大功率離子推力器屏柵電源拓撲技術進展與展望

武桐 翟浩 武榮 王其崗 王少寧

(蘭州空間技術物理研究所，蘭州 730000)

大功率離子推力器屏柵電源拓撲技術進展與展望

武桐 翟浩 武榮 王其崗 王少寧

(蘭州空間技術物理研究所，蘭州 730000)

將離子推力器電源處理單元(PPU)的屏柵電源拓撲作為研究對象，從電推進發展現狀及趨勢出發，介紹了國內外的研究進展和應用情況。主要就目前屏柵電源所用到的雙全橋并聯拓撲、全橋諧振變換器、推挽變換器組成的組合變換器拓撲和全橋軟開關拓撲進行論證分析，歸納了各屏柵電源拓撲的技術特點，最后結合我國今后PPU屏柵電源的發展需求，對屏柵電源新技術、新拓撲和功率量級等3方面作出展望，可為今后研制超大功率PPU屏柵電源提供研究方向與技術參考。

電推進；離子推力器；屏柵電源；高壓大功率

1 引言

電推進的高比沖優勢可以有效降低航天器系統的質量、提高航天器壽命、增加有效載荷，與傳統的化學推進方式相比，電推進可以大幅減小推進劑工質質量，適合于長壽命、大功率通信衛星和深空探測器等飛行總沖量大的飛行任務。

電推進系統由推力器、電源處理單元(PPU)、推進劑儲供系統(XFS)和數字控制單元(DCIU)4部分組成，其中PPU具備功率變換、接收指令執行各路輸出的開關、各路電源輸出電壓及電流的遙測和故障保護功能，是電推進系統穩定、可靠工作的基礎。隨著電推進任務類型逐漸擴展，推力器功率不斷提升，對PPU性能也有了更高要求[1]。在離子推力器PPU中，屏柵電源(Beam Supply)占PPU功率的80%以上，因此屏柵電源是高效率、高功率密度PPU設計的重點。

從美國“深空一號”離子推力器成功應用以來，美國、德國、日本等國已在電推進研究方面取得較大進展，屏柵電源也經過多次技術突破，實現了高效率、小型化設計并成功應用，其電路多使用軟開關全橋拓撲結構，有效提升高壓大功率環境下的工作指標。我國的電推進技術已經進入以實踐十三號衛星為代表的工程應用階段，隨著電推進技術應用范圍逐漸擴大，對屏柵電源的工作指標要求也會更高。

本文結合離子推力器屏柵電源的國內外研究進展，與我國現有屏柵電源進行比較與分析，結合二次電源最新技術，對屏柵電源的發展需求和發展策略進行了論述。

2 電推進應用概述

電推進應用于航天器位置保持、軌道轉移、姿態控制和動量輪卸載任務，目前國際上以靜電式的離子電推進和霍爾電推進為主。

美、德、英、日等國已在通信、深空探測等任務成功應用電推進技術。從美國最初的由太陽能發電技術應用(Solar-Electric-Power Technology Application Readines ,NSTAR)任務而研制的“深空一號”離子推力器開始，各國相繼推出電推力器，如美國氙離子推進項目(NASA’s Evolutionary Xenon Thruster Project, NEXT)、核電氙離子電推進系統(NEXIS)、HiPEP離子推力器、日本離子發動機系統-12(IES-12)、英國齊耐提克公司離子-T5(Ion-T5)、Ion-T6離子推力器、勞拉公司靜態等離子體-100(SPT-100)霍爾推力器以及美國正在廣泛應用的氙離子推進系統-13(XIPS-13)、XIPS-25，進而發展出全電推衛星平臺，如美國波音公司(BSS)研制的將XIPS-25作為推力器的BSS-702SP平臺，德國OHB公司、ESA與歐洲衛星公司(SES)聯合開發的Electra平臺。

2012年，蘭州空間技術物理研究所的離子電推進系統和上海空間技術研究所研制的霍爾電推進系統在實踐-9A(SJ-9A)衛星上進行了首次飛行試驗，均為1kW等級PPU，主要功能是為衛星南北位置保持的電推進系統供電。2017年4月，我國自主研制的LIPS-200離子電推進系統搭載我國首顆高通量通信衛星實踐十三號發射成功，這是我國首次將電推進技術作為衛星動力正式使用，LIPS-300離子電推進系統也在東方紅五號衛星平臺以及新技術驗證四號(XY-4)衛星上成功應用。

總體而言，離子推力器功率正在從NSTAR的3 kW級向NEXT的8 kW、NEXIS的20 kW和HiPEP的50 kW擴展[2]，在離子推力器高功率、長壽命、高可靠、高比沖的發展趨勢下，對PPU工作指標也有了更高要求，同時作為PPU的核心部件，屏柵電源也必須在功率密度、效率等指標上有所提高。我國已具備亞千瓦級霍爾和千瓦級離子推進技術基礎，但仍在電源功率密度、輸出功率、效率、高壓元器件和可靠性等方面與國外領先水平有一定差距[3]。為滿足空間技術發展需求，我國必須大力發展大功率電推進系統，提高PPU效率，推動大功率電推進技術進步。

3 離子推力器PPU屏柵電源技術研究現狀

PPU的功能是將航天器的母線電壓轉換為推力器啟動、工作所需的各種電壓和電流，同時具備故障保護與恢復功能，可以接收上位機(星載CPU)指令執行開關機動作，并可將PPU運行數據以遙測的形式發送給上位機。典型的離子推力器PPU由屏柵電源、加速電源、陽極電源、陰極和加熱電源、陰極點火電源、中加熱電源、中觸持極電源以及中點電源等組成[4]。

離子電推進系統推力器工作過程中，電源處理單元各功能電源的工作情況如下[5]：①陰極和中和器陰極兩個加熱電源，對空心陰極加熱絲通電加熱，直到空心陰極溫度被加熱到1600 ℃，空心陰極發射體開始熱電子發射；②陰極觸持極電源、陽極電源及中和器觸持極電源，建立陰極和中和器陰極電子發射電場，維持陰極的穩定持續放電狀態，并在主陰極和陽極間形成等離子體區域；③陰極點火電源和中和器陰極點火電源，分別在主陰極和中和器的陰極與觸持極之間產生高壓單次脈沖，使陰極和觸持極之間起弧放電；④加速電源和屏柵電源用于離子光學組件供電，對放電室內被電離的氙離子(Xe+)進行聚焦、加速和引出，從而產生推力。

PPU中的高壓電源就是由屏柵電源輸出，并且其輸出功率占PPU總功率的 80% 以上，因此，屏柵電源是PPU設計的關鍵及核心[5-7]。

3.1屏柵電源技術進展

3.1.1 “深空一號”離子推力器屏柵電源

“深空一號”專門針對美國NASA太陽電能技術試用發動機(Solar-Electric Power Technology Application Readiness，NSTAR)項目而研制，PPU功率等級2.3 kW，由NASA格林研究中心(GRC)負責研制。受PPU工作環境及性能的要求，NSTAR屏柵電源占整個PPU功率的85%[8]，其拓撲如圖1所示，選用非諧振全橋變換器的優勢，在于利用變壓器漏感與電容充放電減小串聯電感，峰值電流控制模式有效限制過流并提供短路保護。

圖1 NSTAR屏柵電源結構 Fig.1 Topology structure of beam supply for NSTAR

為解決寬動態范圍和高功率要求，NSTAR屏柵電源選取了非諧振全橋拓撲結構，如圖1所示，屏柵電源包含4個獨立電源模塊，每個電源模塊的輸入80 V，輸出300 V，NSTAR的PPU功率密度為4.8 kg/kW，在2.5 kW輸出功率時的效率為92%，0.6 kW輸出功率時的效率降為83%[9]。

全橋拓撲的優點是結構簡單、器件少，有利于減輕電源質量和體積。然而，其開關管的導通和關斷為硬開關控制，在大功率應用場合影響PPU效率，增加散熱難度。

3.1.2 NEXT離子推力器屏柵電源

為了滿足土星觀測器、海王星軌道飛行器、彗星取樣返回航天器以及金星取樣返回航天器等深空探測任務的需要，NASA提出了對5～10 kW等級離子PPU的需求[10]，由此提出了NEXT項目，NEXT推力器目前還在地面試驗階段，尚未進行在衛星上進行試驗。

NEXT屏柵電源采用移相/脈寬調制(PWM)混合控制雙全橋變換器拓撲，每個模塊原邊由兩個全橋電路并聯組成，副邊由二極管整流，原邊電路如圖2所示[11]，每個整流橋的開關頻率限定在50 kHz，整流器輸出端的開關頻率為100 kHz。

圖2 NEXT推力器屏柵電源單模塊原邊拓撲簡化圖Fig.2 Simplified schematic of single beam supply

在移相控制模式下，所有金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)開關管在50%占空比下工作，通過調節柵極A、柵極C或柵極B、柵極D之間的移相角實現對輸出電壓的調節。當變壓器原邊整流橋開關相位逐漸偏離時，輸出電壓降低，當MOSFET開關相位差180°，副邊二極管整流橋并聯輸出，變換器轉為脈寬調制(PWM)模式。PWM模式下，雙全橋并聯運行，適合于輸出較小電壓(<1000 V)，但隨之而來的輸出電流也會呈兩倍幅值上升，增加損耗。兩種模式下的MOSFET柵極電壓時序情況分別見圖3、圖4。

圖3 移相控制模式下MOSFET柵極電壓時序Fig.3 Phase-shift modulation gate drives

圖4 PWM控制模式下MOSFET柵極電壓時序Fig.4 Pulse-width modulation gate drives

屏柵電源由4個模塊并聯組成，單模塊輸出功率為1.1 kW，PPU組件外形尺寸為409 mm×511 mm×203 mm，總重15 kg，功率密度3.0 kg/kW，最高效率96.9%[12-15]，圖5表示當輸出功率分別為1.0 kW和0.3 kW時NEXT屏柵電源的工作效率。移相/PWM混合控制充分發揮了移相和PWM兩種控制方式的特點。在移相控制下，輸出電壓高于變壓器電壓；在PWM控制下，輸出電壓低于變壓器電壓，極大地減小了輸出電感的體積和質量。在移相控制時，負載電流由2個橋共同均流，以減小傳導損耗，提高效率[7]。

圖5 不同輸入電壓下的屏柵電源效率曲線Fig.5 Beam supply efficiency curve of different Vin

3.1.3 XIPS離子推力器

在上一代NSTAR離子推力器的成功應用基礎上，NASA研制出XIPS系列離子推力器，其性能和成本較上一代產品均有很大優化。XIPS-25(屏柵直徑25 cm)推力器的原理樣機在1980—1990年期間于休斯研究中心(HRL)研制成功，XIPS-13(屏柵直徑13 cm)推力器在1990年開始研究并于1997年作為正式產品上星應用[16]。25 cm推力器在13 cm推力器基礎上進行了改進，包括加入穩定推力器輸出的反饋控制，提高了PPU電源管理性能，優化結構并降低了制造成本，PPU原理樣機見圖6[17-18]。

圖6 25 cm的XIPS離子推力器電源處理單元Fig.6 Photograph of 25cm XIPS power supply

XIPS推力器發展至今，已有10個HS-702平臺的40個XIPS推力器成功應用。XIPS的性能相當于兩臺NSTAR推力器同時運行，其制造成本卻低于單個NSTAR推力器[16]。表1所示為XIPS-25的PPU額定運行參數，各個功率等級下PPU運行效率及其參數見圖7。

表1 XIPS-25的PPU額定運行參數

圖7 XIPS-25屏柵電源效率曲線Fig.7 Beam supply efficiency curve of XIPS-25

3.1.4 阿斯特里姆(Astrium)公司離子推力器(MULTI-RANGE)屏柵電源

為滿足日益增加的電推進應用需求：ESA提出了姿軌控精確調整(LISA、DARWIN項目)、牽引補償(GOCE項目)和長時間在軌運行(Bepi-Colombo項目)的技術需求[19]。由此，寬范圍(MULTI-RANGE)高壓電源模塊(High Voltage Power Supply，HVPS)作為屏柵電源得以提出。

MULTI-RANGE設計目標是在可變輸入電壓下提供最高效功率變換，拓撲設計為單控制回路，其拓撲見圖8，由兩組變換器組成。

主變換器采用諧振式DC/DC拓撲，提供80%～90%的輸出電壓，次變換器使用推挽電路傳輸剩余電壓。推挽式變換器的輸入端直接與直流母線相連，輸出端與主變換器輸出端串聯。整體效率取決于主變換器，僅有少量功率需要經次變換器變換[20]。諧振型DC/DC變換器的優點在于：相比于傳統移相全橋變換器擁有更大的諧振能量；輕載及空載條件下效率高于串聯諧振變換器；可在全負載范圍內實現零電壓(ZVS)軟開關，提高變換器效率。然而，電感、電容等元件的引入會增加電源質量，且控制實現更加復雜。

圖8 MULTI-RANGE拓撲Fig.8 Block diagram of MULTI-RANGE converter

高壓電源(HVPS)的結構由圖8所示的多個單模塊并聯構成，為了提供全冗余系統帶載能力，模塊間采用內部負載均流總線連接。

模塊工作指標為1000 V、1.4 A，由2個1200 V碳化硅整流橋和2個串聯的濾波器組成，選用這兩種器件是為了在整流器或輸出端電容故障時保護輸出總線。屏柵電源模塊結構是基于倒置的T型結構所設計，由一個底盤和裝載2塊印制電路板(PCB)的中心框架組成，見圖9。兩塊PCB板分成功率板和信號板，目的是將功率部分與信號控制部分的電磁耦合降至最低[21]。

模塊的機械特性如下：①整個模塊包括底盤總重2.9 kg；②尺寸為底盤面積300 mm×96 mm，高160 mm。

圖9 HVPS模塊機械結構Fig.9 Mechanical outline of a high voltage power supply module

HVPS的MULTI-RANGE運行效率及損耗曲線見圖10[22]。

圖10 MULTI-RANGHE效率測試曲線Fig.10 Measured efficiency of MULTI-RANGHE module

從圖10中可以得到，模塊效率在功率700～1400 W時可達97%，功率密度為2 kg/kW。HVPS已經成為電推進分系統中功率組件與控制單元的核心部件，并且已成功應用在了重力梯度及海洋環流探測衛星(GOCE)和阿爾法衛星平臺(Alpha-BUS)上。

3.1.5 國內離子推力器PPU屏柵電源

針對PPU中的大功率電源，我國LIPS-300離子推力器屏柵電源采用在全橋功率變換的基礎上，實施零電壓零電流開關(ZVZCS)移相全橋軟開關技術。通過軟開關技術，減少開關管的開關損耗，提高產品效率，并減少開關管電壓應力，提高了產品可靠性并改善電磁兼容(EMC)特性，通過產品測試效率達到了95%，達到了國外同類產品先進水平，其拓撲見圖11[5]。

圖11 單模塊ZVZCS移相全橋軟開關Fig.11 Schematic of single module ZVZCS phase-shift full-bridge DC/DC converter

我國LIPS-300離子推力器屏柵電源由4個模塊串聯得到1360 V輸出電壓，4 kW輸出功率，同時多串聯一個模塊(處于不工作狀態)，實現模塊串聯的冗余設計，單模塊效率曲線見圖12。

圖12 移相全橋變換器效率測試曲線Fig.12 Efficiency of phase-shift full-bridge DC/DC converter curve

3.2幾種離子推力器PPU屏柵電源技術比較

綜合來看，NEXT屏柵電源雖然相比于HVPS在所運用的拓撲及控制方法上稍顯傳統，但優勢也顯而易見：NEXT屏柵電源在拓撲復雜度低、體積質量小、功率密度大的基礎上保證了高效率。國外離子推力器屏柵電源與我國屏柵電源的相關技術指標比較如表2所示。

表2 離子推力器PPU屏柵電源性能指標比較

通過對比可以看出，歐美國家的屏柵電源研究工作較為成熟，在功率密度、效率等工作指標上也具有一定優勢。國外早于國內十年開始超大功率(5～10 kW)離子推力器電源處理單元的研究，而我國現有PPU功率僅在5 kW以內，因此，研究超大功率離子推力器PPU屏柵電源意義重大。

4 PPU屏柵電源拓撲技術展望

針對屏柵電源的應用環境，國際上主要采用適合于高壓大功率環境的全橋拓撲，只是針對不同的應用需求，在控制方法和對拓撲的改進上有所區別，NEXT推力器屏柵電源采用雙全橋并聯拓撲，在復雜度和功率密度方面有優勢，而HVPS采用全橋主變換器與推挽次變換器配合工作，在效率方面表現更為突出，我國自主研發的LIPS-200離子推力器PPU上采用的屏柵電源拓撲則由兩組全橋硬開關DC/DC 變換器串聯組成，LIPS-300在上一代全橋拓撲基礎上加入了軟開關，其效率與國外先進水平持平。目前對于超大功率(5～10 kw)離子推力器PPU屏柵電源，其拓撲的設計主要圍繞全橋軟開關拓撲，并且采用模塊化的設計構架，使電源靈活配置為最大或最小模塊數，以滿足推力控制要求。

4.1技術需求

隨著高比沖、長壽命和高功率密度的航天電推進技術發展，高壓大功率電源成為空間電源領域的研究熱點，總結屏柵電源發展，表現出以下技術需求。

1)效率與功率密度的要求提高

大功率電源需要具備高效特性，減小熱控需求，提高功率密度，進而增加衛星平臺有效載荷，基于軟開關控制的高壓電源能更好地滿足需求。

2)應用功能拓展

電推進由位置保持功能擴展為兼具轉移軌道推進、動量輪卸載等功能，屏柵電源工作模式也應多樣化以適應更多應用場景。

3)輸出電壓提高

離子推力器PPU屏柵電源已經從1000 V發展到1500～1900 V，其功率也正在從3 kW向5～10 kW及更高功率等級發展，在電推進技術不斷發展并成熟的過程中，也促進了新型電力電子拓撲的空間應用。

4.2發展策略

結合本文調研的屏柵電源技術進展及需求，提出以下發展策略。

1)采用高效率開關電源拓撲

屏柵電源功率占PPU總輸出功率的80%以上，因此屏柵電源高效率運行可以降低PPU工作熱損，減小熱控需求。原有屏柵電源采用硬開關拓撲，結構簡單，但熱損較大，影響電路性能及可靠性，采用先進的軟開關控制的開關電源拓撲可以有效降低損耗，提高電源效率和功率密度。

2)多模式輸出技術

為使推力器適應不同工作任務和環境，推力器需要具備多模式輸出功能，就NEXT推力器為例，采用多模式輸出的屏柵電源，可以對推力器推力進行靈活精確的控制。

3)采用組合變換器結構

組合變換器可以在有效降低器件應力的前提下提高輸出功率，減小輸出端紋波，與單模塊串聯結構相比能夠提高功率密度，提高衛星有效載荷。

4)提高電路耐壓性能

屏柵電源輸出電壓不斷提高，對電路在高壓大功率下的工作性能提出更高要求，這體現在功率器件耐壓性能方面以及高壓大功率電源制作工藝方面。

隨著屏柵電源指標及控制復雜度的提高，結合目前國內外倍受關注的數字電源，可以將數字電源應用到屏柵電源控制電路的設計乃至整個PPU的設計中。數字電源可以集成系統中很多功能，特別是電源管理功能，例如電源時序管理、電壓/電流監控、溫度監測、參數調整和修改等功能，以及用于靈活的系統級控制和實時的故障診斷反饋[6]。在對電源的控制方面，用模擬芯片可能實現難度較大或根本不能實現，而用數字芯片可以完全實現而不需要額外的芯片，這種高集成度可以提高產品的質量，提高產品化水平和性能的一致性[4]。

5 結束語

美、德、英、日等國已在屏柵電源研究方面取得顯著進展，以NASA為代表，其屏柵電源經歷了兩次技術突破，NEXT推力器雙全橋并聯屏柵模塊采用的軟開關拓撲、多模式輸出以及空間環境下的高壓絕緣防護技術是這一領域最先進的成果，德國MULTI-RANGE的主次變換器配合工作的屏柵電源設計，也有與前者接近的技術指標，這些都為屏柵電源研究提供了很好的技術標桿。

我國的電推進技術已經進入以實踐十三號衛星為代表的工程應用階段，未來發展前景廣闊，作為離子推力器PPU的核心技術，屏柵電源效率與功率密度是關鍵技術指標，其功率占PPU總輸出功率的80%以上，針對大功率場合應用的屏柵電源，原有的拓撲損耗大、功率密度低，下一步研究工作應著眼于電路拓撲的創新，在可靠提升輸出電壓前提下采用全橋軟開關拓撲、具備多模式輸出功能、利用組合變換器結構提升功率密度等技術途徑，滿足我國未來大功率離子推力器對屏柵電源的迫切需求，同時優化中小功率離子推力器屏柵電源效率指標，為高效率小型化PPU提供技術基礎。

References)

[1] 周志成，王敏，李烽，等．我國通信衛星電推進技術的工程應用[J].國際太空,2013(6):40-45

Zhou Zhicheng, Wang Min, Li Feng, et a1. Engineering application of electric propulsion technology in China’s telecommunication satellite[J]. Space International, 2013(6): 40-45 (in Chinese)

[2] 杭關榮, 洪鑫, 康小路. 國外空間推進技術現狀和發展趨勢[J]. 火箭推進, 2013, 39(5): 7-15

Hang Guanrong, Hong Xin, Kang Xiaolu. Current status and development trend of space propulsion technologies abroad[J]. Journal of Rocket Propulsion, 2013, 39(5): 7-15 (in Chinese)

[3] 周志成, 高軍. 全電推進GEO衛星平臺發展研究[J]. 航天器工程, 2015, 24(2): 1-6

Zhou Zhicheng, Gao Jun. Development approach to all-electric propulsion GEO satellite platform[J]. Spacecraft Engineering, 2015, 24(2): 1-6 (in Chinese)

[4] 成鋼, 王少寧. 離子推進系統電源研究[J]. 電子設計工程, 2012, 20(23): 141-146

Cheng Gang, Wang Shaoning. Study of a power for ion propulsion system[J]. Electronic Design Engineering, 2012, 20(23): 141-146 (in Chinese)

[5] 王少寧, 王衛國. 適用于30cm離子推力器的5kW電源處理單元設計[J]. 航天器工程, 2011, 20(5) : 74-79

Wang Shaoning, Wang Weiguo. Design of a 5kW modular power processing unit for 30cm ion thruster[J]. Spacecraft Engineering, 22(5): 74-79 (in Chinese)

[6] 楊軍, 周志成, 李峰, 等. BSS-702系列平臺低成本設計分析及啟示[J]. 航天器工程, 2016, 25(1): 141-147

Yang Jun, Zhou Zhicheng, Li Feng, et al. Analysis on low-cost design of BSS-702 serial platform and its instruction[J]. Spacecraft Engineering, 2016, 25(1): 141-147 (in Chinese)

[7] 李峰, 康慶, 邢杰, 等. 大功率電推進電源處理單元技術[J]. 北京航空航天大學學報，2016, 42(8): 1575-1583

Li Feng, Kang Qing, Xing Jie, et al. Technology for power processing unit used in high power electric propulsion[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2016, 42(8): 1575-1583 (in Chinese)

[8] Hamley J A, Cardwell G I, McDowell J, et al. The design and performance characteristics of the NSTAR PPU and DCIU, AIAA-98-3938[R]. International Electric Propulsion Conference, Washington D.C.: AIAA, 1998

[9] Brophy J, Marcucci M, Ganapathi, G, et al. The ion propulsion system for dawn, AIAA-2003-4542[R]. Washington D.C.: AIAA, 2003

[11] Patterson M J., Thruster development status for NEXT: NASA’s evolutionary xenon thruster, AIAA-2003-4862[R]. Washington D.C.: AIAA, 2003

[13] Todd P C, Martinell, R, Wiseman S,et al. Status of the NEXT 7 kW power processing unit, AIAA-2005-3868[C]// Joint Propulsion Conference. Washington D.C.: AIAA, 2005

[14] Patterson M J, Benson S W. NEXT ion propulsion system development status and performance, AIAA-2007-5199[C]// Joint Propulsion Conference. Washington D.C.: AIAA, 2007

[16] D M Goebel. Performance of XIPS electric propulsion in station keeping of the Boeing 702 spacecraft, AIAA-2002-5117[C]// 38th Joint Propulsion Conference. Washington D.C.: AIAA, 2002

[17] Matthias Gollor. Generic high voltage power supply with high efficiency for electrical propulsion[C]// 42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. Washington D.C.: AIAA, 2006

[18] Gollor M Boss. Generic high voltage power supply-next generation[C]// 43rd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. Washington D.C.: AIAA, 2006

[19] H Meusemann, M Winter. Electric propulsion in Germany: current program and prospective, IEPC-2005-130[C]// Proceedings of the 29th International Electric Propulsion Conference. Washington D.C.: AIAA, 2005

[20] M Gollor, K Breier. Compact high voltage power conditioners for field emission electric propulsion m(FEEP)[C]// Proceedings of Seventh European Space Power Conference. Washington D.C.: AIAA, 2005

[21] 韓全東, 洪鑫, 周海清. 空間推進技術需求與發展分析[J]. 火箭推進, 2012, 38(2): 9-15.

Han Quandong, Hong Xin, Zhou Haiqing. Analysis on requirement and development of space propulsion technology[J]. Journal of Rocket Propulsion, 2012, 38(2): 9-15 (in Chinese)

[22] D M Goebel. Performance of XIPS electric propulsion in station keeping of the Boeing 702 spacecraft, AIAA-2002-5117[C]// 38th Joint Propulsion Conference. Washington D.C.: AIAA, 2002

Development and Expectation of Beam Supply Topology for High Power Ion Thruster

WU Tong ZHAI Hao WU Rong WANG Qigang WANG Shaoning

(Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China)

This paper has a study of beam supply in ion thruster, in cluding the development status, trend and application status. The main analysis are about dual-full-bridge-parallel converter topology, combination topology consisting of resonant-full-bridge converter and push-pull converter, full-bridge capable of soft switch topology. The conclusion about the technique characte-ristics of each beam supply is given. Finally, combining with developing requirement of PPU beam supply in China, an expectation of beam supply about the new technology, new topology and new power magnitude is provided. The study could also provides a reference about the development of super high power PPU beam supply in the future.

electric propulsion; ion thruster; beam supply; high-voltage high-power

V439

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.04.016

2017-07-04；

2017-07-28

武桐，男，碩士研究生，研究方向為空間電子技術與航天器二次電源。Email：wutong1119@163.com。

(編輯：張小琳)