《電子技術應用》
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應用于電推進系統(tǒng)的寬輸入電壓范圍高壓電源研究
2021年電子技術應用第3期
施凱敏1，2，張東來3，王子才1，張 華2,，呂文琪3
1.哈爾濱工業(yè)大學 航天學院，黑龍江 哈爾濱150001；2.深圳航天科技創(chuàng)新研究院電力電子所，廣東 深圳518057,； 3.哈爾濱工業(yè)大學(深圳) 機電工程與自動化學院,，廣東 深圳518055
摘要： 電推進電源(Power Processing Unit,，PPU)是電推進系統(tǒng)的核心單機，其體積,、重量及關鍵技術難度往往超過推力器本身,。屏柵電源及陽極電源這類大功率高壓電源是電推進電源系統(tǒng)的核心部件。針對多模式切換電推進系統(tǒng)的需求,，提出了一種適用于寬輸入電壓范圍屏柵電源的兩級式功率拓撲架構,，前級為兩相交錯并聯(lián)Boost拓撲以實現(xiàn)寬范圍調壓，后級為工作于最優(yōu)頻率點的不控諧振拓撲以實現(xiàn)高變比隔離升壓,。研究該功率拓撲架構的控制方式及磁性器件的設計原則并最終給出了相應的實驗結果,。
中圖分類號： TN86
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200880
中文引用格式： 施凱敏，張東來,，王子才,，等. 應用于電推進系統(tǒng)的寬輸入電壓范圍高壓電源研究[J].電子技術應用，2021,，47(3)：91-96.
英文引用格式： Shi Kaimin,，Zhang Donglai，Wang Zicai,，et al. Research on high-output-voltage power supply with wide input voltage range for electric propulsion system[J]. Application of Electronic Technique,，2021，47(3)：91-96.
Research on high-output-voltage power supply with wide input voltage range for electric propulsion system
Shi Kaimin1,，2,，Zhang Donglai3，Wang Zicai2,，Zhang Hua3,，Lv Wenqi3
1.School of Astronautics，Harbin Institute of Technology,，Harbin 150001,，China； 2.Shenzhen Academy of Aerospace Technology,，Shenzhen 518057,，China,； 3.School of Mechanical Engineering and Automation，Harbin Institute of Technology(Shenzhen),，Shenzhen 518055,，China
Abstract： Power Processing Unit(PPU) is the central part of the xenon ion electric propulsion system, and its size, weight, and key technical difficulties usually exceed the thruster itself. The high-power and high-output-voltage power supplies, such as beam supply and anode supply, are the main parts of the electric propulsion power system. In this paper, a two power stage beam supply topology is proposed to meet the requirement of multi-mode electric propulsion system. The front stage is an interleaved boost converter, which is adopted to adjust the total output voltage. The second stage is based on a full-bridge resonant converter able to provide very high output voltage, which operates the fixed optimum switching frequency. The power converter control strategy and design principles of magnetic components are studied and finally the corresponding experimental results are given to validate feasibility of the proposed converter in this paper.
Key words : PPU；beam supply,；interleaved boost,；resonant

0 引言

    電推進具有比沖高、壽命長及轉換效率較高等優(yōu)點,，因此應用電推進可大大減少推進劑攜帶量,，增加航天器有效載荷，降低發(fā)射成本,。因此,，采用電推進是未來航天器發(fā)展的必然趨勢[1]。氙離子電推進及霍爾電推進是國際上航天器目前最廣泛采用的電推進方式[2],。

    電推進系統(tǒng)一般由電推進電源系統(tǒng)(Power Processing Unit,，PPU)、推進貯供系統(tǒng)及推力器組成,，其中PPU在電推進系統(tǒng)中的地位十分重要,。典型的氙離子PPU由屏柵電源、加速電源,、陽極電源,、陰極加熱電源、陰極點火電源,、陰極觸持電源,、中和器加熱電源、中和器觸持及中和器點火電源組成,，其中屏柵電源功率占氙離子PPU總功率的80%以上,，穩(wěn)態(tài)輸出電壓在1 000 V以上。典型的霍爾PPU由陽極電源,、陰極點火電源,、陰極觸持電源及陰極加熱電源組成，其中陽極電源功率占霍爾PPU總功率的90%以上,，穩(wěn)態(tài)輸出電壓在300 V以上[3],。因此屏柵電源及陽極電源這類大功率高壓輸出電源是目前氙離子電推進系統(tǒng)的核心部件，是目前國內外學者研究的重點與難點[4],。

    日本三菱公司針對200 mN及250 mN量級霍爾PPU的陽極電源采用了兩個功率變換器組合使用的方式實現(xiàn)升壓大功率變換[5],，其中兩個功率變換器的原邊全橋逆變部分并聯(lián)輸入，副邊倍流整流部分串聯(lián)輸出,。該拓撲具有輸出電壓范圍較寬,、輸出二極管應力小等特點,。NASA研制的千瓦量級霍爾PPU陽極電源拓撲結構采用了較為成熟的移相全橋拓撲，該拓撲能夠在較寬的負載范圍內實現(xiàn)零電壓開通,，從而使開關損耗較小,，同時還可以改善EMC特性[6]。NASA格林研究中心針對5～10 kW量級離子電推進中屏柵電源寬輸出電壓范圍的需求,，提出了移相/PWM混合控制雙全橋拓撲[7],。該拓撲原邊包含兩個并聯(lián)的全橋功率變換，通過對原邊開關管的開關控制可使副邊的六個整流二極管工作在并聯(lián)或串聯(lián)的方式,。該拓撲具有軟開關,、寬輸入輸出電壓變化范圍的特點。針對AlphaBus衛(wèi)星平臺及高效多級等離子體推力器對PPU的電性能需求,，德國Astrium公司提出了一種平頂諧振拓撲結構[8],。該拓撲較適用于輸入輸出電壓都相對固定的場合,，同時由于主功率變壓器上的電流為方波,，電流有效值較小，導通損耗較低,，且變換器開關頻率較低,，因此該拓撲具有效率高、開關管應力低,、易于并聯(lián)等特點,。

    由以上可以看出，單級全橋拓撲以其功率變壓器磁芯利用率高,、開關管電壓和電流應力小及結構簡單等優(yōu)點在目前的電推進電源系統(tǒng)中得到了廣泛的應用,。但是當電推進系統(tǒng)有多模式工作需求時，屏柵電源及陽極電源需具備寬輸入輸出電壓范圍工作能力,，此時傳統(tǒng)脈寬調制型全橋拓撲存在占空比變化范圍大,、設備利用率低、體積大及效率低等問題[9-12],。因此,，本文提出了一種適用于寬輸入輸出電壓范圍的兩級式功率拓撲，如圖1所示,。前級為兩相反向耦合交錯并聯(lián)Boost變換器,，該變換器具有電感紋波小且效率較高等優(yōu)點[13-15]，主要負責補償輸入母線電壓及寬范圍調節(jié)輸出電壓,；而后級為工作于最優(yōu)頻率點的不控諧振拓撲,，效率較高，主要負責高變比隔離升壓,。該拓撲架構的主要優(yōu)點為功能去耦,，輸入輸出電壓調節(jié)范圍較寬,。




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作者信息:

施凱敏1，2,，張東來3,，王子才1，張  華2,，呂文琪3

(1.哈爾濱工業(yè)大學 航天學院,，黑龍江 哈爾濱150001；2.深圳航天科技創(chuàng)新研究院電力電子所,，廣東 深圳518057,；

3.哈爾濱工業(yè)大學(深圳) 機電工程與自動化學院，廣東 深圳518055)

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