深潛救生艇模擬器24 V 電源新型變換器研究

趙海彬，陳嘉偉，鐘后陽

(1.海軍潛艇學(xué)院，山東青島 266011；2.中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫 214082)

0 引言

深潛救生艇是一種可與沉沒失事潛艇對接，援救出被困幸存艇員的載人潛水器，是執(zhí)行潛艇救生保障的核心防救裝備[1–3]。受到海洋環(huán)境、失事潛艇坐沉海底姿態(tài)等影響，深潛救生艇作業(yè)是一項與操縱人員技能密切相關(guān)的復(fù)雜人因工程，而深潛救生艇模擬器是目前有效提高操縱人員實操技能的主要手段之一[4]。

深潛救生艇模擬器主要由本體、六自由度平臺系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、對接系統(tǒng)和教控系統(tǒng)等組成，其中本體分為指揮艙和救生艙，如圖1所示。指揮艙是人員操縱深潛救生艇模擬器的部位，因此艙內(nèi)布置有與實裝一致的各種儀器設(shè)備和控制面板，由24 V 電壓供電[5–6]。

圖1 深潛救生艇模擬器Fig.1 The simulator of SRV

為了提高深潛救生艇模擬器系統(tǒng)魯棒性，同時降低能耗，系統(tǒng)24 V 電源采用“電網(wǎng)+光伏”雙回路供電模式，2種供電排布方式為并聯(lián)結(jié)構(gòu)，其中光伏供電模塊由DC/DC變換器將直流12 V 電壓變換為直流24 V，以提供給24 V 配電網(wǎng)路，進而送入并網(wǎng)至指揮艙，向艙內(nèi)供電，如圖2所示。

圖2 深潛救生艇模擬器24 V 電源結(jié)構(gòu)Fig.2 The 24 V power supply structure of SRV simulator

受到工作環(huán)境、功能任務(wù)等要求，深潛救生艇模擬器指揮艙儀器設(shè)備和控制面板對電磁干擾敏感，但目前深潛救生艇模擬器光伏供電模塊高電磁干擾（包括較弱的抗干擾能力和較強的干擾其他設(shè)備能力）問題突出，嚴重影響了模擬器性能發(fā)揮。

為滿足深潛救生艇模擬器對24 V 電源低電磁干擾特性的需求，本文針對現(xiàn)有變換器技術(shù)缺點，提出一種輸入電流零紋波、輸出電流低紋波的新型DC-DC 變換器，以作為深潛救生艇模擬器24 V 電源的電路，從而有效降低外界傳導(dǎo)干擾對24 V 電源的影響，保證24 V 電源工作時對指揮艙內(nèi)設(shè)備和面板的低干擾，以提高模擬器性能。

1 工作模式

本文提出的深潛救生艇模擬器24 V 電源新型變換器為零輸入電流紋波單開關(guān)管直流變換器，變換器由1個功率開關(guān)管（S）、4個電容器（Co，C1，C2，C3）、2 個二極管（D1，D2）、4 個電感（L1，L2，L3，L4）和負載組成，如圖3所示。

圖3 變換器結(jié)構(gòu)原理圖Fig.3 The schematic diagram of converter

深潛救生艇模擬器24 V 電源新型變換器在CCM工作模式下的工作狀態(tài)包括2種，如圖4所示。2種狀態(tài)具體如下：

狀態(tài)1[t0,t1]（見圖4（a））：此狀態(tài)為傳統(tǒng)直通狀態(tài)，在此狀態(tài)下，開關(guān)管S導(dǎo)通，二極管D1和D2截止，D1和D2分別被VC1+VC2和VCo反向偏置。輸入電壓Vg及電容C1，C2，C3，Co共同放電將能量傳輸?shù)截撦d側(cè)，當開關(guān)管S兩端電壓降為0時，該狀態(tài)結(jié)束。

狀態(tài)2[t1,t2]（見圖4（b））：開關(guān)管S關(guān)斷，二極管D1和D2導(dǎo)通，開關(guān)管S被VC1+VC2反向偏置。此時輸入電壓Vg為電容C1，C2，C3，Co充電，當電容C1，C2，C3，Co充電結(jié)束，二極管D1和D2的電流降為0時，此狀態(tài)結(jié)束。

圖4 變換器工作狀態(tài)Fig.4 The working states of converter

2 直流穩(wěn)態(tài)分析

為簡化深潛救生艇模擬器24 V 電源新型變換器電路分析，假設(shè)變換器電容、電感、二極管和功率管等均為理想情況；4 個電感L1，L2，L3，L4容值相同且流過電流連續(xù)；4 個電容C1，C2，C3，Co相同且電容容值足夠大。

變換器電路工作在D<0.5情況下，在一個工作周期內(nèi)工作過程為工作模式1~2，每個階段的時間分別為Dts，（1-D）ts。

變換器按照開關(guān)頻率周期工作，在第一個工作過程中，變換器工作于工作模式1下，進行直流穩(wěn)態(tài)分析得到電壓和電流關(guān)系分別有：

式中，在工作模式1 下：VL1_ON，VL2_ON，VL3_ON，VL4_ON分別為電感L1，L2，L3，L4兩端電壓；IL1，IL2，IL3，IL4為流過電感L1，L2，L3，L4的電流；IC1_ON，IC2_ON，IC3_ON，IC4_ON為流過電容C1，C2，C3，Co的電流。

在第2個工作過程中，變換器工作于工作模式2下，進行直流穩(wěn)態(tài)分析得到電壓和電流關(guān)系分別有：

在工作模式2下：VS為開關(guān)管兩端電壓；VL1_OFF，VL2_OFF，VL3_OFF，VL4_OFF分別為電感L1，L2，L3，L4兩端電壓；IL1，IL2，IL3，IL4為流過電感L1，L2，L3，L4的電流；IC1_OFF，IC2_OFF，IC3_OFF，IC4_OFF為流過電容C1，C2，C3，Co的電流；ID1，ID2為流過二極管D1，D2的電流。

電路工作在穩(wěn)態(tài)且理想情況下，根據(jù)電感的伏秒平衡法則：

可得：

又由：

可得：

進而得到：

綜上可得深潛救生艇模擬器24 V 電源新型變換器的輸入輸出關(guān)系為：

3 應(yīng)力分析

根據(jù)深潛救生艇模擬器24 V 電源新型變換器工作原理中電壓增益的推導(dǎo)過程，可得電容電壓應(yīng)力為：

開關(guān)管和二極管的電壓應(yīng)力為：

根據(jù)基爾霍夫電流定律可得：

由功率守恒可得：

根據(jù)穩(wěn)態(tài)條件下電容的安秒平衡：

可得開關(guān)管、二極管和電感電流應(yīng)力為：

將變換器中主要器件的電壓和電流應(yīng)力進行總結(jié)，如表1所示。

表1 變換器主要器件電壓和電流應(yīng)力Tab.1 Voltage and current stressof converter’s main devices

4 功耗分析

深潛救生艇模擬器24 V 電源新型變換器功耗包括開關(guān)管損耗、二極管損耗、耦合繞組損耗和電容損耗。變換器帶寄生參數(shù)的等效電路如圖5所示。為了計算變換器的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，將所有二極管的正向壓降和等效導(dǎo)通電阻定義為VFD和rD；開關(guān)管的等效導(dǎo)通電阻定義為rS；耦合繞組的寄生電阻分別為rL1，rL2，rL3，rL4；電容C1，C2，C3，Co的寄生電阻分別為rC1，rC2，rC3，rCo。

圖5 帶寄生參數(shù)等效電路圖Fig.5 Equivalent circuit diagram with parasitic parameters

開關(guān)管損耗包括導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，其導(dǎo)通損耗為：

開關(guān)管的開關(guān)損耗為：

既然旅游者具有其自身的特殊性，并且外出旅游就是為了放松，享受閑暇時間的自由，那么就應(yīng)該在充分理解游客的基礎(chǔ)上，做出有針對性的安排，來減少其不文明行為發(fā)生的機會。既然游客喜歡刻字或者涂鴉，那么就可以給游客提供涂鴉的專門空間和位置，在景區(qū)的適當位置建立游客涂鴉區(qū)或者留言區(qū)，這樣的管理措施就是有意識的“順”的行為，然后，在通過其他的規(guī)則、標識等方式進行“導(dǎo)”，可以大幅度降低游客發(fā)生不文明行為的可能性。

開關(guān)管的總損耗為：

二極管損耗包括導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，其導(dǎo)通損耗為：

二極管的開關(guān)損耗為：

二極管的總損耗為：

電感的總損耗為：

電容的損耗為：

電容的總損耗為：

所以，總功率損耗為：

5 參數(shù)設(shè)計

5.1 電感參數(shù)設(shè)計

深潛救生艇模擬器24 V 電源新型變換器電感計算公式為：

式中：VL為電感上的電壓；D為占空比；fS為開關(guān)管頻率；ΔIL為電感的電流紋波。

其中，rL為電感的紋波系數(shù)，一般取0.2。

把式（9）、式（22）、式（34）代入式（33）得：

5.2 電容參數(shù)設(shè)計

深潛救生艇模擬器24 V 電源新型變換器電容計算公式為：

式中：IC為電容上的電流；ΔVC為電容的電壓紋波。

其中，rC為電感的紋波系數(shù)，一般取0.02。

在開關(guān)周期（0≤t

將式（11）~式（14）、式（16）、式（17）和（37）帶入式（36）得：

在實際應(yīng)用中，變換器電容值的選取應(yīng)大于計算值[7 –8]。

5.3 開關(guān)管和二極管參數(shù)設(shè)計

深潛救生艇模擬器24 V 電源新型變換器開關(guān)管和二極管可根據(jù)它們的電壓和電流應(yīng)力，即式（15）、式（20）～式（22）選擇。

因此，深潛救生艇模擬器24 V 電源新型變換器設(shè)計選用功率開關(guān)管型號為IRFP4668PbF，二極管型號為STTH6002CW，其主要設(shè)計參數(shù)總結(jié)如表2所示。

表2 變換器參數(shù)Tab.2 The specific parameters of converter

6 實驗驗證

基于分析，設(shè)計100 W 變換器樣機進行實驗。實驗樣機參數(shù)與仿真設(shè)計參數(shù)一致，驗證所提出的深潛救生艇模擬器24 V 電源新型變換器理論正確性，圖6為D=0.25時變換器實驗樣機輸入輸出波形。

圖6 樣機實驗波形Fig.6 The experimental oscillograms of prototype

圖6（a）為變換器實驗樣機輸入電壓Vg、輸出電壓Vo及輸入電流iin的實驗波形，當輸入電壓Vg=25 V 時，能夠達到輸出電壓Vo=50 V，說明樣機與所設(shè)計電路參數(shù)一致，且輸出電壓能夠保持穩(wěn)定；圖6（b）為變換器實驗樣機開關(guān)管S兩端電壓VDS、所流過電流iS、驅(qū)動信號VGS波形圖，當開關(guān)管導(dǎo)通時電路工作于狀態(tài)1下，開關(guān)管關(guān)斷時電路工作于狀態(tài)2下；圖6（c）為變換器實驗樣機二極管D1兩端電壓VD1、流經(jīng)電流iD1、二極管D2兩端電壓VD2、流經(jīng)電流iD2波形圖；圖6（d）為變換器實驗樣機電感L1，L2，L3，L4所流經(jīng)電流iL1，iL2，iL3，iL4的波形圖，其中iL1及iL4為輸入電流及輸出電流，通過波形圖可知，輸入、輸出電流能夠?qū)崿F(xiàn)零紋波，以保證變換器穩(wěn)定運行。

針對不同功率等級，對變換器樣機進行測試，各功率等級下樣機效率變化曲線如圖7所示。在50 W 情況下，變換器效率能夠達到95.89%，隨著功率等級的升高效率進一步提高，當100 W 時，效率為95.96%。

圖7 樣機效率曲線Fig.7 The efficiency curve of prototype

7 結(jié)語

本文提出的深潛救生艇模擬器24 V 電源新型變換器，通過前級引入電感L1和L2能夠有效減小輸入電流紋波影響，實現(xiàn)電流零紋波輸入，從而有效降低外界傳導(dǎo)干擾對主24 V 電源的影響，實現(xiàn)了電路穩(wěn)定運行；通過引入電感L4能夠在保證電路增益不變的情況下，實現(xiàn)對電路輸出電流零紋波。不僅保證了主24 V電源工作時對外部設(shè)備的低干擾，同時能夠達到優(yōu)化器件選型，能夠完全滿足深潛救生艇模擬器對24 V電源低電磁干擾特性的需求。