《電子技術(shù)應(yīng)用》
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應(yīng)用于電推進(jìn)系統(tǒng)的寬輸入電壓范圍高壓電源研究
2021年電子技術(shù)應(yīng)用第3期
施凱敏1，2，張東來(lái)3，王子才1，張 華2，呂文琪3
1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)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(xué)(深圳) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣東 深圳518055
摘要： 電推進(jìn)電源(Power Processing Unit，PPU)是電推進(jìn)系統(tǒng)的核心單機(jī)，其體積、重量及關(guān)鍵技術(shù)難度往往超過(guò)推力器本身。屏柵電源及陽(yáng)極電源這類大功率高壓電源是電推進(jìn)電源系統(tǒng)的核心部件。針對(duì)多模式切換電推進(jìn)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(jí)式功率拓?fù)浼軜?gòu)，前級(jí)為兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost拓?fù)湟詫?shí)現(xiàn)寬范圍調(diào)壓，后級(jí)為工作于最優(yōu)頻率點(diǎn)的不控諧振拓?fù)湟詫?shí)現(xiàn)高變比隔離升壓。研究該功率拓?fù)浼軜?gòu)的控制方式及磁性器件的設(shè)計(jì)原則并最終給出了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
中圖分類號(hào)： TN86
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200880
中文引用格式： 施凱敏，張東來(lái)，王子才，等. 應(yīng)用于電推進(jìn)系統(tǒng)的寬輸入電壓范圍高壓電源研究[J].電子技術(shù)應(yīng)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(jìn)具有比沖高、壽命長(zhǎng)及轉(zhuǎn)換效率較高等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用電推進(jìn)可大大減少推進(jìn)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(jìn)是未來(lái)航天器發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]。氙離子電推進(jìn)及霍爾電推進(jìn)是國(guó)際上航天器目前最廣泛采用的電推進(jìn)方式[2]。

    電推進(jìn)系統(tǒng)一般由電推進(jìn)電源系統(tǒng)(Power Processing Unit，PPU)、推進(jìn)貯供系統(tǒng)及推力器組成，其中PPU在電推進(jìn)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(yáng)極電源、陰極加熱電源、陰極點(diǎn)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(diǎn)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(yáng)極電源、陰極點(diǎn)火電源、陰極觸持電源及陰極加熱電源組成，其中陽(yáng)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(yáng)極電源這類大功率高壓輸出電源是目前氙離子電推進(jìn)系統(tǒng)的核心部件，是目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)[4]。

    日本三菱公司針對(duì)200 mN及250 mN量級(jí)霍爾PPU的陽(yáng)極電源采用了兩個(gè)功率變換器組合使用的方式實(shí)現(xiàn)升壓大功率變換[5]，其中兩個(gè)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?fù)渚哂休敵鲭妷悍秶^寬、輸出二極管應(yīng)力小等特點(diǎn)。NASA研制的千瓦量級(jí)霍爾PPU陽(yáng)極電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用了較為成熟的移相全橋拓?fù)?，該拓?fù)淠軌蛟谳^寬的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開通，從而使開關(guān)損耗較小，同時(shí)還可以改善EMC特性[6]。NASA格林研究中心針對(duì)5～10 kW量級(jí)離子電推進(jìn)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?fù)?sup>[7]。該拓?fù)湓叞瑑蓚€(gè)并聯(lián)的全橋功率變換，通過(guò)對(duì)原邊開關(guān)管的開關(guān)控制可使副邊的六個(gè)整流二極管工作在并聯(lián)或串聯(lián)的方式。該拓?fù)渚哂熊涢_關(guān)、寬輸入輸出電壓變化范圍的特點(diǎn)。針對(duì)AlphaBus衛(wèi)星平臺(tái)及高效多級(jí)等離子體推力器對(duì)PPU的電性能需求，德國(guó)Astrium公司提出了一種平頂諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[8]。該拓?fù)漭^適用于輸入輸出電壓都相對(duì)固定的場(chǎng)合，同時(shí)由于主功率變壓器上的電流為方波，電流有效值較小，導(dǎo)通損耗較低，且變換器開關(guān)頻率較低，因此該拓?fù)渚哂行矢?、開關(guān)管應(yīng)力低、易于并聯(lián)等特點(diǎn)。

    由以上可以看出，單級(jí)全橋拓?fù)湟云涔β首儔浩鞔判纠寐矢?、開關(guān)管電壓和電流應(yīng)力小及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)在目前的電推進(jìn)電源系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。但是當(dāng)電推進(jìn)系統(tǒng)有多模式工作需求時(shí)，屏柵電源及陽(yáng)極電源需具備寬輸入輸出電壓范圍工作能力，此時(shí)傳統(tǒng)脈寬調(diào)制型全橋拓?fù)浯嬖谡伎毡茸兓秶蟆⒃O(shè)備利用率低、體積大及效率低等問(wèn)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(jí)式功率拓?fù)?，如圖1所示。前級(jí)為兩相反向耦合交錯(cuò)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(diǎn)[13-15]，主要負(fù)責(zé)補(bǔ)償輸入母線電壓及寬范圍調(diào)節(jié)輸出電壓；而后級(jí)為工作于最優(yōu)頻率點(diǎn)的不控諧振拓?fù)?，效率較高，主要負(fù)責(zé)高變比隔離升壓。該拓?fù)浼軜?gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)為功能去耦，輸入輸出電壓調(diào)節(jié)范圍較寬。




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作者信息:

施凱敏1，2，張東來(lái)3，王子才1，張  華2，呂文琪3

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)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(xué)(深圳) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣東 深圳518055)

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