金占雷，孫啟揚，戴立群

（北京空間機電研究所，北京100094）

大功率制冷驅(qū)動電路仿真分析研究

金占雷，孫啟揚，戴立群

（北京空間機電研究所，北京100094）

根據(jù)對某型號大功率制冷機驅(qū)動電路的仿真分析，結(jié)合實際電路參數(shù)依次仿真分析了輸出濾波電路、H橋電路、母線濾波電路的電流情況。重點結(jié)合負(fù)載變化時母線濾波電路電流的變化情況，給出了母線濾波電路優(yōu)化設(shè)計方案。仿真結(jié)果表明，負(fù)載電流變化對輸出濾波電容上的電流影響可忽略，而輸出濾波電感、母線濾波電感、母線濾波電容的電流隨著負(fù)載電流線性變化。通過在原來電路上并聯(lián)電感、電容的方式減小發(fā)熱，可為減小制冷控制器熱功耗和優(yōu)化電路設(shè)計提供參考。

制冷；大功率；驅(qū)動電路；儲能濾波

0　引言

空間紅外遙感具有全天候工作的優(yōu)點，得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]，空間用紅外焦平面通常采用低溫制冷機提供穩(wěn)定的低溫工作環(huán)境[5-7]。紅外焦平面規(guī)模的日益增大，對制冷機及其控制器也提出更高的要求，國內(nèi)有多家單位對制冷機控制器進行研究。目前建立了基于DSP的制冷控制系統(tǒng)[8-11]、FPGA的斯特林制冷機控制系統(tǒng)[12]、LMD18200驅(qū)動芯片的驅(qū)動電路進行分析[13]，同時對H橋驅(qū)動電路的MOSFET、濾波電容、電感選用進行了研究[14-15]。另外對基于IGBT的驅(qū)動電路進行了設(shè)計分析[16]，對國內(nèi)外制冷機控制系統(tǒng)的研究進展進行了總結(jié)。指出歐美發(fā)達(dá)國家制冷機控制器效率最高已經(jīng)達(dá)到96%，如何提高逆變器的轉(zhuǎn)換效率是提高整個控制器效率的關(guān)鍵[17]。以上分析均沒有基于功率電流走向?qū)︱?qū)動電路進行系統(tǒng)分析，對下一步如何提高控制器效率無法提供系統(tǒng)有效指導(dǎo)。

對于大功率負(fù)載的驅(qū)動電路，減小熱功耗已經(jīng)成為驅(qū)動電路設(shè)計的重點之一[17]。通過建立簡化驅(qū)動模型對某型號大功率制冷驅(qū)動電路展開研究，分別仿真分析了輸出濾波電路、H橋電路、儲能濾波電路的電流情況，重點分析不同負(fù)載情況下儲能濾波電流的變化情況，給出了儲能濾波電路的設(shè)計建議。為進一步減小制冷驅(qū)動電路熱功耗以及制冷控制器的小型化設(shè)計提供參考。

1　制冷控制器工作原理

大功率制冷機通常用于大負(fù)載場合，控制電路接收控溫指令，根據(jù)設(shè)定算法計算和控制SPWM占空比，SPWM信號經(jīng)H橋驅(qū)動電路功率放大后送給輸出濾波電路得到功率正弦波信號，功率正弦波信號驅(qū)動制冷壓縮機活塞按照固定頻率在氣缸中往復(fù)運動，氣缸內(nèi)部的工質(zhì)交替壓縮與膨脹，通過工質(zhì)氣體的熱力學(xué)循環(huán)實現(xiàn)紅外焦平面的制冷和焦面溫度控制[18]，如圖1所示。

圖1　制冷控制器組成框圖

H橋驅(qū)動電路將控制電路生成的SPWM信號轉(zhuǎn)換為功率SPWM信號；輸出濾波電路將功率SPWM信號進行低通濾波，得到功率正弦波信號，進行電機驅(qū)動；母線濾波電路由LC電路組成，為H橋驅(qū)動電路提供能量，同時濾除H橋MOSFET開關(guān)產(chǎn)生的電流高次諧波，減小對外干擾。

2　驅(qū)動電路建模分析

制冷驅(qū)動電路的簡化模型如圖2所示，L1、C1組成母線濾波電路，MOSFET F1～F4組成H橋，L2、C2、L3、C3組成輸出濾波電路，M1為負(fù)載制冷機。

圖2　驅(qū)動電路簡化模型圖

某型號制冷控制器實際驅(qū)動電路中L1～L3電感均為100 uH、內(nèi)阻約0.1 Ω，C1～C3電容均為86 uF、內(nèi)阻0.02 Ω，F(xiàn)1-F4的導(dǎo)通內(nèi)阻均為0.028 Ω；DC電源電壓42 V；SPWM載波周期20 kHz，調(diào)制波周期為50 Hz。

假定SPWM的調(diào)制比ρ=1，負(fù)載M1為純電阻RM1。設(shè)定UC1-UC3為電容C1～C3兩端的電壓，IC1～I(xiàn)C3為C1～C3的電流，IL1～I(xiàn)L3為L1～L3的電流、IF1/A～ IF3為F1～F4的電流、IM1為流過M1的電流?；谝陨蠈嶋H數(shù)據(jù)和假定條件開展仿真分析。

2.1輸出濾波電路電流分析

當(dāng)SPWM調(diào)制比ρ=1且輸出空載時仿真結(jié)果如圖3所示。當(dāng)電壓相位角為0°（t=0.015 s）、180°（t= 0.025 s）位置時，IC2有效值最大，90°（t=0.02 s）、270°（t=0.03 s）位置時IC2有效值最小，接近于0。

當(dāng)負(fù)載RM1=5 Ω時，仿真結(jié)果如圖4所示，對比圖3、圖4可知：（1）IL2=IC2+IM1；（2）當(dāng)UC2相位角為0°、180°位置時，IC2有效值最大，IL2有效值最小；90°、270°位置時IC2有效值最小，IL2有效值最大；（3）空載和帶載狀態(tài)下，IC2基本相等。

圖3　空載仿真結(jié)果

圖4　負(fù)載RM1=5 Ω仿真結(jié)果曲線圖

2.2H橋驅(qū)動電路電流分析

H橋由上橋臂F1、F3和下橋臂F2、F4組成，當(dāng)調(diào)制比ρ=1且輸出負(fù)載RM1=5Ω時，IF1、IF2如圖5所示，左橋臂與右橋臂電流相位角差180°，即IF1=IF4，IF2=IF3。

圖5　負(fù)載RM1=5Ω時H橋電流

UC2相位角90°（t=0.02 s）時SPWM占空比100%，IL2有效值最大，IF1/A均為正向電流，極值大、有效值大；IF2均為負(fù)向電流，極值大、有效值小。

UC2相位角180°（t=0.025 s）時SPWM占空比50%，IL2有效值較小，變化率最大，IF1、IF2在一個SPWM周期中均存在正向、負(fù)向電流，有效值小。

UC2相位角270°（t=0.03 s）時為UC2相位角90°的逆過程，SPWM占空比50%，IF1均為負(fù)向電流，極值大、有效值??；IF2均為正向電流，極值大、有效值大。

2.3母線濾波電路分析與設(shè)計

2.3.1H橋驅(qū)動電路的電源電流分析

圖2中F1、F4同步動作，F(xiàn)2、F3同步動作，電流IM1部分由母線通過F1、F3提供，部分由地通過F2、F4提供，因此IM1不等于H橋電源電流IH。H橋電源電流IH=IF1+IF2，由于IF1=IF4，IF1=IF3，IH出現(xiàn)了倍頻，即IH頻率是IM1頻率的2倍。

當(dāng)調(diào)制比ρ=1，RM1從開路∞、10 Ω、5 Ω、1 Ω（a）～（d）變化時，H橋的電源IH如圖6所示。（a）圖包絡(luò)的瓶頸出現(xiàn)在t=0.02 s（UC2相位角90°），極值出現(xiàn)在t=0.015 s（UC2相位角0°）；而（b）、（c）、（d）圖包絡(luò)的瓶頸均在t=0.015 s，（c）、（d）的極值均在t= 0.02 s；（a）、（b）、（c）、（d）在t=0.015 s的波形包絡(luò)寬度均為3 A左右。

圖6的頻譜分析結(jié)果如圖7所示。當(dāng)調(diào)制比ρ=1，RM1=∞負(fù)載開路時，H橋電源IH的能量主要集中在載波20 kHz及其高次諧波上；隨著負(fù)載電流IM1的增大，調(diào)制波2倍頻100 Hz的分量逐漸增大；對比圖7（c）和（d），當(dāng)輸出電流IM1遠(yuǎn)大于IC2時，IH不同頻率諧波分量的占比保持恒定，即隨著IM1增加IH線性增加、波形保持不變，與圖6結(jié)果一致。

2.3.2母線濾波電路電流分析

由圖2可知，H橋的電流IH由DC和C2共同提供，忽略電源阻抗，則L1的阻抗為RL1+jωLL1；儲能濾波電容C1的阻抗為1/（ωC1）+RC1。

對于調(diào)制基波頻率100 Hz，C1的阻抗遠(yuǎn)大于L1的阻抗，對于載波頻率20 kHz及其高次諧波C1的阻抗遠(yuǎn)小于L1的阻抗。因此，H橋電源的基波電流主要由DC通過L1提供，諧波電流主要由C1提供。負(fù)載RM1=5 Ω時IC1如圖8所示。IL1與負(fù)載電流IM1的情況如圖9所示。

圖6　不同負(fù)載時的H橋電源電流IH

圖7　不同負(fù)載時IH的頻譜分析曲線圖

圖8　RM1=5 Ω時IC1的曲線圖

圖9　RM1=5 Ω時IM1和IL1的對比情況曲線圖

圖10　IL2有效值、IC2有效值、IL1極大值、IL1平均值、IL1有效值、IC1有效值與IM1極大值關(guān)系曲線圖

2.3.3母線濾波電路優(yōu)化設(shè)計

通過仿真結(jié)果可知，調(diào)制比ρ=1，當(dāng)RM1變化引起IM1增加1倍時，除IC2有效值保持恒定外，IL2有效值、IL1極大值、IL1平均值、IL1有效值、IC1有效值均隨著IM1線性增加1倍，器件上的功耗將增加3倍。為減小電路功率損耗，減少單機發(fā)熱，以母線濾波電路為例進行優(yōu)化設(shè)計。

表1　不同負(fù)載情況下IM1、IL2、IC2、IL1、IC21的對比

（1）要求：IM1增加1倍，單個器件PL1、PC1不變。方案：在L1、C1上分別并聯(lián)L1-1、C1-1，此時對于電感與電容的阻抗比不變。

（2）要求：IM1增加1倍，母線濾波電路總功耗不變。方案：在L1、C1上并聯(lián)L1-1、L1-2、L1-3、C1-1、C1-2、C1-3。

采用方案1，雖然單個器件的功耗沒變，但是由于附近發(fā)熱器件增多，會導(dǎo)致器件過熱；采用方案2，總體功耗沒變，散熱面積增大，器件溫度降低，但是增加器件過多。因此，實際采取的方案通常介于方案1和方案2之間。

3　結(jié)論

針對某型號大功率制冷控制器驅(qū)動電路進行了仿真研究，結(jié)果表明，當(dāng)調(diào)制比ρ=1時：

（1）輸出濾波電路的IC2有效值幾乎不受負(fù)載電流IM1的影響；

（2）母線濾波電路的IL1極大值、IL1平均值、IL1有效值、IC1有效值，輸出濾波電路的IL2有效值均隨著IM1線性增加。當(dāng)負(fù)載電流IM1有效值增加1倍，IL1有效值、IC1有效值增大1倍，PL1、PC1將增至原來的4倍，需要進行很好散熱設(shè)計。

[1]劉兆軍，周峰，李瑜.航天光學(xué)遙感器對紅外探測器的需求分析[J].紅外與激光工程，2008，37（1）：25-29.

[2]龍亮，王世濤，周峰，等.空間紅外點目標(biāo)遙感探測系統(tǒng)在軌輻射定標(biāo)[J].航天返回與遙感，2012，33（2）：73-80.

[3]高海亮，顧行發(fā)，余濤，等.星載光學(xué)遙感器可見近紅外通道輻射定標(biāo)研究進展[J].遙感信息，2010，（4）：117-119.

[4]王成剛，東海杰.超長線列碲鎘汞紅外探測器拼接方式對比分析[J].激光與紅外，2013，43（8）：920-923.

[5]朱建炳.空間深空探測低溫制冷技術(shù)的發(fā)展[J].航天返回與遙感，2010，31（6）：39-45.

[6]韋孟柳，楊開響，劉冬毓，等.80 K/2 W斯特林制冷機全性能實驗研究[J].低溫工程，2011，179：16-18.

[7]楊雪，茅年清，徐圣亞.制冷機在空間紅外遙感領(lǐng)域的應(yīng)用研究[J].真空與低溫，2014，20（2）：113-124.

[8]高小赟，閻治安，夏建民，等.基于DSP的斯特林制冷機控制系統(tǒng)的研制[J].微電機，2006，39（5）：29-33.

[9]周芳.基于DSP的直線電機制冷控制器的研制[D].合肥：安徽理工大學(xué)，2010.

[10]王世耀，姜繼善，于秀明，等.斯特林控制器的研制[J].真空與低溫，2002，8（2）：111-114.

[11]李元明，于秀明，賈旭鵬.基于DSP的星載小型化斯特林制冷機控制器設(shè)計[J].真空與低溫，2007，13（1）：35-37.

[12]朱鵬，傅雨田.基于FPGA的斯特林制冷機控制系統(tǒng)[J].低溫工程，2010，（3）：39-64.

[13]李元明，姜繼善，魏廣.斯特林制冷機的驅(qū)動電路分析及功耗計算[C]//第七屆全國低溫與制冷工程大會，2005.

[14]胥春茜.斯特林制冷機驅(qū)動電路設(shè)計[C]//第九屆全國低溫工程大會，2009：254-256.

[15]溫建國，劉建東，杜敬良，等.大功率線性斯特林制冷機驅(qū)動電路設(shè)計[J].激光與紅外，2011，41（10）：1127-1130.

[16]唐天敏，陳曉屏，陳軍，等.一款基于DSP的線性斯特林制冷機驅(qū)動控制電路設(shè)計[J].紅外技術(shù)，2014，36（2）：152-161.

[17]侯森，王波，甘智華，等.斯特林與脈管制冷機控制系統(tǒng)的研究進展[J].低溫工程，2014，197（1）：6-16.

[18]魏廣，馬少君，姜繼善等.星用牛津型斯特林制冷機驅(qū)動方案綜述[J].真空與低溫，2011，17（8）：640-645.

SIMULATION OF HIGH-POWER CRYOGENIC DRIVEN CIRCUIT

JIN Zhan-lei，SUN Qi-yang，DAI Li-qun
（Beijing Institute of Space Mechanics and Electricity，Beijing 100094，China）

Research is done to high-power cryogenic driven circuit.Simulation is done to power output filter circuit，H-bridge circuit and power storage filter circuit.Current of power storage filter circuit is major simulated to different load. Results indicate that load difference has little influence on power output filter capacitor current，and has much bigger influence to current of power output filter inductance，H-bridge MOSFET，power storage filter inductance and capacitor.Then，two optimal design methods are given on power storage filter circuit.The results are expected to give reference for reducing power consumption and miniaturizing controller.

cryocooler；high-power；driven circuit；power storage filter；current

TB657

A

1006-7086（2016）05-0286-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.05.009

2016-05-10

金占雷（1980-），男，浙江金華人，博士，高級工程師，主要從事制冷控制技術(shù)、遙感器電子學(xué)技術(shù)研究。E-mail：jinzhanlei@163.com。