基本信息

書名：電子電源技術

定價：150.0元

作者：上海空間電源研究所著

齣版社：科學齣版社

齣版日期：2015-04-01

ISBN：9787030440792

字數：855000

頁碼：

版次：1

裝幀：平裝

開本：16開

商品重量：0.4kg

編輯推薦

《電子電源技術》可供從事和關心航天器總體和電源分係統技術領域研究設計製造測試及應用的專業技術人員和管理人員使用,也可作為高等院校相關專業本科高年級學生和研究生的選修教材或參考書

內容提要

全書共分為七章，章緒論，主要介紹瞭電子電源基本概念和發展趨勢。第二章電路基礎，主要介紹瞭電路基本知識與基本定理。第三章模擬電路，主要介紹瞭各類模擬電路的計算與設計。第四章數字邏輯電路，主要介紹瞭各類數字電路的計算與設計。第五章DC/DC電路，介紹瞭基本原理、非隔離型和隔離型DC/DC電路、變壓器及磁性元件設計、DC/DC電路軟開關技術、DC/DC控製電路設計及環路穩定性分析。第六章電源控製設備設計初步，介紹瞭主電路設計、控製電路設計、航天電源器件技術、PCB電路闆設計和電源方針技術。第七章電源控製設備電裝及測試技術，介紹瞭電子裝聯準備、電連接技術、電子裝聯技術、電路調試技術、電子元器件篩選和裝機電老練、設備測試技術。

目錄

作者介紹

文摘

章緒論
　　1.1基本概念
　　空間電源係統是航天飛行器上産生儲存變換調節和分配電能的航天器分係統，簡稱電源係統（electrical power subsystem， EPS）其基本功能是通過某種物理變化或化學變化，將光能核能或化學能轉換成電能，根據需要進行儲存調節和變換，然後嚮航天器各分係統供電空間電源係統的作用就是給航天器各分係統的儀器設備提供符閤技術要求的可靠的電源，使各分係統的儀器設備能夠正常地運轉和工作，以完成各分係統擔負的任務，從而保證航天器的任務得以實現電源控製設備是空間電源係統的一個重要組成部分，主要負責電能的變換調節，確保飛行器的穩定供電
　　一般航天器電源係統組成框圖如圖1.1.1所示由圖1.1.1可知，對於較大的範圍，航天器電源係統由供電係統和配電係統兩大部分組成，因此，電源係統也可稱為供配電係統必須指齣，所有的電源係統均包括供電係統供電係統一般由主電源儲能電源和電源控製設備（功率調節和控製係統）組成
　　圖1.1.1一般航天器電源係統組成框圖
　　電源控製設備有高可靠性高安全性輕量化和在使用及維護上極其簡便的特點航天電源的高可靠性要求空間電源控製設備的性能十分穩定可靠，能承受十分苛刻的環境和力學條件的考驗電源控製設備的高安全性要求電源本身要安全穩定不允許在極個彆的情況下，由於電源的工作特性而發生短路燃燒的情況，要保障航天器的安全輕量化要求電源控製設備的體積小重量輕在使用及維護上要十分簡便，做到裝上就能用
　　隨著航天技術不同時期的發展水平以及應用需求的不同，電源控製設備發展瞭多種實施方案根據母綫調節特性的不同，發展瞭全調節母綫電路和半調節母綫電路根據全調節母綫輸齣電壓性質的不同，發展瞭直流母綫技術和交流母綫技術直流母綫又包含多種結構，如S3R型功率調節技術混閤型功率調節技術S4R型功率調節技術一體化功率調節技術以及MPPT調節技術等電源控製設備産品一般分為以下幾種
　　① 分流調節器分流調節器連接太陽電池陣以及衛星負載，通過脈寬調製（pulse width modulation， PWM）方式對各太陽電池陣輸齣電流進行分流調節，從而調整各太陽電池陣的輸齣功率，達到衛星負載的能量供給和穩定母綫電壓的目的分流調節器由分流電路主迴路控製電路等部分組成，原理框圖如圖1.1.2所示各分流單元分彆采用母綫電壓，與基準電壓比較後，輸入誤差放大器，從而調節各分流單元的PWM脈衝寬度，進而調整各單元的分流狀態
　　圖1.1.2分流調節器原理框圖
　　② 充電控製器充電控製器有連接太陽電池陣及蓄電池組的，也有連接母綫及蓄電池組的，它們都是通過PWM方式將太陽電池陣或母綫的能量提供給蓄電池組以實現蓄電池組的充電充電電路原理框圖見圖1.1.3
　　圖1.1.3充電電路原理框圖
　　③ 放電調節器放電調節器連接蓄電池組及母綫，通過PWM方式對蓄電池組的輸齣進行升壓或降壓調節，並穩定母綫電壓，從而實現衛星負載的能量供給放電電路原理框圖見圖1.1.4
　　圖1.1.4放電電路原理框圖
　　④ 充放電調節器由於充電控製器與放電調節器都連接到蓄電池組，為瞭減少電纜降低壓降減輕重量，産生瞭充放電調節器，其功能及工作狀態分彆與充電控製器與放電調節器類似，與上述兩種設備相比，具有重量輕可靠性高等優點
　　⑤ 電源控製器（PCU）電源控製器將分流充電放電等功能整閤在一起，實現母綫電壓的調節，太陽電池陣輸齣功率的分流調節，蓄電池組的充放電調節及衛星負載的供配電與上述産品相比，電源控製器具有整閤度高自主控製能力強冗餘度高重量輕可靠性高等優點
　　⑥ 電源控製分配器（PCDU）電源控製分配器除具有分流充電放電等功能外，還具有整星的配電及配電保護功能
　　⑦ 電池管理器（BMU）電池管理器實現蓄電池組及單體的采用均衡管理保護功能
　　⑧ 其他電源控製設備除瞭上述常見的單機外，還有損耗器DC/DC變換器遙測遙控調節器調壓器切換綫路盒等
　　目前電源控製器的功率從百瓦級至萬瓦級，功率質量比高達200W/kg，母綫電壓覆蓋28~100V根據電源控製設備的設計要求，一般可分為兩部分: 功率部分及控製器部分
　　電源控製設備的功率部分一般由DC/DC變換電路構成DC/DC變換電路是將不可調的直流電壓轉變為可調或固定的直流電壓，是一個用開關調節方式控製電能的變換電路這種技術廣泛應用於各種開關電源直流調速燃料電池太陽能供電和分布式電源係統中20世紀，隨著功率開關器件的發展，變換器拓撲和變換技術取得瞭很大的成就，並且已經發展到一個相當高的水平DC/DC變換器的演化過程離不開各種直流變換技術各種新技術的産生和發展很大程度上影響瞭變換器拓撲的演化DC/DC變換電路是電源控製設備結構中不可或缺的重要組成部分，直接關係到航天器有效載荷的在軌安全，因此消除其固有的可靠性隱患，對於確保航天器安全，增強其可靠性非常重要由於航天器DC/DC變換電路具有不可維修性，如果其使用瞭有可靠性隱患的元器件或設計不閤理，可靠性不高，直至經曆瞭大量的考核試驗或航天器在軌運行時纔暴露缺陷，會給航天器研製單位乃至國傢造成重大的經濟損失
　　控製電路的功能是在輸入電壓內部參數外接負載變化時，調節功率級開關器件的導通時間，使電源控製設備的輸齣電壓或者電流保持恒定因此，在開關電源的設計中，控製方法的選擇和設計對於開關電源的性能十分重要采用不同的檢測信號和不同的控製電路會有不同的控製效果控製電路是通過調節功率級開關器件的占空比來控製功率級輸齣的在電感連續導電模式（continuous conduction mode， CCM）下，d=ton/（ton+toff）=ton/T（ton為開通時間，toff為關斷時間，T為周期）按照占空比的實現方式，電源控製設備的控製方式可以分為定頻控製和變頻控製定頻控製即開關周期恒定不變，通過調整一個周期內開關開通的寬度來調節輸齣電壓，即通常所說的PWM技術變頻控製有定開通時間定關斷時間遲滯比較等幾種控製方式定開通時間控製即開關的導通時間ton不變，通過改變開關的關斷時間來調節占空比定關斷時間控製則相反，開關的關斷時間toff不變，通過改變開關的開通時間來調節占空比遲滯比較的控製方式是對受控量（輸齣電壓或電流）設定一個上限和一個下限當受控量低於下限時開通開關，而當受控量超過上限時關斷開關因此，在這種控製方式下，開通時間和關斷時間都是變化的電源控製設備的另一種分類方式是按照檢測信號的不同來分類的，可以分為單環控製和雙環控製恒壓源單環控製主要是電壓型控製;雙環控製則有電流型V2型等幾種控製方式隨著控製理論的發展，一些現代的控製方法，如模糊控製滑模變結構控製等非綫性控製方法也被嘗試應用開關電源的控製電路中雖然這些控製方法到目前沒有得到廣泛應用，但是由於其獨特的控製性能，應用前景可觀
　　電源控製設備的控製方式還可分為模擬控製和數字控製兩種方式
　　1） 模擬控製
　　模擬信號的值可以連續變化，其時間和幅度的分辨率都沒有限製4.1V電池就是一種模擬器件，它的輸齣電壓並不地等於4.1V，而是隨時間變化，並可取任何實數值與此類似，從電池吸收的電流也不限定在一組可能的取值範圍內模擬信號與數字信號的區彆在於後者的取值通常隻能屬於預先確定的可能取值集閤之內，如在{0V，5V}集閤中取值模擬電壓和電流可直接用來進行控製，如對汽車收音機的音量進行控製在模擬收音機中，音量鏇鈕連接到一個可變電阻轉動鏇鈕時，電阻值變大或變小;流經這個電阻的電流也隨之減小或增大，從而改變瞭驅動揚聲器的電流值，使音量相應變小或變大模擬控製可靠性高工作頻率高繼承性好，但模擬控製容易隨時間溫度變換等漂移，因而難以調節能夠解決這個問題的精密模擬電路可能非常大笨重和昂貴模擬控製還有可能嚴重發熱，其功耗與工作元件兩端電壓與電流的乘積成正比模擬控製還對噪聲很敏感，任何擾動或噪聲都會改變電流值的大小
　　2） 數字控製
　　電源的數字控製，又稱迴路內部的處理，是指控製器能在數字域執行所有係統控製算法它必須對兩個數字串進行比較以産生脈衝寬度來驅動電源開關，而不是使用傳統模擬PWM比較器它會將所有模擬係統參數轉換成數字信號，並在數字域利用這些數據計算控製響應，然後將新産生的控製信息加傳至係統通過以數字方式控製模擬電路，可以大幅度降低係統的成本和功耗此外，許多微控製器和數字信號處理器（digital signal processor， DSP）已經在芯片上包含瞭PWM控製器這使數字控製的實現變得更加容易實現DC/DC電路的數字控製主要有以下兩種方法
　　（1） 基於單片機控製的開關電源
　　單片機通過外接A/D轉換芯片進行采樣，采樣後對得到的數據進行運算和調節，再把結果經過D/A轉換後傳到PWM芯片中，實現單片機對開關電源的間接控製這種技術目前已經比較成熟，設計方法容易掌握，而且對單片機的要求不高，成本比較低但是控製電路要用多個芯片，電路比較復雜單片機經過A/D和D/A轉換後，有較大的延時，勢必影響電源的動態性能和穩壓精度也有的單片機集成瞭PWM輸齣，但開關電源不斷嚮高頻化方嚮發展，一般單片機的時鍾頻率有限，産生的PWM輸齣頻率和精度成反比，無法産生足夠頻率和精度的PWM輸齣信號
　　（2） 基於數字信號處理控製的開關電源
　　通過高性能數字芯片（如DSP）對電源實現直接控製，數字芯片完成信號采樣A/D轉換和PWM輸齣等工作由於輸齣的數字PWM信號功率不足以驅動開關管，所以需要驅動芯片這樣就可以簡化控製電路這些芯片有較高的采樣速度和運算速度，可以快速有效地實現各種復雜的控製算法，實現對電源的有效控製，有較高的動態性能和穩壓精度
　　數字電路的缺點有可靠性設計難度較大，抗乾擾能力較弱，環境耐受能力差，高等級的器件較難獲得等
　　本書主要介紹構成電源控製技術的理論基礎（電路基礎模擬電路基礎數字邏輯電路基礎和DC/DC電路基礎）和實踐體驗（電源控製設備初步設計和電源控製設備電裝及測試技術）
　　1.2發展趨勢
　　電源控製設備是衛星電源分係統的重要組成部分之一，其發展水平對提高衛星性能延長衛星工作壽命起著關鍵的作用航天器功能和性能的不斷優化負載容量的擴大化運行軌道的多樣化，對航天器電源控製設備的調節能力重量效率可靠性，以及配置管理故障檢測與診斷等技術都提齣瞭更高的要求，主要體現在電源控製設備種類的多樣化高效率高比功率高可靠性長壽命智能化和低成本等方麵
　　新一代高性能衛星平颱對電源控製設備的需求主要錶現在以下幾個方麵
　　① 功率需求越來越大“十二五”期間，在SAR成像領域，功率需求越來越大，如大型對地觀察係列衛星功率需求提高到13kW，高軌通信衛星則需要提供25kW的功率在電子偵察與對抗領域，功率需求也是有增無減
　　② 電源品質要求越來越高衛星載荷的高空間分辨率高定位精度高時間分辨率高輻度輸齣必然要求電源控製設備具備更高的品質特性，包括輸齣直流母綫具有極低的電壓紋波及瞬態功率輸齣情況下極快的動態響應速度等特性以28V直流母綫為例，母綫電壓範圍由原來的（28±1）V減少到（28±0.25）V，母綫紋波電壓由原來的約200mV降低到100mV，母綫動態響應速度要求提高到10ms以內，以滿足性能不斷提升對母綫特性的要求
　　③ 輕量化設計要求越來越高新一代高性能衛星平颱對電源控製設備輕量化的要求越來越高為瞭降低發射成本，增加有效載荷，衛星平颱需要配備輕量化的電源控製設備從今後長期的發展來看，電源控製設備（以控製器為例）的功率密度將由現在的120W/kg提高到250W/kg以上
　　④ 壽命要求越來越長為瞭降低發射成本，未來衛星的在軌壽命將越來越長，新一代衛星係統也是如此一般的低軌衛星壽命從3年增加到5~8年，高軌衛星的壽命則從8年增加到12~15年這就要求電源控製設備的工作壽命和可靠性也要增加
　　⑤ 快速響

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序言