航空航天電源專輯主編述評(píng)

阮新波，萬(wàn)成安

（1.南京航空航天大學(xué)，南京 210016；2.北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094）

1970 年4 月24 日，我國(guó)第一顆人造地球衛(wèi)星“東方紅一號(hào)”由“長(zhǎng)征一號(hào)”運(yùn)載火箭發(fā)射成功，標(biāo)志著中國(guó)進(jìn)入了空間時(shí)代。隨著我國(guó)航空航天技術(shù)的快速發(fā)展，我國(guó)在通信導(dǎo)航、載人航天、深空探測(cè)和大飛機(jī)等領(lǐng)域取得了舉世矚目的成就。

航空航天電源系統(tǒng)是航天器最重要的分系統(tǒng)，它的功能是為航空航天器有效載荷和各服務(wù)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的直流、交流電能，按照功能劃分，可以分為發(fā)電、儲(chǔ)能、電源變換及控制和配電四大功能單元，隨著航天器電源系統(tǒng)功能及性能要求的不斷提高和適應(yīng)新的空間環(huán)境要求，航天器電源系統(tǒng)由傳統(tǒng)的低電壓光伏能源系統(tǒng)向高電壓大功率光伏電源系統(tǒng)、燃料電池、核能電源和多種復(fù)合能源系統(tǒng)等方向發(fā)展。在電源變換與控制技術(shù)方面，新一代寬禁帶半導(dǎo)體功率器件將逐步取代傳統(tǒng)的硅功率器件，形成小型化、高功率密度和高電壓變換產(chǎn)品；在能源管理與配電方面，采用固態(tài)開(kāi)關(guān)的智能配電技術(shù)將逐步取代傳統(tǒng)的機(jī)械觸電開(kāi)關(guān)，同時(shí)與直流并網(wǎng)、無(wú)線能量傳輸、故障診斷等技術(shù)構(gòu)建智能化能源系統(tǒng)。

由于航空航天應(yīng)用的特殊性和復(fù)雜空間環(huán)境等特點(diǎn)，參加研究的大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)相對(duì)較少，為了推動(dòng)航空航天電源技術(shù)的深入研究，支撐我國(guó)航空航天事業(yè)的全面發(fā)展，《電源學(xué)報(bào)》特別推出《航空航天電源》專輯。本專輯共收到投稿28 篇，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格細(xì)致審稿，共錄用論文12 篇，其中電源系統(tǒng)方面的論文4 篇，配電方面的論文2 篇，電推進(jìn)高壓電源方面的論文2 篇，其他分別在GaN 電源高效變換、無(wú)線充電、燃料電池和五電平變換器論文各1 篇。

電源系統(tǒng)控制與變換技術(shù)是將發(fā)電單元的電能通過(guò)功率變換轉(zhuǎn)化成負(fù)載需要的直流母線電壓。針對(duì)傳統(tǒng)的電源控制器PCU（power conditioning unit）空間能量利用率低、工作域切換復(fù)雜，不利于分布式電源系統(tǒng)構(gòu)建的問(wèn)題，北京衛(wèi)星制造廠有限公司的何雄等[1]提出了一種適用于分布式宇航電源系統(tǒng)的電源控制器及其功率調(diào)節(jié)技術(shù)，該技術(shù)可根據(jù)光照強(qiáng)度、載荷變化情況以及蓄電池放電深度等對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行方式進(jìn)行控制，保證電源控制器分時(shí)處于母線恒壓控制、蓄電池恒流充電控制、蓄電池恒壓充電控制和最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT（maximum power point tracking）控制4 種工作模式，實(shí)現(xiàn)宇航電源系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)和母線控制；來(lái)自深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造與裝備學(xué)院的佟強(qiáng)等[2]從分布式航天器電源系統(tǒng)架構(gòu)出發(fā)，提出了一種通用的數(shù)字控制、可模塊化拓展的功率變換模塊，并可通過(guò)軟件控制可實(shí)現(xiàn)不同的功率變換功能；來(lái)自上?？臻g電源研究所空間電源技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的方子文等[3]針對(duì)應(yīng)用于航天器光伏調(diào)節(jié)變換系統(tǒng)的Superbuck 變換器，通過(guò)狀態(tài)空間平均法建立了其小信號(hào)模型，基于MPPT 模式提出了太陽(yáng)陣電壓控制的雙閉環(huán)控制策略；在電源系統(tǒng)儲(chǔ)能鋰電池的均衡技術(shù)方面，來(lái)自國(guó)網(wǎng)南昌供電公司和浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院的李卿鵬等[4]根據(jù)低軌衛(wèi)星電源儲(chǔ)能蓄電池的工作特性，提出一種基于開(kāi)關(guān)矩陣的主被動(dòng)混合均衡拓?fù)?，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制容易、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。

空間電推進(jìn)技術(shù)是航空航天器系統(tǒng)的重要發(fā)展方向，可大幅度減輕航天器的體積和重量，提高系統(tǒng)可靠性。電推進(jìn)高壓驅(qū)動(dòng)電源PPU（power processing unit）是電推進(jìn)的重要組成部分，來(lái)自南京航空航天大學(xué)和蘭州空間技術(shù)物理研究所的張保平等[5]系統(tǒng)闡述了中等功率（10 kW 以下）離子電推進(jìn)與霍爾電推進(jìn)的PPU 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)不同PPU 技術(shù)方案在實(shí)際應(yīng)用中的通用性與局限性進(jìn)行了對(duì)比分析，總結(jié)了目前PPU 技術(shù)發(fā)展面臨的高變換效率、高功率密度、長(zhǎng)壽命高壓絕緣防護(hù)等問(wèn)題以及發(fā)展的挑戰(zhàn)與趨勢(shì)；在航空多電飛機(jī)推進(jìn)電源系統(tǒng)研究方面，來(lái)自西北工業(yè)大學(xué)的齊揚(yáng)等[6]提出通過(guò)將飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)中的傳統(tǒng)燃油發(fā)電機(jī)替換為蓄電池、燃料電池以及氫能等清潔能源，能夠顯著提高飛機(jī)的電能轉(zhuǎn)換效率、優(yōu)化飛機(jī)能源結(jié)構(gòu)。然而，未來(lái)大容量長(zhǎng)航時(shí)的航空推進(jìn)電源系統(tǒng)，在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、功重比以及能量綜合管理等方面仍然面臨著問(wèn)題和挑戰(zhàn)。同時(shí)，還對(duì)航空器推進(jìn)電源系統(tǒng)的最新研究進(jìn)展，包括能源系統(tǒng)架構(gòu)、電力電子變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、協(xié)同控制和上層能量管理等方面進(jìn)行了分析與總結(jié)。

航天器供配電系統(tǒng)中開(kāi)關(guān)過(guò)程的瞬態(tài)特性對(duì)電源系統(tǒng)的安全性及可靠性有重大影響，開(kāi)關(guān)過(guò)程的瞬態(tài)應(yīng)力可能對(duì)電源系統(tǒng)造成潛在的損傷。北京衛(wèi)星制造廠有限公司王力等[7]對(duì)宇航配電系統(tǒng)中的機(jī)械觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)過(guò)程進(jìn)行了深入的分析，發(fā)現(xiàn)在浪涌電流前的瞬態(tài)脈沖尖峰峰值比穩(wěn)態(tài)電流高幾百倍，上升沿達(dá)納秒數(shù)量級(jí)，對(duì)配電系統(tǒng)危害極大，并基于預(yù)充電原理給出了一種抑制方案。在固態(tài)開(kāi)關(guān)方面，固態(tài)功率控制器SSPC（solid-state power controller）具備高可靠、高安全、故障隔離與恢復(fù)等功能，北京衛(wèi)星制造廠有限公司的李輝耀等[8]針對(duì)固態(tài)功率控制器在分?jǐn)噙^(guò)程承受的電熱應(yīng)力問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的分析，如對(duì)SSPC 內(nèi)部ESD 電路造成損壞、對(duì)SSPC 功率MOSFET 造成損壞、不正當(dāng)使用續(xù)流二極管及錯(cuò)誤選用導(dǎo)致二極管自身發(fā)生短路擊穿造成負(fù)載供電側(cè)短路故障等，對(duì)保證高可靠固態(tài)功率控制器的安全性有重要意義。

作為第三代半導(dǎo)體材料，氮化鎵高電子遷移率晶體管（GaN HEMT）由于GaN 材料具有更大禁帶寬度、更高臨界擊穿電場(chǎng)和更高電子遷移率等特點(diǎn),來(lái)自中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院北京航天發(fā)射技術(shù)研究所的林潤(rùn)韜等[9]設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用650 V 電壓等級(jí)GaN HEMT 的2 kW 功率寬輸入堆疊半橋LLC DC/DC 變換器，采用單級(jí)堆疊橋式（single-stage stacked bridge）三電平拓?fù)溥M(jìn)行變換器設(shè)計(jì)方案，該拓?fù)溆扇娖介_(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)、LLC 諧振腔和整流電路構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)400～800 V 電壓輸入與25～40 V 電壓輸出。

質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC（proton exchange membrane fuel cell）是一種將反應(yīng)氣體中的電化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電裝置，具有轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快、可靠性高、排放低等優(yōu)點(diǎn)，和地面應(yīng)用相比較，燃料電池在空間應(yīng)用尤其是載人環(huán)境應(yīng)用上具有更大的優(yōu)勢(shì)和潛力，發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生的熱及水可以和環(huán)控生保系統(tǒng)共用。河北大學(xué)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院和河北省新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)輕量化技術(shù)創(chuàng)新中心的孫峰等[10]提出了一種流線型擋板設(shè)計(jì)方案，利用流線型迎風(fēng)面以及流線形背風(fēng)面，可以有效減小反應(yīng)氣體流動(dòng)阻力，并消除擋板后方的渦流，可有效提高燃料電池的性能。

400 Hz 中頻電源常被用于軍用及航空等領(lǐng)域，與傳統(tǒng)的兩電平電壓源逆變器相比，多電平逆變器輸出電壓呈準(zhǔn)正弦，具有dv/dt 更低、電流紋波更小等特點(diǎn)。為了用更少的開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)更多的輸出電平，混合多電平的概念被提出。西華大學(xué)魏金成等[11]對(duì)abc 坐標(biāo)系下的3D-SVPWM 算法進(jìn)行了深入研究和改進(jìn)，有效解決了非對(duì)稱四橋臂逆變器在abc坐標(biāo)系下的3D-SVPWM 算法中四面體剖分困難的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了低電平拓?fù)湎碌母唠娖捷敵觯⑶移潆妷簯?yīng)力更低，進(jìn)一步完善了abc 坐標(biāo)系下的3DSVPWM 算法。另外，為了避免民用飛機(jī)機(jī)載設(shè)備與電源插拔過(guò)程中帶來(lái)電火花的危險(xiǎn)，提高設(shè)備充電的便利性，廈門(mén)大學(xué)李樂(lè)等[12]提出恒壓恒流的無(wú)線充電方案，分析了低階網(wǎng)絡(luò)的回路電流關(guān)系，得到了回路電流最小的條件，進(jìn)一步推廣到高階網(wǎng)絡(luò)，獲得最優(yōu)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)電流一般性方法，并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電流優(yōu)化方法和負(fù)載無(wú)關(guān)實(shí)現(xiàn)方法，從而提高系統(tǒng)傳輸效率。

綜上，本專輯的論文從航天器電源系統(tǒng)控制與變換、空間電推進(jìn)、航天器供配電、GaN 寬輸入堆疊半橋LLC DC/DC 變換器、質(zhì)子交換膜燃料電池、航空多電平逆變器和無(wú)線充電等方面提出了新思路和新方法。但在核電源、可再生燃料電池等新型能源系統(tǒng)技術(shù)、新材料及新器件、高可靠封裝和空間環(huán)境適應(yīng)性等方面仍然有很大的探索空間，值得深入研究，需要空間電能源、電力電子、電子封裝等領(lǐng)域?qū)＜覀円黄鹋?，進(jìn)一步探討，共同為把我國(guó)建成航天強(qiáng)國(guó)而奮斗。

最后，衷心感謝審稿專家在本刊征稿中的貢獻(xiàn)，感謝專家學(xué)者和業(yè)界同行們對(duì)于本專輯在征文、投稿和評(píng)審工作的大力支持！