【導讀】固定翼時間域航空電磁法具有探測深度大、測量精度高的技術特點，是我國急需的快速高效的大深度礦產勘查裝備技術。中國地質科學院已成功研制了基于國產Y12IV型專用飛機，具有完全自主知識產權的固定翼時間域航空電磁系統(tǒng)空中樣機。為了匹配飛機電源和大功率發(fā)射機，需要研制由大功率穩(wěn)壓充電電源和大容量儲能器構成的電源系統(tǒng)，為發(fā)射機提供滿足要求的電壓和功率。
Y12飛機只能提供5.6kW的輸出，經過簡單計算，要實現(xiàn)600A峰值電流和50萬A·m發(fā)射磁矩，飛機電源的瞬時供電能力至少要達到28.8kW。在保持平均功率不變的條件下，提高電源的瞬時放電能力。電容器就是適用的一種功率變換裝置，它既有儲能的作用，也具有快速放電的能力。因此，采用電容器作為飛機電源和發(fā)射機之間功率匹配的接口，是解決飛機電源瞬時功率不足的有效方法。
根據計算，這個電容值會達到法拉級，直接掛接飛機電源，會導致瞬間短路。另外，飛機電源和發(fā)射機之間還存在阻抗匹配問題，要求的電源電壓超過了飛機電源的28V。因此，必須在飛機電源和儲能電容器之間設計一級具有限流功能、升壓功能、電氣隔離功能的DC-DC變換充電器。
01 系統(tǒng)設計
設計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。每個模塊的輸出電壓為18~36V可調；其中每8塊并聯(lián)可實現(xiàn)90A的額定輸出并聯(lián)模組；兩個這樣的模組串聯(lián)后，可實現(xiàn)36~72V輸出，額定功率達到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建大功率直流充電器，圖2為Vicor電源模塊內部等效電路圖。
圖2 Vicor電源模塊內部等效電路圖
模塊功能管腳說明：
● +IN和-IN：電源輸入，一般為寬壓輸入(考慮飛機電源為28V，選用18~36V系列)。
● PC：使能開關。PC開路或PC對-IN的壓差大于2.4V，則模塊使能；如果外部控制電路導致PC對-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)模塊的高頻開關信號，強制各模塊均流。PR為雙向端口，作為主模塊，向各個從模塊輸出同步信號；作為從模塊，則接收主模塊的同步信號作為開關信號。
● +OUT和-OUT：電源輸出端；
● +S和-S：正負輸出電源參考端；
● SC：輸出電壓控制端。內部通過電阻分壓器對參考電源分壓，產生一個誤差信號。當SC對-S并一個電位器RD，調節(jié)RD的大小就可以控制輸出電壓的大小。
03 Vicor電源模塊應用技術
3.1 并聯(lián)均流控制技術
Vicor電源模塊的特點是只需增加少量外部組件，便可以組成數千瓦功率的并聯(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)。每只模塊的正負輸入引腳都應用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輸入引腳之間應當接入一個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信號的驅動能力。
圖3 均流同步電路
3.2 穩(wěn)流控制技術
圖1中由超級電容器組成的儲能器的內阻非常小，所以一個很小的壓差，也可能造成很大的負載電流，導致電源模塊過流，甚至造成器件的永久性損壞。所以有必要設計一個閉環(huán)控制電路，當負載電流超過設定值時，自動降低模塊的輸出電壓，從而減小輸出電流，即實現(xiàn)穩(wěn)流輸出。如圖4所示，通過電流傳感器ACS714將輸出電流轉換為電壓值，采用含有內部參考電壓源(0.2V)的雙運算放大器LM10，工作原理如下：第一級運放的輸出電壓作為設定值，當輸出電流的電壓信號幅值(2腳)小于設定電壓(3腳)時，由于運放為反相放大，6腳輸出為正電壓，導致D1反向截止，R6相當于開路，SC對地電阻為R7，此時模塊的最大輸出電壓由R7決定；反之，當輸出電流大于設定值時，6腳輸出負電壓，D1導通，減小了SC的對地電阻，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
如圖1所示，由16塊功率400W的電源模塊組成串并聯(lián)陣列，每個模塊的輸出電壓為18~36V可調；其中每8塊并聯(lián)可實現(xiàn)90A的額定輸出并聯(lián)模組；兩個這樣的模組串聯(lián)后，可實現(xiàn)36~72V輸出，需要設計相應的均壓控制電路，如圖5所示。
圖5 均壓控制電路
當模塊2的輸出電壓向下微調(V1<V2)時，三極管QSC1導通，并降低模塊1的輸出電壓，直到V1=V2為止，反之亦然。
04 結語
大功率直流電源是為了匹配飛機電源和發(fā)射機而專門設計的，可以提高電源的瞬時功率和輸出電壓以匹配負載。基于Vicor電源模塊串并聯(lián)技術的穩(wěn)流充電器和由超級電容器組構成的儲能器以及緩沖電感，構成了最終的大功率航空瞬變電磁發(fā)射機的電源系統(tǒng)，實際應用結果表明，該系統(tǒng)具有6.4kW的平均功率，可以提供超過40kW的瞬時功率，完全能夠滿足設計要求。
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