金占雷，孙启扬，戴立群

（北京空间机电研究所，北京100094）

大功率制冷驱动电路仿真分析研究

金占雷，孙启扬，戴立群

（北京空间机电研究所，北京100094）

根据对某型号大功率制冷机驱动电路的仿真分析，结合实际电路参数依次仿真分析了输出滤波电路、H桥电路、母线滤波电路的电流情况。重点结合负载变化时母线滤波电路电流的变化情况，给出了母线滤波电路优化设计方案。仿真结果表明，负载电流变化对输出滤波电容上的电流影响可忽略，而输出滤波电感、母线滤波电感、母线滤波电容的电流随着负载电流线性变化。通过在原来电路上并联电感、电容的方式减小发热，可为减小制冷控制器热功耗和优化电路设计提供参考。

制冷；大功率；驱动电路；储能滤波

0　引言

空间红外遥感具有全天候工作的优点，得到了广泛的应用[1-4]，空间用红外焦平面通常采用低温制冷机提供稳定的低温工作环境[5-7]。红外焦平面规模的日益增大，对制冷机及其控制器也提出更高的要求，国内有多家单位对制冷机控制器进行研究。目前建立了基于DSP的制冷控制系统[8-11]、FPGA的斯特林制冷机控制系统[12]、LMD18200驱动芯片的驱动电路进行分析[13]，同时对H桥驱动电路的MOSFET、滤波电容、电感选用进行了研究[14-15]。另外对基于IGBT的驱动电路进行了设计分析[16]，对国内外制冷机控制系统的研究进展进行了总结。指出欧美发达国家制冷机控制器效率最高已经达到96%，如何提高逆变器的转换效率是提高整个控制器效率的关键[17]。以上分析均没有基于功率电流走向对驱动电路进行系统分析，对下一步如何提高控制器效率无法提供系统有效指导。

对于大功率负载的驱动电路，减小热功耗已经成为驱动电路设计的重点之一[17]。通过建立简化驱动模型对某型号大功率制冷驱动电路展开研究，分别仿真分析了输出滤波电路、H桥电路、储能滤波电路的电流情况，重点分析不同负载情况下储能滤波电流的变化情况，给出了储能滤波电路的设计建议。为进一步减小制冷驱动电路热功耗以及制冷控制器的小型化设计提供参考。

1　制冷控制器工作原理

大功率制冷机通常用于大负载场合，控制电路接收控温指令，根据设定算法计算和控制SPWM占空比，SPWM信号经H桥驱动电路功率放大后送给输出滤波电路得到功率正弦波信号，功率正弦波信号驱动制冷压缩机活塞按照固定频率在气缸中往复运动，气缸内部的工质交替压缩与膨胀，通过工质气体的热力学循环实现红外焦平面的制冷和焦面温度控制[18]，如图1所示。

图1　制冷控制器组成框图

H桥驱动电路将控制电路生成的SPWM信号转换为功率SPWM信号；输出滤波电路将功率SPWM信号进行低通滤波，得到功率正弦波信号，进行电机驱动；母线滤波电路由LC电路组成，为H桥驱动电路提供能量，同时滤除H桥MOSFET开关产生的电流高次谐波，减小对外干扰。

2　驱动电路建模分析

制冷驱动电路的简化模型如图2所示，L1、C1组成母线滤波电路，MOSFET F1～F4组成H桥，L2、C2、L3、C3组成输出滤波电路，M1为负载制冷机。

图2　驱动电路简化模型图

某型号制冷控制器实际驱动电路中L1～L3电感均为100 uH、内阻约0.1 Ω，C1～C3电容均为86 uF、内阻0.02 Ω，F1-F4的导通内阻均为0.028 Ω；DC电源电压42 V；SPWM载波周期20 kHz，调制波周期为50 Hz。

假定SPWM的调制比ρ=1，负载M1为纯电阻RM1。设定UC1-UC3为电容C1～C3两端的电压，IC1～IC3为C1～C3的电流，IL1～IL3为L1～L3的电流、IF1/A～ IF3为F1～F4的电流、IM1为流过M1的电流。基于以上实际数据和假定条件开展仿真分析。

2.1输出滤波电路电流分析

当SPWM调制比ρ=1且输出空载时仿真结果如图3所示。当电压相位角为0°（t=0.015 s）、180°（t= 0.025 s）位置时，IC2有效值最大，90°（t=0.02 s）、270°（t=0.03 s）位置时IC2有效值最小，接近于0。

当负载RM1=5 Ω时，仿真结果如图4所示，对比图3、图4可知：（1）IL2=IC2+IM1；（2）当UC2相位角为0°、180°位置时，IC2有效值最大，IL2有效值最小；90°、270°位置时IC2有效值最小，IL2有效值最大；（3）空载和带载状态下，IC2基本相等。

图3　空载仿真结果

图4　负载RM1=5 Ω仿真结果曲线图

2.2H桥驱动电路电流分析

H桥由上桥臂F1、F3和下桥臂F2、F4组成，当调制比ρ=1且输出负载RM1=5Ω时，IF1、IF2如图5所示，左桥臂与右桥臂电流相位角差180°，即IF1=IF4，IF2=IF3。

图5　负载RM1=5Ω时H桥电流

UC2相位角90°（t=0.02 s）时SPWM占空比100%，IL2有效值最大，IF1/A均为正向电流，极值大、有效值大；IF2均为负向电流，极值大、有效值小。

UC2相位角180°（t=0.025 s）时SPWM占空比50%，IL2有效值较小，变化率最大，IF1、IF2在一个SPWM周期中均存在正向、负向电流，有效值小。

UC2相位角270°（t=0.03 s）时为UC2相位角90°的逆过程，SPWM占空比50%，IF1均为负向电流，极值大、有效值小；IF2均为正向电流，极值大、有效值大。

2.3母线滤波电路分析与设计

2.3.1H桥驱动电路的电源电流分析

图2中F1、F4同步动作，F2、F3同步动作，电流IM1部分由母线通过F1、F3提供，部分由地通过F2、F4提供，因此IM1不等于H桥电源电流IH。H桥电源电流IH=IF1+IF2，由于IF1=IF4，IF1=IF3，IH出现了倍频，即IH频率是IM1频率的2倍。

当调制比ρ=1，RM1从开路∞、10 Ω、5 Ω、1 Ω（a）～（d）变化时，H桥的电源IH如图6所示。（a）图包络的瓶颈出现在t=0.02 s（UC2相位角90°），极值出现在t=0.015 s（UC2相位角0°）；而（b）、（c）、（d）图包络的瓶颈均在t=0.015 s，（c）、（d）的极值均在t= 0.02 s；（a）、（b）、（c）、（d）在t=0.015 s的波形包络宽度均为3 A左右。

图6的频谱分析结果如图7所示。当调制比ρ=1，RM1=∞负载开路时，H桥电源IH的能量主要集中在载波20 kHz及其高次谐波上；随着负载电流IM1的增大，调制波2倍频100 Hz的分量逐渐增大；对比图7（c）和（d），当输出电流IM1远大于IC2时，IH不同频率谐波分量的占比保持恒定，即随着IM1增加IH线性增加、波形保持不变，与图6结果一致。

2.3.2母线滤波电路电流分析

由图2可知，H桥的电流IH由DC和C2共同提供，忽略电源阻抗，则L1的阻抗为RL1+jωLL1；储能滤波电容C1的阻抗为1/（ωC1）+RC1。

对于调制基波频率100 Hz，C1的阻抗远大于L1的阻抗，对于载波频率20 kHz及其高次谐波C1的阻抗远小于L1的阻抗。因此，H桥电源的基波电流主要由DC通过L1提供，谐波电流主要由C1提供。负载RM1=5 Ω时IC1如图8所示。IL1与负载电流IM1的情况如图9所示。

图6　不同负载时的H桥电源电流IH

图7　不同负载时IH的频谱分析曲线图

图8　RM1=5 Ω时IC1的曲线图

图9　RM1=5 Ω时IM1和IL1的对比情况曲线图

图10　IL2有效值、IC2有效值、IL1极大值、IL1平均值、IL1有效值、IC1有效值与IM1极大值关系曲线图

2.3.3母线滤波电路优化设计

通过仿真结果可知，调制比ρ=1，当RM1变化引起IM1增加1倍时，除IC2有效值保持恒定外，IL2有效值、IL1极大值、IL1平均值、IL1有效值、IC1有效值均随着IM1线性增加1倍，器件上的功耗将增加3倍。为减小电路功率损耗，减少单机发热，以母线滤波电路为例进行优化设计。

表1　不同负载情况下IM1、IL2、IC2、IL1、IC21的对比

（1）要求：IM1增加1倍，单个器件PL1、PC1不变。方案：在L1、C1上分别并联L1-1、C1-1，此时对于电感与电容的阻抗比不变。

（2）要求：IM1增加1倍，母线滤波电路总功耗不变。方案：在L1、C1上并联L1-1、L1-2、L1-3、C1-1、C1-2、C1-3。

采用方案1，虽然单个器件的功耗没变，但是由于附近发热器件增多，会导致器件过热；采用方案2，总体功耗没变，散热面积增大，器件温度降低，但是增加器件过多。因此，实际采取的方案通常介于方案1和方案2之间。

3　结论

针对某型号大功率制冷控制器驱动电路进行了仿真研究，结果表明，当调制比ρ=1时：

（1）输出滤波电路的IC2有效值几乎不受负载电流IM1的影响；

（2）母线滤波电路的IL1极大值、IL1平均值、IL1有效值、IC1有效值，输出滤波电路的IL2有效值均随着IM1线性增加。当负载电流IM1有效值增加1倍，IL1有效值、IC1有效值增大1倍，PL1、PC1将增至原来的4倍，需要进行很好散热设计。

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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，浙江金华人，博士，高级工程师，主要从事制冷控制技术、遥感器电子学技术研究。E-mail：jinzhanlei@163.com。