5.1.1 降压斩波电路

降压斩波电路直流-直流变流电路（DC/DCConverter）包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。

直流直流斩波电路引言斩波电路（DCChopper）。将直流电变为另一固定电压（电流）或可调电压（电流）的直流电。可直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。（非隔离型直流-直流变流器）直接直流变流电路间接直流变流电路

在直流变流电路中增加了交流环节。在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称为隔离型直流-直流变流器。间接直流斩波电路种类由逆变电路、整流电路及中间变压器构成。有单端正激、双端正激、单端反激、推挽、半桥、全桥等多种电路形式。直流直流斩波电路引言降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、直接直流斩波电路种类直接直流变流电路共讲述四种典型电路，对三种最基本的电路—降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路进行重点介绍。两个基本原理：伏秒平衡：稳态条件下，电感两端电压在一个开关周期内的积分为零。安秒平衡或电荷平衡：稳态条件下，流过电容的电流在一个开关周期内的积分为零。图5-1一个开关周期中电感的电压和电流电感两端电压在一个开关周期内的平均值：其中：可得：（5-1）稳态条件下，电感电流在每一个开关周期内重复相同的波形，因此相邻开关周期开始时刻的电感电流值相等。故式(5-1)中iL(TS)=iL(0)，所以电感两端电压在一个开关周期内的平均值UL=0。伏秒平衡图5-2降压斩波电路的结构使用全控型器件S。设置了续流二极管VD，在S关断时给电感电流提供通道。两种工作模式：电感电流连续模式（ContinuousConductionMode—CCM）电感电流断续模式（DiscontinuousConductionMode—DCM）降压斩波电路图5-3降压斩波电路在电感电流连续时的开关状态a)开关状态1(S通)b)开关状态2(S断)图5-4降压斩波电路在电感电流连续时的波形t0~t1时段：开关S导通，二极管VD处于截止状态，VD电压Uvd

=Ui。由于Ui>Uo，负载电流iL按指数曲线上升。t1~t2时段：开关S关断，二极管VD导通，电感电流通过VD续流，VD电压近似为零，负载电流呈指数曲线下降。电感电流连续工作模式为了使负载电流连续且脉动小通常使串联的电感L值较大。图5-6降压斩波电路在电感电流断续时的波形t0~t1时段：开关S导通，二极管VD处于截止状态。Ui>Uo，电感L的电流不断增长。t1~t2时段：开关S关断，二极管VD导通，电感通过VD续流，电感电流不断减小。t2~t3时段：t2时刻电感电流减小到零，VD关断，电感电流保持零值，电感两端的电压也为零。电感电流连续工作模式a)开关状态1（S通）b)开关状态2（S断）c)开关状态3（电感电流为零）图5-5降压斩波电路在电感电流断续时的开关状态电感电流连续时，Uo=DUi。电流断续时，总有Uo＞DUi，且负载电流越小，Uo越高。输出空载时，Uo=Ui。降压斩波电路处于连续和断续的临界状态时，每个开关周期开始和结束的时刻，电感电流正好为零。电感电流连续工作模式图5-7降压斩波电路在电感电流临界连续时的波形国际空间站

（InternationalSpaceStation，简称ISS)电力电子技术科技创新国际空间站的结构（1）基础桁架。它用来安装各舱段、太阳能电池板、移动服务系统及站外暴露试验设施等。（2）居住舱。它主要用于航天员的生活居住，其中包括走廊、厕所、淋浴、睡站和医疗设施，由美国承担研制和发射到太空。（3）服务舱。它内含科学仪器设备等服务设施，也含一部分居住功能，由俄罗斯研制并发射。（4）功能货舱。它内设有航天员生命保障设施和一部分居住功能（如厕所、卫生设施等），以及电源、燃料暂存地等，舱体外部设有多向对接口，由俄罗斯研制并发射。国际空间站的结构（5）多个实验舱。其中美国1个、欧空局1个、日本1个、俄罗斯3个。美国、日本和欧空局的3个实验舱将提供总计为33个国际标准的有效载荷机柜；俄罗斯的实验舱中也有20个实验机柜。另外，日本的实验舱还连有站外暴露平台，用于对空间环境直接接触实验。（6）3个节点舱。它们由美国和欧空局研制，是连接各舱段的通道和航天员进行舱外活动的出口。此外，节点1号舱还可作为仓库，用于存储；节点2号舱内有电路调节机柜，用于转换电能，供国际合作者使用；节点3号舱为空间站的扩展留有余地。（7）能源系统和太阳能电池帆板。它们由美国和俄罗斯两国提供。（8）移动服务系统(具体是遥操纵机械臂）。它由加拿大研制。国际空间站的结构国际空间站的标志性特征就是其巨大的太阳能电池阵。它们不仅是发电站，也是姿态控制系统的一部分。规模和功率：

共有四对双翼太阳能电池阵，每片翼长35米，总跨度达73米。在轨初期，整个系统可提供约84千瓦的功率。经过升级和考虑到衰减，目前仍能稳定提供约90-100千瓦的总发电能力，供空间站使用（其中约一半用于空间站自身维持运行，如生命保障、温控，另一半用于科学实验）。国际空间站电源系统的核心构成1.发电系统：巨大的太阳能电池阵技术演进：早期（STS-97任务前）：

使用传统的刚性太阳能板。主体部分：

使用的是光电转化效率更高的柔性太阳能电池片，覆盖在可展开的桁架上。这种设计更轻、打包体积更小，发电效率也更高。太阳跟踪：

每个太阳能电池翼都通过一个

“Beta关节机构”

与主桁架连接。这个机构可以使太阳能电池翼像向日葵一样绕轴旋转，始终以最佳角度对准太阳，以最大化能量收集。这是实现高效率发电的关键。国际空间站电源系统的核心构成1.发电系统：巨大的太阳能电池阵为了应对每次约45分钟的地球阴影区，国际空间站需要强大的蓄电池系统。原始设计：

使用镍氢电池。每个电源通道配备一套，在日照期充电，阴影期放电。大规模升级：

从2017年开始，NASA启动了为期数年的电池更换计划，通过一系列日本HTV货运飞船和SpaceX龙飞船，将所有老化的镍氢电池逐步更换为锂离子电池。国际空间站电源系统的核心构成2.能源存储系统：从镍氢到锂离子的升级优势：锂离子电池具有更高的能量密度，意味着新电池的体积和重量只有旧电池的一半，却能存储更多的电能。同时，它们具有更长的循环寿命，减少了未来更换的频率和成本。更换方式：由于每个新锂离子电池单元的能力相当于两个旧镍氢电池单元，因此实际更换时，每移除两个旧电池模块，只需安装一个新锂离子电池模块即可，腾出的空间可以安装其他科研平台。国际空间站电源系统的核心构成2.能源存储系统：从镍氢到锂离子的升级高压直流母线：

国际空间站使用160伏的直流母线在主桁架上传输电力。采用高电压是为了在传输巨大功率时减小电流，从而降低线路损耗和线缆重量。二次变换：

电力通过主母线分配到各舱段（美国舱、欧洲舱、日本舱等）之前，会通过

“直流转换单元”

将电压降至124伏，供各舱段内部使用。舱段内的设备会根据需要，进一步转换为所需的电压（如28V，±120V等）。国际空间站电源系统的核心构成3.电力分配与管理：复杂的中枢神经中国的空间站计划，最终目标是在低地轨道自主建设一个常驻的大型空间站，约60~180吨级。该计划分两个阶段进行，试验阶段于2011~2020年进行，包括天宫一号目标飞行器、天宫二号空间实验室，2020年之后开始正式。中国空间站电力电子技术科技创新组建常驻的“天宫号”空间站空间站于2022年前后完成建造，一共规划12次飞行任务。长征五号B运载火箭首飞成功，标志着空间站工程建设进入实质阶段。该次任务后，将先后发射天和核心舱、问天实验舱和梦天实验舱，进行空间站基本构型的在轨组装建造；期间，规划发射4艘神舟载人飞船和4艘天舟货运飞船，进行航天员乘组轮换和货物补给。中国空间站电力电子技术科技创新经过公众的投稿，同时结合科研人员与专家的意见，中国载人航天办公室于2013年10月底正式对外宣布了中国的载人空间站被命名为——“天宫”，货运飞船被命名为——“天舟”，实验舱I、II分别被命名为“问天”和“梦天”，核心仓被命名为“天和”，此外，对各组成舱段也做了命名。中国的大型常驻空间站定名“天宫号空间站”电力电子技术科技创新天和舱是中国空间站“天宫”的组成部分。它全长16.6米，最大直径4.2米，发射质量为22.5吨，是我国研制的最大航天器，也是21世纪以来全球范围内发射的最大最重的航天器，超过了国际空间站上任意一个密闭舱段。2021年4月29日11时，长征五号B遥二运载火箭搭载空间站天和核心舱，在海南文昌航天发射场发射升空。天和核心舱“天和”号核心舱上使用了目前世界上最先进的三结砷化镓太阳能电池翼。它的光电转换效率高达50%以上。此外，它还具有很好的耐温性，250℃高温也能正常工作。在“天和”号上使用的太阳翼单侧翼展为13米，而明年将发射升空的“问天”号和“梦天”号两个实验舱的太阳翼单侧翼展将达到30米！届时，“天宫”号空间站的供电能力将达到100千瓦，而体量是“天宫”号4倍的国际空间站只能提供80余千瓦