離子推進(jìn)系統(tǒng)電源研究

成 鋼，王少寧

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 甘肅 蘭州 730000）

自從1911年俄羅斯火箭科學(xué)家齊奧爾科夫斯基（К.З.Цилоквский）提出電推進(jìn)概念以來(lái)，前蘇聯(lián)和美國(guó)相繼開(kāi)始了近30年的電推進(jìn)空間飛行試驗(yàn)，到上世紀(jì)90年代開(kāi)始，電推進(jìn)正式開(kāi)始在航天器上應(yīng)用，到目前為止，電推進(jìn)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于空間任務(wù)。

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(shì)，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(jìng)爭(zhēng)力的未來(lái)航天器關(guān)鍵技術(shù)。

1 離子推進(jìn)器簡(jiǎn)介

離子推進(jìn)技術(shù)是利用電能（來(lái)自太陽(yáng)能電池或核電反應(yīng)堆電源）使推進(jìn)劑電離，在磁場(chǎng)和電場(chǎng)的作用下，高速?lài)姵?，產(chǎn)生遠(yuǎn)高于化學(xué)推進(jìn)的噴氣速度，可有效減少推進(jìn)劑的需求量[1]。離子推進(jìn)技術(shù)，由于其具有高比沖、高效率的特點(diǎn)。

離子推進(jìn)系統(tǒng)（Ion Push System，IPS）由推力器、電源處理單元（Power Processing Unit，PPU）、推進(jìn)劑供給系統(tǒng)（Xenon Feed System，XFS）以及數(shù)字接口與控制單元（Digital Control Interface Unit，DCIU）4部分組成。離子推力器的基本功能是產(chǎn)生推力。離子推力器由推力器外殼、放電室、主陰極、中和空心陰極、離子光學(xué)系統(tǒng)（即柵極組件）等幾個(gè)基本部分構(gòu)成[2]。圖1為其構(gòu)造示意圖[3]。電源處理單元在控制單元的控制下，通過(guò)衛(wèi)星平臺(tái)的電源總線向推力器的加熱極，加速極，陽(yáng)極電離室等功能單元提供各種電壓。

圖1 離子推力器示意圖Fig.1 Diagram of ion thruster

2 電源處理單元（PPU）概述

電源處理單元是電推進(jìn)系統(tǒng)的主要組成部分，它將航天器的母線電壓轉(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(kāi)關(guān)功能、各路電源輸出電壓和電流的遙測(cè)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(guò)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功能電源輸出：陰極加熱電源；陰極觸持極電源；陰極點(diǎn)火電源；陽(yáng)極電源；中和器陰極加熱電源；中和器觸持極電源；中和器陰極點(diǎn)火電源；加速電源；屏柵電源[4]。電源處理單元各功能電源組成及與推力器供電示意如圖2所示。

圖2 電源處理單元組成及與推力器供電關(guān)系示意圖Fig.2 Diagram of relation between PPU and thruster

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

1）陰極和中和器陰極兩個(gè)加熱電源，對(duì)空心陰極加熱絲通電加熱，直到空心陰極溫度被加熱到1 600℃，空心陰極發(fā)射體開(kāi)始熱電子發(fā)射；

2）陰極觸持極電源、陽(yáng)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(chǎng)，維持陰極的穩(wěn)定持續(xù)放電狀態(tài)，并在主陰極和陽(yáng)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?jiǎn)未蚊}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(duì)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。

文中以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(duì)象，電源處理單元的基本特性參數(shù)見(jiàn)表1所示，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(duì)高壓輸出端與一次母線、控制和遙測(cè)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(mǎn)足與輸出高壓的隔離要求。高壓電路采用了灌封工藝技術(shù)[5]。

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(duì)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)Tab.1 Main parameter of PPU

2.1 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)1 000 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)?，電路原理示意圖如圖3所示。盡管全橋功率變換拓?fù)湎鄬?duì)與其它功率變換拓?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，因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(duì)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(mǎn)足使用要求。

屏柵電源的開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率將產(chǎn)生很大的開(kāi)關(guān)損耗，較低的開(kāi)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（PWM）控制場(chǎng)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3 全橋功率變換電路示意圖Fig.3 Diagram of power convert circuit with full bridge rectifier

2.2 陽(yáng)極電源、觸持極電源及加熱電源設(shè)計(jì)

陽(yáng)極電源與屏柵電源的輸出正線合并，輸出為同一端。陽(yáng)極電源的輸出功率雖然比屏柵電源的小，但它對(duì)提高整機(jī)效率仍有重要的作用。陽(yáng)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(jiǎn)單的設(shè)計(jì)要求，選擇正激功率變換拓?fù)洹?/p>

簡(jiǎn)化的正激功率變換電路示意圖見(jiàn)4圖所示。推挽或半橋變換器需要兩個(gè)開(kāi)關(guān)管，全橋變換器需要4個(gè)開(kāi)關(guān)管，相比較正激功率變換只需要一個(gè)開(kāi)關(guān)管。正激變換的開(kāi)關(guān)頻率選擇為80 kHz，盡可能減輕產(chǎn)品重量。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(guò)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(yáng)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(chǎng)，及容易繞制和良好的散熱特點(diǎn)。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(yáng)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(jiǎn)化，因此也選擇了正激功率變壓器拓?fù)洹Ｖ泻推饔|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(yáng)極電源一樣的PWM控制器和變壓器、電感器磁芯。

2.3 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150～180 V。因此，針對(duì)加速電源的輸出功率小、高電壓輸出特性及電路簡(jiǎn)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(jiàn)圖5所示。同正激變換器一樣，反激變換器也只有一個(gè)開(kāi)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。

圖4 正激功率變換電路示意圖Fig.4 Diagram of power forward convert circuit

圖5 反激功率變換電路示意圖Fig.5 Diagram of power flyback convert circui

加速電源同樣選擇了電流型PWM控制器和鐵氧體罐形磁芯。此外，加速電源還要求能提供100～500 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(guò)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(guò)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(guò)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。

2.4 遙測(cè)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(cè)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(cè)值，會(huì)使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)復(fù)雜并且?guī)?lái)體積和重量的增加。所以在實(shí)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(cè)輸出只設(shè)計(jì)了屏柵電源的輸出電壓和電流遙測(cè)電路，通過(guò)這兩路遙測(cè)值可以計(jì)算得到推力器工作時(shí)的推力和比沖。其它必要的遙測(cè)為判斷推力器是否正常工作的量，其中包括陽(yáng)極電源和中和器觸持極電源的電流遙測(cè)，這些遙測(cè)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。

屏柵電源的模擬遙測(cè)量電路設(shè)計(jì)，通過(guò)隔離變壓器取樣輸出電壓，經(jīng)過(guò)整流濾波得到0～5 V的電壓輸出，電流遙測(cè)通過(guò)電流霍爾傳感器取樣輸出電流，得到遙測(cè)電壓值。電壓遙測(cè)和電流遙測(cè)值都將通過(guò)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(yáng)極單元和中和器觸持極電源的電流狀態(tài)遙測(cè)量，可以通過(guò)線性度較差的電流互感器取樣輸出電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)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)的處理控制。

3 電路測(cè)試及結(jié)果

對(duì)電源處理單元實(shí)驗(yàn)電路的性能參數(shù)主要測(cè)試了電源效率和輸出電壓或電流的穩(wěn)定度。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)電路的測(cè)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(cè)試的，圖6、圖7給出了主要的屏柵電源和陽(yáng)極電源效率測(cè)試曲線。屏柵電源測(cè)試了在不同輸出電流下的效率，陽(yáng)極電源測(cè)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(cè)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)，效率將減低。陽(yáng)極電源在輸出電流為4 A，負(fù)載電阻為8Ω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(cè)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6 屏柵電源效率測(cè)試曲線Fig.6 Curve of the beam source efficiency

圖7 陽(yáng)極電源效率測(cè)試曲線Fig.7 Curve of the anode source efficiency

4 結(jié) 論

隨著電推進(jìn)技術(shù)在航天器上的廣泛應(yīng)用，促使了電源處理單元技術(shù)的不斷發(fā)展。由于不同類(lèi)型的推力器，及推力器功率大小對(duì)電源處理單元的要求也各不相同。所以電源處理單元的設(shè)計(jì)怎么適應(yīng)多種狀態(tài)的推力器要求，如何取得更高的轉(zhuǎn)換效率及產(chǎn)品的小型化都是電源處理單元技術(shù)發(fā)展需要解決的問(wèn)題。

由于電推進(jìn)系統(tǒng)的特殊性，電源處理單元的供電負(fù)載為推力器，它需要不同功能的多種電源共同組合工作才能保證電推進(jìn)系統(tǒng)的正常工作。所以一個(gè)性能優(yōu)異，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔的電源處理單元必須在深入分析推力器的特性要求，再結(jié)合電源技術(shù)的優(yōu)化和創(chuàng)新應(yīng)用進(jìn)行產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)。

目前針對(duì)大功率電推進(jìn)系統(tǒng)電源處理單元的設(shè)計(jì)，主要采用模塊化的設(shè)計(jì)構(gòu)架，模塊化的設(shè)計(jì)可以使電源靈活配置為最大或最小的模塊數(shù)，以滿(mǎn)足最大或最小的推力控制要求。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(guó)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[6]。

[1]魏延明.電推進(jìn)技術(shù)、空間應(yīng)用與中國(guó)發(fā)展戰(zhàn)略[C]//航天推進(jìn)的現(xiàn)在與未來(lái)專(zhuān)題研討會(huì)論文集，2002.

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