航空航天电源专辑主编述评

阮新波，万成安

（1.南京航空航天大学，南京 210016；2.北京卫星制造厂有限公司，北京 100094）

1970 年4 月24 日，我国第一颗人造地球卫星“东方红一号”由“长征一号”运载火箭发射成功，标志着中国进入了空间时代。随着我国航空航天技术的快速发展，我国在通信导航、载人航天、深空探测和大飞机等领域取得了举世瞩目的成就。

航空航天电源系统是航天器最重要的分系统，它的功能是为航空航天器有效载荷和各服务系统提供稳定的直流、交流电能，按照功能划分，可以分为发电、储能、电源变换及控制和配电四大功能单元，随着航天器电源系统功能及性能要求的不断提高和适应新的空间环境要求，航天器电源系统由传统的低电压光伏能源系统向高电压大功率光伏电源系统、燃料电池、核能电源和多种复合能源系统等方向发展。在电源变换与控制技术方面，新一代宽禁带半导体功率器件将逐步取代传统的硅功率器件，形成小型化、高功率密度和高电压变换产品；在能源管理与配电方面，采用固态开关的智能配电技术将逐步取代传统的机械触电开关，同时与直流并网、无线能量传输、故障诊断等技术构建智能化能源系统。

由于航空航天应用的特殊性和复杂空间环境等特点，参加研究的大学和研究机构相对较少，为了推动航空航天电源技术的深入研究，支撑我国航空航天事业的全面发展，《电源学报》特别推出《航空航天电源》专辑。本专辑共收到投稿28 篇，经过严格细致审稿，共录用论文12 篇，其中电源系统方面的论文4 篇，配电方面的论文2 篇，电推进高压电源方面的论文2 篇，其他分别在GaN 电源高效变换、无线充电、燃料电池和五电平变换器论文各1 篇。

电源系统控制与变换技术是将发电单元的电能通过功率变换转化成负载需要的直流母线电压。针对传统的电源控制器PCU（power conditioning unit）空间能量利用率低、工作域切换复杂，不利于分布式电源系统构建的问题，北京卫星制造厂有限公司的何雄等[1]提出了一种适用于分布式宇航电源系统的电源控制器及其功率调节技术，该技术可根据光照强度、载荷变化情况以及蓄电池放电深度等对系统运行方式进行控制，保证电源控制器分时处于母线恒压控制、蓄电池恒流充电控制、蓄电池恒压充电控制和最大功率点跟踪MPPT（maximum power point tracking）控制4 种工作模式，实现宇航电源系统的功率调节和母线控制；来自深圳信息职业技术学院智能制造与装备学院的佟强等[2]从分布式航天器电源系统架构出发，提出了一种通用的数字控制、可模块化拓展的功率变换模块，并可通过软件控制可实现不同的功率变换功能；来自上海空间电源研究所空间电源技术国家重点实验室的方子文等[3]针对应用于航天器光伏调节变换系统的Superbuck 变换器，通过状态空间平均法建立了其小信号模型，基于MPPT 模式提出了太阳阵电压控制的双闭环控制策略；在电源系统储能锂电池的均衡技术方面，来自国网南昌供电公司和浙江大学电气工程学院的李卿鹏等[4]根据低轨卫星电源储能蓄电池的工作特性，提出一种基于开关矩阵的主被动混合均衡拓扑，具有结构简单、控制容易、可靠性高的优点。

空间电推进技术是航空航天器系统的重要发展方向，可大幅度减轻航天器的体积和重量，提高系统可靠性。电推进高压驱动电源PPU（power processing unit）是电推进的重要组成部分，来自南京航空航天大学和兰州空间技术物理研究所的张保平等[5]系统阐述了中等功率（10 kW 以下）离子电推进与霍尔电推进的PPU 技术发展现状，并对不同PPU 技术方案在实际应用中的通用性与局限性进行了对比分析，总结了目前PPU 技术发展面临的高变换效率、高功率密度、长寿命高压绝缘防护等问题以及发展的挑战与趋势；在航空多电飞机推进电源系统研究方面，来自西北工业大学的齐扬等[6]提出通过将飞机推进系统中的传统燃油发电机替换为蓄电池、燃料电池以及氢能等清洁能源，能够显著提高飞机的电能转换效率、优化飞机能源结构。然而，未来大容量长航时的航空推进电源系统，在系统架构设计、功重比以及能量综合管理等方面仍然面临着问题和挑战。同时，还对航空器推进电源系统的最新研究进展，包括能源系统架构、电力电子变换器拓扑结构、协同控制和上层能量管理等方面进行了分析与总结。

航天器供配电系统中开关过程的瞬态特性对电源系统的安全性及可靠性有重大影响，开关过程的瞬态应力可能对电源系统造成潜在的损伤。北京卫星制造厂有限公司王力等[7]对宇航配电系统中的机械触点开关过程进行了深入的分析，发现在浪涌电流前的瞬态脉冲尖峰峰值比稳态电流高几百倍，上升沿达纳秒数量级，对配电系统危害极大，并基于预充电原理给出了一种抑制方案。在固态开关方面，固态功率控制器SSPC（solid-state power controller）具备高可靠、高安全、故障隔离与恢复等功能，北京卫星制造厂有限公司的李辉耀等[8]针对固态功率控制器在分断过程承受的电热应力问题进行了详细的分析，如对SSPC 内部ESD 电路造成损坏、对SSPC 功率MOSFET 造成损坏、不正当使用续流二极管及错误选用导致二极管自身发生短路击穿造成负载供电侧短路故障等，对保证高可靠固态功率控制器的安全性有重要意义。

作为第三代半导体材料，氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）由于GaN 材料具有更大禁带宽度、更高临界击穿电场和更高电子迁移率等特点,来自中国运载火箭技术研究院北京航天发射技术研究所的林润韬等[9]设计了一种应用650 V 电压等级GaN HEMT 的2 kW 功率宽输入堆叠半桥LLC DC/DC 变换器，采用单级堆叠桥式（single-stage stacked bridge）三电平拓扑进行变换器设计方案，该拓扑由三电平开关网络、LLC 谐振腔和整流电路构成，可实现400～800 V 电压输入与25～40 V 电压输出。

质子交换膜燃料电池PEMFC（proton exchange membrane fuel cell）是一种将反应气体中的电化学能直接转换为电能的发电装置，具有转换效率高、响应速度快、可靠性高、排放低等优点，和地面应用相比较，燃料电池在空间应用尤其是载人环境应用上具有更大的优势和潜力，发电过程中产生的热及水可以和环控生保系统共用。河北大学质量技术监督学院和河北省新能源汽车动力系统轻量化技术创新中心的孙峰等[10]提出了一种流线型挡板设计方案，利用流线型迎风面以及流线形背风面，可以有效减小反应气体流动阻力，并消除挡板后方的涡流，可有效提高燃料电池的性能。

400 Hz 中频电源常被用于军用及航空等领域，与传统的两电平电压源逆变器相比，多电平逆变器输出电压呈准正弦，具有dv/dt 更低、电流纹波更小等特点。为了用更少的开关器件实现更多的输出电平，混合多电平的概念被提出。西华大学魏金成等[11]对abc 坐标系下的3D-SVPWM 算法进行了深入研究和改进，有效解决了非对称四桥臂逆变器在abc坐标系下的3D-SVPWM 算法中四面体剖分困难的问题，实现了低电平拓扑下的高电平输出，并且其电压应力更低，进一步完善了abc 坐标系下的3DSVPWM 算法。另外，为了避免民用飞机机载设备与电源插拔过程中带来电火花的危险，提高设备充电的便利性，厦门大学李乐等[12]提出恒压恒流的无线充电方案，分析了低阶网络的回路电流关系，得到了回路电流最小的条件，进一步推广到高阶网络，获得最优补偿网络电流一般性方法，并通过仿真和实验验证电流优化方法和负载无关实现方法，从而提高系统传输效率。

综上，本专辑的论文从航天器电源系统控制与变换、空间电推进、航天器供配电、GaN 宽输入堆叠半桥LLC DC/DC 变换器、质子交换膜燃料电池、航空多电平逆变器和无线充电等方面提出了新思路和新方法。但在核电源、可再生燃料电池等新型能源系统技术、新材料及新器件、高可靠封装和空间环境适应性等方面仍然有很大的探索空间，值得深入研究，需要空间电能源、电力电子、电子封装等领域专家们一起努力，进一步探讨，共同为把我国建成航天强国而奋斗。

最后，衷心感谢审稿专家在本刊征稿中的贡献，感谢专家学者和业界同行们对于本专辑在征文、投稿和评审工作的大力支持！