低轨移动通信卫星高频谐振供电系统关键技术研究

发布时间：2020-06-02 08:20

【摘要】：面向未来的低轨移动通信卫星等空间应用,传统方案难以满足卫星对于电源供电系统的需求,高频谐振功率变换技术以及高带宽线性功率单元技术等非开关型的功率变换技术将极大改善现有供电方式中多种不足。如采用无线电能传输技术替代传统机械滑环,可实现太阳能帆板一次侧电能供给,然后通过高频交流母线技术构建卫星供电体系,再而基于高精度高动态响应电流源和高效率快速跟踪电源技术,可满足未来空间卫星载荷对于电源的高精度和高动态响应的需求。本文基于空间卫星电能供给,围绕一次电源转换和二次电源需求,将研究单开关谐振变换器实现高频交流供电及其与磁耦合谐振无线电能传输技术的结合,同时将研究高带宽线性功率单元的三端口模型及其与多电平辅助供电技术的结合,以此满足低轨移动卫星电源供电系统中的复杂需求。针对交流供电系统的高频化和可靠性需求,可采用单开关谐振功率变换技术。进一步针对传统单开关谐振变换器设计缺陷,改进了参数配制方法,旨在使拓扑处于准最优工作状态;并用串并联谐振网络实现全轻载范围内的开关管零电压通断(ZVS)和低负载调整率;同时采用E/F_2类谐振变换器替代E类谐振变换器,通过消除二次谐波的方式降低开关管应力并解决变压器磁偏置问题。上述改进可实现高频交流供电,满足低交叉调整率的多路输出高频交流母线和高电压低纹波屏栅电源等需求。针对于太阳能帆板的无线电能传输中,不同结构和相对位置条件所带来的耦合系数差异,选取不同磁耦合谐振网络以实现高效率并兼顾负载调整率,进一步结合高频单开关谐振功率变换技术实现无线功率传输。发射端采用串联谐振前提下,接收端非谐振的SN谐振网络可构建E/F_2类LLC变换器,适合于高耦合系数系统且有低负载调整率;接收端并联谐振的SP谐振网络可构建E/F_2类LC-LC谐振变换器,适合于中低耦合系数系统且有低负载调整率;接收端串联谐振的SS谐振网络,可构建E-E结构谐振变换器同时采用接收端同步整流技术,实现低耦合系数下尽量高的传输效率。针对卫星供电系统中的高带宽线性功率单元应用,如高动态响应电流源和快速跟踪电源,提出了高频三端口网络模型,其包括寄生参数、有限增益带宽积、源及负载效应等因素的影响,并据此分析了端口间的多种交叉影响。针对卫星电推进系统的大功率高精度高速励磁电流源需求,以高频三端口模型为基础,提出全差分双运放结构的电流源解决了动态响应、稳定性和精度之间的矛盾并减少了大功率多路并联情况下参考电位波动带来的干扰。针对通信卫星中射频功放效率提升对快速跟踪电源产生的需求,采用高频多电平开关线性混合型快速跟踪电源拓扑。进一步提升了快速跟踪电源拓扑的跟踪性能,具体实现包括:分离功能模块实现电压扩展;并采用二阶阻尼滤波电路,抑制多电平开关的高次谐波在快速跟踪电源输出部分引起的高频尖峰;同时改进了延迟时间的量化测试方法,采用同步滤波器匹配多电平和线性功率单元之间的延迟差异。对快速跟踪电源在多种波形情况下进行了时域和频域测试,证实其对峰值平均值之比较高的信号效率提升效果显著。
【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】：2019
【分类号】：TM724

【参考文献】

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本文编号：2692874