空間紅外探測(cè)器用制冷驅(qū)動(dòng)電路母線電流分析

吳 南,金占雷,徐麗娜,李昊謙,許云飛,原 娜

(北京空間機(jī)電研究所,北京 100094)

1 引 言

空間紅外遙感全天時(shí)工作的優(yōu)點(diǎn)使其得到廣泛的應(yīng)用[1],紅外探測(cè)器是空間紅外遙感的核心器件,為了提高紅外探測(cè)器性能,需要通過主動(dòng)制冷降低探測(cè)器的工作溫度,遏制探測(cè)器暗電流的產(chǎn)生和增大信噪比[2-5],隨著紅外探測(cè)器規(guī)模的日益增大對(duì)制冷的能力和精度提出了更高的要求。目前國(guó)內(nèi)已有很多家單位進(jìn)行了控制算法和硬件電路的研究[6],文獻(xiàn)[7]、[8]建立了基于DSP的制冷控制系統(tǒng)；文獻(xiàn)[9]建立了基于FPGA的斯特林制冷機(jī)控制系統(tǒng)；文獻(xiàn)[10]總結(jié)了國(guó)內(nèi)外制冷控制系統(tǒng)的研究進(jìn)展,文中指出制冷機(jī)控制器效率最高可達(dá)到96 %,如何提高制冷控制的轉(zhuǎn)換效率,是提高整個(gè)控制效率的重中之重的環(huán)節(jié)。研究制冷控制器各部分的電流及功耗并對(duì)功耗占比較大部分進(jìn)行減功耗設(shè)計(jì)是大功率制冷控制器的重要研究?jī)?nèi)容,對(duì)于指導(dǎo)單機(jī)的熱設(shè)計(jì)和小型化設(shè)計(jì)具有重要意義。

本文通過simulink對(duì)大功率制冷驅(qū)動(dòng)電路母線電流進(jìn)行仿真分析,研究參數(shù)變化對(duì)母線濾波電路功耗的影響,包括：①H橋電源電流仿真分析；②負(fù)載、調(diào)制度參數(shù)變化對(duì)母線電流影響分析；③母線濾波電容的電流趨勢(shì)原因分析。

2 制冷驅(qū)動(dòng)電路建模

制冷控制器是由完成紅外探測(cè)系統(tǒng)內(nèi)脈沖管制冷機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的電路單元、產(chǎn)生制冷控制器內(nèi)部二次電源的DC/DC電源模塊、溫度反饋電路、驅(qū)動(dòng)放大電路以及裝載上述電路的結(jié)構(gòu)體組成。制冷控制器的作用就是根據(jù)測(cè)溫二極管反饋的溫度信號(hào)和設(shè)定溫度的差值調(diào)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的幅值,驅(qū)動(dòng)活塞按照規(guī)定的頻率運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)制冷量的控制,達(dá)到對(duì)冷指溫度的調(diào)節(jié)和控制目的。如圖1所示。

圖1 制冷控制器工作原理框圖Fig.1 Operating principle of refrigeration controller

脈管制冷機(jī)低溫制冷由于溫度低、功耗大,通常采用SPWM波控制H橋?qū)崿F(xiàn)DC/AC變換。其中驅(qū)動(dòng)電路采用經(jīng)典的H橋式電路,圖2中的兩組MOSFET(F1,F4)和(F2,F3)輪流導(dǎo)通,以一定的頻率驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)M1。為減少DC/AC高次諧波對(duì)制冷機(jī)的擾動(dòng)及減小電磁波對(duì)外的輻射干擾,需要在DC/AC輸出端放置低通濾波器濾除高次諧波?？紤]濾波效果和能量效率,采用LC低通濾波電路。

圖2 驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)化模型Fig.2 Simplified model of driving circuit

SPWM的調(diào)制比ρ定義為：

(1)

其中,US為sin調(diào)制波幅值;UT三角載波幅值。

假定負(fù)載M1為純電阻RM1。設(shè)定UC1～UC3為電容C1～C3(C1～C3電容均為86 μF)兩端的電壓,IC1～I(xiàn)C3為C1～C3的電流,IL1～I(xiàn)L3為L(zhǎng)1～L3(L1～L3電感為100 μH)的電流,IF1～I(xiàn)F4為F1～F4(F1～F4的導(dǎo)通內(nèi)阻均為0.028 Ω)的電流,IM1為流過M1的電流。基于以上條件開展仿真分析。

3 驅(qū)動(dòng)電路仿真分析

3.1 H橋電源電流仿真分析

圖2中兩組MOSFET(F1,F4)和(F2,F3)輪流導(dǎo)通,IH為H橋電源的電流,因此:

IH=IF1+IF3

(2)

由H橋的工作原理可知:

IF1=IF4

(3)

IF2=IF3

(4)

因此,IH出現(xiàn)了倍頻,即IH頻率是IM1頻率的2倍。

針對(duì)SPWM調(diào)制比ρ=1、RM1=5 Ω的情況進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?輸出濾波電感上的電流為:

IL2=IC2+IM1

(5)

IF1與IF3相位差180°(0.01 s),H橋電源電流為IH=IF1+IF3,母線電源電流IL1為IH的低頻分量,母線濾波電容電流IC1為IH的高頻分量:

IH=IL1+IC1

(6)

(a)UC2

(b)IM1

(c)IC2

(d)IL2

(e)IF1

(f)IH

(g)IL1

(h)IC1

3.2 負(fù)載RM1、調(diào)制度ρ變化對(duì)IL1、IC1的影響分析

進(jìn)一步分析IH、IL1、IC1,由H橋的工作原理可知,對(duì)于任意ρ,在SPWM的最大占空比α滿足：

α=(1+ρ)/2

(7)

將圖3的IH局部放大如圖4所示,對(duì)比圖3(b)、(d)和圖4可知：

IH極大值≈-IH極小值≈IL2極大值≈IM1極大值

(8)

IH在極值處一個(gè)載波周期(50 ns)內(nèi)的平均值,即IL1極大值可以表示為:

IL1極大值≈IH極大值α+IH極小值(1-α)

=IH極大值(2α-1)

=ρIH極大值≈ρIM1極大值

=1.414ρIM1有效值

(9)

圖4 IH局部放大圖Fig.4 Partial enlarged drawing of IH

在IL1的非極大值位置也可以用相同方法進(jìn)行瞬時(shí)值的計(jì)算,由圖3(g)可以看出,IL1近似為直流量加上輸出波兩倍頻率(100 Hz)的正弦,IL1均值和IL1有效值可以分別表示為：

(10)

=0.612IL1極大值

H6：品牌創(chuàng)新能力對(duì)新疆農(nóng)產(chǎn)品品牌競(jìng)爭(zhēng)力有正向影響，即新疆農(nóng)業(yè)發(fā)展的技術(shù)創(chuàng)新能力、管理創(chuàng)新能力、形象創(chuàng)新能力越強(qiáng)，新疆農(nóng)產(chǎn)品區(qū)域品牌競(jìng)爭(zhēng)力越強(qiáng)。

≈0.612ρIM1極大值

(11)

IC1為IH的高頻分量,IC1極小值、IC1均值、IC1有效值分別為：IC1極小值≈-IM1極大值-ρIM1極大值

(12)

IC1均值=0

(13)

(14)

當(dāng)忽略控制器內(nèi)阻時(shí),輸出電流可以表示為:

(15)

將式(15)代入式(9)～(14),可以得到忽略控制器內(nèi)阻的IL1、IC1與U母線電源、RM1的關(guān)系:

(16)

IL1均值≈1/2ρIM1極大值

(17)

IL1有效值≈0.612ρIM1極大值

(18)

IC1極小值≈-IM1極大值-ρIM1極大值

(19)

IC1均值=0

(20)

(21)

根據(jù)圖2模型進(jìn)行simulink仿真,當(dāng)調(diào)制比ρ在0.4和1之間保持恒定、RM1從1～10 Ω變化時(shí),IM1極大值、IL1極大值、IL1均值、IL1有效值、IC1極小值、IC1均值、IC1有效值變化情況如圖5所示。

圖5 Simulink仿真結(jié)果Fig.5 Simulation result of simulink

仿真結(jié)果顯示,當(dāng)ρ恒定時(shí)驅(qū)動(dòng)電路輸出電壓UC2保持恒定,IM1極大值、IL1極大值、IL1均值、IL1有效值均與1/RM1極大值成正比關(guān)系。以ρ=0.8、負(fù)載RM1=1 Ω為例,仿真結(jié)果如下所示：

(22)

式(22)與式(9)～(14)揭示的規(guī)律一致,其中IC1有效值的公式推算比較困難,因此采用分析和數(shù)據(jù)擬合的方法進(jìn)行的IC1有效值計(jì)算。由圖5(g)看出在仿真設(shè)定的條件下,當(dāng)ρ不變時(shí)IC1有效值隨著1/RM1線性增大；而RM1不變時(shí)IC1有效值隨著ρ的增大而先增大后減小。IC1有效值在三維圖中顯示如圖6(a)所示,可以看出極值點(diǎn)均在ρ=0.8附近。對(duì)IC1有效值的仿真結(jié)果進(jìn)行擬合,可得:

(23)

(a)

(b)

將圖5(g)仿真結(jié)果與式(23)擬合結(jié)果進(jìn)行對(duì)比得到擬合誤差,如圖6(b)所示?？梢钥闯鲈谌谭秶鷥?nèi)IC1有效值擬合誤差不超過1 A。

3.3IC1有效值的變化趨勢(shì)原因分析

式(14)可以進(jìn)一步表示為:

(24)

(a)IC12

對(duì)于其他固定負(fù)載RM1,IC1有效值隨ρ變化的仿真結(jié)果與圖8相似,當(dāng)RM1確定時(shí),IC1有效值與ρ并非線性增加關(guān)系,而是隨著ρ的增加先增大后減小,極值出現(xiàn)在ρ=0.8附近,與仿真結(jié)果一致。

圖8 RM1=5 Ω時(shí)不同調(diào)制比ρ的Fig.8 different modulation ratio ρ when RM1=5 Ω

4 結(jié) 論