膠體推進器PPU高壓可調束流電源技術概述

李昊巖 王少寧 王其崗 武桐

(蘭州空間技術物理研究所，蘭州 730000)

電推進是一種先進的推進方式，可有效減少航天器總質量，提升航天器壽命。與傳統化學燃料推進相比，電推進推力最高僅有幾牛，一般低至毫牛，調節步長小，且燃料利用率高，總沖最高超過一萬秒，因此非常適合應用于需要輸出精準推力的場合以及長期空間任務。

作為近年來新興的電推進器中的一種，膠體推進器可以進一步提供更低量級的推力控制精度，達到微牛級，且能夠做到推力連續可調，比沖可達幾百秒到幾千秒，質量輕，體積小，功率僅有幾瓦到幾十瓦，羽流污染弱，適用于空間科學衛星和編隊飛行需求，國際上激光干涉空間天線(Laser Interferometer Space Antenna,LISA)計劃，國內的“太極”、“天琴”等計劃均將膠體推力器納入方案中。膠體推進器未來在分布式衛星系統的空間科學衛星及微納衛星編隊的姿態保持和軌道控制方面，具有更廣闊的應用需求。

膠體推進器電源處理單元(Power Processing Unit，PPU)電源電壓極高，由于以往航天器用電源中尚未應用過電壓高至十千伏以上的大范圍可調電源，實現高壓大范圍可調電源的技術突破，是研制膠體推進器的重點和難點。隨著我國空間科學中引力波探測對超靜無拖曳航天器平臺的迫切需要，膠體推進器及其配套PPU的研制需求也隨之增加，例如未來我國研制的膠體推進器即將搭載天琴-1(TQ-1)衛星進行在軌驗證。

本文針對膠體推進器PPU束流電源的研發需求，結合二次電源的最新技術，為PPU束流電源的研制提供技術基礎。

1 電推進器及其PPU技術概述

1.1 電推進在航天器中的應用

電推進器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。離子推進器發展較早，早在20世紀末，美國噴氣推進實驗室(JPL)在“深空一號”(DS-1)離子推力器就已進行了大量研究工作。由于美國國家航空航天局(NASA)太陽系外行星探測任務需要更高功率、更大沖量的推進器，格林研究中心(GRC)于2002年研制了“改進型氙推力器”(NEXT)。在NASA“普羅米修斯核電推進計劃”的背景下， JPL研制了“核電氙推進器”(NEXIS)，相應的，格林研究中心(GRC)研制了“高功率電推進”(HiPEP)系統。而針對“精準定位”(LISA Pathfinder)，“高精度方位指向”(DRAWIN)，“拖曳補償”(GOCE)及“長時間滯空飛行”(Bepi-Colombo)等諸多空間任務，歐洲航天局(ESA)開發了使用新型電源模塊的電推進系統[1-2]。

相比較而言，霍爾推進器可以輸出更大的推力。2000年初，司奈科瑪(SNECMA)公司和阿爾卡特(Alcatel)公司針對阿斯特里姆(Astrium)阿爾法衛星公用共用平臺需求，研制并測試了“高功率霍爾電推進器”(PPS-X)及其配套電源，工作電壓1000 V，功率6 kW，推力達到340 mN。2001年，大西洋研究組織和俄羅斯火炬局(EDB Fakel)聯合研制了“單級霍爾推進系統”(SPT-1)，推力器在額定功率2.3 kW下輸出推力97 mN。2002年GRC完成了推力達到3 N的50 kW級霍爾推力器(NASA-457M)的設計、制造、組裝和試驗[3]。

而在現如今的許多空間任務中，由于微納衛星具有風險小、成本低、尺寸小、整合性好等諸多優點，成本高昂的大型衛星，越來越多地被一系列采用無拖曳控制技術的微納衛星來代替，而這很可能是未來衛星發展的趨勢[4]。大幅度減小衛星的尺寸和質量，需要在衛星的每個子系統上的小型化付出巨大的努力。例如，對于微納衛星的姿態控制系統來說，其所需的比沖一般低至10-6Ns的數量級，但是在當今已經相對較成熟的電推進系統中，大部分的電推進方式都不能滿足這個要求[5]。因此隨著近年來對微納衛星及其編隊飛行越來越深入的研究，迫切需要一種與以往使用的電推進方式不同的微型、低推力、高效的推進系統，來進行替換和改進[4,6]。表1所示的是不同種電推進器性能參數，總體而言，離子推進器和霍爾推進器輸出推力和PPU功率比膠體推進器大三個數量級，但后者電源電壓更高，電流更小。

表1 電推進器性能參數比較

與其它電推進方式相比，膠體推進器的工作原理極其簡單，因為帶電粒子的形成與加速是同時進行的，并不需要復雜的熱電離或電子轟擊過程，不需要消耗較多的能量[6]；這也使得膠體推進器推功比很高，而通過改變推進劑工質流速、加速電壓、發射極結構、發射極溫度以及推進劑特性，可以在大范圍內對推力和比沖進行調節[7]；此外，由于束流相對潔凈，并不存在持續的電弧放電或磁場，膠體推進器與航天器互相之間的干擾處于一個較低的水平[8]。因此它在航天器位置保持和姿態控制等方面具有很大優勢。

在美國空軍“綠寶石”(Emerald)衛星計劃的支持下，斯坦福大學研制的膠體微推力器已于2003年由航天飛機搭載飛行。2005年美國Busek公司研制的膠體推進器首次搭載在空間技術-7(ST-7)衛星上進行在軌驗證，2006年，還搭載在NASA與ESA合作的小型先進技術研究任務-2(Smart-2)衛星上進行飛行試驗。

1.2 膠體推進PPU技術

相比較而言，國際上主流的離子推進與霍爾推進輸出推力一般在毫牛至牛級，其所需的PPU功率都可以達到千瓦級。例如之前提到的NASA第一代電推進器DS-1的PPU功率最高達2.3 kW，其電壓和電流均較大采用了全橋電路。德國阿斯特里姆(Astrium)公司專為不同型號的電推進器研制的可變化指標模塊化電源，采用了零電壓準諧振橋式電路，輸出電壓1850 V，輸出功率最大4625 W。而霍爾推進器的電流更大，2004年，GRC和航空噴氣公司(Aerojet)改進的霍爾推力器NASA-457M電流更是達到了111 A。

對于膠體推進器PPU來說，其功率低至瓦級，而電流僅有幾十至幾百微安，但電壓卻比離子推進器和霍爾推進器PPU高出一個數量級。膠體推進器通過加速帶電粒子(通常指膠體粒子)來產生推力，膠體推進器及其配套PPU的結構框圖見圖1。

圖1 膠體推進器及其PPU的結構框圖Fig.1 Colloid thruster with its PPU conceptual diagram

膠體推進器由發射極、抽取極、加速極和中和器等組成,各個組成部分所需的供電電源包括束流電源、抽取極電源、加速極電源和中和器電源等共同組成了PPU，如圖2所示，PPU中各路電源參數見表2。

圖2 PPU結構框圖Fig.2 PPU conceptual diagram

性能參數輸出電壓輸出電流束流電源3～10kV<500μA抽取極電源1～2kV<500μA中和器電源0.5～1kV<1mA加速極電源200V～1kV<1mA加熱器電源0～15V<0.2A

其中，發射極上帶可調正電壓，由PPU中的束流電源(beam supply)供電，束流電源是整個PPU中電壓最高、功率最大的一路電源。而其它電源如加熱器電源性能參數要求低、技術難度不高，這里不做介紹。抽取極電壓比發射極電壓低1～3 kV，與束流電源拓撲結構類似，僅減少了升壓倍數。當抽取極和發射極之間電壓差達到一定值時，抽取極頂端上的液體在電場的作用下會形成一個錐體，錐體表面的平衡由液體表面張力和靜電力的平衡來維持，在錐體頂端附近，電場被加強到一個無法被表面張力抵消的值，進而錐體頂端分裂成小液滴，形成帶電液滴噴射。由于電噴射的穩定性存在著遲滯，這意味著在形成穩定的電噴射現象之后，其可以保持在與最初要求達到穩定時所施加的電壓相比稍低的電壓量級[9]。

為開啟電噴射現象而在發射極和抽取極施加的最小電壓，也就是束流電源與抽取極電源之間的最小電壓，被稱作膠體推進器的開啟電壓(onset voltage)[10]。國內外對膠體推進器的開啟電壓進行過專門研究，得出開啟電壓[10]為

(1)

而在基于微電子制造的新型微型膠體推進器[8]中，開啟電壓簡化為

(2)

式中：r為發射極噴嘴的內徑；δ為液體表面張力系數；ε0為真空介電常數；d為源發射極頂端與抽取極之間的距離。

雖然不同文獻中提到的開啟電壓公式形式有所不同，但是，這些公式都表明膠體推進器的開啟電壓與推進器的尺寸直接相關。這意味著除非使用微電子制造技術(MEMS)來減小推進器的尺寸，否則根據式(1)和式(2)，膠體推進器PPU中的束流電源必須實現高達10 kV[10]的輸出，才能達到開啟電壓而使推進器工作。

大多數膠體推進器的功率并不是很高，一般只有幾瓦到幾十瓦。在1 mlb(4.535 9 g)膠體推進器設計中，PPU總功率為68 W，其中束流電源功率為47 W[11]。由此可見，電壓水平最高、功率最大的束流電源是整個PPU中最重要的部分，因而也成為了膠體推進器PPU設計的研究重點，本文下面將主要介紹滿足束流電源使用要求的電源設計方案。

2 膠體推進器PPU束流電源拓撲設計方案

當逆變技術和脈寬調制技術興起并迅速發展后，高壓電源大多使用了高頻逆變+高壓變壓器+整流的多級升壓結構。這樣便減小了每級升壓電路上的升壓應力，大大降低了電路設計難度并緩解對升壓器件的壓力，例如變壓器匝比的減小、倍壓整流電路階次的降低，以及升壓電容的容值降至納法級等。例如，在大功率行波管測試設備高壓電源的研究[12]中，首先，500 V直流電經過零電壓多諧振軟開關變換為60 kHz的交流電，之后再經由變壓器輸入到倍壓整流電路。通過高壓變壓器實現隔離，而適當的變比和次級分槽繞制的制作工藝可有效減小各種寄生參數對電路的影響。借鑒國內外航天器行波管上大量應用的成熟電路，類似地，束流電源方案也采取如圖3所示的前級預穩壓電路+變壓器隔離升壓+倍壓整流電路升壓輸出的多級電路結構。文章下面將介紹能夠實現大范圍輸出電壓調節的前級電路以及倍壓整流輸出電路，二者通過變壓器隔離結構級聯、級聯方式已廣泛應用，這里不再贅述。

圖3 束流電源結構Fig.3 Beam supply conceptual diagram

2.1 前級電路設計方案

前級電路需要一種能夠實現至少4倍壓的寬范圍電壓輸出的電路拓撲，這樣經過后級線性升壓電路，才能滿足膠體推進器所需的供電電壓范圍。在4種基本的電路拓撲中，Boost電路具有超過2倍輸入電壓的電壓增益，在高壓應用場合，級聯變換器的前級如果采用Boost電路提升電壓，則可以減輕后級隔離變壓器以及倍壓整流電路的升壓壓力，理論上應該是最好的選擇[13]。文獻[14]使用了在Boost模式下工作的零電壓移相全橋倍壓變換器(FB-ZCS Boost)。類似地國內外航天器用行波管電源通常都采用單級半橋或者全橋諧振變換器[13]。在一種低紋波多路輸出高壓電源中，文獻[15]同樣使用了Boost直流斬波電路替代傳統拓撲中的Buck電路，以便解決變壓器變比以及倍壓整流電路多極化問題。

然而在輕載或空載條件下，Boost電路作為前級會導致系統輸出電壓在變化負載條件下非常難以控制，Buck電路則不然。在行波管高壓電源變換器設計研究中，針對小型化行波管的供電需求，文獻[13]提出了一種兩級Buck+半橋變換器，輸出端采用對稱倍壓整流電路代替常規的全橋整流電路。

由于Buck-Boost電路可以輸出低于或高于輸入電壓的電壓值，理想情況下調節占空比即可輸出大范圍的電壓值，因此可以將其考慮為前級電路。很多寬范圍輸出電壓的電源設計也都是基于Buck-Boost電路，文獻[16]使用Buck-Boost電路作為前級電路來輸出大范圍可調的電壓。

在實際中，當Buck-Boost電路帶載后，占空比并不能夠像理想情況一樣在0到1之間任意變化；而且在輸出電壓低至輸入電壓1/3以下時，占空比過小會導致難以實現電壓的精確調節。因此考慮到對Buck-Boost電路加以改進，例如通過將Buck和Boost變換器串、并聯組合，可以實現輸出電壓寬范圍的調節[17]。

當然，也可將Boost電路輸出串接Buck電路，這樣，兩個電路中的電感電容兼具濾波功能；而將兩種電路并聯也是一種選擇，只不過與二者串聯分時控制類似[17]。仿真結果表明，閉環的雙管Buckboost電路占空比為0.25和0.62時分別可以輸出8.7 V和44.5 V的電壓值，表明雙管Buckboost電路完全滿足束流電源輸出電壓在4倍壓范圍內變化的要求。如果后級電路的輸入輸出線性度非常好，并且能夠將電壓升舉到所需的倍數，那么使用Buck電路和Boost電路串聯的拓撲結構作為前級電路，完全滿足電源指標要求的4倍壓大范圍輸出。

圖4 Buck電路串聯Boost電路Fig.4 Buck and boost in series

2.2 倍壓整流輸出電路設計方案

在高電壓(kV級)低電流(mA級)的場合中，倍壓整流電路越來越得到廣泛的應用。常用的倍壓整流電路主要有2種：科克羅夫特-沃爾頓(Coccroft-Walton，C-W)倍壓整流電路和信克爾倍壓整流電路。其中，前者又分為全波電路和半波電路。通常，將2倍輸入電壓的電壓輸出稱作一階(倍壓整流電路的階次用n表示)。實際中高階倍壓整流電路的帶載能力很差，輸出幾十瓦的功率卻會導致輸出電壓的大幅度下降[18]。

四階的C-W半波倍壓整流電路、C-W全波倍壓整流電路和信克爾倍壓整流電路如圖5～7所示。在每種結構中，將所有的二級管反向，便可使輸出電壓極性反向。

在C-W倍壓整流電路中，根據不同位置電容所起到的作用，將C2、C4稱作輸出電容，將C1、C3稱作升壓電容。根據文獻[18]的仿真結果，只改變輸出電容容值會比只改變升壓電容容值引起的壓降和紋波更大。由于輸出電容對電路的影響較大，而升壓電容對輸出電壓和電流的影響很小，在設計與改進C-W全波倍壓整流電路時，可以選擇幾十納法的升壓電容，用以減小電路的體積。

C-W半波倍壓整流電路結構簡單，除與變壓器次級直接并聯的電容上所加的電壓大小，與副邊感應電壓近似相等外，其他所有的電容上所加電壓均近似為副邊感應電壓的兩倍，因此C-W半波倍壓整流電路中電容的耐壓等級可以稍低，這一優勢使得它得到廣泛的應用，但電容串聯放電會導致紋波較大[18]。

圖5 四階C-W半波倍壓整流電路Fig.5 Four stage Cockroft-Walton half-wave voltage multiplier

圖6 四階C-W全波倍壓整流電路Fig.6 Four stage Cockroft-Walton full-wave voltage multiplier

圖7 信克爾倍壓整流電路Fig.7 Scheakel voltage multiplier

C-W全波倍壓整流電路是半波電路的改進，改進后的電路紋波變小。信克爾倍壓整流電路紋波也很小，但由于其電容以并聯的方式連接，升壓電容的等級會隨著倍壓整流電路階次n的增大而增大，尤其是最后一級輸出電容上所加的電壓與輸出電壓等級相同。這對電容耐壓值提出了較高的要求，而對二極管的要求也會更高。因此在高階倍壓整流電路中，很少使用信克爾倍壓整流電路。但由于同時等效電容也在增加，因此可以減小電容，這樣相對來講便可以縮小電路的體積，加快了充放電的速度[19]。

倍壓整流電路的輸出紋波與壓降的推導很復雜，在工程上通常采取如下的經驗公式。

(3)

(4)

式 (4)中：δV為電壓紋波；ΔV為電壓壓降；n為電路階次；f為電源頻率；c為電容容值；IL為負載電流。

由此可見，輸出電壓與輸入電源頻率、電容值、電路階次和負載有關，電路階次越高，電壓降及紋波越高，除此之外，電源頻率、電容值以及負載的增加，會導致輸出紋波和壓降的降低。一般情況下，工況在最開始已經確定，因此在之后設計電路的時候主要考慮電容。

(5)

式中：ΔU為允許的電壓降，一般指空載輸出電壓與額載輸出電壓之差。

根據計算和仿真便可以確定電容值，隨著倍壓電容容值的增大，輸出電壓壓降和紋波越來越小。但倍壓電容不是越大越好，在電路開始工作到穩態建立的時候，整流二極管會因大電容而受到一個較大的沖擊電流。因此，為了保障電路的正常工作。在滿足輸出紋波和壓降的情況下，盡可能選擇納法級的小容值的電容。

倍壓整流電路經過發展，出現了各種各樣的拓撲結構以改善性能。例如，一種多繞組變壓器倍壓整流電路[20]采用升壓變壓器和倍壓整流電路相結合的方式，如圖8所示，減小了變壓器的電壓等級，從而通過減小匝比以及變壓器尺寸，減小了變壓器的體積和質量，有利于裝置的小型化。另外變壓器電壓等級的減小降低了原副邊的匝數比，從而減小了分布電容，有利于裝置的運行。這種電路拓撲雖然體積大、質量大制造相對較困難，但其輸出電壓調整時間小，倍壓整流效果好，且效率較高，工作可靠，因此這種電路拓撲方式被廣泛應用于高壓直流電源。

圖8 多繞組變壓器倍壓整流電路Fig.8 Voltage multiplier with multi-winding transformer

一種新型低功耗小型高壓電源[21]采用了多級一次升壓和倍壓整流電路，如圖9所示。每一個二極管級電容組成一個整流濾波電路。高壓整流和升壓變壓器全部灌封于一體，整體穩定性高，是一種穩定性可靠的新型高壓電源拓撲。各種倍壓整流電路在輸出高電壓的同時，其線性度也能保持在較高的水平，非常適合作為高壓電路的輸出一級。

2.3 設計方案小結

綜上，若想實現高壓輸出，必將使用多級電路串聯來共同實現電壓的升舉，否則對升壓電容、變壓器等升壓器件的電壓應力過大，在工藝和結構上難以實現。而由基本電路構成的前級電路各有其優點，但要想實現大范圍的輸出電壓變化，必須由Buck串聯Boost組成的基本電路來實現，而輸出側將使用倍壓整流電路實現高壓輸出。仿真結果表明文章設計的電路在滿足膠體推進器PPU束流電源10 kV輸出電壓的指標要求的同時，還能實現4倍壓寬范圍輸出調節，使得膠體推進器輸出變化的推力，以達到完成空間任務的目的。

3 膠體推進器及其PPU束流電源拓撲技術展望

(1)輸出電壓極高。正常工況下，束流電源功率僅有幾瓦，根據式(1)、式(2)，即便采取MEMS工藝制造技術以減小推進其尺寸，其輸出電壓最高仍達到10 kV以上，因此可以預見的是，無論現在還是在膠體推進器技術不斷發展的將來，膠體推進器PPU束流電源必將使用能夠輸出10 kV以上電壓的電力電子拓撲。

(2)輸出電流極小。膠體推進器PPU束流電源輸出電流極小，僅有幾十到幾百微安。比傳統的離子推進器和霍爾推進器PPU輸出電流低三至六個數量級，這對PPU工況的遙測以及數據的精度是一個極大的挑戰。

(3)調節范圍寬。束流電源需要能夠在3～10 kV的范圍內進行輸出調節，調節步長為100 V，這意味著電源可調節性很強，必須能夠迅速隨時改變電壓輸出以滿足膠體推進器即時的要求。

結合本文調研的膠體推進器及其PPU技術進展及需求，可以提出以下發展策略：

1)多模式輸出策略

膠體推進器可以提供高姿態控制精度，并在在傳統推進器不能涉及的更小推力范圍內進行小攝動補償。與其它電推進方式類似，為應用在姿態控制、南北位保、動量輪卸載等多任務環境，膠體推進器也應具備多種輸出模式，而其PPU在不同模式下則應輸出相應的電壓和電流，例如持續穩定的輸出或者時變的電壓輸出。

2)輸出電壓更高

為滿足降額要求，膠體推進器PPU束流電源在設計時還要高出其工作時要求的最高電壓值，同時，考慮到日后膠體推進器的改進，并且伴隨著電力電子技術的不斷發展，PPU的輸出應留有足夠的裕量。

3)模塊化電源結構

在成熟的電推進器系統中，已經出現了模塊化電源的概念，這種電源符合大多數離子推進器的PPU指標。然而，新興的膠體推進器PPU電源指標更加苛刻。但是，如果在束流電源的研制采用了模塊化的設計，例如僅僅降低束流電源倍壓整流電路的階次以降低電壓輸出，便能夠滿足PPU其他路電源的指標。

4 結束語

電推進技術已經發展多年，國際上主流的離子推進器和霍爾推進器及其PPU技術都已相對成熟，然而現如今，隨著微小衛星的發展，尤其是在以超靜無拖曳航天器平臺為基礎的美國國家航空航天局的激光干涉空間天線(NASA LISA)計劃和我國“天琴”計劃的背景下，更小推力量級的膠體推進器具有廣泛的應用前景，但目前膠體推進器及其PPU仍處于研究發展階段。通過分析總結了電推進器及其PPU的特點，針對膠體推進器PPU束流電源高壓大范圍可調的難點，借鑒已經成熟應用在行波管上的預穩壓+變壓器升壓+倍壓整流的多級升壓電路拓撲結構，并對構成這種電路結構的各個組成部分進行分析，論證了由基礎電路構成的前級電路的優缺點，本文提出前級電路應由Buck電路和Boost電路組合實現大范圍電壓輸出的功能，經過變壓器升壓后，最終由倍壓整流電路實現最后一級的升壓并輸出，理論上能夠滿足航天用膠體推進器PPU束流電源性能要求，滿足我國未來航天用膠體推進器對PPU高壓可調束流電源的迫切需求。

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