大功率離子推力器屏柵電源拓?fù)浼夹g(shù)進(jìn)展與展望

武桐 翟浩 武榮 王其崗 王少寧

(蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000)

大功率離子推力器屏柵電源拓?fù)浼夹g(shù)進(jìn)展與展望

武桐 翟浩 武榮 王其崗 王少寧

(蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000)

將離子推力器電源處理單元(PPU)的屏柵電源拓?fù)渥鳛檠芯繉?duì)象，從電推進(jìn)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)出發(fā)，介紹了國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展和應(yīng)用情況。主要就目前屏柵電源所用到的雙全橋并聯(lián)拓?fù)?、全橋諧振變換器、推挽變換器組成的組合變換器拓?fù)浜腿珮蜍涢_(kāi)關(guān)拓?fù)溥M(jìn)行論證分析，歸納了各屏柵電源拓?fù)涞募夹g(shù)特點(diǎn)，最后結(jié)合我國(guó)今后PPU屏柵電源的發(fā)展需求，對(duì)屏柵電源新技術(shù)、新拓?fù)浜凸β柿考?jí)等3方面作出展望，可為今后研制超大功率PPU屏柵電源提供研究方向與技術(shù)參考。

電推進(jìn)；離子推力器；屏柵電源；高壓大功率

1 引言

電推進(jìn)的高比沖優(yōu)勢(shì)可以有效降低航天器系統(tǒng)的質(zhì)量、提高航天器壽命、增加有效載荷，與傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)方式相比，電推進(jìn)可以大幅減小推進(jìn)劑工質(zhì)質(zhì)量，適合于長(zhǎng)壽命、大功率通信衛(wèi)星和深空探測(cè)器等飛行總沖量大的飛行任務(wù)。

電推進(jìn)系統(tǒng)由推力器、電源處理單元(PPU)、推進(jìn)劑儲(chǔ)供系統(tǒng)(XFS)和數(shù)字控制單元(DCIU)4部分組成，其中PPU具備功率變換、接收指令執(zhí)行各路輸出的開(kāi)關(guān)、各路電源輸出電壓及電流的遙測(cè)和故障保護(hù)功能，是電推進(jìn)系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠工作的基礎(chǔ)。隨著電推進(jìn)任務(wù)類(lèi)型逐漸擴(kuò)展，推力器功率不斷提升，對(duì)PPU性能也有了更高要求[1]。在離子推力器PPU中，屏柵電源(Beam Supply)占PPU功率的80%以上，因此屏柵電源是高效率、高功率密度PPU設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

從美國(guó)“深空一號(hào)”離子推力器成功應(yīng)用以來(lái)，美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)已在電推進(jìn)研究方面取得較大進(jìn)展，屏柵電源也經(jīng)過(guò)多次技術(shù)突破，實(shí)現(xiàn)了高效率、小型化設(shè)計(jì)并成功應(yīng)用，其電路多使用軟開(kāi)關(guān)全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有效提升高壓大功率環(huán)境下的工作指標(biāo)。我國(guó)的電推進(jìn)技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入以實(shí)踐十三號(hào)衛(wèi)星為代表的工程應(yīng)用階段，隨著電推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，對(duì)屏柵電源的工作指標(biāo)要求也會(huì)更高。

本文結(jié)合離子推力器屏柵電源的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，與我國(guó)現(xiàn)有屏柵電源進(jìn)行比較與分析，結(jié)合二次電源最新技術(shù)，對(duì)屏柵電源的發(fā)展需求和發(fā)展策略進(jìn)行了論述。

2 電推進(jìn)應(yīng)用概述

電推進(jìn)應(yīng)用于航天器位置保持、軌道轉(zhuǎn)移、姿態(tài)控制和動(dòng)量輪卸載任務(wù)，目前國(guó)際上以靜電式的離子電推進(jìn)和霍爾電推進(jìn)為主。

美、德、英、日等國(guó)已在通信、深空探測(cè)等任務(wù)成功應(yīng)用電推進(jìn)技術(shù)。從美國(guó)最初的由太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)應(yīng)用(Solar-Electric-Power Technology Application Readines ,NSTAR)任務(wù)而研制的“深空一號(hào)”離子推力器開(kāi)始，各國(guó)相繼推出電推力器，如美國(guó)氙離子推進(jìn)項(xiàng)目(NASA’s Evolutionary Xenon Thruster Project, NEXT)、核電氙離子電推進(jìn)系統(tǒng)(NEXIS)、HiPEP離子推力器、日本離子發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)-12(IES-12)、英國(guó)齊耐提克公司離子-T5(Ion-T5)、Ion-T6離子推力器、勞拉公司靜態(tài)等離子體-100(SPT-100)霍爾推力器以及美國(guó)正在廣泛應(yīng)用的氙離子推進(jìn)系統(tǒng)-13(XIPS-13)、XIPS-25，進(jìn)而發(fā)展出全電推衛(wèi)星平臺(tái)，如美國(guó)波音公司(BSS)研制的將XIPS-25作為推力器的BSS-702SP平臺(tái)，德國(guó)OHB公司、ESA與歐洲衛(wèi)星公司(SES)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的Electra平臺(tái)。

2012年，蘭州空間技術(shù)物理研究所的離子電推進(jìn)系統(tǒng)和上?？臻g技術(shù)研究所研制的霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)在實(shí)踐-9A(SJ-9A)衛(wèi)星上進(jìn)行了首次飛行試驗(yàn)，均為1kW等級(jí)PPU，主要功能是為衛(wèi)星南北位置保持的電推進(jìn)系統(tǒng)供電。2017年4月，我國(guó)自主研制的LIPS-200離子電推進(jìn)系統(tǒng)搭載我國(guó)首顆高通量通信衛(wèi)星實(shí)踐十三號(hào)發(fā)射成功，這是我國(guó)首次將電推進(jìn)技術(shù)作為衛(wèi)星動(dòng)力正式使用，LIPS-300離子電推進(jìn)系統(tǒng)也在東方紅五號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)以及新技術(shù)驗(yàn)證四號(hào)(XY-4)衛(wèi)星上成功應(yīng)用。

總體而言，離子推力器功率正在從NSTAR的3 kW級(jí)向NEXT的8 kW、NEXIS的20 kW和HiPEP的50 kW擴(kuò)展[2]，在離子推力器高功率、長(zhǎng)壽命、高可靠、高比沖的發(fā)展趨勢(shì)下，對(duì)PPU工作指標(biāo)也有了更高要求，同時(shí)作為PPU的核心部件，屏柵電源也必須在功率密度、效率等指標(biāo)上有所提高。我國(guó)已具備亞千瓦級(jí)霍爾和千瓦級(jí)離子推進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)，但仍在電源功率密度、輸出功率、效率、高壓元器件和可靠性等方面與國(guó)外領(lǐng)先水平有一定差距[3]。為滿(mǎn)足空間技術(shù)發(fā)展需求，我國(guó)必須大力發(fā)展大功率電推進(jìn)系統(tǒng)，提高PPU效率，推動(dòng)大功率電推進(jìn)技術(shù)進(jìn)步。

3 離子推力器PPU屏柵電源技術(shù)研究現(xiàn)狀

PPU的功能是將航天器的母線(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換為推力器啟動(dòng)、工作所需的各種電壓和電流，同時(shí)具備故障保護(hù)與恢復(fù)功能，可以接收上位機(jī)(星載CPU)指令執(zhí)行開(kāi)關(guān)機(jī)動(dòng)作，并可將PPU運(yùn)行數(shù)據(jù)以遙測(cè)的形式發(fā)送給上位機(jī)。典型的離子推力器PPU由屏柵電源、加速電源、陽(yáng)極電源、陰極和加熱電源、陰極點(diǎn)火電源、中加熱電源、中觸持極電源以及中點(diǎn)電源等組成[4]。

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[5]：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1600 ℃，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)火電源和中和器陰極點(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于離子光學(xué)組件供電，對(duì)放電室內(nèi)被電離的氙離子(Xe+)進(jìn)行聚焦、加速和引出，從而產(chǎn)生推力。

PPU中的高壓電源就是由屏柵電源輸出，并且其輸出功率占PPU總功率的 80% 以上，因此，屏柵電源是PPU設(shè)計(jì)的關(guān)鍵及核心[5-7]。

3.1屏柵電源技術(shù)進(jìn)展

3.1.1 “深空一號(hào)”離子推力器屏柵電源

“深空一號(hào)”專(zhuān)門(mén)針對(duì)美國(guó)NASA太陽(yáng)電能技術(shù)試用發(fā)動(dòng)機(jī)(Solar-Electric Power Technology Application Readiness，NSTAR)項(xiàng)目而研制，PPU功率等級(jí)2.3 kW，由NASA格林研究中心(GRC)負(fù)責(zé)研制。受PPU工作環(huán)境及性能的要求，NSTAR屏柵電源占整個(gè)PPU功率的85%[8]，其拓?fù)淙鐖D1所示，選用非諧振全橋變換器的優(yōu)勢(shì)，在于利用變壓器漏感與電容充放電減小串聯(lián)電感，峰值電流控制模式有效限制過(guò)流并提供短路保護(hù)。

圖1 NSTAR屏柵電源結(jié)構(gòu) Fig.1 Topology structure of beam supply for NSTAR

為解決寬動(dòng)態(tài)范圍和高功率要求，NSTAR屏柵電源選取了非諧振全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示，屏柵電源包含4個(gè)獨(dú)立電源模塊，每個(gè)電源模塊的輸入80 V，輸出300 V，NSTAR的PPU功率密度為4.8 kg/kW，在2.5 kW輸出功率時(shí)的效率為92%，0.6 kW輸出功率時(shí)的效率降為83%[9]。

全橋拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、器件少，有利于減輕電源質(zhì)量和體積。然而，其開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷為硬開(kāi)關(guān)控制，在大功率應(yīng)用場(chǎng)合影響PPU效率，增加散熱難度。

3.1.2 NEXT離子推力器屏柵電源

為了滿(mǎn)足土星觀(guān)測(cè)器、海王星軌道飛行器、彗星取樣返回航天器以及金星取樣返回航天器等深空探測(cè)任務(wù)的需要，NASA提出了對(duì)5～10 kW等級(jí)離子PPU的需求[10]，由此提出了NEXT項(xiàng)目，NEXT推力器目前還在地面試驗(yàn)階段，尚未進(jìn)行在衛(wèi)星上進(jìn)行試驗(yàn)。

NEXT屏柵電源采用移相/脈寬調(diào)制(PWM)混合控制雙全橋變換器拓?fù)?，每個(gè)模塊原邊由兩個(gè)全橋電路并聯(lián)組成，副邊由二極管整流，原邊電路如圖2所示[11]，每個(gè)整流橋的開(kāi)關(guān)頻率限定在50 kHz，整流器輸出端的開(kāi)關(guān)頻率為100 kHz。

圖2 NEXT推力器屏柵電源單模塊原邊拓?fù)浜?jiǎn)化圖Fig.2 Simplified schematic of single beam supply

在移相控制模式下，所有金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)開(kāi)關(guān)管在50%占空比下工作，通過(guò)調(diào)節(jié)柵極A、柵極C或柵極B、柵極D之間的移相角實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)。當(dāng)變壓器原邊整流橋開(kāi)關(guān)相位逐漸偏離時(shí)，輸出電壓降低，當(dāng)MOSFET開(kāi)關(guān)相位差180°，副邊二極管整流橋并聯(lián)輸出，變換器轉(zhuǎn)為脈寬調(diào)制(PWM)模式。PWM模式下，雙全橋并聯(lián)運(yùn)行，適合于輸出較小電壓(<1000 V)，但隨之而來(lái)的輸出電流也會(huì)呈兩倍幅值上升，增加損耗。兩種模式下的MOSFET柵極電壓時(shí)序情況分別見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 移相控制模式下MOSFET柵極電壓時(shí)序Fig.3 Phase-shift modulation gate drives

圖4 PWM控制模式下MOSFET柵極電壓時(shí)序Fig.4 Pulse-width modulation gate drives

屏柵電源由4個(gè)模塊并聯(lián)組成，單模塊輸出功率為1.1 kW，PPU組件外形尺寸為409 mm×511 mm×203 mm，總重15 kg，功率密度3.0 kg/kW，最高效率96.9%[12-15]，圖5表示當(dāng)輸出功率分別為1.0 kW和0.3 kW時(shí)NEXT屏柵電源的工作效率。移相/PWM混合控制充分發(fā)揮了移相和PWM兩種控制方式的特點(diǎn)。在移相控制下，輸出電壓高于變壓器電壓；在PWM控制下，輸出電壓低于變壓器電壓，極大地減小了輸出電感的體積和質(zhì)量。在移相控制時(shí)，負(fù)載電流由2個(gè)橋共同均流，以減小傳導(dǎo)損耗，提高效率[7]。

圖5 不同輸入電壓下的屏柵電源效率曲線(xiàn)Fig.5 Beam supply efficiency curve of different Vin

3.1.3 XIPS離子推力器

在上一代NSTAR離子推力器的成功應(yīng)用基礎(chǔ)上，NASA研制出XIPS系列離子推力器，其性能和成本較上一代產(chǎn)品均有很大優(yōu)化。XIPS-25(屏柵直徑25 cm)推力器的原理樣機(jī)在1980—1990年期間于休斯研究中心(HRL)研制成功，XIPS-13(屏柵直徑13 cm)推力器在1990年開(kāi)始研究并于1997年作為正式產(chǎn)品上星應(yīng)用[16]。25 cm推力器在13 cm推力器基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，包括加入穩(wěn)定推力器輸出的反饋控制，提高了PPU電源管理性能，優(yōu)化結(jié)構(gòu)并降低了制造成本，PPU原理樣機(jī)見(jiàn)圖6[17-18]。

圖6 25 cm的XIPS離子推力器電源處理單元Fig.6 Photograph of 25cm XIPS power supply

XIPS推力器發(fā)展至今，已有10個(gè)HS-702平臺(tái)的40個(gè)XIPS推力器成功應(yīng)用。XIPS的性能相當(dāng)于兩臺(tái)NSTAR推力器同時(shí)運(yùn)行，其制造成本卻低于單個(gè)NSTAR推力器[16]。表1所示為XIPS-25的PPU額定運(yùn)行參數(shù)，各個(gè)功率等級(jí)下PPU運(yùn)行效率及其參數(shù)見(jiàn)圖7。

表1 XIPS-25的PPU額定運(yùn)行參數(shù)

圖7 XIPS-25屏柵電源效率曲線(xiàn)Fig.7 Beam supply efficiency curve of XIPS-25

3.1.4 阿斯特里姆(Astrium)公司離子推力器(MULTI-RANGE)屏柵電源

為滿(mǎn)足日益增加的電推進(jìn)應(yīng)用需求：ESA提出了姿軌控精確調(diào)整(LISA、DARWIN項(xiàng)目)、牽引補(bǔ)償(GOCE項(xiàng)目)和長(zhǎng)時(shí)間在軌運(yùn)行(Bepi-Colombo項(xiàng)目)的技術(shù)需求[19]。由此，寬范圍(MULTI-RANGE)高壓電源模塊(High Voltage Power Supply，HVPS)作為屏柵電源得以提出。

MULTI-RANGE設(shè)計(jì)目標(biāo)是在可變輸入電壓下提供最高效功率變換，拓?fù)湓O(shè)計(jì)為單控制回路，其拓?fù)湟?jiàn)圖8，由兩組變換器組成。

主變換器采用諧振式DC/DC拓?fù)?，提?0%～90%的輸出電壓，次變換器使用推挽電路傳輸剩余電壓。推挽式變換器的輸入端直接與直流母線(xiàn)相連，輸出端與主變換器輸出端串聯(lián)。整體效率取決于主變換器，僅有少量功率需要經(jīng)次變換器變換[20]。諧振型DC/DC變換器的優(yōu)點(diǎn)在于：相比于傳統(tǒng)移相全橋變換器擁有更大的諧振能量；輕載及空載條件下效率高于串聯(lián)諧振變換器；可在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓(ZVS)軟開(kāi)關(guān)，提高變換器效率。然而，電感、電容等元件的引入會(huì)增加電源質(zhì)量，且控制實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜。

圖8 MULTI-RANGE拓?fù)銯ig.8 Block diagram of MULTI-RANGE converter

高壓電源(HVPS)的結(jié)構(gòu)由圖8所示的多個(gè)單模塊并聯(lián)構(gòu)成，為了提供全冗余系統(tǒng)帶載能力，模塊間采用內(nèi)部負(fù)載均流總線(xiàn)連接。

模塊工作指標(biāo)為1000 V、1.4 A，由2個(gè)1200 V碳化硅整流橋和2個(gè)串聯(lián)的濾波器組成，選用這兩種器件是為了在整流器或輸出端電容故障時(shí)保護(hù)輸出總線(xiàn)。屏柵電源模塊結(jié)構(gòu)是基于倒置的T型結(jié)構(gòu)所設(shè)計(jì)，由一個(gè)底盤(pán)和裝載2塊印制電路板(PCB)的中心框架組成，見(jiàn)圖9。兩塊PCB板分成功率板和信號(hào)板，目的是將功率部分與信號(hào)控制部分的電磁耦合降至最低[21]。

模塊的機(jī)械特性如下：①整個(gè)模塊包括底盤(pán)總重2.9 kg；②尺寸為底盤(pán)面積300 mm×96 mm，高160 mm。

圖9 HVPS模塊機(jī)械結(jié)構(gòu)Fig.9 Mechanical outline of a high voltage power supply module

HVPS的MULTI-RANGE運(yùn)行效率及損耗曲線(xiàn)見(jiàn)圖10[22]。

圖10 MULTI-RANGHE效率測(cè)試曲線(xiàn)Fig.10 Measured efficiency of MULTI-RANGHE module

從圖10中可以得到，模塊效率在功率700～1400 W時(shí)可達(dá)97%，功率密度為2 kg/kW。HVPS已經(jīng)成為電推進(jìn)分系統(tǒng)中功率組件與控制單元的核心部件，并且已成功應(yīng)用在了重力梯度及海洋環(huán)流探測(cè)衛(wèi)星(GOCE)和阿爾法衛(wèi)星平臺(tái)(Alpha-BUS)上。

3.1.5 國(guó)內(nèi)離子推力器PPU屏柵電源

針對(duì)PPU中的大功率電源，我國(guó)LIPS-300離子推力器屏柵電源采用在全橋功率變換的基礎(chǔ)上，實(shí)施零電壓零電流開(kāi)關(guān)(ZVZCS)移相全橋軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。通過(guò)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，減少開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗，提高產(chǎn)品效率，并減少開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力，提高了產(chǎn)品可靠性并改善電磁兼容(EMC)特性，通過(guò)產(chǎn)品測(cè)試效率達(dá)到了95%，達(dá)到了國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品先進(jìn)水平，其拓?fù)湟?jiàn)圖11[5]。

圖11 單模塊ZVZCS移相全橋軟開(kāi)關(guān)Fig.11 Schematic of single module ZVZCS phase-shift full-bridge DC/DC converter

我國(guó)LIPS-300離子推力器屏柵電源由4個(gè)模塊串聯(lián)得到1360 V輸出電壓，4 kW輸出功率，同時(shí)多串聯(lián)一個(gè)模塊(處于不工作狀態(tài))，實(shí)現(xiàn)模塊串聯(lián)的冗余設(shè)計(jì)，單模塊效率曲線(xiàn)見(jiàn)圖12。

圖12 移相全橋變換器效率測(cè)試曲線(xiàn)Fig.12 Efficiency of phase-shift full-bridge DC/DC converter curve

3.2幾種離子推力器PPU屏柵電源技術(shù)比較

綜合來(lái)看，NEXT屏柵電源雖然相比于HVPS在所運(yùn)用的拓?fù)浼翱刂品椒ㄉ仙燥@傳統(tǒng)，但優(yōu)勢(shì)也顯而易見(jiàn)：NEXT屏柵電源在拓?fù)鋸?fù)雜度低、體積質(zhì)量小、功率密度大的基礎(chǔ)上保證了高效率。國(guó)外離子推力器屏柵電源與我國(guó)屏柵電源的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)比較如表2所示。

表2 離子推力器PPU屏柵電源性能指標(biāo)比較

通過(guò)對(duì)比可以看出，歐美國(guó)家的屏柵電源研究工作較為成熟，在功率密度、效率等工作指標(biāo)上也具有一定優(yōu)勢(shì)。國(guó)外早于國(guó)內(nèi)十年開(kāi)始超大功率(5～10 kW)離子推力器電源處理單元的研究，而我國(guó)現(xiàn)有PPU功率僅在5 kW以?xún)?nèi)，因此，研究超大功率離子推力器PPU屏柵電源意義重大。

4 PPU屏柵電源拓?fù)浼夹g(shù)展望

針對(duì)屏柵電源的應(yīng)用環(huán)境，國(guó)際上主要采用適合于高壓大功率環(huán)境的全橋拓?fù)?，只是針?duì)不同的應(yīng)用需求，在控制方法和對(duì)拓?fù)涞母倪M(jìn)上有所區(qū)別，NEXT推力器屏柵電源采用雙全橋并聯(lián)拓?fù)?，在?fù)雜度和功率密度方面有優(yōu)勢(shì)，而HVPS采用全橋主變換器與推挽次變換器配合工作，在效率方面表現(xiàn)更為突出，我國(guó)自主研發(fā)的LIPS-200離子推力器PPU上采用的屏柵電源拓?fù)鋭t由兩組全橋硬開(kāi)關(guān)DC/DC 變換器串聯(lián)組成，LIPS-300在上一代全橋拓?fù)浠A(chǔ)上加入了軟開(kāi)關(guān)，其效率與國(guó)外先進(jìn)水平持平。目前對(duì)于超大功率(5～10 kw)離子推力器PPU屏柵電源，其拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)主要圍繞全橋軟開(kāi)關(guān)拓?fù)?，并且采用模塊化的設(shè)計(jì)構(gòu)架，使電源靈活配置為最大或最小模塊數(shù)，以滿(mǎn)足推力控制要求。

4.1技術(shù)需求

隨著高比沖、長(zhǎng)壽命和高功率密度的航天電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展，高壓大功率電源成為空間電源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，總結(jié)屏柵電源發(fā)展，表現(xiàn)出以下技術(shù)需求。

1)效率與功率密度的要求提高

大功率電源需要具備高效特性，減小熱控需求，提高功率密度，進(jìn)而增加衛(wèi)星平臺(tái)有效載荷，基于軟開(kāi)關(guān)控制的高壓電源能更好地滿(mǎn)足需求。

2)應(yīng)用功能拓展

電推進(jìn)由位置保持功能擴(kuò)展為兼具轉(zhuǎn)移軌道推進(jìn)、動(dòng)量輪卸載等功能，屏柵電源工作模式也應(yīng)多樣化以適應(yīng)更多應(yīng)用場(chǎng)景。

3)輸出電壓提高

離子推力器PPU屏柵電源已經(jīng)從1000 V發(fā)展到1500～1900 V，其功率也正在從3 kW向5～10 kW及更高功率等級(jí)發(fā)展，在電推進(jìn)技術(shù)不斷發(fā)展并成熟的過(guò)程中，也促進(jìn)了新型電力電子拓?fù)涞目臻g應(yīng)用。

4.2發(fā)展策略

結(jié)合本文調(diào)研的屏柵電源技術(shù)進(jìn)展及需求，提出以下發(fā)展策略。

1)采用高效率開(kāi)關(guān)電源拓?fù)?/p>

屏柵電源功率占PPU總輸出功率的80%以上，因此屏柵電源高效率運(yùn)行可以降低PPU工作熱損，減小熱控需求。原有屏柵電源采用硬開(kāi)關(guān)拓?fù)?，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但熱損較大，影響電路性能及可靠性，采用先進(jìn)的軟開(kāi)關(guān)控制的開(kāi)關(guān)電源拓?fù)淇梢杂行Ы档蛽p耗，提高電源效率和功率密度。

2)多模式輸出技術(shù)

為使推力器適應(yīng)不同工作任務(wù)和環(huán)境，推力器需要具備多模式輸出功能，就NEXT推力器為例，采用多模式輸出的屏柵電源，可以對(duì)推力器推力進(jìn)行靈活精確的控制。

3)采用組合變換器結(jié)構(gòu)

組合變換器可以在有效降低器件應(yīng)力的前提下提高輸出功率，減小輸出端紋波，與單模塊串聯(lián)結(jié)構(gòu)相比能夠提高功率密度，提高衛(wèi)星有效載荷。

4)提高電路耐壓性能

屏柵電源輸出電壓不斷提高，對(duì)電路在高壓大功率下的工作性能提出更高要求，這體現(xiàn)在功率器件耐壓性能方面以及高壓大功率電源制作工藝方面。

隨著屏柵電源指標(biāo)及控制復(fù)雜度的提高，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)用到屏柵電源控制電路的設(shè)計(jì)乃至整個(gè)PPU的設(shè)計(jì)中。數(shù)字電源可以集成系統(tǒng)中很多功能，特別是電源管理功能，例如電源時(shí)序管理、電壓/電流監(jiān)控、溫度監(jiān)測(cè)、參數(shù)調(diào)整和修改等功能，以及用于靈活的系統(tǒng)級(jí)控制和實(shí)時(shí)的故障診斷反饋[6]。在對(duì)電源的控制方面，用模擬芯片可能實(shí)現(xiàn)難度較大或根本不能實(shí)現(xiàn)，而用數(shù)字芯片可以完全實(shí)現(xiàn)而不需要額外的芯片，這種高集成度可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量，提高產(chǎn)品化水平和性能的一致性[4]。

5 結(jié)束語(yǔ)

美、德、英、日等國(guó)已在屏柵電源研究方面取得顯著進(jìn)展，以NASA為代表，其屏柵電源經(jīng)歷了兩次技術(shù)突破，NEXT推力器雙全橋并聯(lián)屏柵模塊采用的軟開(kāi)關(guān)拓?fù)?、多模式輸出以及空間環(huán)境下的高壓絕緣防護(hù)技術(shù)是這一領(lǐng)域最先進(jìn)的成果，德國(guó)MULTI-RANGE的主次變換器配合工作的屏柵電源設(shè)計(jì)，也有與前者接近的技術(shù)指標(biāo)，這些都為屏柵電源研究提供了很好的技術(shù)標(biāo)桿。

我國(guó)的電推進(jìn)技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入以實(shí)踐十三號(hào)衛(wèi)星為代表的工程應(yīng)用階段，未來(lái)發(fā)展前景廣闊，作為離子推力器PPU的核心技術(shù)，屏柵電源效率與功率密度是關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，其功率占PPU總輸出功率的80%以上，針對(duì)大功率場(chǎng)合應(yīng)用的屏柵電源，原有的拓?fù)鋼p耗大、功率密度低，下一步研究工作應(yīng)著眼于電路拓?fù)涞膭?chuàng)新，在可靠提升輸出電壓前提下采用全橋軟開(kāi)關(guān)拓?fù)?、具備多模式輸出功能、利用組合變換器結(jié)構(gòu)提升功率密度等技術(shù)途徑，滿(mǎn)足我國(guó)未來(lái)大功率離子推力器對(duì)屏柵電源的迫切需求，同時(shí)優(yōu)化中小功率離子推力器屏柵電源效率指標(biāo)，為高效率小型化PPU提供技術(shù)基礎(chǔ)。

References)

[1] 周志成，王敏，李烽，等．我國(guó)通信衛(wèi)星電推進(jìn)技術(shù)的工程應(yīng)用[J].國(guó)際太空,2013(6):40-45

Zhou Zhicheng, Wang Min, Li Feng, et a1. Engineering application of electric propulsion technology in China’s telecommunication satellite[J]. Space International, 2013(6): 40-45 (in Chinese)

[2] 杭關(guān)榮, 洪鑫, 康小路. 國(guó)外空間推進(jìn)技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J]. 火箭推進(jìn), 2013, 39(5): 7-15

Hang Guanrong, Hong Xin, Kang Xiaolu. Current status and development trend of space propulsion technologies abroad[J]. Journal of Rocket Propulsion, 2013, 39(5): 7-15 (in Chinese)

[3] 周志成, 高軍. 全電推進(jìn)GEO衛(wèi)星平臺(tái)發(fā)展研究[J]. 航天器工程, 2015, 24(2): 1-6

Zhou Zhicheng, Gao Jun. Development approach to all-electric propulsion GEO satellite platform[J]. Spacecraft Engineering, 2015, 24(2): 1-6 (in Chinese)

[4] 成鋼, 王少寧. 離子推進(jìn)系統(tǒng)電源研究[J]. 電子設(shè)計(jì)工程, 2012, 20(23): 141-146

Cheng Gang, Wang Shaoning. Study of a power for ion propulsion system[J]. Electronic Design Engineering, 2012, 20(23): 141-146 (in Chinese)

[5] 王少寧, 王衛(wèi)國(guó). 適用于30cm離子推力器的5kW電源處理單元設(shè)計(jì)[J]. 航天器工程, 2011, 20(5) : 74-79

Wang Shaoning, Wang Weiguo. Design of a 5kW modular power processing unit for 30cm ion thruster[J]. Spacecraft Engineering, 22(5): 74-79 (in Chinese)

[6] 楊軍, 周志成, 李峰, 等. BSS-702系列平臺(tái)低成本設(shè)計(jì)分析及啟示[J]. 航天器工程, 2016, 25(1): 141-147

Yang Jun, Zhou Zhicheng, Li Feng, et al. Analysis on low-cost design of BSS-702 serial platform and its instruction[J]. Spacecraft Engineering, 2016, 25(1): 141-147 (in Chinese)

[7] 李峰, 康慶, 邢杰, 等. 大功率電推進(jìn)電源處理單元技術(shù)[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2016, 42(8): 1575-1583

Li Feng, Kang Qing, Xing Jie, et al. Technology for power processing unit used in high power electric propulsion[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2016, 42(8): 1575-1583 (in Chinese)

[8] Hamley J A, Cardwell G I, McDowell J, et al. The design and performance characteristics of the NSTAR PPU and DCIU, AIAA-98-3938[R]. International Electric Propulsion Conference, Washington D.C.: AIAA, 1998

[9] Brophy J, Marcucci M, Ganapathi, G, et al. The ion propulsion system for dawn, AIAA-2003-4542[R]. Washington D.C.: AIAA, 2003

[11] Patterson M J., Thruster development status for NEXT: NASA’s evolutionary xenon thruster, AIAA-2003-4862[R]. Washington D.C.: AIAA, 2003

[13] Todd P C, Martinell, R, Wiseman S,et al. Status of the NEXT 7 kW power processing unit, AIAA-2005-3868[C]// Joint Propulsion Conference. Washington D.C.: AIAA, 2005

[14] Patterson M J, Benson S W. NEXT ion propulsion system development status and performance, AIAA-2007-5199[C]// Joint Propulsion Conference. Washington D.C.: AIAA, 2007

[16] D M Goebel. Performance of XIPS electric propulsion in station keeping of the Boeing 702 spacecraft, AIAA-2002-5117[C]// 38th Joint Propulsion Conference. Washington D.C.: AIAA, 2002

[17] Matthias Gollor. Generic high voltage power supply with high efficiency for electrical propulsion[C]// 42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. Washington D.C.: AIAA, 2006

[18] Gollor M Boss. Generic high voltage power supply-next generation[C]// 43rd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. Washington D.C.: AIAA, 2006

[19] H Meusemann, M Winter. Electric propulsion in Germany: current program and prospective, IEPC-2005-130[C]// Proceedings of the 29th International Electric Propulsion Conference. Washington D.C.: AIAA, 2005

[20] M Gollor, K Breier. Compact high voltage power conditioners for field emission electric propulsion m(FEEP)[C]// Proceedings of Seventh European Space Power Conference. Washington D.C.: AIAA, 2005

[21] 韓全東, 洪鑫, 周海清. 空間推進(jìn)技術(shù)需求與發(fā)展分析[J]. 火箭推進(jìn), 2012, 38(2): 9-15.

Han Quandong, Hong Xin, Zhou Haiqing. Analysis on requirement and development of space propulsion technology[J]. Journal of Rocket Propulsion, 2012, 38(2): 9-15 (in Chinese)

[22] D M Goebel. Performance of XIPS electric propulsion in station keeping of the Boeing 702 spacecraft, AIAA-2002-5117[C]// 38th Joint Propulsion Conference. Washington D.C.: AIAA, 2002

Development and Expectation of Beam Supply Topology for High Power Ion Thruster

WU Tong ZHAI Hao WU Rong WANG Qigang WANG Shaoning

(Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China)

This paper has a study of beam supply in ion thruster, in cluding the development status, trend and application status. The main analysis are about dual-full-bridge-parallel converter topology, combination topology consisting of resonant-full-bridge converter and push-pull converter, full-bridge capable of soft switch topology. The conclusion about the technique characte-ristics of each beam supply is given. Finally, combining with developing requirement of PPU beam supply in China, an expectation of beam supply about the new technology, new topology and new power magnitude is provided. The study could also provides a reference about the development of super high power PPU beam supply in the future.

electric propulsion; ion thruster; beam supply; high-voltage high-power

V439

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.04.016

2017-07-04；

2017-07-28

武桐，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榭臻g電子技術(shù)與航天器二次電源。Email：wutong1119@163.com。

(編輯：張小琳)