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《哈尔滨工业大学》 2009年
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航天器多路精确稳压DC-DC变换器数字控制研究

姚雨迎  
【摘要】:航天器DC-DC模块属于高端电源,与民用产品相比,除了更严格的可靠性指标以外,目前迫切需要摆脱传统的定制电源开发模式,为用户建立步骤化的设计平台,降低设计的重复性和缩短研发周期。研制多路精确稳压输出的数字电源是面向这一挑战的关键解决途径,其核心技术是开发数字控制器。数字电源不仅可根据用户需求灵活调节输出电压,而且可避免因模拟器件老化、参数漂移带来环路不稳定的问题。目前,国外主流IC公司已相继研制出各具特色的数字电源,而国内对数字电源的研发大多集中于DSP和国外数字IC平台的工程实践,对专用数字集成控制芯片的研制与国际水平仍有较大差距。 本文的研究目标是研制一款专用的数字电源控制器芯片,开发适用于航天器的多路精确稳压数字DC-DC模块,并对DC-DC模块的拓扑结构与效率优化、建模方法和分布式供电系统的稳定性等问题进行深入研究。本文的技术路线是在FPGA平台上对数字控制器的算法和功能进行测试验证,并将其流片为一款具有抗辐照加固的专用芯片,并依此研制一款高性能的数字DC-DC变换器。 本文首先设计基于中间母线结构的DC-DC变换器和多路PWM输出的数字控制器,分析多路精确稳压DC-DC变换器的拓扑结构、控制方式和反馈环节的实现方案,为后续研究建立试验验证平台。 针对航天电源原副边完全隔离的设计需求和应用环境的限制,提出基于中间母线数字DC-DC变换器的设计方法。采用原边开环控制、副边每路独立调节的设计方案实现多路精确稳压输出,并对中间母线电压和变压器进行优化设计,提高DC-DC模块的转换效率。 为了实现高精度控制,在不增加控制器内核频率的条件下,采用“比较器-计数器与数字抖动相结合”的混合数字脉宽调制方法减小输出电压纹波中的低频极限环噪声,提高输出电压的调节精度,并对极限环振荡的产生原因、改进方法和数字抖动的设计原则进行深入研究。 采用能量因数(Energy Factor, EF)法建立Buck、Boost、Buck/Boost三种变换器的实际电压传输模型,研究DC-DC变换器的转换效率、阻尼时间常数与EF的关系,分析输出电压的动态响应特性与阻尼时间常数的关系,提出利用EF模型分析DC-DC模块性能的方法,为数字电源的步骤化参数设计提供理论依据。 通过研究单级同步Buck变换器的闭环输出阻抗特性,提出级联式直流分布式电源中源变换器输出阻抗的优化设计方法。分析源变换器输出阻抗与输入电压、输出功率的关系以及中间母线滤波器对系统稳定性和动态性能的影响,给出输出滤波电容的设计原则;并采用注入电压源扰动测量阻抗比的方法,验证阻抗判据对分析级联式系统稳定性的有效性。 采用三维热仿真模型对数字DC-DC模块的温度场分布进行仿真,提出改进电源布局与散热的优化设计方法,改善关键元器件的布局和散热方式,提高DC-DC模块的可靠性。 本文研制的多路输出数字DC-DC模块样机的电气性能和功能均达到设计指标要求,专用数字DC-DC控制器芯片已进入流片测试阶段,DC-DC模块已进入厚膜产品生产阶段。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TM46

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【引证文献】
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