空間離子電推進系統電源處理單元設計

王少寧，成 鋼，趙登峰

(蘭州空間技術物理研究所，甘肅蘭州730000)

1 引言

電推進作為一種先進的推進技術，由于其高比沖的優勢，可以降低航天器系統質量、提高壽命、增加有效載荷，已經成為衡量一顆衛星先進性的重要指標。并且電推進已經是具有戰略競爭力的未來航天器關鍵技術，一方面，以離子和霍耳類型為代表的電推進正在逐步成為長壽命通信衛星的標準配置和深空探測航天器的必需技術;另一方面，以微推力為特性的電推進是需要精確姿態控制的衛星、衛星星座組網及精確編隊飛行控制的支撐技術。

電源處理單元是電推進系統的主要組成部分，電源處理單元是一個相對復雜的二次電源變換設備，它將航天器的太陽能電池母線電壓轉換為電推進系統的推力器需要的各種電壓和電流，是電推進系統穩定、可靠工作的基礎。

2 電源處理單元(PPU)技術［1～4］

電源處理單元是電推進系統的主要組成部分，它是一個相對復雜的二次電源變換設備，它將航天器的太陽能電池母線電壓轉換為電推進系統的推力器需要的各種電壓和電流，是電推進系統穩定、可靠工作的基礎。

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行各路輸出的開關功能、各路電源輸出電壓和電流的遙測功能和故障保護功能。其中故障保護功能主要包括母線的短路保護功能、輸出過載及短路保護功能和推力器異常息弧保護功能。

根據離子電推進系統的不同型號推力器的供電要求，電源處理單元的內部功能電源配置一般包括以下9個功能電源輸出:

陰極加熱電源;2)陰極觸持極電源;3)陰極點火電源;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)中和器陰極點火電源(以下簡稱中點火電源);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個陰極加熱絲提供加熱電流，使陰極溫度達到發射電子的狀態。

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。

離子電推進系統推力器工作過程中，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℃，空心陰極發射體開始熱電子發射;

(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射電場，維持陰極的穩定持續放電狀態，并在主陰極和陽極間形成等離子體區域;

(3)陰極點火電源和中和器點火電源，分別在主陰極和中和器的陰極與觸持極之間產生高壓單次脈沖，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組件供電，對放電室內被電離的Xe+進行聚焦、加速和引出，從而產生推力。

圖1 電源處理單元組成及與推力器供電關系示意圖

本文以1 kW離子電推進系統配套的電源處理單元為設計對象，電源處理單元的基本特性參數見表1所列。此外點火電源為峰值大于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，所以產品設計對高壓輸出端與一次母線、控制和遙測的隔離設計具有很高的要求。本設計采用了高耐壓功率變壓器，實現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，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，保證產品的可靠性。

表1 電源處理單元的基本特性參數

3.1 屏柵電源設計

由電源處理單元的基本參數要求得到，整個設備的總輸出功率達到1 kW以上，屏柵電源的輸出電壓高達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計是PPU獲得更高總效率的關鍵。

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撲，電路原理示意圖見圖2所示。盡管全橋功率變換拓撲相對與其他功率變換拓撲比較復雜，但它適合高電壓輸入和大功率輸出的功率變換應用。屏柵電源的高電壓輸出由功率變壓器的4個次級繞組串聯輸出，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，它的正向壓降達到3 V多，由此比一般的二極管的功耗高出3倍多。應用4個次級繞組串聯輸出，相對1 000 V的高壓輸出，每個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。

屏柵電源的開關頻率設計為40 kHz，因為在電路試驗中得到更高的開關頻率將產生很大的開關損耗，較低的開關頻率還能使高壓功率變壓器產生的寄生參數的影響最小化。

全橋功率變換拓撲由脈寬調制器(Pulse－Width Modulation，PWM)控制場效應晶體管MOSFET1～MOSFET4。屏柵電源的穩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進行比較，實現電源輸出電壓的穩壓控制。

屏柵電源的功率變壓器選擇環形的鐵氧體磁性材料，變壓器的初級繞組使用多股漆包線纏繞以降低高頻電流的趨附效應，變壓器的4個次級繞組的每一個繞組單獨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計

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，根據該變換功率的大小和電路簡單的設計要求，選擇正激功率變換拓撲。

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個開關管，全橋變換器需要4個開關管，相比較正激功率變換只需要1個開關管。正激變換的開關頻率選擇為80 kHz，盡可能減輕產品質量。電源的設計選擇了電流型控制PWM，以取得更好的穩定性和過流保護性能，試驗電路使用了商業級的PWM控制器，其性能參數與飛行器件一致。

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。與之前的設計相比，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，其控制方式均為穩流源，為了整體設計的簡化，因此也選擇了正激功率變壓器拓撲。中和器觸持極電源為中和器的觸持極到陰極提供一個電子通路，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 加速電源設計

加速電源正常工作時輸出電流只有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撲。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開關管，并且由于反激變換器的功率變壓器具有儲能作用，減少了一個輸出濾波電感器。

加速電源同樣選擇了商業級的電流型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的啟動及故障恢復時的瞬態電流。這種狀態主要是由于推力器在點火引出束流及故障恢復過程中出現的電子反流產生的較大電流。加速電源可以通過大容量的輸出電容提供這種瞬態大電流的輸出要求。

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

3.4 遙測電路設計

電源處理單元包括數十個功能電源，其工作狀態與電推進系統的工作性能直接相關，從系統性能要求出發，希望得到每個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各電源的工作參數，進一步得到推力器在軌工作性能。

但是如果要得到每個電源的模擬遙測值，會使產品的設計復雜并且帶來體積和質量的增加。所以在試驗電路的設計中根據系統的基本要求，模擬遙測輸出只設計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算得到推力器工作時的推力和比沖。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判斷作用，以表明電源的輸出電流值是否超出預定的設定值，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計，通過隔離變壓器取樣輸出電壓，經過整流濾波得到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換公式，計算得到輸出電壓和電流值，該計算值與真實值間的誤差不大于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，經過整流濾波后得到電壓信號，該信號被送入控制單元，與預先設定的值進行比較，若低于設定值，表明電源輸出電流降低，處于故障狀態，此時控制單元將根據設定的程序對電推進系統進行相應的故障處理控制。

3.5 電路測試及結果

對電源處理單元試驗電路的性能參數主要測試了電源效率和輸出電壓或電流的穩定度。電路測試使用電子負載測試電源的輸出電壓和電流，電源是在規定的輸入電壓變化和負載變化范圍內測試。電源的穩定度包括負載穩定度和線性穩定度。負載穩定度是指當輸入電壓一定，負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定點的百分比值。線性穩定度是指當在負載一定時，輸入電壓在規定的最低與最高電壓范圍內變化，輸出電壓或電流的最大差值與設定點的百分比值。

通過對試驗電路的測試得到:所有電源的穩定度，包括負載穩定度和線性穩定度均小于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個輸出電流在不同的輸出負載電阻下的效率。測試結果表明，當屏柵電源輸出電流為0.9 A時效率最高，達到了93.3%，而當輸出電流再增大時，效率將降低。陽極電源在輸出電流為4 A、負載電阻為8 Ω時效率最高達到89%;當輸出電流為5 A時，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，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 電源處理單元技術展望［5］

電源處理單元是一個復雜的供電設備，不僅由多路功能電源組成，還包括與控制設備連接的接口電路，由此實現電推進系統的加電控制時序要求。結合目前國內外倍受關注的數字電源，可以將數字電源應用到電推進系統電源處理單元的設計中。

數字電源特別適合復雜電源系統，當電源系統越復雜，數字電源的成本越具有競爭力，附加功能更強大，更能滿足用戶的特殊要求。因為數字電源可以集成系統中很多功能，特別是電源管理功能。因此，如果用戶需要電源時序管理、電壓/電流監控、溫度監測、參數調整和修改等功能，以及用于靈活的系統級控制和實時的故障診斷反饋。在模擬世界里，這些功能可能需要不同的IC或根本不能實現。在數字電源世界，這些功能被集成在數字芯片中，不需要額外的芯片，這種高集成度可以提高產品的質量，提高產品化水平和性能的一致性。并且，數字電源的一個很大優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現。

因此，數字電源技術非常適合應用到電源處理單元的設計中，通過產品的整體設計，可以代替電推進系統中的控制單元，實現對電源處理單元的開關機控制，并且通過數字電源的可編程技術可以容易的實現電源輸出電壓即電流參數的改變，以實現不同推力大小的控制。

［1］HAMLEY.J.A 2.5kW Power processor for the NSTAR Ion propulsion Experiment［R］.AIAA 1994－3305.

［2］THOMAS A.Bond，The NSTAR Ion Propulsion Subsystem for DS1［R］.AIAA1999－2972.

［3］GOO－HWAN SHIN＇，High Voltage DC－DC Converter of Pulsed Plasma Thruster for Science and Technology Satellite－2(STSAT－2)［R］.IEEE PEDS 2005.

［4］PINERO.L.Development status of a power processing unit for low power ion thrusters［R］.AIAA 2000－3817.

［5］PHILIP C.Status Of The NEXT 7 KW Power Processing Unit［R］.AIAA 2005－3868.