临近空间飞艇电源系统新型拓扑结构研究

林晓辉 陆翀 张兴浩 周明中 王新征

（1 哈尔滨工业大学，哈尔滨 150080）（2 上海空间电源研究所，上海 200245）

1 引言

临近空间（距海平面高度20～50km 的空间区域）有着稳定的气象条件和电磁特性，数十年来人们一直在尝试利用临近空间平台长期驻空，开展通信、对地观测、国土资源监测和预警等活动。“多功能航空器”飞艇具有独特的优势：可直升、可长时间滞空，且具有较大的有效载荷能力和低能耗等特点，因此世界各国都在飞艇方面开展了多种多样的研究［1］。临近空间飞艇运行在20km 高度以上，在未来的军事、通信、对地观测等领域有着巨大作用［2］。

美国、日本、欧洲等国都有高性能的飞艇问世。美国导弹防御局正在发展的“高空飞艇”（High Altitude Airship，HAA）演示验证项目，采用太阳电池阵和燃料电池组的复合电源系统，利用薄如胶片的光电电池将太阳能转变为电能为飞艇的推进装置提供动力［3］。美国正在研发一种可与地球运转同步的飞艇，它的功能与卫星类似，具有进行监视、安全维护、导弹防御与气象预测等功能。这架地球同步飞艇充满了氦气，用太阳电池和先进的燃料电池为飞艇提供动力。意大利的首架太阳能无人机（HELIPLAT）在机翼蒙皮上粘合了一个长达2 m 的单晶硅太阳电池阵列，还装有可充电的锂电池，可实现全天候飞行。日本晶都陶瓷公司和北见工业大学（Kitami Institute of Technology）共同研制开发的太阳能汽车蓝鹰号、美国研制的“太阳神原型机”（Helios）等均采用这种拓扑结构，但太阳电池发电效率均不高［4］。

国内目前在研究的有中科院光电院气球中心、航天科技集团公司中国空间技术研究院、华东电子工程研究所和中国特种飞行器研究所，主要是研制平流层飞艇［5］。

电源系统是临近空间飞艇的关键技术之一。其高压动力母线控制电路的拓扑设计是电源系统设计的一个难点［6］。本文提出了一种临近空间飞艇电源系统的拓扑结构，针对飞艇的高压载荷设计了相应的高压控制电路，并对该拓扑结构进行了实验验证。

2 电源系统拓扑结构研究

临近空间飞艇电源系统是一个复杂的系统，平台母线为28V，由于载荷用电需求达到100kW，所以动力母线选为400V 高压。平流层飞艇的电源系统，不论是功率需求还是母线电压都比传统的卫星电源系统在指标上提高了一个数量级，因此必须在系统拓扑结构上进行改进。

2.1 系统拓扑结构

临近空间飞艇电源系统，采用降压式电路（Buck）三电平变换技术和升压式电路（Boost）三电平变换技术设计电源控制器。系统框图如图1所示。太阳电池阵采用柔性薄膜太阳电池；蓄电池组采用比能量高及循环寿命长的锂离子蓄电池；控制部分（包括功率调节和锂离子蓄电池组在轨管理等），均采用先进的控制技术［7］。

一般临近空间飞艇采用400 V 以上的高压母线，输出功率达到100kW 等级。这个高压将产生两方面的问题。首先在器件选择方面，难以选择合适的开关管和二极管，器件电压冗余度小，可靠性低；其次在功率损耗方面，由于功率需求的增大，即使1%的损耗也将带来巨大的热能。飞艇电源系统中发热量最大的元器件，一般是高压大功率放电电路中的功率MOS管，通过选择适当的放电电路拓扑，可以减小MOS 管的开关应力，从而大大降低MOS管的开关损耗，减小MOS 管的温升，从而使高压大功率电源系统可靠性得到提高［8］。

图1 临近空间飞艇电源系统工作原理框图Fig.1 New topology of electrical power systems used on near space airship

2.2 高压控制电路拓扑结构研究

随着技术的日趋完善，高压母线技术体现出可靠性高、效率高、体积小、质量小、调节能力强的特点。

因为采用400V 的高压母线，一般系统的28V母线的电路拓扑结构不再适用，较高的母线电压和较大的功率给电路元器件的选择和电路的设计造成了很大的困难，因此须选择更高效、更实用的电路拓扑结构。

在电路结构方面，很少采用简单的升压（Boost）及降压（Buck）电路，取而代之的是一些能输出更大功率，功率器件受电应力小，可靠性更高的电路结构，如Super Boost 电路、多电平电路、Add On Smart电路、推挽电路、全桥电路等。

典型的几种电路结构如图2所示，其中D、D1、D2、D3为二极管，S、S1、S2、S3为开关管，L为储能电感，T1、T2、T3、T4为变压器，C为电容。

图2 可靠性更高的电路结构Fig.2 Circuit topology of higher reliability

Super Boost电路结构在普通的Boost电路上增加了一个电容C和一个储能电感L，它们对电路提供了连续的输入输出电流。此电路结构的优点是频率高，输出电流大，磁性元件的体积可以控制得很小，电路占空比可调范围较大；缺点是功率器件的开关损耗大，开关管控制复杂。

Add On Smart电路结构的主要特点在于加入了一个额外的降压级，这能有效提高整个电路的输出功率，但同样因为加入了这个降压级，电路的效率在理论上低于89%，而且使用了过多的磁性元件，开关管上的电压尖峰难以处理。

多电平变换拓扑是高压、大功率能源传输和管理的一种较为理想的解决方案。在中、高电压大功率变换技术中，串联多电平电压型变换得到了广泛的重视，这是因为多电平变换技术能使功率开关的电压应力成倍下降，低电压器件能够用于高电压场合。三电平变换技术具有降低1／2其原型拓扑的开关管电压应力的优势，使其非常适用于高输入和高输出电压中大功率的应用场合［9］。

在400V 电压的工作情况下，在采用三电平电路的情况下，开关管只需承受200V 的电压，因此大大提高了器件的选择范围，开关的工作频率为输出频率的一半，大大降低了开关损耗。图3给出了Buck三电平变换电路的拓扑，其中定义Cb为飞跨电容，稳态时其电压为输出电压V0的一半。S1、S2是开关管，D1、D2为续流二极管，L为电感，C为滤波电容，R为负载。S1、S2交错工作，其驱动信号相差180°相角［10］。

图3 Buck三电平变换电路Fig.3 Buck three-level conversion circuit

Buck三电平变换电路开关管发生短路失效时其等效电路如图4所示，二极管发生短路失效时其等效电路如图5所示，可以看出此时的电路实际上是Buck电路，放电调节电路仍然正常工作，所以Buck三电平变换电路相对于Buck 电路可靠性更高［11］。选择Buck三电平变换电路能满足飞艇电源系统需求。

图4 开关管短路失效时等效电路Fig.4 Equivalent circuit of MOSFET short failure

图5 二极管短路失效时等效电路Fig.5 Equivalent circuit of diode short failure

图6给出了Boost三电平变换电路的拓扑，其中定义Cb为飞跨电容，稳态时其电压为输出电压V0的一半。S1、S2交错工作，其驱动信号相差180°相角［12］。

图6 Boost三电平变换电路Fig.6 Boost three-level conversion circuit

Boost三电平变换电路的工作情况如图7所示，其中ⅠL为储能电感的电流，Ts为开关管的开关周期。

图7 Boost三电平变换电路的工作情况Fig.7 Working condition of Boost three-level conversion circuit

从图7中可以看出Boost三电平变换电路中，输出电感电流的频率与开关管工作频率有一个倍频的关系。对于相同的输出电感，采用三电平变换电路后，Boost电路的最大电感电流纹波仅为传统电路的1／4。反过来讲，对于相同的电流纹波要求，Boost三电平变换电路的输出电感量，只需传统两电平变换电路的1／4，从而可以大大减小电感的体积和损耗。

3 实验分析

为了验证以上分析的正确性，本文进行了原理样机对三电平变换电路的实验验证，验证新型拓扑符合临近空间飞艇的高压、高功率密度需求，以保证在工程应用中的高可靠性。实验结果如下。

图8是采用Buck三电平变换电路的实验波形。驱动及电压波形如图8（a）所示，从图中可以看出，Buck三电平开关管断开时其承受的电压应力是输入电压的1／2。图8（b）是Buck三电平电路的驱动及电流波形，由图可见，电感电流频率是开关管频率的2 倍，所以可有效减小电感的体积和质量。

图8 驱动及电压、电流波形Fig.8 Waveform of driving，voltage and current

图9是电路的纹波及动态响应波形。由图可见，Buck三电平电路母线纹波在136 mV 左右，动态响应速度较快。

图9 纹波及动态响应波形Fig.9 Waveform of ripple and dynamic response

如图10所示，Buck三电平电路，如果1个开关管失效，电路工作频率减半，开关管承受的电压应力与输入电压相等，器件的降额等级下降，电路仍然能正常工作，不会损失输出功率，因此其可靠性较高。

图10 关键器件失效情况下电路工作波形Fig.10 Waveform of circuit during key components failure

以上实验结果表明：三电平的拓扑结构可以使输入输出滤波器的尺寸大大减小，有利于减小体积、提高功率密度，且符合工程应用中的高可靠性要求，在宽范围输入电压和高压输入的应用场合具有很好的应用前景。

4 结束语

根据临近空间飞艇电源系统输出电压高、输出功率大的任务特点及要求，本文提出了一种新型电源系统拓扑结构。针对飞艇的高压载荷，通过对各种高可靠性的拓扑结构的分析对比表明，三电平变换拓扑结构能有效减小元器件电压应力，符合临近空间飞艇电源系统的高压需求，且符合工程应用中的高可靠性要求，并且通过三电平电路的设计提高了临近空间飞艇电源系统的效率和可靠性。

（References）

［1］Higashimata Akira，Adachi Kazutaka，Hashizume Takenori，et al.Design of a headway distance control system for ACC［J］.JSAE Review，2001，22：5-22

［2］杨秉，杨健，李小将，等.临近空间飞艇运行环境及其影响［J］.航天器环境工程，2008，25（6）：555-557 Yang Bing，Yang Jian，Li Xiaojiang，et al.The operating environment of near-space and its effects on the airship［J］.Spacecraft Environment Engineering，2008，25（6）：555-557（in Chinese）

［3］胡文琳，丛力田.平流层飞艇预警探测技术进展及应用展望［J］.现代雷达，2011，33（1）：5-7 Hu Wenlin，Cong Litian，Technologies progress and applied expectation of stratospheric airshi［J］.Modern Rada，2011，33（1）：5-7（in Chinese）

［4］胡赛纯，汤青云.太阳能利用现状与趋势［J］.湖南城建高等专科学校学报，2013，12（1）：47-49 Hu Ssaichun，Tang Qingyun，Situation and tendency of solar energy application［J］.Journal of Hunan Urban Construction College，2013，32（1）：47-49（in Chinese）

［5］方丽娟，屈卫东.平流层飞艇多能源管理系统的优化设计［D］.上海：上海交通大学，2008 Fang Lijuan，Qu Weidong.Stratosphere airship multienergy management and optimizing system design［D］.Shanghai：Shanghai Jiaotong University，2008（in Chinese）

［6］王莲英，杨柳，张功学，等.平流层飞艇的关键技术探讨［J］.飞航导弹，2007，7：30-33 Wang Lianying，Yang Liu，Zhang Gongxue，et al.The key technology of the stratosphere airship［J］.Aerodynamic Missile Journal，2007，7：30-33（in Chinese）

［7］李国欣.航天器电源系统技术概论［M］.北京：中国宇航出版社，2008：912-916 Li Guoxin.Spacecraft power system technology［M］.Beijing：China Astronautics Press，2008：912-916（in Chinese）

［8］刘大海，阎健，张健勇，等.平流层飞艇的能源技术和平衡分析［J］.航天返回与遥感，2006，27（2）：6-13 Liu Dahai，Yan Jian，Zhang Jianyong，et al.Power technology and energy balance analysis of the stratosphere airship［J］.Spacecraft Recover ＆ Remote Sensing，2006，27（2）：6-13（in Chinese）

［9］Barbi I.DC／DC converter for high input voltage［C］／／IEEE PESC’98.New York：IEEE，1998：1-7

［10］王正仕.高输入电压三电平零电压软开关DC／DC变换电路［J］.电力电子技术，2001，35（2）：21-23 Wang Zhengshi.High input voltage three-level zerovoltage soft-switching DC／DC converter［J］.Power Electronics，2001，35（2）：21-23（in Chinese）

［11］薛雅丽.Buck三电平直流变换器的研究［D］.南京：南京航空航天大学，2003 Xue Yali.Research on Buck three-level DC converter［D］.Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2003（in Chinese）

［12］许奕伟.带隔离变压器的Boost型三电平变换器研究［D］.南京：南京理工大学，2012 Xu Yiwei.Research on the three-level Boost converter with isolated transformer［D］.Nanjing：Nanjing University of Science and Technology，2012（in Chinese）