低温低气压环境用双向大功率DC变换器研究.pdf

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1、第２２卷第３期载人航天Vｏl．２２Ｎｏ．３２０１６年６月ＭａｎｎｅｄＳｐａｃｅｆlｉｇｈｔＪｕｎ．２０１６低温低气压环境用双向大功率ＤＣ变换器研究钟静宏，黄晓勤，肖振军，张亚（北京航天动力研究所，北京１０００７６）摘要：针对空间再生燃料电池能源系统的用电和环境要求，对其关键部件大功率双向ＤＣ变换器进行了研究。为保证苛刻环境下ＤＣ变换器可靠工作，对变换器结构、功率器件进行了热分析、热模拟，并在模拟空间环境中进行了验证。根据系统工作特点，进行水电一体化功率结构设计，优化电路拓扑，以满足空间对质量、体积和

2、效率的高要求。最后对６０ｋＷ双向ＤＣ变换器样机进行了测试，测试表明该变换器满足设计要求。关键词：低温低气压；ＤＣ变换器；双向；大功率中图分类号：ＴＭ８９文献标识码：Ａ文章编号：１６７４-５８２５（２０１６）０３-０３４３-０４StudyonHighPowerBi-directionalDCConvertorUsedinLow-temperatureandLow-pressureEnvironmentＺＨOＮＧＪｉｎｇｈｏｎｇ，ＨＵＡＮＧXｉａｏｑｉｎ，XIＡOＺｈｅｎｊｕｎ，ＺＨＡＮＧＹａ（Ｂｅｉｊ

3、ｉｎｇＡｅｒｏｓｐａｃｅＰｒｏｐｕlｓｉｏｎIｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００７６，Ｃｈｉｎａ）Abstract：Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｓｏｎｈｉｇｈｐｏｗｅｒｂｉ-ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａlＤＣｃｏｎｖｅｒｔｏｒｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Iｔｉｓａｋｅｙｐａｒｔｉｎｔｈｅｓｐａｃｅｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅｆｕｅlｃｅllｓｙｓｔｅｍｗｈｉｃｈｈａｓｓｐｅｃｉａlｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｎｐｏｗｅｒａｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅｒｅlｉａｂlｅ

4、ｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆＤＣｕｎｄｅｒｔｈｅｈａｒｓｈｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｈｅｒｍａlａｎａlｙ-ｓｉｓａｎｄｔｈｅｒｍａlｓｉｍｕlａｔｉｏｎｗｅｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄｏｎｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｏｗｅｒｃｏｍｐｏｎｅｎｔｏｆｔｈｅｃｏｎｖｅｒｔｏｒ，ｔｈｅｎｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｔｅｓｔｗａｓｍａｄｅｉｎｔｈｅｓｉｍｕlａｔｅｄｓｐａｃｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｆｅａｔｕｒｅｓｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ，ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｗａｔｅｒａｎｄｅlｅｃｔｒｏｎｐｏ

5、ｗｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｐｏｗｅｒｔｏｐｏlｏｇｙｗａｓｏｐｔｉ-ｍｉｚｅｄｓｏａｓｔｏｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｎｔｈｅｍａｓｓ，ｓｉｚｅａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｔｈｅｔｅｓｔｏｎｔｈｅｄｅｖｅlｏｐｅｄ６０ｋＷｂｉ－ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａlＤＣｃｏｎｖｅｒｔｏｒｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｉｔｃｏｕlｄｓａｔｉｓｆｙｔｈｅｄｅｓｉｇｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．Keywords：lｏｗ-ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄlｏｗ-ｐｒｅｓｓｕｒｅ；ＤＣｃｏｎｖｅｒｔｏｒ

6、；ｂｉ-ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａl；ｈｉｇｈｐｏｗｅｒ用。应用于空间飞行器的再生燃料电池能源系１引言统工作原理如图１所示。在光照期系统利用飞空间能源系统有多种，再生氢氧燃料电池能行器总体剩余电能，将水电解成氢氧气并储存；源系统作为一颗新星闪耀其中。燃料电池是一非光照期系统将氢氧气通入燃料电池发电，并种可将氢的化学能直接转化为电能的装置，与回收反应生成水，供下一循环使用；从而实现以电解水结合构成再生燃料发电系统（Ｒｅｇｅｎｅｒａ-水为媒介的电能“昼夜”不间断供应。为满足实ｔｉｖｅＦｕｅlＣｅllＳｙｓｔｅ

7、ｍ，简称ＲＦＣＳ），亦可称为再生际应用的需要，再生燃料电池能源系统必须配备双向的电力变换器（ＤＣ）负责飞行器总体的燃料电池能源系统，它具有比能量高、充放电深电力供应。因此ＤＣ变换器对整个再生能源系度和次数受限少、零污染等特点。美欧等发达统的效率、比能量等性能和可靠性具有重要影国家采用氢氧及再生燃料电池能源系统的航天响，是再生能源系统中的关键部件。飞机、长航时无人机及军用特种车辆已投入使收稿日期：２０１５-０８-２０；修回日期：２０１６-０２-２９作者简介：钟静宏（１９７４－），男，博士，高级工程师，

8、研究方向为航天推进系统新能源电测控技术、电源变换技术等。Ｅ-ｍａｉl：ｚｈｏｎｇｊｉｎｇ-ｈｏｎｇ９６＠１６３．ｃｏｍ３４４载人航天第２２卷合适脉宽（Ｄｕｔｙ１）的ＰＷＭ波，并由控制电路来驱动功率开关以实现能量的传送，同时采用一定的控制算法为用电设备提供满足要求的电压与电流值。图1再生燃料电池能源系统工作原理Fig．1OperationprincipleofRFCS针对再生燃料电池能源系统的使用要求而开展的集成化双向ＤＣ变换器研制突破了集成式功率模块设计、轻质化散热结