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应用于电推进系统的宽输入电压范围高压电源研究
2021年电子技术应用第3期
施凯敏1,2,张东来3,王子才1,张 华2,吕文琪3
1.哈尔滨工业大学 航天学院,黑龙江 哈尔滨150001;2.深圳航天科技创新研究院电力电子所,广东 深圳518057; 3.哈尔滨工业大学(深圳) 机电工程与自动化学院,广东 深圳518055
摘要: 电推进电源(Power Processing Unit,PPU)是电推进系统的核心单机,其体积,重量及关键技术难度往往超过推力器本身。屏栅电源及阳极电源这类大功率高压电源是电推进电源系统的核心部件。针对多模式切换电推进系统的需求,提出了一种适用于宽输入电压范围屏栅电源的两级式功率拓扑架构,前级为两相交错并联Boost拓扑以实现宽范围调压,后级为工作于最优频率点的不控谐振拓扑以实现高变比隔离升压。研究该功率拓扑架构的控制方式及磁性器件的设计原则并最终给出了相应的实验结果。
中图分类号: TN86
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.200880
中文引用格式: 施凯敏,张东来,王子才,等. 应用于电推进系统的宽输入电压范围高压电源研究[J].电子技术应用,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

    电推进具有比冲高,寿命长及转换效率较高等优点,因此应用电推进可大大减少推进剂携带量,增加航天器有效载荷,降低发射成本。因此,采用电推进是未来航天器发展的必然趋势[1]。氙离子电推进及霍尔电推进是国际上航天器目前最广泛采用的电推进方式[2]

    电推进系统一般由电推进电源系统(Power Processing Unit,PPU),推进贮供系统及推力器组成,其中PPU在电推进系统中的地位十分重要。典型的氙离子PPU由屏栅电源,加速电源,阳极电源,阴极加热电源,阴极点火电源,阴极触持电源,中和器加热电源,中和器触持及中和器点火电源组成,其中屏栅电源功率占氙离子PPU总功率的80%以上,稳态输出电压在1 000 V以上。典型的霍尔PPU由阳极电源,阴极点火电源,阴极触持电源及阴极加热电源组成,其中阳极电源功率占霍尔PPU总功率的90%以上,稳态输出电压在300 V以上[3]。因此屏栅电源及阳极电源这类大功率高压输出电源是目前氙离子电推进系统的核心部件,是目前国内外学者研究的重点与难点[4]

    日本三菱公司针对200 mN及250 mN量级霍尔PPU的阳极电源采用了两个功率变换器组合使用的方式实现升压大功率变换[5],其中两个功率变换器的原边全桥逆变部分并联输入,副边倍流整流部分串联输出。该拓扑具有输出电压范围较宽,输出二极管应力小等特点。NASA研制的千瓦量级霍尔PPU阳极电源拓扑结构采用了较为成熟的移相全桥拓扑,该拓扑能够在较宽的负载范围内实现零电压开通,从而使开关损耗较小,同时还可以改善EMC特性[6]。NASA格林研究中心针对5~10 kW量级离子电推进中屏栅电源宽输出电压范围的需求,提出了移相/PWM混合控制双全桥拓扑[7]。该拓扑原边包含两个并联的全桥功率变换,通过对原边开关管的开关控制可使副边的六个整流二极管工作在并联或串联的方式。该拓扑具有软开关,宽输入输出电压变化范围的特点。针对AlphaBus卫星平台及高效多级等离子体推力器对PPU的电性能需求,德国Astrium公司提出了一种平顶谐振拓扑结构[8]。该拓扑较适用于输入输出电压都相对固定的场合,同时由于主功率变压器上的电流为方波,电流有效值较小,导通损耗较低,且变换器开关频率较低,因此该拓扑具有效率高,开关管应力低,易于并联等特点。

    由以上可以看出,单级全桥拓扑以其功率变压器磁芯利用率高,开关管电压和电流应力小及结构简单等优点在目前的电推进电源系统中得到了广泛的应用。但是当电推进系统有多模式工作需求时,屏栅电源及阳极电源需具备宽输入输出电压范围工作能力,此时传统脉宽调制型全桥拓扑存在占空比变化范围大,设备利用率低,体积大及效率低等问题[9-12]。因此,本文提出了一种适用于宽输入输出电压范围的两级式功率拓扑,如图1所示。前级为两相反向耦合交错并联Boost变换器,该变换器具有电感纹波小且效率较高等优点[13-15],主要负责补偿输入母线电压及宽范围调节输出电压;而后级为工作于最优频率点的不控谐振拓扑,效率较高,主要负责高变比隔离升压。该拓扑架构的主要优点为功能去耦,输入输出电压调节范围较宽。




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作者信息:

施凯敏1,2,张东来3,王子才1,张  华2,吕文琪3

(1.哈尔滨工业大学 航天学院,黑龙江 哈尔滨150001;2.深圳航天科技创新研究院电力电子所,广东 深圳518057;

3.哈尔滨工业大学(深圳) 机电工程与自动化学院,广东 深圳518055)

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