面向机载宽频高峰均比脉冲负载的有源-无源混合电容电压补偿拓扑与效率优化研究

摘要：随着机载、星载等电力电子装备的快速发展，脉冲功率类负载在航空航天领域的应用愈发广泛。此类负载具有高峰均功率比、宽频变化及再生电能等强脉冲特性，对有限容量的航空航天供电系统造成剧烈冲击，易引发电压电流波动甚至系统失效。本文针对航空航天脉冲负载功率变换技术进行系统性综述。首先，梳理了航空交直流电源系统与航天飞行器机电伺服系统的典型供电架构及其主要特点；随后，分类归纳了单级式、并联式、级联式等脉冲负载功率抑制拓扑的结构特点及适用场景；接着，分析面向不同拓扑的高动态快速控制技术，阐述各类控制策略的核心原理及控制目标；最后，总结供电系统稳定性验证的建模方法与评估方法，探讨各方法的优势、局限性及适配场景。现有研究已在拓扑改进与控制策略方面取得较多成果，但针对航空航天脉冲负载特性的功率变换技术的系统性理论体系有待进一步完善，且在动态响应提升、多工况适配及强时变工况下的稳定性评估等方面仍存在挑战。本文综述可为航空航天脉冲负载功率变换技术的后续研究与工程应用提供全面参考。

关键词：脉冲功率负载；功率变换；供电架构；功率抑制拓扑；高动态控制；稳定性分析

引言

高性能电源系统是星载、机载、舰载以及车载等电子装备发展的基础。随着功能和任务的多样化、复杂化，脉冲功率型电子载荷广泛部署于各类电子装备，根据脉冲波形可分为方波、三角波和梯形波载荷；根据脉冲重复频率（Pulse Repetition Frequency，PRF）可分为单脉冲、固定频率多脉冲和随机频率多脉冲载荷；根据脉冲能量是否回馈至电源可分为回馈式和非回馈式载荷。脉冲型电子载荷典型的应用包括雷达、电子对抗、激光武器、电磁发射等，涵盖军事、国防等领域。

负载功率的大幅频繁脉动，不仅影响电源系统供电质量，而且威胁电源系统的安全性、稳定性和可靠性。大电网功率容量可视为无限大，能够轻松消纳各类脉冲负载功率。但对于多电飞机、航天飞行器等有限容量独立电源系统，脉冲负载的强冲击特性将引发电压跌落、电流尖峰及系统振荡等系列问题，严重时甚至导致发电机断轴、供电系统彻底失效等严重事故。

从脉冲功率负载与电源系统的相互作用及其影响、脉冲能量管理技术、脉冲功率平抑技术、脉冲功率独立电源系统的建模和稳定性分析技术等方面展开研究，已成为航空航天电气系统领域的重要课题。为抑制负载强脉冲特性对供电系统的影响，传统方案通常在负载两端并联储能电容抑制脉冲功率，或增加泄放电路抑制反灌电流冲击，但大幅增加了系统的体积和重量，难以满足航空航天特殊运行环境要求。

在储能单元中加入开关器件可构成有源抑制拓扑，通过电容电压的大幅波动吸收和释放瞬时不平衡功率，从而实现脉冲负载功率主动平抑。由于储能单元不与负载端直接相连，可通过增大电容电压波动范围降低所需电容容量，进而减小供电电源体积重量，适用于航空航天有限体积、有限重量的供电系统。当前该领域已在拓扑改进、控制策略优化、稳定性建模与评估方面取得阶段性成果，但尚未形成适配航空航天脉冲负载差异化特性的系统性理论体系。

本文系统梳理了航空航天脉冲负载功率变换技术的研究现状，从供电架构、功率抑制拓扑、高动态快速控制、稳定性验证技术四个方面展开论述，梳理各技术方向的研究进展、技术特点与适用场景，以期为航空航天脉冲负载功率变换技术的后续研究与工程应用提供参考。

一、航空航天供电系统架构

1.1 航空交直流电源系统

航空高压直流供电系统是多电/全电飞机的供电源泉，具有功率密度高、可靠性高、负载适应性强等优点，由主发电机、辅助动力单元和应急蓄电池等构成。典型的MEA供电系统采用三级式交直流电源架构：系统电源为交流发电机，经晶闸管等整流器后输出270V或540V高压直流电到供电母线，后经功率变换为各类负载供电。

目前，多电飞机供电系统存在两个主要的直流网络电压等级：为控制设备供电的28V DC标准低压直流总线，以及540V DC高压直流总线（含±270V DC架构）。270V DC通常通过将传统的三相115V AC/400Hz线电压经典型AC-DC变换整流获得，以满足MIL-STD-704要求。多电飞机的发展趋势是增加电能替代气动和液压能量的比例，推动起动发电一体化、电力作动、电环控等关键技术发展。

鉴于未来飞行任务的多样性，机载大功率脉冲型负载需求急剧增加：一方面，高功率雷达/定向能武器的搭载带来了瞬态大功率脉冲用电需求；另一方面，高机动飞行带来了四象限电力作动器瞬态大功率双向电能的流动。大功率双向瞬态扰动会引起机载电网电压的剧烈波动，甚至使系统丧失稳定性，严重影响了机载供电系统的供电品质和供电安全。传统主发电机的动态性能有限，三级式电励磁发电机的稳压调节时间约为10～30 ms，难以满足瞬态大功率负载冲击下的瞬变特性要求。

航空领域脉冲负载通常呈现方波、三角波或梯形波等形状波动，呈现0至数十GHz的宽频率变化，以及负载峰值功率可达到其平均功率的5～10倍的高峰均功率比（Peak to Average Power Ratio，PAPR）等特性。系统中存在多时间尺度的源、荷特性以及复杂多变的运行工况，同时源、荷互相作用带来严重的稳定性问题，在有限容量等多维约束条件限制下，大动态的脉冲功率给各环节造成多时间尺度强非线性扰动，其多时间尺度交互作用易导致系统发生振荡失稳、母线电压波动等问题。

1.2 航天飞行器机电伺服系统

航天飞行器机电伺服系统供电架构以锂离子电池作为主供电电源，常用的伺服电源电压平台有160V、270V等。为保证充放电性能及电池安全性，需对电池进行安全管理，包括电池状态估算、充放电控制、均衡管理、上电时序及缓上电控制等。由于锂离子电池的放电特性，其在进行高倍率放电时存在较大的电压降，从而对伺服作动器性能和系统安全造成影响。

航天领域脉冲负载呈现0至数Hz的低频率变化以及再生电能现象显著的特性。传统供电架构中采用峰值补偿模块实现伺服系统的峰值用电需求，通常采用高能钽混合电容进行串并联组成，起到抑制脉冲负载功率的作用。当伺服作动器需要峰值电流时，为其提供瞬时能量；当伺服作动器产生再生能量时，对反灌电流进行吸收和管理。伺服动力电源通常包含锂电池组和电源管理单元，其中峰值补偿单元可将能量释放给外部负载用于峰值补偿。为避免过多的再生能量对系统造成冲击，需添加泄放回路对能量进行耗散，这导致了额外的热损以及热管理成本。

在传统航天器工程中，电源系统通常采用模拟控制的集中式架构。随着空间技术的发展，大型航天器平台和有效载荷的功率需求越来越大，分布式电源系统已经成为发展趋势。航天器电源控制器（Power Conditioning Unit，PCU）的功率变换单元涉及拓扑架构、控制方式、遥测遥控单元设计等关键技术，为实现更高功率等级、更宽电压/电流包络的功率变换单元，功率拓扑的串并联组合技术成为重要研究方向。

1.3 供电系统面临的核心挑战

航空航天供电系统受功率有限、容量有限、空间有限、重量有限等多维约束条件限制，且发电机、电池等供电源在功率输出过程中存在转矩调节或电压跌落等问题，功率调节过程较慢，而雷达、伺服作动器等脉冲负载功率存在陡升陡降的大动态变化，输入输出功率无法实时匹配。有限容量的航空航天供电系统功率容量通常按照常规恒定负荷设计，目前存在难以瞬时直接消纳脉冲负载功率的问题。

大功率脉冲型负载应用造成的系统运行不稳定问题，如合成孔径雷达（SAR）卫星电源系统，需满足大负载平台功率比、大容性脉冲工作、母线稳定性较高等要求。复杂空间环境中的等离子体环境、微流星体环境等均可影响航天器运行，容易引起随机脉冲负载。针对脉冲负载的直流电源系统研究主要包括四个方面：适用于脉冲负载的储能装置类型研究、脉冲负载对电源系统影响研究、减小脉冲负载影响的方法研究以及多脉冲负载协调运行研究。

二、脉冲负载功率抑制拓扑

为抑制负载强脉冲特性对前级供电系统的影响，现有方案经历了从无源抑制到有源抑制的演进。传统无源抑制拓扑采用将储能元件直接挂在负载两端的方式，通过储能元件的充放电来抑制脉冲负载功率，但该方法大幅增加了系统的体积与重量。对此，已有诸多研究提出具有主动平抑能力的脉冲负载功率抑制拓扑，通过有源抑制电路提升电容电压的波动范围，从而显著减小所需电容容值，提升脉冲负载功率变换装备的功率密度。根据储能单元连接方式，有源抑制拓扑可分为单级式、并联式和级联式三类。

2.1 单级式拓扑

单级式有源抑制拓扑通过储能元件直接抑制脉冲功率，研究重点集中于有源电容嵌入、多谐振腔设计等方面。其基本思路是在传统变换器桥臂中嵌入储能单元，利用飞跨电容或储能电容的充放电实现脉冲负载功率解耦，减少脉冲负载对电源系统的影响。单级式拓扑可通过实现软开关提升变换器效率。

在单级式拓扑的具体实现中，有学者提出在Boost变换器输出端并联超级电容，由超级电容提供脉冲负载功率并控制电池提供的脉冲电流，有效降低脉冲电流对电池的影响。有学者提出一种基于全桥LLC变换器的单级式拓扑，脉冲负载功率由输出电容提供，由于该拓扑具有两个独立的谐振腔，能够通过降低电流畸变确保原边开关管实现软开关。此外，一种新型基于H桥储能单元的有源电容嵌入式拓扑通过在原边桥臂中嵌入H桥储能单元，能够有效降低输出电容容量，实验验证了当峰值功率为1.5kW、PRF为150～300Hz时，所需储能电容仅为330μF。

针对脉冲负载应用，一种集成混合电容准单级三相交直流变换器被提出，在实现脉冲功率解耦的同时尽量提高系统效率，相较于传统并联型和两级式脉冲功率平抑方案，该方案系统效率始终高于97.2%。单级式拓扑的优势在于结构紧凑、功率传递级数少，但其储能电容电压调节范围受负载端电压限制，在极端工况下的适应性有待提高。

2.2 并联式拓扑

并联式有源抑制拓扑的基本工作原理是由主功率变换器传递负载平均功率，脉冲分量由抑制拓扑进行吸收或释放后给负载供电。其主要通过双向功率变换器（Bidirectional Power Converter，BPC）与主功率变换器并联传递储能电容能量。由于储能电容不与负载直接相连，其电压可宽范围波动且不受端口电压的约束，可自由选择储能电容电压等级。

根据端口电压与储能电容电压之间的关系，并联式拓扑可分为降压型、升压型以及升降压型，其中BPC通常采用非隔离型。降压型双向Buck/Boost变换器并联于负载端口时，储能电容工作电压需小于BPC端口电压，储能电容处理的能量受限；通过1.8kW的实验验证，所需电容为100μF，其电压可在300～380V之间波动。为了进一步降低开关电流应力，可进一步采用四相交错并联的降压型双向Buck/Boost变换器。

升压型双向Buck/Boost变换器并联于低压负载端口时，储能电容工作电压被提升，可以增加储能电容两端的电压纹波来减少储能电容容量，当峰值功率为2kW情况下，所需电容为1.47mF，储能电容电压可在48～72V之间波动。采用四开关型双向Buck-Boost变换器或两开关型双向Buck-Boost变换器时，相比于升压型或降压型变换器，能够进一步增加储能电容电压纹波并减小储能电容容量。验证结果表明，当四开关型BPC并联于270V高压直流母线时，通过10mF电容在250～450V电压范围内波动，可处理峰值功率为20kW、PRF为0.25～2Hz的脉冲负载功率。当直流输入源为高压直流母线时，为了降低开关电压应力，可采用三电平升压型双向Buck/Boost变换器。

并联式拓扑的连接方式灵活，可选择并联于负载端或输入端等多个位置，并根据电容电压与端口电压的关系自由选择不同类型的双向变换器，可适应不同的频率、电压范围。然而，由于脉冲功率经由两级功率传递，系统效率相对较低。为改善这一不足，针对BPC中电感电流方向突变导致的动态响应延迟问题，工作于伪连续导电模式的三态开关变换器被提出。其三态双电感双向Buck/Boost变换器为两个方向的补偿电流提供独立的电感支路，消除了电感电流反向的暂态过程，提高了BPC的动态响应性能，并有效抑制了母线电流尖峰。

2.3 级联式拓扑

级联式有源抑制拓扑通过前后变换器级联，中间母线电容可大范围波动以缓冲脉冲功率，同时前级变换器传递平均功率，后级变换器传递全部脉冲功率。脉冲功率仅需一级功率传递，整体效率较高，但受限于变换器增益以及控制环路动态性能，通常适用于中高频脉冲负载。

前后级变换器级联补偿是最典型的级联结构，由前级主功率变换器输出端与后级变换器输入端级联，通过中间电容电压波动实现脉冲负载功率抑制。为了平衡输入输出间的瞬时功率，需控制中间电容的充放电。前级变换器输出电压范围决定了储能电容电压范围，因此现有文献主要研究前级变换器拓扑。为了减小中间电容值，前级变换器可采用Boost变换器或交错并联Boost变换器。由于航空航天供电系统供电电压通常为160V、270V，且有向540V等更高压的直流供电制式发展的趋势，输出通常为28V或48V等低压直流负载，为了满足电压范围与电气隔离要求，前级变换器常采用隔离型变换器，如移相全桥（Phase-Shifted Full Bridge，PSFB）变换器、双管正激变换器等。采用PSFB变换器作为前级变换器时，为了尽可能增加储能电容两端电压纹波以减小储能电容量，要求前级变换器为宽输出变换器，实验验证峰值功率为1kW情况下储能电容电压纹波可达20V。此外，一种半桥谐振变换器通过在副边倍压器两端增加双向开关，能够在宽输出电压范围内实现软开关，且二极管无反向恢复问题，极大提升了变换器整体效率，峰值功率为400W的情况下效率最高可达96.76%。当级联式拓扑为多个脉冲负载供电时，可将多个后级变换器的输入端同时并联在中间储能电容上。

输入电压串联补偿型抑制拓扑主要针对输入母线侧的脉冲负载功率抑制。其通过控制补偿变换器输出补偿电压中的交流量与输出电压中的交流量反向，实现脉冲负载功率抑制。典型的方案采用由LLC直流变压器与Buck变换器构成的半桥型输入母线电压串联补偿变换器，当峰值功率为2.7kW情况下效率最高可达99.2%。有源-无源混合电容变换器通过隔离DC-DC变换器与全桥结构组成有源电容，控制有源电容两端电压与无源电容两端电压反向来稳定负载两端电压。进一步，将LLC直流变压器的输入连接到无源电容两端，实现储能电容与输出电容复用，得到另一种复用型混合电容变换器电路，可实现最高99%的效率。基于纹波电压补偿原理的脉冲功率主动平抑方法利用脉冲平抑电路主动补偿储能电容电压波动，实现了母线电压和储能电容电压解耦，消除了直流母线侧电流脉动，且脉冲平抑电路只需补偿电容电压波动，其功率容量和损耗远小于脉冲负载平均功率。

输出电压补偿型级联式拓扑则在负载侧进行电压补偿。前级变换器为双输出PSFB变换器，后级变换器为Buck变换器，在峰值功率为2.5kW的情况下效率最高可达94%。为了减小开关管的电流应力，可采用两相交错并联Buck变换器作为后级变换器。

总体而言，级联式拓扑依托前级宽输出变换器设计与输入/输出电压补偿架构优化，实现了脉冲功率单级传递，效率优势显著。两级式拓扑架构中，前级变换器提供脉冲负载平均功率，中间解耦电容提供脉冲负载脉动功率，并允许解耦电容两端电压脉动以减小无源电容体积，适用于中高频段脉冲负载。

三、高动态快速控制技术

由于脉冲负载的瞬时启停暂态特性，负载电流在微秒级时间内迅速上升或下降，若变换器输出电流无法迅速跟踪负载电流，剩余的能量将由负载端电容提供，导致负载电压波动甚至超过正常工作电压范围。同时，脉冲重复频率电流谐波也会传递至输入端口，导致输入电流波动，进而影响供电电源及其他用电设备的正常工作。负载大动态脉冲功率的随机性、冲击性及低频/宽频重复频率特性，使得具有快速负载跟踪能力的高动态快速控制技术成为脉冲负载功率变换装备稳定运行的核心关键。其主要控制目标包括：抑制输入输出电压波动、抑制母线电流波动及尖峰、实现多频段平滑无缝切换。

3.1 单级式拓扑的控制策略

在单级式拓扑架构中，针对基于H桥储能单元的单级式拓扑，研究者提出了储能电容间接功率控制策略。该控制策略通过直接控制系统输入功率和负载瞬时功率，二者的功率差值自动转移至储能电容，从而实现储能电容间接功率控制。仅通过慢环调控储能电容平均电压，实现输入、负载、储能电容三者的功率平衡，从而有效抑制了输出电压跌落和输入电流波动。1.5kW峰值功率情况下，输出电压跌落和输入电流波动最低分别为0.7V和0.18A，同时通过调制策略实现部分软开关，效率最高可达96.5%。

3.2 并联式拓扑的控制策略

在并联式拓扑架构中，BPC的端口电流是主要控制对象，其被控制为跟踪负载电流中的脉冲分量进行补偿。然而端口电流的跟踪能力受到控制环路带宽的影响，传统的电压型控制对负载电流变化响应较慢，不适宜直接用于脉冲负载功率变换装备。

通过傅里叶分解发现，脉冲负载电流含大量PRF及其倍频谐波，基于此提出了基于输出电压前馈的虚拟多准陷波滤波器（Multiple Quasi-Notch-Filters，MQNF）控制策略。该策略通过改变BPC端口阻抗特性，使其在高含量谐波频率处呈现低阻抗，因此有效抑制了脉冲负载功率的影响。实验结果表明该策略相较于传统双环控制策略，在784W峰值功率情况下，输出电压跌落从1.4V降至0.4V，输入电流纹波从1.4A降至0.2A，且该方法对参数变化不敏感，具有良好的适用性。

此外，实时占空比计算控制通过采样电压量与电流量并由数字控制器实时计算出占空比，虽然控制精准但对数字控制器的计算要求较高。基于电流基准的前馈控制策略为了得到精确的调制波，环路中引入复杂的倒数计算与根号计算，在峰值功率为2kW情况下，输出电压跌落和输入电流波动最低可达0.52V和0.08A。为便于工程实现，可进一步采用泰勒展开方法对复杂计算进行化简。

针对航天飞行器中存在的超低频脉冲负载与反灌电流应用场景，由线性电流控制与非线性电压控制组成的混合控制策略被提出。该策略根据负载运行时功率状态的随机变化，将BPC划分为峰值电流补偿、反灌电流吸收、电容充电、静态工作等模式，并设计积分误差直接更新、阶跃控制等方法解决模式切换时的稳定性问题，保证脉冲负载在频率/占空比变化、功率状态突变等工况下各工作模式的平滑无缝切换。实验验证了峰值功率为2.25kW、反灌功率为1.35kW、RPF为1.6～1.8Hz的工况下，电池电压波动最低为2.2%，变换器最高效率可达92.8%，且大幅减小了无源元件体积。

对三态双电感双向DC/DC变换器，具有低母线电流尖峰的谷值电压环控制策略被提出，提升了并联端口的动态响应能力。通过500W峰值功率的实验验证，相较于传统BPC，母线电流尖峰可由9.1A降低至1A，响应速度从0.48ms提升至0.08ms。在此基础上，滞环电流控制策略通过设置固定滞环带宽与电流阈值，实现补偿电流的无静差快速跟踪，消除了传统电流模式控制中PI调节器的带宽限制，同时结合谷值电压环调节储能电容电压，解决电容电压变化导致的控制增益不稳定问题。实验验证该策略将输出电流最大尖峰从传统电流控制模式的4A降至0.5A，输出电压波动显著降低，且在不同占空比和100～500Hz频率下均能保持良好效果。

在含有脉冲负载的直流微网中，模型预测控制（Model Predictive Control，MPC）被应用于双向Buck/Boost变换器与双向四开关Buck-Boost变换器中，以抑制脉冲负载功率造成的直流母线电压波动。三相六开关并联双向Buck-Boost DC-DC变换器的脉冲功率平滑控制策略集成了MPC与Luenberger观测器，有效解决了整流系统在脉冲负载条件下的DC侧电压波动和三相电流畸变问题。

3.3 级联式拓扑的控制策略

在级联式拓扑架构中，为了抑制输入电流波动，常用的控制方法是采用电压电流双环控制级联式脉冲负载功率变换器中的低带宽前级变换器，通过降低电压环带宽来降低电压环输出对电流环的影响，进而抑制输入电流纹波。

针对级联式脉冲负载功率抑制拓扑中的前级变换器，储能电容电压前馈控制与负载电流预调节方法被提出，实验结果表明2kW峰值功率情况下输出电压波动最低为0.58V，输入电流波动为0.46A。通过分析前级变换器中端口输出阻抗与电流反向传递函数特性，确定了为减少输入电流纹波应增加前级变换器端口输出阻抗并减小电流反向传递函数幅值的设计原则。为解决级联式架构中后级高带宽变换器导致输入电流波动大、同时前级低带宽变换器动态响应差的矛盾问题，阻抗重构控制策略被提出，通过实时采样并识别脉冲频率并更新控制器实现阻抗重构。该策略基于级联式变换器阻抗模型分析，通过在前级PSFB变换器中引入负载电流前馈路径，嵌入准谐振滤波器，使电感支路在PRF及其1-5次谐波频率处呈现高阻抗以减小输入电流波动，同时在其他频率保持低阻抗以提高变换器动态性能。实验结果表明，2kW峰值功率时，稳态工作条件下输入电流波动最低仅为0.15A，脉冲负载启停的动态工作条件下，输出电压跌落和响应时间分别可由传统控制策略的7.2V和720ms降低至3V和112ms。

为了抑制级联式拓扑中的输出电压波动，对后级变换器的动态性能要求较高。针对机载应用场景中多脉冲负载交互加剧扰动的问题，适用于多脉冲负载场景的改进型MPC策略被提出，该策略融合传统PI控制与MPC的优势，既利用MPC动态响应快、无需复杂参数调节的特点，又通过PI调节器消除MPC的稳态误差，同时加入电感电流峰值与占空比约束保障系统稳定，实现补偿电流的快速跟踪与储能电容电压的稳定调控。负载电流前馈控制策略通过在单电压环中引入储能电容电压前馈环路，降低储能电容电压对环路增益的影响，改善后级变换器的线性调节性能。

对于输入电压端脉冲负载功率抑制，端口电压前馈控制策略通过引入储能电容电压前馈环路，有效抑制了输入电压纹波。对于输出电压端脉冲负载功率抑制，在电压电流双环控制策略中加入比例谐振控制器可减小串联电压补偿器端口在脉冲频率处的阻抗，实验结果表明2.5kW的峰值功率情况下，输出电压波动和输入电流波动仅为0.62V和9%。改进型V²控制策略融合V²控制的非线性特性与快速暂态响应优势以及电流控制模式的稳定性，将输出电压同时引入内外环，实现变换器动态响应速度优于传统控制方案。

基于串联虚拟阻抗的输出电流前馈控制策略通过串联虚拟阻抗改变后级变换器输入阻抗，避免负电阻引发的稳定性问题，同时通过输出电流前馈快速跟踪脉冲负载变化，提升了瞬态响应速度，在峰值功率为784W工况下，输出电压波动和输入电流波动最低仅为0.4V和0.6A。

此外，为了提升负载启停时的动态性能，在电压电流双环控制的电压外环中采用两种PI控制器复用的策略被提出。当储能电容电压工作在正常范围内时，慢速PI控制器工作，降低电压外环对电流内环的影响；当储能电容电压工作在正常范围外时，快速PI控制器工作，减小储能电容电压超调与跌落。实验验证了4kW工况下，其输出电压超调和跌落仅为0.34V和0.64V。

四、供电系统稳定性验证技术

在航空航天供电系统中，母线往往呈现出多源并联供电、多负载分布接入的系统特征，且脉冲功率负载对母线电压、电流以及变换器控制环路均造成强扰动作用。该类扰动不仅会导致电压电流的瞬时跌落与恢复超调，还可能引发多变换器之间的阻抗耦合振荡，甚至触发保护动作与系统级联故障风险。因此，为验证不同变换器外特性差异在脉冲负载作用下是否会影响供电系统的稳定性，需要对相关变换器及系统进行建模，并开展稳定性评估。

4.1 供电系统的建模方法

当前的建模方法主要分为白盒建模、黑盒建模与灰盒建模三类。

4.1.1 白盒建模

白盒建模基于功率变换器拓扑、控制结构及母线网络参数建立机理模型，能够揭示系统动态机理，目标是在系统物理结构明确的前提下获得可用于稳定性分析的数学表达。

白盒建模可分为小信号建模与大信号建模。传统的变换器小信号建模分析方法，如线性平均建模、数值特征根、Floquet理论等，均假设系统处于平衡点附近工作，并将系统近似为线性系统再展开建模。该类方法在阻抗判据推导、局部稳定裕度评估以及控制环设计中具有重要意义。多脉冲整流单元作为多电飞机变频交流电源系统的主要二次电源，其在d-q坐标系下的统一小信号阻抗模型可为系统稳定性分析提供重要支撑。

然而，当脉冲功率负载引起母线电压、电流以及控制环工作点在宽范围内快速变化时，单一工作点的小信号线性化模型难以描述整个脉冲周期内的动态特性。因此，大信号建模与稳定性分析方法被提出以适应大扰动条件。采用开关函数建模法对整流器及Buck变换器构成的复杂拓扑进行解构，建立基于非线性微分代数方程的大信号机理模型，可克服传统平均值模型在描述开关瞬态特征方面的局限性。多电飞机电力系统的动态稳定性分析需考虑不同运行条件下的系统行为，包括恒功率负载的影响，采用白盒建模方法能够基于物理拓扑建立多级变换环节的开关函数大信号模型，并通过相轨迹分析揭示负载脉冲特性与系统频率/电压振荡幅值的内在联系。

白盒建模的优势在于能够从机理层面揭示脉冲负载下供电系统的非线性动态特性，适用于稳定性机理研究与理论判据推导，但其对系统参数准确性与模型复杂度高度敏感，在多变换器并联系统中易面临建模成本高与参数难获取等工程限制。

4.1.2 黑盒建模

相对于电路参数已知的白盒建模，黑盒建模通过输入输出测量数据建立系统等效模型，能在不完全掌握内部拓扑与控制细节的情况下获得可用于稳定性评估的动态模型，在工程系统级分析与验证中具有较强适用性。

早期的黑盒建模主要采用四个动态系统组成参数未确定的双端口网络模型，即行为级变换器模型（Behavioral Converter Model，BCM）。其中四个动态系统参数构成G模型，对应四个变量——输出阻抗、受控源系数、反向电流增益和输入导纳，用于表征双端口网络动态性能。该模型的输入端口由诺顿等效电路表示，输出端口由Thevenin等效电路表示。需要指出的是，由于该类黑盒模型的四个参数通常由小信号平均模型推演得到，其本质仍属于小信号行为模型，因此难以直接用于描述脉冲负载下强时变大扰动过程。

为适应脉冲负载工况，通过构建基于输出变量、权重函数与多个小信号线性函数的变换器非线性大信号建模方法被提出。通过将输出电流作为大信号变量引入大信号系统模型，增加合适的权重函数构建不同的频率响应方程，在不同输出电流下，由频率响应方程所确定的黑盒模型将表现出关于频率的不同幅值响应，进而实现变换器输出电流的时域波形预测。

黑盒建模的优势在于工程适用性强，但模型有效性依赖于测量工况覆盖范围及辨识精度，且难以直接反映内部机理。

4.1.3 灰盒建模

灰盒建模介于白盒模型和黑盒模型之间，是一种融合物理机理与数据驱动方法的建模方式，通过实验数据或辨识算法对未知参数和非线性环节进行修正。

当未知参数较少或模型比较简单时，可以采用直接计算的方法来获得参数；当模型较为复杂或未知参数较多时，直接求解参数较为困难。采用遗传算法（Genetic Algorithm，GA）优化双有源桥（Dual Active Bridge，DAB）转换器灰盒模型中的寄生电感值，可有效降低损耗；采用粒子群优化（Particle Swarm Optimization，PSO）算法优化电容器灰盒模型中的阻尼因子和直流母线电容，以及监测逆变器灰盒的拓扑参数，在工程应用中取得了良好效果。

目前针对脉冲负载供电系统的灰盒建模研究较少，但可在其物理结构与能量传递的基础上，通过实验数据对等效阻抗、寄生参数、开关延迟及储能元件动态特性等关键非线性环节进行辨识与修正，从而提高模型在大信号暂态分析与系统级稳定性评估中的精度。

灰盒建模通过在机理模型框架内引入参数辨识与数据修正，在模型可解释性与工程可用性之间取得折中，尤其适用于系统参数部分可得但寄生与非线性难以精确建模的复杂场景。因此，在脉冲负载供电系统稳定性研究中，建模方法正逐步呈现“机理建模与数据辨识融合”的发展趋势。

4.2 供电系统的稳定性评估方法

现有供电系统稳定性分析主要基于对每个接口的输入和输出阻抗的比较，即广泛应用的Middlebrook阻抗比稳定性判据。该判据主要考虑子系统输入和输出阻抗的大小，简化了判断标准，并被广泛用于系统子模块的兼容性分析。基于两级级联式直流变换器，在Middlebrook判据基础上分析影响变换器输入、输出阻抗的主要因素，可明确改善系统稳定性的主要参数设计原则。

为降低Middlebrook判据的保守性，幅值和相位裕度判据通过允许在一定频率范围内电源输出阻抗幅值远大于变换器输入阻抗幅值，同时保证期望的最小幅值和相位裕度，从而满足奈奎斯特稳定判据。幅值和相位裕度通常应用于单个负载子系统的稳定性分析。为了克服其局限性，反向论证判据同样放宽了Middlebrook判据的保守性，但通过同时引入电源子系统和负载各个子系统的幅值和相位信息，给出了并联系统的稳定性判据。

然而，传统的阻抗比稳定性判据仅适用于单一工作点，难以适用于脉冲功率负载导致的强时变工况。为此，适用于脉冲功率负载的稳定性判据方法被提出，通过将非线性的大信号脉冲负载波形在功率范围内进行等比例切割，将其等效为多个准静态的线性小信号工作点，从而使小信号分析工具能够应用于时变的脉冲系统，并在单负载稳定判据基础上推导出适用于多路并行负载系统的电压稳定分析条件，同时使用三维拟合波特图（频率、功率、幅值）直观展示系统的稳定域。

针对大功率脉冲型负载应用造成的卫星电源系统运行不稳定问题，依据稳定性阻抗判据建立以顺序开关分流调节器（S3R）为拓扑的电源系统输出阻抗小信号模型，通过仿真分析输出阻抗的影响因素，并采用注入电信号的方法测量卫星电源系统的输出阻抗，可在小卫星平台上进行测试验证。空间电源系统小信号稳定性研究全面归纳了基于阻抗比分析法和稳定禁区理论的一系列电源系统稳定性判据，总结对比了各判据的优缺点并给出使用建议。

总体而言，阻抗判据具有统一的频域分析框架与工程可验证性，是目前系统级稳定性评估的主要手段，但其适用性依赖于阻抗模型的准确获取以及线性化假设的有效范围。对于脉冲负载导致的强时变工况，现有研究多采用准静态分段线性化与宽工作范围阻抗建模方法，但仍需解决快速工况切换下阻抗辨识精度下降、阻抗测量扰动与系统稳定性相互耦合等问题。未来需进一步优化宽工况建模与评估方法，提升脉冲功率强冲击场景下的验证准确性与工程适用性。

五、总结与展望

5.1 总结

本文系统梳理了航空航天脉冲负载功率变换技术的研究现状，针对航空、航天领域脉冲负载的差异化特性及供电系统的多维约束，从供电架构、功率抑制拓扑、高动态快速控制、稳定性验证技术四个方面展开论述。主要结论如下：

（1）航空、航天脉冲负载特性与供电系统约束差异显著，但供电系统均受空间、重量、功率容量的多维约束，传统无源抑制方案难以适配。航空领域脉冲负载呈现宽频变化与高峰均比特性，航天领域脉冲负载呈现低频变化与再生电能显著的特征，有源抑制拓扑及其高动态快速控制技术成为平抑脉冲负载功率、满足航空航天特殊运行环境要求的核心技术路径。

（2）单级式、并联式、级联式等多类脉冲负载功率抑制拓扑形成了各自的技术体系与适用场景，且均以减小储能电容容量、提升功率密度与变换效率为核心改进目标。单级式拓扑通过储能元件直接抑制脉冲功率，实现了储能容量降低与效率提高；并联式拓扑以非隔离型双向DC-DC变换器为主，通过多相交错、双电感、三电平结构改进，有效提升了储能电容电压纹波并降低了开关应力与母线电流尖峰；级联式拓扑依托前级宽输出变换器设计与输入/输出电压补偿架构优化，实现了脉冲功率单级传递，效率优势显著。

（3）高动态快速控制技术的核心目标是实现脉冲功率快速补偿、抑制电压电流波动并完成多工况平滑切换。并联抑制拓扑以BPC端口电流为核心控制对象，通过多准陷波滤波器、滞环电流控制、线性-非线性混合控制等策略，提升了脉冲电流跟踪精度；级联拓扑通过阻抗重构、电压电流前馈控制、双PI控制器复用等方法，有效缓解了前级低带宽与后级高动态的固有矛盾。

（4）供电系统稳定性验证技术围绕建模与评估两个方面展开。白盒建模可从机理层面揭示系统非线性动态特性，黑盒建模依托测量数据构建等效模型且工程适用性强，灰盒建模兼顾精度与可解释性，建模方法正呈现机理与数据融合的发展趋势。稳定性评估以阻抗判据为核心，通过幅值、相位裕度及反向论证判据降低保守性，针对强时变工况形成准静态分段线性化等适配方法。

5.2 展望

尽管现有研究已在拓扑改进与控制策略方面取得较多成果，但针对航空航天脉冲负载特性的功率变换技术仍面临以下挑战：

（1）尚未形成适配航空航天脉冲负载差异化特性的系统性理论体系。航空与航天脉冲负载在频率特性、PAPR及再生电能等方面存在显著差异，现有研究多针对单一场景展开，缺少跨场景的通用设计理论与评价准则。

（2）多工况动态适配能力有待提升。脉冲负载的工作频率、占空比及功率模式可能在短时间内发生大幅度变化，当前控制策略在极端工况切换时的快速响应与平滑过渡方面仍存在不足。

（3）多脉冲负载交互控制问题亟待解决。实际航空航天供电系统中往往存在多个脉冲负载同时接入，不同负载之间的时序耦合与功率叠加效应将加剧系统的非线性与不稳定性，多脉冲负载协调控制的理论与工程方法研究尚不充分。

（4）强时变工况下的高精度稳定性评估仍存在技术瓶颈。当前稳定性判据仍以线性化假设为基础，在快速工况切换下阻抗辨识精度下降、阻抗测量扰动与系统稳定性相互耦合等问题尚需突破。未来需进一步发展宽工况建模与评估方法，建立适用于大信号脉冲扰动的稳定性理论框架。

（5）新型宽禁带功率器件（如GaN、SiC）在脉冲负载功率变换中的应用研究值得关注。宽禁带器件的高开关频率与低损耗特性有望进一步提升脉冲功率变换装备的功率密度与动态响应能力，但其在航空航天环境下的可靠性及电磁兼容性问题尚需深入研究。

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