空间核电源系统整流装置设计

0 引言

空间核电源是影响航天工业和空间探索发展的主要空间设备。空间核电源系统管理，对于深空探测与空间科学而言，也是不可或缺的技术支撑［1］。与太阳能不同，核电源不会受环境限制，具有明显的优势，因而受到研究人员的高度关注和研究［2］。相比于航天器的最大直流母线电压100 V 而言，千瓦级空间核电源热电转换系统的发电机输出电压为2 000 V交流电，呈现高压特性；相比于传统的交流电工频50 Hz 而言，空间核电源热电转换系统的输出频率为1 kHz，呈现高频特性［3］。因此，此课题研究的难点在于输入的高压高频，而为了满足负载需求，输出需降至100 V 的直流电。此外，发电机输出的交流信号含有高次谐波干扰，会导致发电机发热，运行噪声和振动增加，造成发电机效率降低；发电机的输出电压和电流会失真，这会导致功率因数下降，并给后端功率转换电路带来沉重负担。

为了解决以上整流问题，有以下两种解决途径：一种为在交流侧增加谐波补偿装置，但是在某些场合下，滤波装置和整流器的功率等级是非常接近的，这种情况不仅将增加系统损耗，而且降低了系统的可靠性［4-5］；另一种方法是改变整流器的拓扑结构来达到尽可能减少谐波的目的，这也是减少谐波的一种基本方法。传统的拓扑结构主要为高频脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）整流和多脉波整流，对于这两种结构，高频PWM 整流具有相对复杂的驱动电路，而且对于高功率设备而言，拥有一定的局限性［6-7］；而多脉冲整流具有简单的电路拓扑和低功耗的特点，其效率和可靠性均很高，这也是高功率整流系统改善谐波污染的有效途径［8-12］。

在多脉冲整流技术中，整流器的组成包括三相变压器、功率器件、平衡电抗器及其他储能元器件。在空间核电源系统中，输入的高频会导致功率器件工作损耗大，因此，本课题提出使用这种不可控的多脉波整流技术。对于三相变压器而言，在多脉波整流领域通常会选择自耦变压器，然而，在空间核电源系统中，满足技术要求的自耦变压器的体积均过于笨重，因此，在本文中选择使用隔离变压器。相比于自耦变压器，隔离变压器制作简单，工作更加稳定，而且起到隔离降压的作用。经过多脉波整流后的输出电压并不能满足输出需求，需考虑使用高效的直流降压变换技术。考虑到航天领域指标要求与稳定性需求，本装置采用LLC 谐振变换器来实现。

1 电路拓扑与工作原理

1.1 电路拓扑

在本文中，前级采用12 脉波整流器进行整流，将2 000 V、1 kHz 的交流电转换为300 V 的直流电，后级采用LLC 谐振变换器进行隔离降压，使输出电压达到标准的100 V 直流电。本文采用如图1 所示的电路拓扑。前级的12脉波整流器主要由三相三绕组隔离型变压器、三相整流桥和三抽头平衡电抗器组成，其中，三抽头平衡电抗器可以确保两个三相整流桥独立工作；后级的LLC 谐振变换器采用半桥设计，不仅可以起到隔离降压的作用，而且可以减少功率器件的使用。

图1 空间核电源系统整流电路拓扑
Fig.1 Topology of proposed rectification circuit in space nuclear power

1.2 12 脉波整流器

三相三绕组隔离型变压器的绕组结构示意图如图2 所示。三相三绕组变压器采用Ddy11 联结组别，图中：一次三相绕组接成三角形，每相匝数为N0；二次三相绕组一组接成三角形，每相匝数为N1；二次三相绕组另外一组接成星型，每相匝数为N2。为了实现二次两组绕组的线电压数值相等且方向上相差30°，则有

一次三相绕组接成三角形能够有效抑制3的倍数次谐波流入电网，三绕组变压器电压矢量图如图3所示。

图2 三相三绕组隔离型变压器的绕组结构示意图
Fig.2 Winding configuration of the three-phase three-winding isolation transformer

图3 三绕组变压器电压矢量图
Fig.3 Voltage vectors diagram of the three-phase three-winding transformer

在前级的12 脉波整流电路中，上、下整流桥的输出电压，平衡电抗器两端的电压差vP及平衡电抗器中点vd分别为

定义电压差vP在两个三相桥之间引起的电流为环流iP。由式（3）可知，vP中主要是6 次谐波，在分析环流时，忽略高次谐波，只考虑6 次谐波的影响。vd中主要是直流量和12 次谐波分量，在分析输出电压脉动时只考虑12 次谐波的影响。在绕制平衡电抗器时，经常把上下两个绕组绕在同一个铁芯上面，此时两个绕组之间存在相互耦合，设平衡电抗器两个绕组的自感大小均为L，耦合系数为kM，互感M=kM L。考虑互感的平衡电抗器原理及结构图，如图4 所示，图中分别为上、下两个整流桥流入平衡电抗器的电流，id为平衡电抗器流向滤波电容和负载的电流。

图4 对应的12 脉波等效电路图如图5（a）所示。由于耦合的存在，不能直观地得到简化等值电路，因此，对图5（a）中存在耦合的部分进行解耦，得到了简化后的等效电路图，如图5（b）所示。

解耦后，由图5（b）可得到环流iP的计算公式为

图4 考虑互感的平衡电抗器原理及结构图
Fig.4 Principle and structure diagram of interphase reactor with mutual inductance

图5 12 脉波整流等效电路图
Fig.5 Equivalent circuit diagram of the 12-pulse rectification

式中：vp.6、Vp.6分别为vP中6 次谐波分量的瞬时值和有效值；L 为平衡电抗器的自感值；LP为等效电感，

如图5 所示，左侧的二端口网络等效为电压源串联阻抗（即戴维南等值电路）的形式，vd.dc和vd.12分别为平衡电抗器等效中点电压vd的直流分量和12 次谐波分量，id.dc和id.12分别为平衡电抗器等效中点电流id的直流分量和12 次谐波分量，输出电流计算为

式中：Z 为等效电路的12 次谐振等效阻抗，则有

式中：|Z|和θ 分别为阻抗Z 的模和相角。

对图5（b）列写杰尔霍夫电流方程，可求得上下两个整流桥流入平衡电抗器的电流id1和id2与iP、id的关系分别为

由式（10）可知，电流id1和id2的脉动不仅跟环流有关，还跟输出电流id有关。以上整流桥流入平衡电抗器的电流id1为例，则id1中的周期分量id1.per和直流分量Id1.dc分别为

定义电流脉动量：

对于输出电压的脉动来说，只考虑12 次谐波，可得输出电压vout的计算公式为

式中：vout=Vd.dc和vout.per分别为输出电压的直流分量、周期分量。

同样，定义输出电压的脉动量：

1.3 半桥LLC 谐振变换器

本课题采用半桥LLC 谐振变换器电路拓扑，如图6 所示。由于LLC 谐振回路中谐振电流近似于正弦波，因此，可以采用基波近似法（FHA）对谐振电路进行分析，即忽略副边整流电路的非线性特性，将副边整流电路与滤波电路等效折算为副边的交流负载，在变压器原边则忽略谐振回路方波激励源中的高次分量，形成线性的正弦激励电路，从而将非线性电路转化为线性电路，如图7 所示。

图6 半桥LLC 谐振变换器电路拓扑
Fig.6 Topology of half-bridge LLC resonant converter circuit

图7 半桥LLC 谐振变换器等效电路图
Fig.7 Equivalent circuit diagram of half-bridge LLC resonant resonant converter

图中，双端口网络模型的谐振回路中，Vi.FHA为等效谐振回路端口输入电压，Vo.FHA为等效谐振网络端口输出电压，Zin(jω)为输入阻抗，Ro.oc为变压器副边等效电阻负载。定义电压增益为M 谐振回路输出电压与输入电压的比值，即

LLC 谐振变换器的输出电压是通过调节谐振回路输入方波的开关频率来实现的，当输出功率下降或输入直流电压增压，通过增加开关频率来调节输出电压，使其保持稳定。因此，为了应对负载的变化，LLC 谐振变换器工作在单位增益点附近，输出电压可以在开关频率变化相对较小的范围内应对宽负载变化下进行调节。

2 仿真分析

根据空间核电源系统、航天器供电母线与其负载功率之间的关系，针对以上参数分析和设计，仿真参数见表1。

表1 变换器参数指标
Tab.1 Parameters of converter

空间核动力的电源系统的输出电压为2 000 V、1 kHz 的交流电，而航天器供电母线电压为100 V 的直流电。针对以上的分析，采用Matlab 中的Simulink对以上拓扑进行仿真。输入电压和输入电流波形如图8 所示，为使电压电流表达清晰，已将输入电压衰减了125 倍。输出电压波形仿真结果如图9 所示。

图8 输入电压与输入电流的仿真结果
Fig.8 Simulation results of the input voltage and the input current

图9 输出电压波形仿真结果
Fig.9 Simulation result of the curve of DC output voltage

3 实验验证及结果

3.1 实验验证

空间核电源系统整流装置如图10 所示，由于实验室条件有限，没有能够产生2 000 V、1 kHz 的实验设备，为了实验需要，增加了升压变压器。

图10 空间核电源系统整流装置
Fig.10 Rectification device in space nuclear power system

3.2 实验结果

输入电压电流和输出电压电流功率的示意图如图11 所示。由于实验条件受限，无法检测功率因数和谐波含量等实验要求的指标，但从该实验结果可以看出，输出电压实现了稳定的12 脉波电压输出，该变换器已经达到了高功率因数输出的指标要求。

图11 空间核电源系统整流装置试验结果
Fig.11 Test results of rectification device in space nuclear power system

4 结束语

本文研究了高降压比、高功率因数的空间核电源系统整流装置。实验结果表明，对于输入交流电流，12 脉波整流器不仅可以降低输入电流的谐波，还可以降低谐波输出电压的幅值和纹波频率。在本文中，12 脉冲二极管整流还可以有效地减小变换器的尺寸，提高功率密度。而本文使用半桥LLC 谐振变换器大大提高了整体的效率，提高了可靠性。