一种空间用激光载荷高精度恒流源变换系统技术方案

本发明专利技术公开了一种空间用激光载荷高精度恒流源变换系统，其包含有恒流源变换模块和激光载荷单元，恒流源变换模块与蓄电池组连接；激光载荷单元与恒流源变换模块连接；恒流源变换模块包含：交错并联BUCK电路、滤波耦合电感、电流采样单元和电压采样单元；交错并联BUCK电路对蓄电池组的变化电压进行转换使供电与激光载荷单元匹配；滤波耦合电感接收由交错并联BUCK电路输出的电流并输出电流滤波；电流采样单元和电压采样单元分别对滤波耦合电感输出的电流和电压进行采样。本发明专利技术结构简单，可实现光纤激光高性能供电系统的高效变换，可满足激光载荷的高性能供电要求，对于解决激光载荷空间工程应用时高性能供电问题具有重要意义。

A high precision constant current source transformation system for space laser load

The invention discloses a constant current source converter system with laser load and high precision, which includes constant current source converter module and the laser unit load, constant current source converter module is connected with the battery load; the laser unit is connected with the constant current source converter; constant current source converter module consists of interleaved BUCK circuit filter coupled inductance, current sampling unit and voltage sampling unit; change of voltage of battery with interleaved BUCK conversion, and the power supply load of laser unit; filter coupled inductor received by the output goes parallel BUCK circuit current and output current filter; current sampling unit and voltage sampling unit of output filter inductor the current and voltage sampling. The invention is simple in structure, and can realize high efficiency transformation of fiber laser high performance power supply system, which can meet the high performance power supply requirement of laser load, and has great significance for solving the problem of high performance power supply in laser load space engineering application.

【技术实现步骤摘要】
一种空间用激光载荷高精度恒流源变换系统
本专利技术涉及激光载荷的空间应用，特别涉及一种空间用激光载荷高精度恒流源变换系统。
技术介绍
随着技术进步，很多先进载荷将越来越多地应用于空间飞行器提高其性能。以激光载荷为例，已广泛应用于遥感、侦查和安全防卫等领域。激光载荷要达到良好的输出性能，要求其供电系统具备高精度的超低纹波恒定电流输出能力，空间应用时，考虑空间应用的不可维护性，需要其具备高可靠的故障监测和保护功能。本专利技术结合激光载荷空间应用环境的特殊要求，提出了基于新型宽禁带器件的激光载荷高精度超低纹波恒流变换拓扑及控制系统技术方案，可为高性能激光载荷的空间应用解决供电难题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种空间用激光载荷高精度恒流源变换系统，从拓扑选型、滤波方案设计以及驱动控制和高可靠保护电路设计等方面，实现供电蓄电池组不调节输出转换为激光载荷所需高精度超低纹波恒流输出，解决空间高性能激光载荷的高可靠供电问题，实现了空间大功率激光载荷的高性能供电。为了达到上述目的，本专利技术的一种空间用激光载荷高精度恒流源变换系统，其包含有若干个恒流源变换模块和若干个激光载荷单元，所述恒流源变换模块与为其供电的蓄电池组连接；所述激光载荷单元与所述恒流源变换模块连接，接收所述恒流源变换模块输出的恒定电流并输出激光束；所述恒流源变换模块包含：交错并联BUCK电路、滤波耦合电感、电流采样单元和电压采样单元；所述交错BUCK电路对所述蓄电池组的变化电压进行转换使供电与所述激光载荷单元匹配；任意一交错并联BUCK电路至少设置有两路BUCK单元；所述滤波耦合电感接收由所述交错BUCK电路输出的电流，并输出电流滤波；所述电流采样单元和电压采样单元分别对所述滤波耦合电感输出的电流和电压进行采样。优选地，任意一路BUCK电路中均设置有MOS管、电感和二极管，所述MOS管为新型宽禁带器件且开关频率达200kHz以上。优选地，任意一路BUCK电路中设置有多个相互串联的MOS管，当所述交错BUCK电路的任意一个MOS管开关短路时，通过控制端开与短路的MOS管所串联的另一对应的MOS管，使所述蓄电池组避免短路。优选地，所述恒流源变换模块设置有相互并联的第一路BUCK电路和第二路BUCK电路；所述第一路BUCK电路包含第一BUCK单元，所述第二路BUCK电路包含第二BUCK单元；所述第一BUCK单元和所述第二BUCK单元各自的MOS管采用错相180°的PWM控制方式以提高输出电流纹波频率。优选地，所述第一BUCK单元包含相互串联的第一MOS管和第二MOS管，所述第二BUCK单元包含相互串联的第三MOS管和第四MOS管。优选地，第一路BUCK电路和第二路BUCK电路形成了交错并联BUCK电路；所述第一路BUCK电路的第一脉冲宽度调制信号、该第一路BUCK电路的第一电路输出电流和所述第二路BUCK电路的第二脉冲宽度调制信号、该第二路BUCK电路的第二电路输出电流均正常，且相互之间间隔1/4周期；当所述交错并联BUCK电路中的一路出现故障时，通过控制断开该故障的BUCK电路的MOS管，所述交错并联BUCK电路衍变成常规单路BUCK电路；在衍变后的常规单路BUCK电路中，未故障的BUCK电路的脉冲宽度调制信号和该未故障的BUCK电路的输出电流均正常，故障的BUCK电路的脉冲宽度调制信号和该故障的BUCK电路的输出电流不存在；衍变后的常规单路BUCK电路输出电流纹波频率变为所述交错并联BUCK电路输出电流纹波频率的一半，所述常规单路BUCK电路的输出总电流纹波幅值与所述交错并联BUCK电路的输出总电流纹波幅值不同。优选地，所述交错并联BUCK电路设置的交错BUCK单元的输入端位于所述滤波耦合电感的一次侧，所述激光载荷单元、所述电流采样单元和所述电压采样单元均位于所述滤波耦合电感的二次侧；所述交错并联BUCK电路设置的BUCK单元的输入端均与所述蓄电池组连接，其各自的输出端均与所述滤波耦合电感连接；所述滤波耦合电感、所述电流采样单元和所述激光载荷单元为串联连接；所述激光载荷单元与所述电压采样单元并联连接。优选地，所述电流采样单元通过电流传感器进行电流采样，对所述滤波耦合电感输出电流反馈控制；所述电压采样单元通过采样电阻分压进行电压采样，对所述滤波耦合电感输出电压故障监测和保护。优选地，所述恒流源变换模块还设置有对所述恒流源变换模块输出的恒流进行PID调节、驱动控制以及电路保护的驱动控制及保护单元，其设置有比较器、电压保护电路和电流保护电路，各自通过比较器基准信号、保护电压临界值和保护电流临界值来分别进行交错并联BUCK电路的BUCK单元的驱动控制、过压保护和过流保护；所述驱动控制及保护单元输入端分别与电流采样单元和电压采样单元连接，其输出端与交错并联BUCK电路的BUCK单元连接。优选地，若干个恒流源变换模块相互并联连接，每个恒流源变换模块与一个对应的激光载荷单元连接；所述蓄电池组为锂电子蓄电池组，其电压和容量与所述激光载荷单元相匹配。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术提出采用交错并联BUCK拓扑结合耦合电感滤波架构实现高精度超低纹波恒流输出，还实现输出电流纹波达1％以内的高稳流精度，更好满足激光载荷对高性能供电系统的要求。(2)提出基于专门故障容错控制方法，两路BUCK电路并联架构可以确保在单路故障情况下供电模块功能正常，保障激光载荷维持基本功能。(3)提出采用新型宽禁带器件结合平面磁集成技术实现储能电感或耦合滤波电感的空间应用，解决变换模块轻量化和高可靠设计问题。(4)新型宽禁带器件应用可大幅度提高开关工作频率至200kHz以上，且本专利技术对于解决激光载荷空间工程应用时高性能供电问题具有重要意义。附图说明图1为本专利技术空间用激光载荷高精度恒流源变换系统原理电路；图2为本专利技术功率开关串联防短路失效原理图；图3为交错并联BUCK变换拓扑故障重构原理图；图4为故障重构前后输出电流波形变化情况示意图。具体实施方式本专利技术提供了一种空间用激光载荷高精度恒流源变换系统，为了使本专利技术更加明显易懂，以下结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步阐述。如图1所示，本专利技术的空间用激光载荷高精度恒流源变换系统包含一个蓄电池组10、多个相互独立的高精度恒流源变换模块(例如，高精度恒流源变换模块1、高精度恒流源变换模块2，直至高精度恒流源变换模块n)和多个相互独立的激光载荷单元(例如，激光载荷单元1、激光载荷单元2，直至激光载荷单元n)。其中，每个高精度恒流源变换模块均与对应的一个激光载荷单元。激光载荷单元是工作负载且是恒流源变换模块的供电对象，激光载荷单元接收恒流源变换模块的超低纹波恒定电流输出，输出高质量的激光束，完成载荷基本功能。蓄电池组10可以是一种锂电子蓄电池组，多个独立的恒流源变换模块采用同一个蓄电池组10供电且相互并联。示例地，蓄电池组10的输出电压记为Vin。蓄电池组10用于为空间激光载荷单元工作期间提供能量供给，该蓄电池组10的电压和容量可根据激光载荷单元中的载荷情况进行合理设计。如图1所示，任意一个恒流源变换模块包含有第一交错BUCK单元20和第二交错BUCK单元30、驱动控制及保护单元80、滤波耦合电感40、激光载荷单元50、电流采样单元60和电压本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种空间用激光载荷高精度恒流源变换系统，其特征在于，其包含有若干个恒流源变换模块和若干个激光载荷单元，所述恒流源变换模块与为其供电的蓄电池组(10)连接；所述激光载荷单元与所述恒流源变换模块连接，接收所述恒流源变换模块输出的恒定电流并输出激光束；所述恒流源变换模块包含：交错并联BUCK电路、滤波耦合电感(40)、电流采样单元(60)和电压采样单元(70)；所述交错并联BUCK电路对所述蓄电池组(10)的变化电压进行转换使供电与所述激光载荷单元匹配；任意一交错并联BUCK电路至少设置有两路BUCK单元；所述滤波耦合电感(40)接收由所述交错并联BUCK电路输出的电流，并输出电流滤波；所述电流采样单元(60)和电压采样单元(70)分别对所述滤波耦合电感(40)输出的电流和电压进行采样。

【技术特征摘要】
1.一种空间用激光载荷高精度恒流源变换系统，其特征在于，其包含有若干个恒流源变换模块和若干个激光载荷单元，所述恒流源变换模块与为其供电的蓄电池组(10)连接；所述激光载荷单元与所述恒流源变换模块连接，接收所述恒流源变换模块输出的恒定电流并输出激光束；所述恒流源变换模块包含：交错并联BUCK电路、滤波耦合电感(40)、电流采样单元(60)和电压采样单元(70)；所述交错并联BUCK电路对所述蓄电池组(10)的变化电压进行转换使供电与所述激光载荷单元匹配；任意一交错并联BUCK电路至少设置有两路BUCK单元；所述滤波耦合电感(40)接收由所述交错并联BUCK电路输出的电流，并输出电流滤波；所述电流采样单元(60)和电压采样单元(70)分别对所述滤波耦合电感(40)输出的电流和电压进行采样。2.如权利要求1所述的激光载荷高精度恒流源变换系统，其特征在于，任意一路BUCK电路中均设置有MOS管、电感和二极管，所述MOS管为新型宽禁带器件且开关频率达200kHz以上。3.如权利要求2所述的激光载荷高精度恒流源变换系统，其特征在于，任意一路BUCK电路中设置有多个相互串联的MOS管，当所述交错并联BUCK电路的任意一个MOS管开关短路时，通过控制断开与短路的MOS管所串联的另一对应的MOS管，使所述蓄电池组(10)避免短路。4.如权利要求2所述的激光载荷高精度恒流源变换系统，其特征在于，所述恒流源变换模块设置有相互并联的第一路BUCK电路和第二路BUCK电路；所述第一路BUCK电路包含第一BUCK单元(20)，所述第二路BUCK电路包含第二BUCK单元(30)；所述第一BUCK单元(20)和所述第二BUCK单元(30)各自的MOS管采用错相180°的PWM控制方式以提高输出电流纹波频率。5.如权利要求4所述的激光载荷高精度恒流源变换系统，其特征在于，所述第一BUCK单元(20)包含相互串联的第一MOS管(Q1-1)和第二MOS管(Q1-2)，所述第二BUCK单元(30)包含相互串联的第三MOS管(Q2-1)和第四MOS管(Q2-2)。6.如权利要求5所述的激光载荷高精度恒流源变换系统，其特征在于，第一路BUCK电路和第二路BUCK电路形成了两路交错并联BUCK电路；所述第一路BUCK电路的第一脉冲宽度调制信号、该第一路BUCK电路的第一电路输出电流和所述第二路BUCK电路的第二脉冲宽度调制信号、该第二路BUCK电路的第二电路输出电流均正常，且相互之间间隔1/4周期；...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄军，董宝磊，陈海涛，何小斌，陈杰，张兴浩，李开宇，吴春瑜，
申请(专利权)人：上海空间电源研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31