基于H5桥的组合式串联谐振恒流输出高压电容充电电源

作     者：王健欣 

作者单位：燕山大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王德玉;高大智

授予年度：2022年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 08[工学] 082502[工学-航空宇航推进理论与工程] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：脉冲等离子体推力器 H5逆变器 双LC谐振腔 恒流充电 宽范围功率调节 

摘      要：近年来,随着航天技术的不断发展,电推进技术成为目前人类探索宇宙空间最为有效的手段之一。脉冲等离子体推进器(Pulsed Plasma Thruster,PPT)由于结构简单、体积小、响应速度快等优点成为商业航天领域中最具有研究价值的电磁推力器。随着太空探索任务的不断加深,国内外对于PPT的性能提出了更高的要求,如今PPT正在向着高效率、微型化、多模式的方向发展。作为能源系统中的核心部分,高压储能电容充电电源的研究和改进具有十分重要的意义。传统桥式串联谐振软开关恒流电源凭借其结构简单、控制简便和良好的恒流输出特性,广泛用作高压脉冲电容储能电源;但因为无法兼顾电流调节能力和电压控制精度的原因而难以满足当前PPT多模式运行的发展需求。根据当前PPT的发展需求,本文研究了一种基于H5的双LC组合桥式串联谐振恒流充电电源,该电源改变了传统桥式谐振电容充电电源的拓扑结构,在保留串联谐振软开关恒流源优点的同时,通过配置逆变桥开关网络来调整谐振腔激励源,并利用全桥/半桥联结双LC的并联/串联拓扑,配合双变压器结构,达到改变输入交流电平和变压器有效变比的目的,从而获得多个等级的高电压及恒流输出,不仅保证了充电电源在全负载范围内的软开关,并且在较窄的开关频率调节范围内实现宽范围电流连续调节的功能。该电源尤其适用于PPT高压储能电源对不同输出电流等级、充电电压精度等方面的指标,以满足其功率宽范围调节的需求。本文以传统桥式串联谐振恒流充电变换器作为根本,介绍电路拓扑、工作原理、调制策略、稳态下的数学模型及其电流、电压输出特性;然后介绍了基于H5的可重构组合桥式恒流充电电源在拓扑结构上的改变、不同工作模式下的开关组合方式、各个模态下的等效电路及输出电流、电压特性。并通过PSIM仿真对电源宽范围功率调节能力进行验证,在此基础上,经过合理的器件选型和硬件设计,在实验室中搭建了容量为2000V/200m A的实验平台来验证理论的正确性和可行性,并对所得的实验结果进行分析。