路Uo輸出。

研制電源的電路冗余原理和工作過程分析如下（以通道1為例說明）：通道1中所有元部件均無故障，輸出16路Uo直流電；如有一個A故障，會影響B(tài)2和B1功能模盒的a路供電，此時仍有16路Uo輸出；如B2功能模盒中有一路DC-DC前端1故障，會影響A功能模盒中1-1和1-2路供電，但輸出仍為16路27V直流電；如B2中有一個DC-DC（1-1）故障，會影響B(tài)2中DC-DC（1-1）路輸出，但輸出仍為16路27V直流電；如有一個DC-DC功能模盒B1（2-1與2-2或1-1與1-2）故障，輸出仍為16路Uo直流電；如有一個DC-DC功能模盒B1（1-1與2-2或1-2與2-1）故障，輸出仍為16路Uo直流電；如有一個DC-DC功能模盒B1（1-2與2-2或1-1與2-1）故障，輸出為12路Uo直流電，其中功能模盒C1輸出8路Uo，功能模盒C（2）輸出4路Uo，4路無輸出，同時功能模盒C2產(chǎn)生故障信號到中央控制臺；如有一個直流配電及保護功能模盒（C2）故障，輸出為12路27V直流電，功能模盒C1輸出8路27V；功能模盒C2輸出4路27V，4路無輸出，同時C2產(chǎn)生故障信號到中央控制臺。

4 潛艇自動操舵系統(tǒng)電源EMC設計

4.1 輸入交流濾波電路設計

交流配電路（保護功能模盒A功能模盒）EMC原理如圖6所示。圖中是EMC技術核心。EMC電路由兩個共模電感L1、L2，六個共模電容C1、C2、C3、C4、C5、C6以及兩個瞬態(tài)電壓抑制TVS1、TVS2組成。兩個共模電感L1、L2能有效地抑制高次諧波電流信號干擾［12］，而六個共模電容C1、C2、C3、C4、C5、C6能有效過濾掉高次諧波電壓信號，兩個瞬態(tài)電壓抑制TVS1，TVS2能有效起到“削平”尖峰電壓的幅值［13］。這樣實現(xiàn)了對電壓、電流高次諧波信號有效的抑制，從而大大降低了共模輸入噪聲和對瞬態(tài)過壓起到了有效保護作用［14］，將從輸入端進入的較為“粗糙”的220V/400Hz交流電變?yōu)椤皾崈艄饣钡?20V/400Hz交流電輸出，從而提高了電源的抗電磁干擾的能力。

4.2 輸出直流濾波電路設計

直流配電路（直流配電及保護功能模盒C1、C2）EMC原理見圖7，直流配電路（直流配電及保護功能模盒C1、C2）是由八路完全相同的電路組成，其中每一路所采用的EMC技術都完全相同。圖中無源濾波網(wǎng)絡是直流配電路（直流配電及保護功能模盒C1、C2）實現(xiàn)EMC技術的核心，EMC電路由八個共模電感L1-L8和八個差模電容C1-C8以及十六個穿心電容Z1-Z16組成［15］。通過這個無源濾波網(wǎng)絡將從DC-DC變換器（變換功能模盒B1、B2）輸出的27V直流電進一步的濾波處理，從而更進一步實現(xiàn)對27V直流電紋波的抑制，最大限度地提高電源的品質。

5 結語

1）潛艇自動操舵系統(tǒng)電源采用單端正激高頻逆變電路，結構簡單、開關損耗小、電能變換效率高，可提高電源可靠性；采用PFM閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對電源輸出功率和輸出電壓的控制。

2）潛艇自動操舵系統(tǒng)電源采用電路冗余設計，兩路單端正激高頻逆變功率變換電路（四塊電源變換功能模盒）可同時輸出功率和輸出電壓，只要一塊電源變換功能模盒正常工作，便會繼續(xù)輸出功率和輸出電壓，從而大大提高了潛艇自動操舵系統(tǒng)電源工作可靠性。

3）潛艇自動操舵系統(tǒng)電源采用了EMC設計，在電源變換功能模盒前配置了交流濾波電路（交流配電及保護功能模盒），在電源變換功能模盒后配置了直流濾波電路（直流配電及保護功能模盒），從而大大提高了潛艇自動操舵系統(tǒng)電源抗電磁干擾能力。

［1］劉飛，韋克康，邵聞博，等.ZVS-PWM正激變換器有源鉗位磁復位技術的研究［J］.通信電源技術，2008，25（1）：25-28.

［2］張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2004：106-136.

［3］Li Q，Lee F C.Large-signal transient analysis of forward converter with active-clamp reset［J］.IEEE Power electronics specialists conference，May，1998，29（1）：633-639.

［4］徐友慧，陳克選，劉曉風，等.單端正激逆變焊機電路的分析與設計［J］.電焊機，2014，44（9）：53-56.

［5］趙志英，龔春英，秦海鴻.高頻變壓器分布電容的影響因素分析［J］.中國電機工程學報，2008，28（9）：55-60.

［6］徐明，尹斌，周巖.ZVS PWM全橋變換器副邊箝位電路研究［J］.電力自動化設備，2006，26（9）：43-46.

［7］鐘炎平，賴向東，權建州，等.功率變壓器中磁通的復位與平衡［J］.電工技術，2001（7）：10-11.

［8］陳憲彪，尹斌.一種基于UC3846的變頻設計與應用［J］.信息通信，2012（1）：66-67.

［9］趙晨光，馮全源，王丹.一種PFM控制模式高效反激轉換器的設計［J］.半導體技術，2014，39（9）：646-650.

［10］孫懷義.冗余設計技術與可靠性關系研究［J］.儀器儀表學報，2007，28（11）：2089-2092.

［11］郭玉俤，林周布.一種應用于直流電源的熱替換與冗余新技術［J］.通信電源技術，2005，22（5）：45-47.

［12］戴憲濱，趙毅，李榮毅.電力系統(tǒng)中高次諧波的危害及其限制方法［J］.沈陽工程學院學報（自然科學版），2008，4（4）：327-329.

［13］王博，張秀青.電磁兼容技術及其在開關電源中的應用［J］.電源技術應用，2008（6）：31-34.

［14］區(qū)健昌.電子設備的電磁兼容性設計［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2003.

［15］楊繼深.穿心電容的應用［J］.安全與電磁兼容，2002（3）：41-41.

Power Supply for Submarines Automatic Steering System

FANG Ning1，2ZHANG Ming1XU Wang2WANG Xiaodong2YAN Lei3FANG Chenfu3
（1.Shanghai Jiao Tong University，Shanghai200240）（2.The 902 Factory of Navy，Shanghai200083）（3.Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang212003）

The sort of power supply for submarine automatic steering system is the most important equipment in the submarine.The main function is to convert 220V/400Hz AC to multiple continuous output 27V DC and distribute the DC to automatic steering system.The reliability of power supply is critical to guarantee that the submarine is floating，diving and sailing on a scheduled course.In this paper，single-ended forward high-frequency inverter power conversion main circuit and active clamp magnetic reset technology are adopted，closed-loop control system constituted is realized by adopting PFM modulation system to establish constant voltage output closed-loop control circuit，the redundancy technology，the power function modularization and the modularization hot swap design are adopted to realize power conversion and constant voltage output closed-loop control.The experiment results show that this system has simple structure，easy operation，small switching loss，high electrical-energy transform efficiency，steady output voltage and high reliability.It can meet the requirement of the submarine on the quality and reliability of the output voltage.

submarine，automatic steering，power supply，inverter，power conversion

U664.3

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.07.030

2017年1月3日，

2017年2月19日

方寧，男，工程師，研究方向：電氣工程自動化。張明，男，碩士研究生，高級工程師，研究生學歷，研究方向：電力系統(tǒng)自動控制。徐望，男，碩士研究生，高級工程師，研究方向：導航儀器控制技術。王小東，男，工程師，研究方向：自動化。嚴雷，男，碩士研究生，研究方向：電力電子技術。方臣富，男，教授，博士生導師，研究方向：電力電子技術。