空间离子电推进系统电源处理单元设计

王少宁，成 钢，赵登峰

(兰州空间技术物理研究所，甘肃兰州730000)

1 引言

电推进作为一种先进的推进技术，由于其高比冲的优势，可以降低航天器系统质量、提高寿命、增加有效载荷，已经成为衡量一颗卫星先进性的重要指标。并且电推进已经是具有战略竞争力的未来航天器关键技术，一方面，以离子和霍耳类型为代表的电推进正在逐步成为长寿命通信卫星的标准配置和深空探测航天器的必需技术;另一方面，以微推力为特性的电推进是需要精确姿态控制的卫星、卫星星座组网及精确编队飞行控制的支撑技术。

电源处理单元是电推进系统的主要组成部分，电源处理单元是一个相对复杂的二次电源变换设备，它将航天器的太阳能电池母线电压转换为电推进系统的推力器需要的各种电压和电流，是电推进系统稳定、可靠工作的基础。

2 电源处理单元(PPU)技术［1～4］

电源处理单元是电推进系统的主要组成部分，它是一个相对复杂的二次电源变换设备，它将航天器的太阳能电池母线电压转换为电推进系统的推力器需要的各种电压和电流，是电推进系统稳定、可靠工作的基础。

航天器用电源处理单元不仅需具备功率变换功能，还需具备接受指令执行各路输出的开关功能、各路电源输出电压和电流的遥测功能和故障保护功能。其中故障保护功能主要包括母线的短路保护功能、输出过载及短路保护功能和推力器异常息弧保护功能。

根据离子电推进系统的不同型号推力器的供电要求，电源处理单元的内部功能电源配置一般包括以下9个功能电源输出:

阴极加热电源;2)阴极触持极电源;3)阴极点火电源;4)阳极电源(也称放电室电源);5)中和器阴极加热电源(以下简称中加热电源);6)中和器触持极电源(以下简称中触持电源);7)中和器阴极点火电源(以下简称中点火电源);8)加速电源;9)屏栅电源(也称束电源)。

对于输出功率大小不同的推力器，电源处理单元的各功能电源配置也有差异，比如对于有些小功率推力器没有阴极触持极电源，而对于工作寿命要求长的推力器还要求电源处理单元提供消除栅极间短路故障的烧蚀电源。因此电源处理单元的功能电源配置需要根据具体的推力器确定，但与典型的离子推力器配套的电源处理单元必须具有加热电源、阳极电源、中和器触持极电源、加速电源和屏栅电源。屏栅电源和加速电源给推力器提供了高压以加速离子束的引出，阳极电源为放电室阴极提供电流电离氙气推进剂。中和器触持极电源为中和器阴极提供电流中和氙离子束流。加热电源分别为2个阴极加热丝提供加热电流，使阴极温度达到发射电子的状态。

电源处理单元各功能电源组成及与推力器供电示意图见图1所示。

离子电推进系统推力器工作过程中，电源处理单元各功能电源的工作情况如下:

(1)阴极和中和器阴极2个加热电源，对空心阴极加热丝通电加热，直到空心阴极温度被加热到1600℃，空心阴极发射体开始热电子发射;

(2)阴极触持极电源、阳极电源及中和器触持极电源，建立阴极和中和器阴极电子发射电场，维持阴极的稳定持续放电状态，并在主阴极和阳极间形成等离子体区域;

(3)阴极点火电源和中和器点火电源，分别在主阴极和中和器的阴极与触持极之间产生高压单次脉冲，使阴极和触持极之间起弧放电;

(4)加速电源和屏栅电源用以离子光学组件供电，对放电室内被电离的Xe+进行聚焦、加速和引出，从而产生推力。

图1 电源处理单元组成及与推力器供电关系示意图

本文以1 kW离子电推进系统配套的电源处理单元为设计对象，电源处理单元的基本特性参数见表1所列。此外点火电源为峰值大于650 V的高电压脉冲，脉冲宽度不小于10 μs。

由于电源处理单元中的屏栅电源输出电压高压1 000 V，所以产品设计对高压输出端与一次母线、控制和遥测的隔离设计具有很高的要求。本设计采用了高耐压功率变压器，实现输出高压和母线的隔离，并采用变压器隔离采样及电流互感器取样等隔离技术，以满足与输出高压的隔离要求。

此外，由于电源处理单元的输出功率大，电路中的功率器件热耗大，所以对发热量大的功率器件必须采用有效的散热措施，确保其最短和最有效的散热途径，保证产品的可靠性。

表1 电源处理单元的基本特性参数

3.1 屏栅电源设计

由电源处理单元的基本参数要求得到，整个设备的总输出功率达到1 kW以上，屏栅电源的输出电压高达1000 V，并提供了80%的功率输出，所以屏栅电源是电源处理单元中最重要的电源，屏栅电源的高效率设计是PPU获得更高总效率的关键。

由于屏栅电源的输出功率接近1 kW，所以选用全桥式功率变换拓扑，电路原理示意图见图2所示。尽管全桥功率变换拓扑相对与其他功率变换拓扑比较复杂，但它适合高电压输入和大功率输出的功率变换应用。屏栅电源的高电压输出由功率变压器的4个次级绕组串联输出，这样可以有效降低输出整流二极管的耐压要求，并且提高电源的效率。由于高耐压的二极管具有较大的正向压降，例如二极管的耐压高于1 000 V时，它的正向压降达到3 V多，由此比一般的二极管的功耗高出3倍多。应用4个次级绕组串联输出，相对1 000 V的高压输出，每个整流电路中的二极管的耐压只要大于200 V即可满足使用要求。

屏栅电源的开关频率设计为40 kHz，因为在电路试验中得到更高的开关频率将产生很大的开关损耗，较低的开关频率还能使高压功率变压器产生的寄生参数的影响最小化。

全桥功率变换拓扑由脉宽调制器(Pulse－Width Modulation，PWM)控制场效应晶体管MOSFET1～MOSFET4。屏栅电源的稳压反馈控制电路必须要求与高压输出端具有较高的隔离耐压，因此反馈采样电路由功率变压器的辅助绕组取样，再送入PWM进行比较，实现电源输出电压的稳压控制。

屏栅电源的功率变压器选择环形的铁氧体磁性材料，变压器的初级绕组使用多股漆包线缠绕以降低高频电流的趋附效应，变压器的4个次级绕组的每一个绕组单独绕制一层以减小层间的寄生电容。

图2 全桥功率变换电路示意图

3.2 阳极电源、触持极电源及加热电源设计

阳极电源与屏栅电源的输出正线合并，输出为同一端。阳极电源的输出功率虽然比屏栅电源小，但它对提高整机效率仍有重要的作用。阳极电源的输出功率为100 W左右，根据该变换功率的大小和电路简单的设计要求，选择正激功率变换拓扑。

简化的正激功率变换电路示意图见3图所示。推挽或半桥变换器需要2个开关管，全桥变换器需要4个开关管，相比较正激功率变换只需要1个开关管。正激变换的开关频率选择为80 kHz，尽可能减轻产品质量。电源的设计选择了电流型控制PWM，以取得更好的稳定性和过流保护性能，试验电路使用了商业级的PWM控制器，其性能参数与飞行器件一致。

阳极电源的功率变压器、输入电感、输出电感都使用铁氧体罐形磁芯，这种磁芯具有较好的高频特性和较低的磁芯损耗。罐形磁芯还可以提供很好的集中磁场以及容易绕制和良好的散热。与之前的设计相比，在减小了输出滤波电感的尺寸后，其输出电流纹波也改善了很多。

触持极电源和加热电源的输出功率虽然比阳极电源小，但由于输出特性相近，其控制方式均为稳流源，为了整体设计的简化，因此也选择了正激功率变压器拓扑。中和器触持极电源为中和器的触持极到阴极提供一个电子通路，以维持中和器放电，并且中和由放电室引出的氙离子束，使其成为不带电的中性氙原子。触持极电源和加热电源采用了与阳极电源一样的PWM控制器和变压器、电感器磁芯。

图3 正激功率变换电路示意图

3.3 加速电源设计

加速电源正常工作时输出电流只有10 mA左右，但它的输出电压较高，为150 V至180 V。因此，针对加速电源的输出功率小、高电压输出特性及电路简单原则，选择了反激功率变换拓扑。反激功率变换电路示意图见图4所示。同正激变换器一样，反激变换器也只有一个开关管，并且由于反激变换器的功率变压器具有储能作用，减少了一个输出滤波电感器。

加速电源同样选择了商业级的电流型PWM控制器和铁氧体罐形磁芯。此外，加速电源还要求能提供100 mA到500 mA的启动及故障恢复时的瞬态电流。这种状态主要是由于推力器在点火引出束流及故障恢复过程中出现的电子反流产生的较大电流。加速电源可以通过大容量的输出电容提供这种瞬态大电流的输出要求。

加速电源为稳压控制方式，稳压反馈控制电路是在电源的输出端取样电压信号，通过微分放大器比较输出控制信号，反馈到PWM控制器，调整输出电压，保证电压的稳定性。

3.4 遥测电路设计

电源处理单元包括数十个功能电源，其工作状态与电推进系统的工作性能直接相关，从系统性能要求出发，希望得到每个电源的输出电压和电流的模拟遥测值，从而可以在航天器在轨飞行中知道每个各电源的工作参数，进一步得到推力器在轨工作性能。

但是如果要得到每个电源的模拟遥测值，会使产品的设计复杂并且带来体积和质量的增加。所以在试验电路的设计中根据系统的基本要求，模拟遥测输出只设计了屏栅电源的输出电压和电流遥测电路，通过这两路遥测值可以计算得到推力器工作时的推力和比冲。其他必要的遥测为判断推力器是否正常工作的量，其中包括阳极电源和中和器触持极电源的电流遥测，这些遥测量只提供状态判断作用，以表明电源的输出电流值是否超出预定的设定值，用以判断电源工作是否正常。

图4 反激功率变换电路示意图

屏栅电源的模拟遥测量电路设计，通过隔离变压器取样输出电压，经过整流滤波得到0～5 V的电压输出，电流遥测通过电流霍尔传感器取样输出电流，得到遥测电压值。电压遥测和电流遥测值都将通过给定的转换公式，计算得到输出电压和电流值，该计算值与真实值间的误差不大于2%。

阳极电源和中和器触持极电源的电流状态遥测量，可以通过线性度较差的电流互感器取样输出电流信号，经过整流滤波后得到电压信号，该信号被送入控制单元，与预先设定的值进行比较，若低于设定值，表明电源输出电流降低，处于故障状态，此时控制单元将根据设定的程序对电推进系统进行相应的故障处理控制。

3.5 电路测试及结果

对电源处理单元试验电路的性能参数主要测试了电源效率和输出电压或电流的稳定度。电路测试使用电子负载测试电源的输出电压和电流，电源是在规定的输入电压变化和负载变化范围内测试。电源的稳定度包括负载稳定度和线性稳定度。负载稳定度是指当输入电压一定，负载在最小值和额定值间变化，输出电压或电流的最大差值与设定点的百分比值。线性稳定度是指当在负载一定时，输入电压在规定的最低与最高电压范围内变化，输出电压或电流的最大差值与设定点的百分比值。

通过对试验电路的测试得到:所有电源的稳定度，包括负载稳定度和线性稳定度均小于5%。电源的效率都是在输入电压为100 V下测试的。图5、图6给出了主要的屏栅电源和阳极电源效率测试曲线。屏栅电源测试了在不同输出电流下的效率，阳极电源测试了3个输出电流在不同的输出负载电阻下的效率。测试结果表明，当屏栅电源输出电流为0.9 A时效率最高，达到了93.3%，而当输出电流再增大时，效率将降低。阳极电源在输出电流为4 A、负载电阻为8 Ω时效率最高达到89%;当输出电流为5 A时，电路中损耗变大，电源的效率均较低。此外，加速电源是在输出电流为12 mA下测试，其效率只有20%。最终，电源处理单元在输出功率为1 kW时，电源的总效率为90%。

图5 屏栅电源效率测试曲线

图6 阳极电源效率测试曲线

3 电源处理单元技术展望［5］

电源处理单元是一个复杂的供电设备，不仅由多路功能电源组成，还包括与控制设备连接的接口电路，由此实现电推进系统的加电控制时序要求。结合目前国内外倍受关注的数字电源，可以将数字电源应用到电推进系统电源处理单元的设计中。

数字电源特别适合复杂电源系统，当电源系统越复杂，数字电源的成本越具有竞争力，附加功能更强大，更能满足用户的特殊要求。因为数字电源可以集成系统中很多功能，特别是电源管理功能。因此，如果用户需要电源时序管理、电压/电流监控、温度监测、参数调整和修改等功能，以及用于灵活的系统级控制和实时的故障诊断反馈。在模拟世界里，这些功能可能需要不同的IC或根本不能实现。在数字电源世界，这些功能被集成在数字芯片中，不需要额外的芯片，这种高集成度可以提高产品的质量，提高产品化水平和性能的一致性。并且，数字电源的一个很大优势和功能就是可编程，比如通信、检测、遥测等所有功能都可用软件编程实现。

因此，数字电源技术非常适合应用到电源处理单元的设计中，通过产品的整体设计，可以代替电推进系统中的控制单元，实现对电源处理单元的开关机控制，并且通过数字电源的可编程技术可以容易的实现电源输出电压即电流参数的改变，以实现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.