微小衛(wèi)星用脈沖等離子體推力器電源處理單元設計

徐友慧，王少寧，高 波，陳昶文，任海玢，徐恒通，侯天明

0 引言

近年來，微小衛(wèi)星因空間開發(fā)和空間任務的需求，得到噴井式的發(fā)展。微小衛(wèi)星以其質(zhì)量輕、體積小、成本低、能耗小、發(fā)射方式靈活等突出優(yōu)點，廣泛用于空間探測、對地觀測、現(xiàn)代通信、軍事偵察等領域[1]。構(gòu)成星座以及編隊飛行的微小衛(wèi)星，軌道保持與姿態(tài)控制時需要μN級推力以及很小的沖量值(通常在10-9～10-3N·s量級)[2]。相比于其他電推進器，脈沖等離子體推力器(PPT)可提供微牛頓量級的推力控制、產(chǎn)生離散的微小沖量。此外，PPT可線性調(diào)節(jié)推力[3]，以及其質(zhì)量小，結(jié)構(gòu)簡單和功耗小等優(yōu)點，非常適用于質(zhì)量和功率受到限制的微小衛(wèi)星的軌道機動、精確編隊、阻力補償和位置保持[4-5]。與脈沖等離子體推力器配套的電源處理單元是一個復雜的電源變換器。在脈沖等離子體推力器PPU中，充電電源是唯一的功率轉(zhuǎn)換電源，為高壓電容充電電源，由于微小衛(wèi)星的功率資源及其寶貴，因此轉(zhuǎn)換效率高、功率穩(wěn)定沖擊小的充電電源是微小衛(wèi)星PPU設計的重點。在PPT的研究歷程中，美國、韓國和日本等國相繼在PPT領域取得較大的進展[6]，充電電源也經(jīng)過多次技術(shù)突破，實現(xiàn)了小型化、高可靠性設計。其中，美國已實現(xiàn)空間應用的PPT充電電源拓撲結(jié)構(gòu)具有繼承性，均采用單端反激拓撲結(jié)構(gòu)，如林肯實驗室研制LES-6、LES-8/9[7]同步通訊衛(wèi)星PPT、TIP系列PPT[8-11]以及NASA地球觀測1號衛(wèi)星(EO-1)PPT充電電源。韓國由KSLV-1火箭搭載發(fā)射的科學技術(shù)衛(wèi)星2號(STSAT-2)[12]，其PPT電源處理單元中充電電源采用雙反激變換器。國內(nèi)也開展了PPT相關(guān)的研究工作。其中，中國科學院的胡宗森在研究工作中提出了雙單端反激式開關(guān)電源輸出串聯(lián)結(jié)構(gòu)[13]；南京理工大學的朱平[14]在研究水工質(zhì)脈沖等離子體低功率推進器時，直流高壓充電電源采用串聯(lián)諧振變換拓撲結(jié)構(gòu)。

本文對與PPT配套的電源處理單元進行了研究，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎上設計了滿足微小衛(wèi)星空間應用的電源處理單元，電容器充電電源采用反激變換器實現(xiàn)恒功率充電，降低了變壓器的設計難度，恒功率充電方式克服了其他充電方式中初級瞬態(tài)功率對母線的沖擊；點火電路采用LC振蕩電路，開關(guān)管的電流就是點火電流，降低了開關(guān)器件的電流應力。

1 脈沖等離子體推力器PPU組成及工作原理

脈沖等離子體推力器是一種脈沖電磁加速的電推進裝置，運行時無需起動和預熱時間，控制靈活。雖脈沖功率很大，但平均功耗較小[15]，降低了對電源和結(jié)構(gòu)的要求[16]。已成功應用于航天器控制的PPT，都是以固體聚四氟乙烯塑料做推進劑[17]，脈沖方式工作，原理示意圖如圖1所示。利用高電壓放電產(chǎn)生的高溫電弧燒蝕推進劑，產(chǎn)生等離子體，在氣動熱力和洛倫茲力的共同作用下，等離子體夾雜其他燒蝕產(chǎn)物形成高速噴射流，產(chǎn)生反作用推力[18]。

相比離子推力器和霍爾推力器PPU千瓦級的功率，脈沖等離子體推力器PPU功率低至幾瓦，輸入功率可以通過調(diào)節(jié)儲能電容充電時間進行改變，不需要復雜的電源處理單元，降低了電源要求和簡化了結(jié)構(gòu)。脈沖等離子體電推進系統(tǒng)由充電電路(電源轉(zhuǎn)換裝置)、放電點火電路、推力器本體和通信控制電路(包括控制邏輯電路和遙測電路)四部分組成。其中，充電電路、放電點火電路和通信控制電路組成了推力器的電源處理單元，與推力器的供電關(guān)系圖如圖2所示。

圖1 推力器示意圖

圖2 PPU與脈沖等離子體推力器供電關(guān)系圖

PPU負載為脈沖等離子體推力器，結(jié)合PPT工作原理，在整個工作工程中，PPU各個電源的功能如下：(1)控制邏輯電路和星上總線通信，接受衛(wèi)星平臺的指令，控制各個輸出電源的工作時序；(2)充電電路按照工作時序要求，將衛(wèi)星母線低壓轉(zhuǎn)換成高壓電源輸出。使推力器儲能電容器充電至工作電壓，加在正負平行極板間形成強電場，并使點火電路的電容器充電至工作電壓；(3)點火電路按照控制邏輯電路的時序，輸出高壓點火脈沖，儲能電容器經(jīng)點火電路放電，火花塞點火觸發(fā)主放電[19]。

2 PPU設計

脈沖等離子體推力器電源處理單元的主要功能是將星載低壓經(jīng)DC/DC轉(zhuǎn)換成脈沖等離子體推力器所需的各路工作電源，接受衛(wèi)星平臺的指令，控制推力器的工作模式和時序，并向衛(wèi)星平臺輸出能反映推力器工作狀態(tài)的遙測數(shù)據(jù)[20]。

本文以用于微小衛(wèi)星脈沖等離子體推力器配套的電源處理單元為設計對象，電源處理單元的基本特性輸出參數(shù)見表1，要求母線輸入電壓為6.8～8.4 V，PPU功率等級為5 W，工作頻率1 Hz，充電電路負載(推力器儲能電容器)為2 μF多層瓷介質(zhì)電容器，放電點火電路的放電電流不小于100 A。

表1 電源處理單元的基本特性輸出參數(shù)

2.1 充電電源設計

充電電路屬于高壓轉(zhuǎn)換電源，主要功能是實現(xiàn)來自衛(wèi)星母線較低的電壓到主放電儲能電容器和點火電路儲能電容器充電電壓的調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換，將主放電儲能電容器充電至1～3 kV的工作電壓和點火儲能電容器幾百伏的工作電壓。適用于微小衛(wèi)星的充電電源應滿足以下兩點：充電過程快速高效；由于星上電源功耗的限制，電源功率和對母線的沖擊盡可能小。傳統(tǒng)的直流高壓電源中，通常由工頻變壓器和可控整流器(SCR)電路組成，電源轉(zhuǎn)換效率低、可靠性差以及整個系統(tǒng)體積和重量大。隨著逆變技術(shù)和PWM的快速發(fā)展，高壓電源普遍采用高頻開關(guān)變換技術(shù)[21]。高增益DC/DC變換器是構(gòu)成高壓開關(guān)電源的核心組成部分，是實現(xiàn)電路小型化和高效化的關(guān)鍵。

由于一次輸入母線電壓低至6.8 V，輸出電壓高達2000 V左右，變壓器的最大升壓比達到了294倍，設計難度高，體積難以優(yōu)化。為克服以上問題，本文根據(jù)電源處理單元的技術(shù)指標要求，充電電源的拓撲結(jié)構(gòu)選用適用于低壓小功率場合的副邊帶有中心抽頭的反激變換結(jié)構(gòu)，電路原理圖如圖3所示。在反激拓撲中，次級電壓不依賴于匝比關(guān)系，可以在較小的匝比下輸出高壓，降低了變壓器的加工難度同時減小了體積。設計中反激變換器副邊采用繞組串聯(lián)輸出，一個繞組輸出800 V為點火電源儲能電容充電，兩個繞組串聯(lián)輸出1600 V為推力器儲能電容充電。反激變壓器的匝比取決于最高輸出電壓，母線電壓和開關(guān)MOSFET漏源可承受電壓電壓。

圖3 單端反激電路示意圖

為滿足一級降額要求，設計結(jié)果應使次級反射電壓疊加母線電壓和電壓尖峰不超過MOSFET額定漏源電壓一級降額值。綜合考慮選取額定耐壓值為200 V MOSFET開關(guān)管，開關(guān)管關(guān)斷時承受的最大電壓應力為120 V，通過公式：

(1)

式中Vpr為開關(guān)管關(guān)斷時承受的最大電壓應力；Vin為最大輸入電壓；Vout為輸出電壓；Np/Ns為變壓器匝比，其中最大輸入電壓為8.4 V。經(jīng)計算，匝比設計為1∶7.5∶7.5。

電容器的充電方式將影響電路功率變換以及PPU的整體性能。電容器的充電方式有恒壓充電、恒流充電和恒功率充電三種充電方式[19]。其中，恒壓充電在電容器電壓較低時，產(chǎn)生較大的瞬時電流，使變壓器的繞組承受過大的短路電流，需要串聯(lián)限流電阻，導致充電效率嚴重降低；恒流充電雖然充電電流恒定，有對電容器沖擊小的優(yōu)勢，但隨著電容電壓的增加，對應的充電功率也在線性增加，對于功率有嚴格限制的微小衛(wèi)星，并不是最理想的充電方式。

本文采用恒功率充電方式，功率為PPU的輸入功率5 W，整個充電過程中吸取相同的功率，自始至終等于電容器獲得的功率，對母線功率沖擊小。采用單片集成電流型PWM控制芯片UC1845A來實現(xiàn)，即在變壓器原邊采樣電流，經(jīng)比較器形成三角波送入UC1845A，與UC1845A內(nèi)部誤差放大器的輸出誤差電壓(Verr)進行比較，使得反激變壓器初級電流值恒定，因此每個周期變壓器初級儲能固定，當反激變換器工作于斷續(xù)模式時，獲得恒功率充電。為避免由于電容器電壓較低使反激變換器進入連續(xù)工作模式，而引起初級電流增大、變壓器飽和，利用誤差放大器輸出較大的阻抗，增加了軟啟動電路，用于減小變壓器上電流的直流分量。

高壓充電電源設計中另一個重要參數(shù)是電容器充電時間，它決定了電源的最高放電頻率。在反激變換器中，開關(guān)管與整流二極管的正向?qū)▔航禐? V，則開關(guān)管的占空比D為

(2)

式中Np/Nsm為變壓器原邊與整個副邊的匝比。

充電過程中母線電源輸入的能量為

E1=PtD

(3)

式中P為PPU的輸入功率；t為充電時間。

充電過程中儲能電容器存儲的能量為

(4)

式中C為儲能電容器的容值；U為儲能電容器的最終電壓。

在整個充電過程中，有

E1η=E2

(5)

式中η為變換器的效率，取80%。

由式(2)～式(5)計算得t=842 ms，設計中為留有一定的安全裕量，額定充電時間選為950 ms，由通訊控制電路控制UC1845A時鐘CT端電平實現(xiàn)，充放電時序圖如圖4所示。為滿足周期性的充放電，增加了軟啟動電容電荷泄放電路，具體工作流程為：當儲能電容器充滿電時，通訊控制電路將CT端電平拉低，將脈寬調(diào)制器關(guān)閉停止充電，此時給出信號將軟啟動電容電荷泄放。下一個周期將CT端設置為高阻態(tài)，軟啟動電容充電發(fā)揮作用，電容開始充電。

2.2 放電點火電源設計

放電點火電路是脈沖等離子體推力器電源處理單元的核心部分之一，其負載是火花塞，作用是給火花塞足夠的擊穿點火能量，使之產(chǎn)生的“等離子體源”能可靠地引發(fā)推力器極板間的主放電。在火花塞擊穿之前，點火電源負載阻抗大，需輸出高壓(不小于1500 V)來擊穿火花塞?；鸹ㄈ麚舸┖螅璐箅娏?不小于100 A)來維持放電，且清除火花塞上的積炭。

圖4 脈沖等離子體推力器一個周期的充放電時序

現(xiàn)有PPT大部分放電點火電路中由于采用升壓變壓器，受限于開關(guān)器件耐壓，且變壓器存在磁芯飽和，使得開關(guān)器件較難選取，重量和體積難以優(yōu)化。為避免以上缺點，本文采用LC振蕩放電點火電路，原理圖如圖5所示，開關(guān)管Q、諧振電感L和諧振電容C構(gòu)成點火電路，其中開關(guān)管選用集成反向二極管(V)的IGBT，電容C2和C3串聯(lián)構(gòu)成諧振電容，C4為點火電源儲能電容。點火電路工作時，C4已被充電至800 V，控制邏輯電路發(fā)出的觸發(fā)脈沖使IGBT導通，通過LC諧振的方式產(chǎn)生高壓，高壓值為2倍于UC4，作用于火花塞，使其雪崩擊穿，此后諧振電感大電流飽和，諧振電容器直接向火花塞放電。該電路的優(yōu)勢是開關(guān)管上的電流就是點火電流(即諧振電容的放電電流)，避免了匝比帶來的大電流，減小了開關(guān)管的電流應力。在諧振期間，內(nèi)部集成反向二極管可保護開關(guān)管因驅(qū)動出現(xiàn)提前掉電引起的損壞，使得整個電路更加可靠。

圖5 放電點火電路原理圖

3 實驗驗證

為保證設計充電電源與整個PPU的功能正確、工作安全可靠，將焊接完的電路板與處于真空系統(tǒng)中的PPT進行帶載測試。波形如圖6所示，其中黃色是點火電流波形；藍色是點火電路電壓波形；紅色是推力器儲能電容器充電電壓波形，綠色是主放電電流波形。從圖6中可看出，t0～t1階段充電電路已將推力器儲能電容器和點火電路儲能電容器完全充電，屬于充電階段，其中推力器儲能電容器充電電壓為1600 V。通訊控制電路通過充電電壓的遙測值判斷充電完成，發(fā)送點火驅(qū)動脈沖，使點火電路中的IGBT觸發(fā)導通，點火電路通過LC振蕩產(chǎn)生高壓。隨著電壓的升高，在t1時刻火花塞被擊穿點火，大概在2 μs左右的t2時刻主放電發(fā)生，推力器儲能電容器充電電壓發(fā)生驟降開始放電，之后放電電流和電壓經(jīng)歷幾個周期的振蕩。在t3時刻點火電流為零，火花塞點火關(guān)斷，整個t2～t4階段屬于主電容器放電階段。通訊控制電路通過再次遙測充電電壓的值判斷點火成功，之后按照設定工作頻率加入延時，啟動下一個充放電周期。圖中顯示，推力器儲能電容器充電電壓在成功點火瞬間由1600 V在7 μs內(nèi)變成-1000 V，電流斜坡上升；點火電路峰值點火電流達到115 A，到達設計要求，且該電流可維持火花塞附近的等離子狀態(tài)，有助于清除火花塞上積炭，避免火花塞過度污染而失效。

圖6 推力器點火波形

4 結(jié)論

(1)充電電源采通過電流型PWM控制反激變換器工作在斷續(xù)模式下，實現(xiàn)高壓脈沖電容器的恒功率充電，對母線功率沖擊小，元器件應力小。

(2)在LC點火電路中，通過諧振電感和諧振電容振蕩產(chǎn)生高壓大電流，能為火花塞提供足夠的點火能量，根據(jù)電路結(jié)構(gòu)，開關(guān)管的電流就是點火電流，降低了開關(guān)管的電流應力，使整個電路更加可靠。

(3)本文設計的PPT電源處理單元與PPT聯(lián)試成功點火，證明該電源處理單元能正確、安全可靠地為推力器提供工作的各路電源。