王少寧，成 鋼，趙登峰

(蘭州空間技術(shù)物理研究所，甘肅蘭州730000)

1 引言

電推進(jìn)作為一種先進(jìn)的推進(jìn)技術(shù)，由于其高比沖的優(yōu)勢，可以降低航天器系統(tǒng)質(zhì)量、提高壽命、增加有效載荷，已經(jīng)成為衡量一顆衛(wèi)星先進(jìn)性的重要指標(biāo)。并且電推進(jìn)已經(jīng)是具有戰(zhàn)略競爭力的未來航天器關(guān)鍵技術(shù)，一方面，以離子和霍耳類型為代表的電推進(jìn)正在逐步成為長壽命通信衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)配置和深空探測航天器的必需技術(shù);另一方面，以微推力為特性的電推進(jìn)是需要精確姿態(tài)控制的衛(wèi)星、衛(wèi)星星座組網(wǎng)及精確編隊(duì)飛行控制的支撐技術(shù)。

電源處理單元是電推進(jìn)系統(tǒng)的主要組成部分，電源處理單元是一個(gè)相對復(fù)雜的二次電源變換設(shè)備，它將航天器的太陽能電池母線電壓轉(zhuǎn)換為電推進(jìn)系統(tǒng)的推力器需要的各種電壓和電流，是電推進(jìn)系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠工作的基礎(chǔ)。

2 電源處理單元(PPU)技術(shù)［1～4］

電源處理單元是電推進(jìn)系統(tǒng)的主要組成部分，它是一個(gè)相對復(fù)雜的二次電源變換設(shè)備，它將航天器的太陽能電池母線電壓轉(zhuǎn)換為電推進(jìn)系統(tǒng)的推力器需要的各種電壓和電流，是電推進(jìn)系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠工作的基礎(chǔ)。

航天器用電源處理單元不僅需具備功率變換功能，還需具備接受指令執(zhí)行各路輸出的開關(guān)功能、各路電源輸出電壓和電流的遙測功能和故障保護(hù)功能。其中故障保護(hù)功能主要包括母線的短路保護(hù)功能、輸出過載及短路保護(hù)功能和推力器異常息弧保護(hù)功能。

根據(jù)離子電推進(jìn)系統(tǒng)的不同型號(hào)推力器的供電要求，電源處理單元的內(nèi)部功能電源配置一般包括以下9個(gè)功能電源輸出:

陰極加熱電源;2)陰極觸持極電源;3)陰極點(diǎn)火電源;4)陽極電源(也稱放電室電源);5)中和器陰極加熱電源(以下簡稱中加熱電源);6)中和器觸持極電源(以下簡稱中觸持電源);7)中和器陰極點(diǎn)火電源(以下簡稱中點(diǎn)火電源);8)加速電源;9)屏柵電源(也稱束電源)。

對于輸出功率大小不同的推力器，電源處理單元的各功能電源配置也有差異，比如對于有些小功率推力器沒有陰極觸持極電源，而對于工作壽命要求長的推力器還要求電源處理單元提供消除柵極間短路故障的燒蝕電源。因此電源處理單元的功能電源配置需要根據(jù)具體的推力器確定，但與典型的離子推力器配套的電源處理單元必須具有加熱電源、陽極電源、中和器觸持極電源、加速電源和屏柵電源。屏柵電源和加速電源給推力器提供了高壓以加速離子束的引出，陽極電源為放電室陰極提供電流電離氙氣推進(jìn)劑。中和器觸持極電源為中和器陰極提供電流中和氙離子束流。加熱電源分別為2個(gè)陰極加熱絲提供加熱電流，使陰極溫度達(dá)到發(fā)射電子的狀態(tài)。

電源處理單元各功能電源組成及與推力器供電示意圖見圖1所示。

離子電推進(jìn)系統(tǒng)推力器工作過程中，電源處理單元各功能電源的工作情況如下:

(1)陰極和中和器陰極2個(gè)加熱電源，對空心陰極加熱絲通電加熱，直到空心陰極溫度被加熱到1600℃，空心陰極發(fā)射體開始熱電子發(fā)射;

(2)陰極觸持極電源、陽極電源及中和器觸持極電源，建立陰極和中和器陰極電子發(fā)射電場，維持陰極的穩(wěn)定持續(xù)放電狀態(tài)，并在主陰極和陽極間形成等離子體區(qū)域;

(3)陰極點(diǎn)火電源和中和器點(diǎn)火電源，分別在主陰極和中和器的陰極與觸持極之間產(chǎn)生高壓單次脈沖，使陰極和觸持極之間起弧放電;

(4)加速電源和屏柵電源用以離子光學(xué)組件供電，對放電室內(nèi)被電離的Xe+進(jìn)行聚焦、加速和引出，從而產(chǎn)生推力。

圖1 電源處理單元組成及與推力器供電關(guān)系示意圖

本文以1 kW離子電推進(jìn)系統(tǒng)配套的電源處理單元為設(shè)計(jì)對象，電源處理單元的基本特性參數(shù)見表1所列。此外點(diǎn)火電源為峰值大于650 V的高電壓脈沖，脈沖寬度不小于10 μs。

由于電源處理單元中的屏柵電源輸出電壓高壓1 000 V，所以產(chǎn)品設(shè)計(jì)對高壓輸出端與一次母線、控制和遙測的隔離設(shè)計(jì)具有很高的要求。本設(shè)計(jì)采用了高耐壓功率變壓器，實(shí)現(xiàn)輸出高壓和母線的隔離，并采用變壓器隔離采樣及電流互感器取樣等隔離技術(shù)，以滿足與輸出高壓的隔離要求。

此外，由于電源處理單元的輸出功率大，電路中的功率器件熱耗大，所以對發(fā)熱量大的功率器件必須采用有效的散熱措施，確保其最短和最有效的散熱途徑，保證產(chǎn)品的可靠性。

表1 電源處理單元的基本特性參數(shù)

3.1 屏柵電源設(shè)計(jì)

由電源處理單元的基本參數(shù)要求得到，整個(gè)設(shè)備的總輸出功率達(dá)到1 kW以上，屏柵電源的輸出電壓高達(dá)1000 V，并提供了80%的功率輸出，所以屏柵電源是電源處理單元中最重要的電源，屏柵電源的高效率設(shè)計(jì)是PPU獲得更高總效率的關(guān)鍵。

由于屏柵電源的輸出功率接近1 kW，所以選用全橋式功率變換拓?fù)洌娐吩硎疽鈭D見圖2所示。盡管全橋功率變換拓?fù)湎鄬εc其他功率變換拓?fù)浔容^復(fù)雜，但它適合高電壓輸入和大功率輸出的功率變換應(yīng)用。屏柵電源的高電壓輸出由功率變壓器的4個(gè)次級(jí)繞組串聯(lián)輸出，這樣可以有效降低輸出整流二極管的耐壓要求，并且提高電源的效率。由于高耐壓的二極管具有較大的正向壓降，例如二極管的耐壓高于1 000 V時(shí)，它的正向壓降達(dá)到3 V多，由此比一般的二極管的功耗高出3倍多。應(yīng)用4個(gè)次級(jí)繞組串聯(lián)輸出，相對1 000 V的高壓輸出，每個(gè)整流電路中的二極管的耐壓只要大于200 V即可滿足使用要求。

屏柵電源的開關(guān)頻率設(shè)計(jì)為40 kHz，因?yàn)樵陔娐吩囼?yàn)中得到更高的開關(guān)頻率將產(chǎn)生很大的開關(guān)損耗，較低的開關(guān)頻率還能使高壓功率變壓器產(chǎn)生的寄生參數(shù)的影響最小化。

全橋功率變換拓?fù)溆擅}寬調(diào)制器(Pulse－Width Modulation，PWM)控制場效應(yīng)晶體管MOSFET1～MOSFET4。屏柵電源的穩(wěn)壓反饋控制電路必須要求與高壓輸出端具有較高的隔離耐壓，因此反饋采樣電路由功率變壓器的輔助繞組取樣，再送入PWM進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)電源輸出電壓的穩(wěn)壓控制。

屏柵電源的功率變壓器選擇環(huán)形的鐵氧體磁性材料，變壓器的初級(jí)繞組使用多股漆包線纏繞以降低高頻電流的趨附效應(yīng)，變壓器的4個(gè)次級(jí)繞組的每一個(gè)繞組單獨(dú)繞制一層以減小層間的寄生電容。

圖2 全橋功率變換電路示意圖

3.2 陽極電源、觸持極電源及加熱電源設(shè)計(jì)

陽極電源與屏柵電源的輸出正線合并，輸出為同一端。陽極電源的輸出功率雖然比屏柵電源小，但它對提高整機(jī)效率仍有重要的作用。陽極電源的輸出功率為100 W左右，根據(jù)該變換功率的大小和電路簡單的設(shè)計(jì)要求，選擇正激功率變換拓?fù)洹?/p>

簡化的正激功率變換電路示意圖見3圖所示。推挽或半橋變換器需要2個(gè)開關(guān)管，全橋變換器需要4個(gè)開關(guān)管，相比較正激功率變換只需要1個(gè)開關(guān)管。正激變換的開關(guān)頻率選擇為80 kHz，盡可能減輕產(chǎn)品質(zhì)量。電源的設(shè)計(jì)選擇了電流型控制PWM，以取得更好的穩(wěn)定性和過流保護(hù)性能，試驗(yàn)電路使用了商業(yè)級(jí)的PWM控制器，其性能參數(shù)與飛行器件一致。

陽極電源的功率變壓器、輸入電感、輸出電感都使用鐵氧體罐形磁芯，這種磁芯具有較好的高頻特性和較低的磁芯損耗。罐形磁芯還可以提供很好的集中磁場以及容易繞制和良好的散熱。與之前的設(shè)計(jì)相比，在減小了輸出濾波電感的尺寸后，其輸出電流紋波也改善了很多。

觸持極電源和加熱電源的輸出功率雖然比陽極電源小，但由于輸出特性相近，其控制方式均為穩(wěn)流源，為了整體設(shè)計(jì)的簡化，因此也選擇了正激功率變壓器拓?fù)?。中和器觸持極電源為中和器的觸持極到陰極提供一個(gè)電子通路，以維持中和器放電，并且中和由放電室引出的氙離子束，使其成為不帶電的中性氙原子。觸持極電源和加熱電源采用了與陽極電源一樣的PWM控制器和變壓器、電感器磁芯。

圖3 正激功率變換電路示意圖

3.3 加速電源設(shè)計(jì)

加速電源正常工作時(shí)輸出電流只有10 mA左右，但它的輸出電壓較高，為150 V至180 V。因此，針對加速電源的輸出功率小、高電壓輸出特性及電路簡單原則，選擇了反激功率變換拓?fù)?。反激功率變換電路示意圖見圖4所示。同正激變換器一樣，反激變換器也只有一個(gè)開關(guān)管，并且由于反激變換器的功率變壓器具有儲(chǔ)能作用，減少了一個(gè)輸出濾波電感器。

加速電源同樣選擇了商業(yè)級(jí)的電流型PWM控制器和鐵氧體罐形磁芯。此外，加速電源還要求能提供100 mA到500 mA的啟動(dòng)及故障恢復(fù)時(shí)的瞬態(tài)電流。這種狀態(tài)主要是由于推力器在點(diǎn)火引出束流及故障恢復(fù)過程中出現(xiàn)的電子反流產(chǎn)生的較大電流。加速電源可以通過大容量的輸出電容提供這種瞬態(tài)大電流的輸出要求。

加速電源為穩(wěn)壓控制方式，穩(wěn)壓反饋控制電路是在電源的輸出端取樣電壓信號(hào)，通過微分放大器比較輸出控制信號(hào)，反饋到PWM控制器，調(diào)整輸出電壓，保證電壓的穩(wěn)定性。

3.4 遙測電路設(shè)計(jì)

電源處理單元包括數(shù)十個(gè)功能電源，其工作狀態(tài)與電推進(jìn)系統(tǒng)的工作性能直接相關(guān)，從系統(tǒng)性能要求出發(fā)，希望得到每個(gè)電源的輸出電壓和電流的模擬遙測值，從而可以在航天器在軌飛行中知道每個(gè)各電源的工作參數(shù)，進(jìn)一步得到推力器在軌工作性能。

但是如果要得到每個(gè)電源的模擬遙測值，會(huì)使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)復(fù)雜并且?guī)眢w積和質(zhì)量的增加。所以在試驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)中根據(jù)系統(tǒng)的基本要求，模擬遙測輸出只設(shè)計(jì)了屏柵電源的輸出電壓和電流遙測電路，通過這兩路遙測值可以計(jì)算得到推力器工作時(shí)的推力和比沖。其他必要的遙測為判斷推力器是否正常工作的量，其中包括陽極電源和中和器觸持極電源的電流遙測，這些遙測量只提供狀態(tài)判斷作用，以表明電源的輸出電流值是否超出預(yù)定的設(shè)定值，用以判斷電源工作是否正常。

圖4 反激功率變換電路示意圖

屏柵電源的模擬遙測量電路設(shè)計(jì)，通過隔離變壓器取樣輸出電壓，經(jīng)過整流濾波得到0～5 V的電壓輸出，電流遙測通過電流霍爾傳感器取樣輸出電流，得到遙測電壓值。電壓遙測和電流遙測值都將通過給定的轉(zhuǎn)換公式，計(jì)算得到輸出電壓和電流值，該計(jì)算值與真實(shí)值間的誤差不大于2%。

陽極電源和中和器觸持極電源的電流狀態(tài)遙測量，可以通過線性度較差的電流互感器取樣輸出電流信號(hào)，經(jīng)過整流濾波后得到電壓信號(hào)，該信號(hào)被送入控制單元，與預(yù)先設(shè)定的值進(jìn)行比較，若低于設(shè)定值，表明電源輸出電流降低，處于故障狀態(tài)，此時(shí)控制單元將根據(jù)設(shè)定的程序?qū)﹄娡七M(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的故障處理控制。

3.5 電路測試及結(jié)果

對電源處理單元試驗(yàn)電路的性能參數(shù)主要測試了電源效率和輸出電壓或電流的穩(wěn)定度。電路測試使用電子負(fù)載測試電源的輸出電壓和電流，電源是在規(guī)定的輸入電壓變化和負(fù)載變化范圍內(nèi)測試。電源的穩(wěn)定度包括負(fù)載穩(wěn)定度和線性穩(wěn)定度。負(fù)載穩(wěn)定度是指當(dāng)輸入電壓一定，負(fù)載在最小值和額定值間變化，輸出電壓或電流的最大差值與設(shè)定點(diǎn)的百分比值。線性穩(wěn)定度是指當(dāng)在負(fù)載一定時(shí)，輸入電壓在規(guī)定的最低與最高電壓范圍內(nèi)變化，輸出電壓或電流的最大差值與設(shè)定點(diǎn)的百分比值。

通過對試驗(yàn)電路的測試得到:所有電源的穩(wěn)定度，包括負(fù)載穩(wěn)定度和線性穩(wěn)定度均小于5%。電源的效率都是在輸入電壓為100 V下測試的。圖5、圖6給出了主要的屏柵電源和陽極電源效率測試曲線。屏柵電源測試了在不同輸出電流下的效率，陽極電源測試了3個(gè)輸出電流在不同的輸出負(fù)載電阻下的效率。測試結(jié)果表明，當(dāng)屏柵電源輸出電流為0.9 A時(shí)效率最高，達(dá)到了93.3%，而當(dāng)輸出電流再增大時(shí)，效率將降低。陽極電源在輸出電流為4 A、負(fù)載電阻為8 Ω時(shí)效率最高達(dá)到89%;當(dāng)輸出電流為5 A時(shí)，電路中損耗變大，電源的效率均較低。此外，加速電源是在輸出電流為12 mA下測試，其效率只有20%。最終，電源處理單元在輸出功率為1 kW時(shí)，電源的總效率為90%。

圖5 屏柵電源效率測試曲線

圖6 陽極電源效率測試曲線

3 電源處理單元技術(shù)展望［5］

電源處理單元是一個(gè)復(fù)雜的供電設(shè)備，不僅由多路功能電源組成，還包括與控制設(shè)備連接的接口電路，由此實(shí)現(xiàn)電推進(jìn)系統(tǒng)的加電控制時(shí)序要求。結(jié)合目前國內(nèi)外倍受關(guān)注的數(shù)字電源，可以將數(shù)字電源應(yīng)用到電推進(jìn)系統(tǒng)電源處理單元的設(shè)計(jì)中。

數(shù)字電源特別適合復(fù)雜電源系統(tǒng)，當(dāng)電源系統(tǒng)越復(fù)雜，數(shù)字電源的成本越具有競爭力，附加功能更強(qiáng)大，更能滿足用戶的特殊要求。因?yàn)閿?shù)字電源可以集成系統(tǒng)中很多功能，特別是電源管理功能。因此，如果用戶需要電源時(shí)序管理、電壓/電流監(jiān)控、溫度監(jiān)測、參數(shù)調(diào)整和修改等功能，以及用于靈活的系統(tǒng)級(jí)控制和實(shí)時(shí)的故障診斷反饋。在模擬世界里，這些功能可能需要不同的IC或根本不能實(shí)現(xiàn)。在數(shù)字電源世界，這些功能被集成在數(shù)字芯片中，不需要額外的芯片，這種高集成度可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量，提高產(chǎn)品化水平和性能的一致性。并且，數(shù)字電源的一個(gè)很大優(yōu)勢和功能就是可編程，比如通信、檢測、遙測等所有功能都可用軟件編程實(shí)現(xiàn)。

因此，數(shù)字電源技術(shù)非常適合應(yīng)用到電源處理單元的設(shè)計(jì)中，通過產(chǎn)品的整體設(shè)計(jì)，可以代替電推進(jìn)系統(tǒng)中的控制單元，實(shí)現(xiàn)對電源處理單元的開關(guān)機(jī)控制，并且通過數(shù)字電源的可編程技術(shù)可以容易的實(shí)現(xiàn)電源輸出電壓即電流參數(shù)的改變，以實(shí)現(xiàn)不同推力大小的控制。

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