【導(dǎo)讀】固定翼時(shí)間域航空電磁法具有探測(cè)深度大、測(cè)量精度高的技術(shù)特點(diǎn)，是我國急需的快速高效的大深度礦產(chǎn)勘查裝備技術(shù)。中國地質(zhì)科學(xué)院已成功研制了基于國產(chǎn)Y12IV型專用飛機(jī)，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的固定翼時(shí)間域航空電磁系統(tǒng)空中樣機(jī)。為了匹配飛機(jī)電源和大功率發(fā)射機(jī)，需要研制由大功率穩(wěn)壓充電電源和大容量?jī)?chǔ)能器構(gòu)成的電源系統(tǒng)，為發(fā)射機(jī)提供滿足要求的電壓和功率。
Y12飛機(jī)只能提供5.6kW的輸出，經(jīng)過簡(jiǎn)單計(jì)算，要實(shí)現(xiàn)600A峰值電流和50萬A·m發(fā)射磁矩，飛機(jī)電源的瞬時(shí)供電能力至少要達(dá)到28.8kW。在保持平均功率不變的條件下，提高電源的瞬時(shí)放電能力。電容器就是適用的一種功率變換裝置，它既有儲(chǔ)能的作用，也具有快速放電的能力。因此，采用電容器作為飛機(jī)電源和發(fā)射機(jī)之間功率匹配的接口，是解決飛機(jī)電源瞬時(shí)功率不足的有效方法。
根據(jù)計(jì)算，這個(gè)電容值會(huì)達(dá)到法拉級(jí)，直接掛接飛機(jī)電源，會(huì)導(dǎo)致瞬間短路。另外，飛機(jī)電源和發(fā)射機(jī)之間還存在阻抗匹配問題，要求的電源電壓超過了飛機(jī)電源的28V。因此，必須在飛機(jī)電源和儲(chǔ)能電容器之間設(shè)計(jì)一級(jí)具有限流功能、升壓功能、電氣隔離功能的DC-DC變換充電器。
01 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)的大功率直流變換電源如圖1所示，主體由16塊平均功率為400W的DC-DC模塊組成，該類型開關(guān)電源模塊具有同步脈沖控制接口，可以組成串并聯(lián)陣列。每個(gè)模塊的輸出電壓為18~36V可調(diào)；其中每8塊并聯(lián)可實(shí)現(xiàn)90A的額定輸出并聯(lián)模組；兩個(gè)這樣的模組串聯(lián)后，可實(shí)現(xiàn)36~72V輸出，額定功率達(dá)到6.4kW。
圖1 大功率直流變換電源
02 Vicor電源模塊
選用Vicor大功率電源模塊來構(gòu)建大功率直流充電器，圖2為Vicor電源模塊內(nèi)部等效電路圖。
圖2 Vicor電源模塊內(nèi)部等效電路圖
模塊功能管腳說明：
● +IN和-IN：電源輸入，一般為寬壓輸入(考慮飛機(jī)電源為28V，選用18~36V系列)。
● PC：使能開關(guān)。PC開路或PC對(duì)-IN的壓差大于2.4V，則模塊使能；如果外部控制電路導(dǎo)致PC對(duì)-IN的壓差小于2.4V，則模塊失能。
● PR：并聯(lián)同步總線。可以同步并聯(lián)模塊的高頻開關(guān)信號(hào)，強(qiáng)制各模塊均流。PR為雙向端口，作為主模塊，向各個(gè)從模塊輸出同步信號(hào)；作為從模塊，則接收主模塊的同步信號(hào)作為開關(guān)信號(hào)。
● +OUT和-OUT：電源輸出端；
● +S和-S：正負(fù)輸出電源參考端；
● SC：輸出電壓控制端。內(nèi)部通過電阻分壓器對(duì)參考電源分壓，產(chǎn)生一個(gè)誤差信號(hào)。當(dāng)SC對(duì)-S并一個(gè)電位器RD，調(diào)節(jié)RD的大小就可以控制輸出電壓的大小。
03 Vicor電源模塊應(yīng)用技術(shù)
3.1 并聯(lián)均流控制技術(shù)
Vicor電源模塊的特點(diǎn)是只需增加少量外部組件，便可以組成數(shù)千瓦功率的并聯(lián)陣列，增大輸出功率。圖3為均流同步電路連接圖，圖中V1,V2配置為主模塊，V3等為從模塊(各從模塊的接線方式與V3相同)。每只模塊的正負(fù)輸入引腳都應(yīng)用0.2μF陶瓷或薄膜電容本地旁路，這樣可以分流高頻的輸入紋波電流。每只模塊的基板和負(fù)輸入引腳之間應(yīng)當(dāng)接入一個(gè)4700pF的Y-電容，分流共模電流分量。專用變壓器29768在PR引腳提供電氣隔離。采用三極管提高主模塊PR信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。
圖3 均流同步電路
3.2 穩(wěn)流控制技術(shù)
圖1中由超級(jí)電容器組成的儲(chǔ)能器的內(nèi)阻非常小，所以一個(gè)很小的壓差，也可能造成很大的負(fù)載電流，導(dǎo)致電源模塊過流，甚至造成器件的永久性損壞。所以有必要設(shè)計(jì)一個(gè)閉環(huán)控制電路，當(dāng)負(fù)載電流超過設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)降低模塊的輸出電壓，從而減小輸出電流，即實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流輸出。如圖4所示，通過電流傳感器ACS714將輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓值，采用含有內(nèi)部參考電壓源(0.2V)的雙運(yùn)算放大器LM10，工作原理如下：第一級(jí)運(yùn)放的輸出電壓作為設(shè)定值，當(dāng)輸出電流的電壓信號(hào)幅值(2腳)小于設(shè)定電壓(3腳)時(shí)，由于運(yùn)放為反相放大，6腳輸出為正電壓，導(dǎo)致D1反向截止，R6相當(dāng)于開路，SC對(duì)地電阻為R7，此時(shí)模塊的最大輸出電壓由R7決定；反之，當(dāng)輸出電流大于設(shè)定值時(shí)，6腳輸出負(fù)電壓，D1導(dǎo)通，減小了SC的對(duì)地電阻，從而降低模塊的輸出電壓。
圖4 穩(wěn)流控制電路
3.3 串聯(lián)均壓技術(shù)
如圖1所示，由16塊功率400W的電源模塊組成串并聯(lián)陣列，每個(gè)模塊的輸出電壓為18~36V可調(diào)；其中每8塊并聯(lián)可實(shí)現(xiàn)90A的額定輸出并聯(lián)模組；兩個(gè)這樣的模組串聯(lián)后，可實(shí)現(xiàn)36~72V輸出，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的均壓控制電路，如圖5所示。
圖5 均壓控制電路
當(dāng)模塊2的輸出電壓向下微調(diào)(V1<V2)時(shí)，三極管QSC1導(dǎo)通，并降低模塊1的輸出電壓，直到V1=V2為止，反之亦然。
04 結(jié)語
大功率直流電源是為了匹配飛機(jī)電源和發(fā)射機(jī)而專門設(shè)計(jì)的，可以提高電源的瞬時(shí)功率和輸出電壓以匹配負(fù)載。基于Vicor電源模塊串并聯(lián)技術(shù)的穩(wěn)流充電器和由超級(jí)電容器組構(gòu)成的儲(chǔ)能器以及緩沖電感，構(gòu)成了最終的大功率航空瞬變電磁發(fā)射機(jī)的電源系統(tǒng)，實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有6.4kW的平均功率，可以提供超過40kW的瞬時(shí)功率，完全能夠滿足設(shè)計(jì)要求。
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