1.5 kW級磁聚焦霍爾推力器陽極電源設(shè)計

杜建華，趙蘭，王立偉，王彬磊，周世安，王均，馬皓

（1.北京控制工程研究所，北京 100190；2.浙江大學(xué)，杭州 310058）

1.5 kW級磁聚焦霍爾推力器陽極電源設(shè)計

杜建華1，趙蘭1，王立偉1，王彬磊1，周世安1，王均2，馬皓2

（1.北京控制工程研究所，北京 100190；2.浙江大學(xué)，杭州 310058）

介紹了1.5 kW級磁聚焦霍爾推力器陽極電源的設(shè)計，針對電源輸入輸出電壓寬范圍、高升壓比的特點，設(shè)計了變壓器原邊并聯(lián)，副邊串聯(lián)的雙變壓器結(jié)構(gòu)；為了提高效率，分析了滯后臂實現(xiàn)軟開關(guān)的實現(xiàn)條件；為了抑制整流二極管反向恢復(fù)的電壓尖峰，變壓器原邊使用了兩個鉗位二極管且在變壓器副邊采用了CDD無損吸收電路。針對霍爾推力器負(fù)載特點，設(shè)計了雙零點三極點補(bǔ)償器，提高了電源的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性。最后，給出了產(chǎn)品實物及濾波單元原理并驗證了方案的合理性。

1.5 kW；磁聚焦霍爾；電源處理單元；陽極電源；濾波單元

0 引 言

隨著航天技術(shù)的飛速發(fā)展，電推進(jìn)以其高比沖、低重量的優(yōu)勢成為了航天器尤其是深空探測器上的關(guān)鍵技術(shù)[1-2]。其中，電源處理單元是電推進(jìn)系統(tǒng)的主要組成部分，它是復(fù)雜的二次電源變換設(shè)備，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、可靠工作的根本[3]。

國外對于1.5 kW量級霍爾推力器電源系統(tǒng)的設(shè)計和可靠性研究起步較早，已經(jīng)做了大量的工作。荷蘭的Primex航空公司設(shè)計了適用于BPT系列的霍爾推力器的功率處理單元并成功發(fā)射，每個陽極功率轉(zhuǎn)換器能夠提供從1～2.5 kW的輸出功率。隨后對該電源系統(tǒng)進(jìn)行了一系列的改進(jìn)，例如簡化了針對陰極加熱器、觸持級的轉(zhuǎn)換器設(shè)計等[4]。比利時的Alcatel公司設(shè)計了1.6 kW的系列的放電電源，該電源的放電特性可以兼容Snecma PPS-1350和Fakel SPT-100霍爾推力器。在額定工況下，當(dāng)總線電壓為50 V時，效率為91.6%；總線電壓為100 V時，效率為92.4%。該電源可以兼容50 V或100 V的穩(wěn)定輸入電源總線，質(zhì)量為10.4 kg，電源尺寸長度為390 mm，寬度為190 mm，高度為186 mm，在Smart-1上的飛行時間為2 300 h[5]。2005年，MELCO公司針對200 mN的霍爾推力器，開始設(shè)計PPU工程模型。PPU EM寬為460 mm，長為333 mm，高為91 mm，總質(zhì)量為10.3 kg。PPU EM的陽極效率在250 V和350 V時超過93%，輸出功率在1.75～4.5 kW之間[6]。NASA路易斯研究中心的John等研究了一種針對霍爾推力器的新型供電模式——直接驅(qū)動模式。在該系統(tǒng)里，將電推力器與電源直接連接，尤其是一個太陽能陣列，PPU中的一個或多個電源可被取消，這樣可在一定程度上，減少PPU的重量和體積，節(jié)約成本。在最初的實驗中，霍爾推力器T-160直接由太陽能電池陣列供電而工作，其太陽能電池陣列的輸出電壓約250 V，功率峰值達(dá)1 kW[7]。文獻(xiàn)[8-9]分別給出了歐洲和NASA GRC在霍爾推力器電源處理單元的最新研究成果，隨著SiC等新器件的應(yīng)用，PPU的效率、功率密度等性能得到了較大提升，其中ESA PPU NG轉(zhuǎn)換效率接近96%（400 V/4.8 kW輸出），GRC 120 V母線產(chǎn)品效率接近95%（400 V/8 kW輸出）。文獻(xiàn)[10]給出了北京控制工程研究所5 kW電源處理單元的研究進(jìn)展，采用了全數(shù)字控制電源技術(shù)、高效率諧振變換技術(shù)及SiC、平板變壓器等技術(shù)，陽極電源轉(zhuǎn)換效率大于97%。

電源處理單元的核心是陽極電源，而陽極電源的兩個重要性能是與推力器的匹配性、轉(zhuǎn)換效率。根據(jù)推力器負(fù)載特點，要求陽極電源在輸入電壓范圍寬、輸出電壓范圍寬的情況下能夠正常啟動并穩(wěn)定工作；同時，保證低壓大電流啟動時的動態(tài)特性，且在高壓工作時穩(wěn)定性好、效率高，并能夠抑制惡劣的脈沖型負(fù)載擾動。

本文詳細(xì)介紹了1.5 kW級磁聚焦霍爾推力器陽極電源的設(shè)計，首先基于高效率的要求進(jìn)行主功率電路優(yōu)化，接著設(shè)計了高性能控制器，最后，給出了產(chǎn)品實物及測試結(jié)果。

1 陽極電源設(shè)計

陽極電源的輸入電壓90～110 V為衛(wèi)星母線的標(biāo)準(zhǔn)輸入電壓，根據(jù)EH1350（HEP-100MF）磁聚焦推力器的特性及PPU與推力器的聯(lián)試情況，考慮到推力器點火和穩(wěn)態(tài)工作兩種工況，低電壓點火可降低點火瞬間的電流沖擊，高電壓工作可盡可能提高推力器的比沖，因此設(shè)置陽極電源的輸出電壓在168 V、368 V兩檔可任意切換，輸出額定功率1 500 W。所設(shè)計陽極電源的基本架構(gòu)如圖 1所示，輸入電壓Vin經(jīng)過輸入濾波器后，通過全橋變換器進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，其輸出電壓Vo再經(jīng)過濾波單元與推力器相接。陽極電源的設(shè)計重點在于全橋DC/DC變換器的設(shè)計。

圖1 陽極電源框圖Fig.1 Block diagram of anode power

2.1 主電路設(shè)計

移相全橋電路廣泛地應(yīng)用在中大功率電源場合，尤其適用于輸入、輸出電壓范圍寬的場合[11-13]，其主要優(yōu)點體現(xiàn)在開關(guān)器件電壓電流應(yīng)力小、轉(zhuǎn)換效率高、EMI性能好。移相全橋軟開關(guān)是利用開關(guān)管兩端結(jié)電容、諧振電容、變壓器漏感、諧振電感發(fā)生諧振，從而使4個開關(guān)管實現(xiàn)軟開關(guān)。這種拓?fù)洳粌H結(jié)構(gòu)簡單，開關(guān)器件應(yīng)力小于全橋硬開關(guān)，而且減小了開關(guān)損耗，進(jìn)一步提高功率密度和開關(guān)頻率。但是，傳統(tǒng)的移相全橋主要適用于降壓型應(yīng)用，對于升壓型要求，主要依靠變壓器來實現(xiàn)升壓作用，較大的變壓器變比必然導(dǎo)致變壓器漏感的增加，進(jìn)而引起較大的占空比丟失，同時導(dǎo)致變壓器的整流二極管出現(xiàn)較高的電壓應(yīng)力。

在電壓升壓較高的場合，針對變壓器的匝比過高，原邊繞組電流過大，整流二極管的電壓應(yīng)力過高等問題，本文設(shè)計了雙變壓器的電路結(jié)構(gòu)，變壓器原邊繞組并聯(lián)使用，副邊電壓整流后串聯(lián)，如圖 2所示。這種方式能夠使二極管的電壓應(yīng)力減為傳統(tǒng)移相全橋二極管電壓應(yīng)力的一半，這對二極管選型非常重要。

圖2 全橋變換器結(jié)構(gòu)Fig.2 Full bridge converter topology

對于空間電源的特殊應(yīng)用場合，結(jié)構(gòu)緊湊，散熱條件差，如果不采用合理的軟開關(guān)和控制技術(shù)，則開關(guān)損耗大。開通時，開關(guān)器件的電流上升和電壓下降同時進(jìn)行；關(guān)斷時，電壓上升和電流下降同時進(jìn)行。電壓、電流波形的交疊產(chǎn)生了開關(guān)損耗，該損耗隨開關(guān)頻率的提高而急速增加，電磁干擾嚴(yán)重。隨著頻率提高，電路中的di/dt和dv/dt增大，從而導(dǎo)致電磁干擾（EMI）增大，影響電源本身和周圍電子設(shè)備的工作。因此，軟開關(guān)和控制回路的設(shè)計是保證電源高性能穩(wěn)定工作的重要研究內(nèi)容。

2.2 軟開關(guān)實現(xiàn)條件

移相全橋變換器為實現(xiàn)高效率轉(zhuǎn)換，最重要的一點是能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)，而滯后臂開關(guān)管的實現(xiàn)尤為困難，尤其當(dāng)隔直電容容值較小時，將導(dǎo)致變壓器續(xù)流電流較小，滯后臂軟開關(guān)實現(xiàn)條件比較嚴(yán)格[14]，圖 3是滯后臂軟開關(guān)諧振過程，需要滿足諧振能量及諧振時間。

圖3 滯后臂軟開關(guān)諧振過程Fig.3 Soft switching resonant process of lagging arm

1）開關(guān)管關(guān)斷前，諧振電感需要滿足式為

2）開通信號必須在開關(guān)漏源電壓諧振到0之后出現(xiàn)，同時要在諧振電感電流反向之前開通，該過程諧振時間為

其中：i（t）是開始諧振前的電流。

2.3 整流二極管電壓尖峰問題

影響移相全橋變換器性能的另一個因素是整流二極管關(guān)斷時刻的硬恢復(fù)問題，當(dāng)變壓器整流二極管由續(xù)流狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎鳡顟B(tài)時，存在兩個二極管的關(guān)斷，兩端電壓上升，而關(guān)斷二極管的結(jié)電容與變壓器漏感必然存在諧振過程，從而導(dǎo)致二極管兩端關(guān)斷時的電壓尖峰，等效電路如圖 4所示。

圖4 整流二極管尖峰產(chǎn)生等效電路Fig.4 Rectifier diode peak generates equivalent circuit

圖5是CDD吸收電路[15]，當(dāng)整流二極管關(guān)斷時，二極管兩端的電壓尖峰由于變壓器漏感與二極管結(jié)電容諧振，使得二極管兩端的電壓出現(xiàn)尖峰。當(dāng)二極管兩端電壓上升到超過輸出濾波電容的電壓時，二極管Dc導(dǎo)通，電容Cs與Cf一同參與變壓器漏感與二極管結(jié)電容的諧振過程，從而抑制諧振電壓峰值。

當(dāng)二極管的反向恢復(fù)過程結(jié)束后，二極管兩端電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)值nUin，電容Cs與二極管Df結(jié)電容一起承受電壓nUin，Dc阻斷。

當(dāng)二極管由整流狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槔m(xù)流狀態(tài)時，電容Cs通過二極管Df放電，將吸收的能量傳遞到副邊，從而有效實現(xiàn)吸收電路的無損功耗。

圖5 CDD吸收電路及吸收過沖尖峰機(jī)理Fig.5 CDD absorption circuit and overshoot peak mechanism

通過以上措施，使得整流二極管電壓尖峰得到了極大的抑制；同時，電壓尖峰中的能量也得到了利用，從而提高了電源效率。

2 控制器設(shè)計

移相全橋變換器的拓?fù)涫且环N帶隔離變壓器的Buck類變換器，但是由于移相全橋存在占空比丟失的問題，兩者的小信號模型并不能等同。關(guān)于移相全橋變換器的小信號模型建模，國外已經(jīng)有學(xué)者做過相關(guān)工作[16]，文獻(xiàn)給出了占空比到輸出的傳遞函數(shù)為

表1給出了陽極電源功率電路的基本參數(shù)，以額定輸入電壓和額定輸出電壓作為環(huán)路設(shè)計參數(shù)。

推力器點火是陽極電源輸出從低壓空載到低壓大電流的過程，這過程要求陽極電源輸出電壓跌落低。當(dāng)輸出電壓從低壓檔切換到高壓檔時，需要控制陽極電源輸出的電壓過沖、降低調(diào)節(jié)時間。因此，為滿足這些要求，需要設(shè)計較高帶寬的控制器。而通過設(shè)計傳統(tǒng)的PI補(bǔ)償器很難滿足條件，所以采用了雙零點三極點補(bǔ)償器[17]，如圖 6所示。

表1 陽極電源電路參數(shù)Table 1 Anode power circuit parameter

圖6 雙零點三極點補(bǔ)償器Fig.6 Double zero three pole compensator

傳遞函數(shù)為

零點為

極點為

設(shè)計R1= 24 k，R2= 6.2 k，R3= 1 k，C1= 100 nF，C2=C3= 22 nF。對應(yīng)零點fz1= 260 Hz，fz2= 300 Hz，對應(yīng)極點為fp1= 0，fp2= 7 200 Hz，fp3= 1 167 Hz。則補(bǔ)償后系統(tǒng)的開環(huán)伯德圖如圖 7所示，可以得到相角裕度：ψ = 49°，幅值裕度h= 20 dB，穿越頻率946 Hz，滿足穩(wěn)定裕度要求。

圖7 補(bǔ)償后環(huán)路伯德圖Fig.7 Compensated Bode diagram

3 研制及驗證情況

1.5 kW級磁聚焦霍爾推力器PPU自2012.12開始研制，歷經(jīng)原理樣機(jī)、電性件、鑒定件、飛行件4個階段，產(chǎn)品于2016年3月完成鑒定試驗，2016年11月完成搭載飛行驗證。

陽極電源基于模擬控制芯片UC1875實現(xiàn)，為滿足與推力器的匹配，實現(xiàn)低壓可靠點火和高壓穩(wěn)態(tài)放電，陽極電源輸出電壓分成低壓檔（168 V）和高壓檔（368 V）兩檔，并設(shè)計了雙零點三極點補(bǔ)償器?？刂齐娐酚瑟毩⒌妮o助電源供電，輔助電源采用成熟的單端反激+5 V/+12 V/-12 V三路輸出電源。為保證產(chǎn)品安全，設(shè)計了過壓、過流、短路等保護(hù)電路。為滿足EMC要求，在陽極電源的輸入端、輸出端均設(shè)置了EMI濾波電路。此外，為了抑制推力器放電電流振蕩，在陽極電源輸出端還設(shè)置了專用濾波單元（Filter Unit，F(xiàn)U），F(xiàn)U由II級LC低通濾波器組成。為了滿足大功率電源散熱需求，陽極電源模塊安裝在PPU底座，且功率器件均直接安裝在底座上。下圖給出了陽極電源模塊實物，尺寸為300 mm × 200 mm × 40 mm，重量為2.95 kg。

圖8 1.5 kW陽極電源模塊實物Fig.8 1.5 kW anode power module

為了驗證性能及與推力器的匹配性，產(chǎn)品各階段均開展了相關(guān)性能測試及與推力器的聯(lián)合試驗，產(chǎn)品點火可靠性、穩(wěn)定性、故障保護(hù)、效率以及力、熱、EMC等性能得到了充分驗證。

圖9給出了陽極電源滿載輸出時變壓器原邊電流波形（1/4原邊電流），可以看出，電流波形穩(wěn)定無波動，電路穩(wěn)定可靠。

圖9 1.5 kW陽極電源變壓器原邊電流波形Fig.9 Primary side current of 1.5 kW anode power module

圖10是當(dāng)輸入90 V、100 V和110 V三個不同電壓時，陽極電源效率與輸出功率的曲線圖，可以看出，在比較大的工作范圍內(nèi)，效率大于94%，最高點在額定的1.5 kW功率，效率為95.3%，驗證了所設(shè)計電路的合理性。

圖10 1.5 kW陽極電源效率曲線圖注：圖中的效率數(shù)據(jù)不包含輔助電源、浪涌電流抑制、EMI濾波的損耗。Fig.10 1.5 kW Efficiency curve of anode power

用于匹配陽極電源與推力器的濾波單元電路原理及PPU、FU、推力器的連接示意如圖 11所示。

圖12給出了與EH1350（HEP-100MF）推力器真實點火過程的關(guān)鍵波形圖。

可以看出，點火過程過渡平穩(wěn)可靠，陽極電源動態(tài)特性好；同時，F(xiàn)U對發(fā)動機(jī)振蕩電流起到了很好的抑制作用，降低了PPU端電壓電流應(yīng)力。

圖11 濾波單元（FU）電路原理Fig.11 FU circuit schematic

圖12 點火過程關(guān)鍵波形（注：CH1：推力器端陽極電流；CH2：PPU端陽極電流；CH3：推力器端陽極電壓；CH4：PPU端陽極電壓）Fig.12 Key waveform of electric fire process

4 結(jié) 論

本文詳細(xì)介紹了1.5 kW陽極電源的設(shè)計，針對電源輸入輸出電壓寬范圍、升壓比高的特點，設(shè)計了雙變壓器結(jié)構(gòu)，變壓器原邊繞組并聯(lián)，副邊電壓整流后串聯(lián)的結(jié)構(gòu)。為了提高系統(tǒng)效率，分析并給出了滯后臂實現(xiàn)軟開關(guān)的條件。同時，變壓器原邊使用了兩個鉗位二極管且副邊整流二極管采用了CDD無損吸收電路，抑制了整流二極管反向恢復(fù)的尖沖。接著，針對推力器負(fù)載特點，設(shè)計了雙零點三極點補(bǔ)償器，提高電源的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性。最后，給出了產(chǎn)品實物、電流波形、效率曲線及與推力器真實點火過程波形，驗證了設(shè)計的合理性，該電源已經(jīng)于2016年成功應(yīng)用于“實踐17”衛(wèi)星的磁聚焦霍爾推力器搭載任務(wù)中，在軌工作性能滿足設(shè)計要求，未來可應(yīng)用于同步軌道通訊衛(wèi)星等電推進(jìn)系統(tǒng)中。

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Design of 1.5 kW-Level Anode Power Supply for Magnetic Focusing Hall Thruster

DU Jianhua1，ZHAO Lan1，WANG Liwei1，WANG Binlei1，ZHOU Shian1，WANG Jun2，MA Hao2
（1.Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China；2.Zhejiang University，Hangzhou 310058，China）

In this paper，according to features of the wide range and high step-up ratio，a topology of parallel primary and serial secondary is developed for 1.5 kW-level anode power supply of magnetic focusing Hall thruster.In order to improve the efficiency，the condition of phase shifted lag bridge soft switch is analyzed.To restrain the backward recovery voltage spike of the rectifier diode，two clamping diodes in primary and CDD Lossless absorption in secondary are designed.In addition，according to the load feature of Hall thruster，a controller of double-zero and three-pole is designed to improve the dynamics and stability of the power.At last，the rationality of the design is verified by tests.It will provide strong support for future engineering applications.

1.5 kW；magnetic focusing Hall；power processing unit；anode power supply；FU

V242.4+3

A

2095-7777（2017）03-0258-06

[責(zé)任編輯：楊曉燕，英文審校：朱魯青]

10.15982/j.issn.2095-7777.2017.03.009

杜建華，趙蘭，王立偉，等.1.5 kW級磁聚焦霍爾推力器陽極電源設(shè)計[J].深空探測學(xué)報，2017，4（3）：258-263.

Reference format：Du J H，Zhao L，Wang L W，et al.Design of 1.5 kW-level anode power supply for magnetic focusing Hall thruster[J].Journal of Deep Space Exploration，2017，4（3）：258-263.

2017-03-15

2017-05-10

杜建華（1979- ），男，高級工程師，主要研究方向：星載數(shù)字電源技術(shù)、高效率軟開關(guān)變換技術(shù)、電推進(jìn)PPU。

通信地址：北京2729信箱18分箱（100190）

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