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究竟要多厉害的电源才能用于航空瞬变电磁发射机?

发布时间:2020-07-07 责任编辑:wenwei

【导读】固定翼时间域航空电磁法具有探测深度大、测量精度高的技术特点,是我国急需的快速高效的大深度矿产勘查装备技术。中国地质科学院已成功研制了基于国产Y12IV型专用飞机,具有完全自主知识产权的固定翼时间域航空电磁系统空中样机。为了匹配飞机电源和大功率发射机,需要研制由大功率稳压充电电源和大容量储能器构成的电源系统,为发射机提供满足要求的电压和功率。
 
Y12飞机只能提供5.6kW的输出,经过简单计算,要实现600A峰值电流和50万A·m发射磁矩,飞机电源的瞬时供电能力至少要达到28.8kW。在保持平均功率不变的条件下,提高电源的瞬时放电能力。电容器就是适用的一种功率变换装置,它既有储能的作用,也具有快速放电的能力。因此,采用电容器作为飞机电源和发射机之间功率匹配的接口,是解决飞机电源瞬时功率不足的有效方法。
 
根据计算,这个电容值会达到法拉级,直接挂接飞机电源,会导致瞬间短路。另外,飞机电源和发射机之间还存在阻抗匹配问题,要求的电源电压超过了飞机电源的28V。因此,必须在飞机电源和储能电容器之间设计一级具有限流功能、升压功能、电气隔离功能的DC-DC变换充电器。
 
01 系统设计
 
设计的大功率直流变换电源如图1所示,主体由16块平均功率为400W的DC-DC模块组成,该类型开关电源模块具有同步脉冲控制接口,可以组成串并联阵列。每个模块的输出电压为18~36V可调;其中每8块并联可实现90A的额定输出并联模组;两个这样的模组串联后,可实现36~72V输出,额定功率达到6.4kW。
 
究竟要多厉害的电源才能用于航空瞬变电磁发射机?
图1  大功率直流变换电源
 
02 Vicor电源模块
 
选用Vicor大功率电源模块来构建大功率直流充电器,图2为Vicor电源模块内部等效电路图。
 
究竟要多厉害的电源才能用于航空瞬变电磁发射机?
图2  Vicor电源模块内部等效电路图
 
模块功能管脚说明:
 
●  +IN和-IN:电源输入,一般为宽压输入(考虑飞机电源为28V,选用18~36V系列)。
●  PC:使能开关。PC开路或PC对-IN的压差大于2.4V,则模块使能;如果外部控制电路导致PC对-IN的压差小于2.4V,则模块失能。
●  PR:并联同步总线。可以同步并联模块的高频开关信号,强制各模块均流。PR为双向端口,作为主模块,向各个从模块输出同步信号;作为从模块,则接收主模块的同步信号作为开关信号。
●  +OUT和-OUT:电源输出端;
●  +S和-S:正负输出电源参考端;
●  SC:输出电压控制端。内部通过电阻分压器对参考电源分压,产生一个误差信号。当SC对-S并一个电位器RD,调节RD的大小就可以控制输出电压的大小。
 
03 Vicor电源模块应用技术
 
3.1  并联均流控制技术
 
Vicor电源模块的特点是只需增加少量外部组件,便可以组成数千瓦功率的并联阵列,增大输出功率。图3为均流同步电路连接图,图中V1,V2配置为主模块,V3等为从模块(各从模块的接线方式与V3相同)。每只模块的正负输入引脚都应用0.2μF陶瓷或薄膜电容本地旁路,这样可以分流高频的输入纹波电流。每只模块的基板和负输入引脚之间应当接入一个4700pF的Y-电容,分流共模电流分量。专用变压器29768在PR引脚提供电气隔离。采用三极管提高主模块PR信号的驱动能力。
 
究竟要多厉害的电源才能用于航空瞬变电磁发射机?
图3  均流同步电路
 
3.2  稳流控制技术
 
图1中由超级电容器组成的储能器的内阻非常小,所以一个很小的压差,也可能造成很大的负载电流,导致电源模块过流,甚至造成器件的永久性损坏。所以有必要设计一个闭环控制电路,当负载电流超过设定值时,自动降低模块的输出电压,从而减小输出电流,即实现稳流输出。如图4所示,通过电流传感器ACS714将输出电流转换为电压值,采用含有内部参考电压源(0.2V)的双运算放大器LM10,工作原理如下:第一级运放的输出电压作为设定值,当输出电流的电压信号幅值(2脚)小于设定电压(3脚)时,由于运放为反相放大,6脚输出为正电压,导致D1反向截止,R6相当于开路,SC对地电阻为R7,此时模块的最大输出电压由R7决定;反之,当输出电流大于设定值时,6脚输出负电压,D1导通,减小了SC的对地电阻,从而降低模块的输出电压。
 
究竟要多厉害的电源才能用于航空瞬变电磁发射机?
图4  稳流控制电路
 
3.3  串联均压技术
 
如图1所示,由16块功率400W的电源模块组成串并联阵列,每个模块的输出电压为18~36V可调;其中每8块并联可实现90A的额定输出并联模组;两个这样的模组串联后,可实现36~72V输出,需要设计相应的均压控制电路,如图5所示。
 
究竟要多厉害的电源才能用于航空瞬变电磁发射机?
图5  均压控制电路
 
当模块2的输出电压向下微调(V1<V2)时,三极管QSC1导通,并降低模块1的输出电压,直到V1=V2为止,反之亦然。
 
04 结语
 
大功率直流电源是为了匹配飞机电源和发射机而专门设计的,可以提高电源的瞬时功率和输出电压以匹配负载。基于Vicor电源模块串并联技术的稳流充电器和由超级电容器组构成的储能器以及缓冲电感,构成了最终的大功率航空瞬变电磁发射机的电源系统,实际应用结果表明,该系统具有6.4kW的平均功率,可以提供超过40kW的瞬时功率,完全能够满足设计要求。
 
 
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