用于小行星探測的離子電推進屏柵電源拓撲研究

胡延棟 王少寧 陳昶文 武桐

(蘭州空間技術物理研究所，蘭州 730000)

小行星是太陽系中重要的組成部分，保留了太陽系形成之初的姿態，小行星探測是了解太陽系演變、探索生命起源的重要途徑。小行星探測任務將實現近地采樣返回探測和主帶彗星探測，分階段、多手段獲取科學探測成果。隨著探測器進入深空，距離太陽越來越遠，太陽電池翼的電能輸出能力隨之下降，為了與不同太陽距離條件下電池翼輸出功率的大小相匹配，推進系統的功率須能在0.3～5 kW范圍內進行多工作點調節，且具備長期連續工作的能力。由于探測任務的復雜性，離子電推進具有比沖高、壽命長、效率高等特點，已經成為小行星探測推進系統的優勢選擇。

典型的離子電推進系統由4部分組成，分別為電源處理單元(Power Processing Unit, PPU)、推力器、推進劑儲供系統(Xenon Feed System, XFS)和數字控制單元(Digital Control Interface Unit, DCIU)。其中PPU是電推進系統穩定、可靠運行的基礎，具備將航天器的母線電壓轉化為推力器啟動、工作所需要的各種電流和電壓，同時還具備功率變換、故障保護功能。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。

在離子電推進PPU中，電源處理單元由屏柵電源(Beam Supply, BS)、加速電源、陽極電源、陰極加熱電源、陰極點火電源、中加熱電源、中觸持極電源以及中點火電源組成[1]。其中，屏柵電源占PPU功率的80%以上，因此為滿足高效率、高功率密度PPU的要求，屏柵電源的設計是核心。

綜上所述，針對小行星探測任務的寬范圍、多工作模式電推進系統對PPU的功能和性能需求，本文研究了離子電推進PPU屏柵電源的現狀，提出了一種高效率、高可靠性和寬范圍輸入的PPU屏柵電源，并最后對該屏柵電源的LLC拓撲結構做出了展望。

1 離子電推進PPU屏柵電源技術研究現狀

1.1 國內的離子電推進屏柵電源

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，主要功能是為衛星南北位置保持的電推進系統供電。我國自主研制的LIP-300離子推力器屏柵電源由4個模塊串聯得到輸出電壓為1360 V，輸出功率為4 kW，同時還可以多串聯一個模塊，處于不工作狀態，實現N+1的冗余設計。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[2]，降低了開關管的開關損耗，提高了產品效率，改善了產品的可靠性和電磁兼容(EMC)特性。單模塊的效率曲線如圖1所示，最終效率可達到95%。

圖1 移相全橋變換器效率測試曲線Fig.1 Efficiency curve of phase-shift full bridge converter

1.2 NEXT離子電推進屏柵電源

為了滿足地球軌道和深空探測任務的需求，美國提出了新一代離子推力器(NASA ’s Evolutionary Xenon Thruster, NEXT)項目，針對5～10 kW等級的離子PPU，該項目由波音電子動力設備公司(Boeing Electron Dynamics Devices, BEDD)負責離子PPU的研制[3]。PPU的總效率超過92%，總質量不超過15 kg，功率密度比為3.0 kg/kW。NEXT離子電推進PPU采用了軟開關技術，屏柵電源選用了一種移相/脈寬調制雙全橋變換器拓撲，由4個1.1 kW模塊組成，每個模塊的初級側并聯兩個全橋電路，輸出低通濾波器由電感Lr組成，次級側由整流二極管組成，初級側電路如圖2所示。每個全橋的工作頻率為50 kHz，模塊的開關頻率輸出為100 kHz。

圖2 NEXT屏柵電源的雙橋拓撲結構Fig.2 Full bridge topology structure of beam supply for NEXT

在高壓輸出運行時，變換器采用移相控制，所有的金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)占空比為50%，通過改變Q1和Q3或Q2和Q4開關之間的相移角對輸出電壓進行調節。為了滿足寬范圍輸入電壓應用場合，允許屏柵電源低電壓輸出運行，變換器在脈沖寬度調制(PWM)模式下運行，當變換器需要較低的輸出電壓時，相移控制電路使橋臂工作在不同相位，直到MOSFET開關相位差180°時，輸出電壓最低。在PWM模式控制下，輸出電壓與柵極驅動脈沖寬度成正比。直到占空比達到50%，PWM控制無法再提高輸出電壓，控制方法轉換為移相控制，便可以獲得更高的輸出電壓。其中，NEXT項目PPU效率測試曲線如圖3所示，該效率包含了屏柵電源及其他電源的整體效率，輸入電壓100 V的情況下，則5 kW的PPU總效率為93%～95%[4]。

圖3 NEXT項目PPU效率曲線Fig.3 PPU efficiency curve of NEXT project

為適應目前探測任務的需求，NEXT離子電推進PPU的設計偏向于寬范圍輸入電壓(80～160 V)與寬范圍輸出電壓(275～1800 V)下隔離運行，模塊輸出功率1.1 kW，PPU組件外形尺寸大約為409 mm×511 mm×203 mm。此1.1 kW的功率模塊是屏柵電源的組成部分，多個單一功率模塊在輸入、輸出端并聯運行就可以實現屏柵電源在更高功率輸出。圖4為5 kW的PPU屏柵電源模塊基本拓撲連接方式。分流總線能夠確保所有模塊在相同功率等級下運行，通過額外并聯的一個模塊實現N+1冗余設計。

雙橋移相拓撲的優點在于充分利用了PWM控制和移相控制2種控制方式，在高壓輸出模式下，移相控制可使電源工作在零電壓開關(ZVS)或零電流開關(ZCS)，減小開關、提高轉換效率。此整流器運行方式使得輸出濾波器的電感電壓最小，所以輸出端電感的尺寸和質量大幅減小。其缺點是電路參數選取較難，低壓輸出下，PWM控制屬于硬開關，運行損耗較大，降低了變換器轉換效率。

圖4 5 kW屏柵電源模塊連接結構圖Fig.4 Diagram of the connection structure on 5kW beam supply module

1.3 Astrium 公司的離子電推進屏柵電源

為了滿足定位精度高(DARWIN任務)、牽引補償(GOCE任務)和長期在軌飛行(Bepi-Colombo任務)，歐洲航天局提出了一種高壓電源模塊(High Voltage Power Supply, HVPS)作為屏柵電源來適應離子電推進的需求，由Astrium 公司承擔了該項目的研制。HVPS是離子電推進的核心，已經在“重力梯度和海洋環流探測”(GOCE)任務中得到了應用。

HVPS采用了一種高效率、簡單的環路控制直流輸出LC串聯諧振變換器，如圖5所示。它包括兩個變換器，主變換器采用諧振型隔離DC/DC拓撲，提供的輸出電壓為80%～90%，占主要部分；次變換器采用推挽式結構，用于傳輸剩余的電壓。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，整體效率主要由主變換器決定，只有小部分的功率需要經推挽式變換器調節[5-6]。

圖5 直流輸出串聯變換器Fig.5 DC-output series connected converter

LC串聯諧振變換器如圖6所示，圖中的諧振電容Cr，與諧振電感Lr，構成串聯諧振網絡，逆變器的輸出電壓注入諧振網絡獲得近似正弦波電流，流入高頻變壓器中，因此變壓器上的渦流損耗大幅降低，相比于非諧振型雙向全橋DC/DC變換器，變換器的整體效率得到較大提高。

圖6 LC全橋諧振拓撲結構Fig.6 LC full bridge resonant topology structure

高壓電源模塊的輸入電壓100 V，輸出電壓1000 V，最大輸出功率為1400 W。模塊的效率如圖7所示，功率從700～1400 W時可達97%，功率密度比為2 kg/kW。

圖7 直流輸出串聯變換器效率曲線Fig.7 Efficiency curve of DC-output series connected converter

高壓電源的結構由多個單模塊并聯構成，模塊之間利用多模塊均流技術相連，提高了系統功率等級，增加了可靠性。其輸出功率取決于特定電推進的工作情況，一個附加模塊可以在其他模塊故障時投入運行以保證輸出功率穩定，避免了如果其中一個模塊在輸出端短路所造成的整個高壓電源組件失效。

LC串聯諧振型雙向全橋DC/DC變換器的不足在于：高頻變壓器的電流與逆變電路的電流一致，開關管承受較大的電流應力，同時諧振網絡的能量也存在一定的局限性。為解決上述問題，通過將LC諧振電路中并聯一個勵磁電感Lm，多種復合諧振網絡相繼取代單級諧振網絡，典型的復合諧振網絡主要為LLC拓撲[7]。

綜合來看，國外對于離子電推進PPU屏柵電源的研究相比于國內較為成熟，特別是歐洲航天局提出的HVPS，效率達到了97%，但其拓撲相對復雜。為了滿足小行星探測任務中電推進系統的工作功率有一定的變化范圍，還需要對屏柵電源LLC諧振變換器寬范圍輸入方面進一步研究，從而設計出多個等級的工作點來適應小行星探測的任務需求。

2 屏柵電源LLC諧振變換器寬范圍輸入研究

2.1 LLC諧振變換器的工作特性

圖8 全橋LLC諧振變換器主電路拓撲結構Fig.8 Full bridge LLC resonant converter main circuit topology

根據其工作特性可以將按開關頻率fs不同分為3種工作模式：①當變換器工作在fs>fr1時，諧振網絡的阻抗特性呈現感性，變換器可以實現ZVS。但是次級整流二極管不能實現ZCS，存在反向恢復問題。②當變換器工作在fr2

通過以上分析可知，LLC諧振變換器具有以下幾個優點：

(1)易于實現開關管MOSFET的零電壓開通，在一定條件下可以實現次級整流二極管的零電流關斷，開關損耗低，能夠實現較高的效率；

(2)適合在高頻下工作，可以降低磁性元件的體積，且次級不需要濾波電感，增大變換器的功率密度；

(3)通過變頻控制輸出電壓，不改變驅動信號的占空比，可以實現升壓也可以實現降壓；

(4)結構簡單，實用性好，容易分析其特點。

2.2 LLC諧振變換器寬范圍輸入的研究

目前對于LLC諧振變換器的研究方向主要是優化策略研究、混合控制的研究和諧振腔設計方法的研究等居多。由于LLC諧振變換器工作在頻率調制模式，隨著開關頻率的不同，變換器的工作特性和增益將跟隨著變化。為了滿足小行星探測中寬范圍輸入要求，LLC諧振變換器的增益曲線就成為研究的重點。對此有關研究提出了LLC諧振變換器的一種精確的時域增益模型，然而該模型相對復雜，需要借助軟件才能完成增益曲線的繪制[8]。還提出了一種通過基波等效分析法(Fundamental Harmonic Approximation, FHA)得出的增益曲線[9]，在工作頻率與諧振頻率相差較大時，由于FHA分析方法得到的最大增益點與實際存在較大偏差[10]，因此得到的結果往往不是最理想的。

針對LLC諧振變換器寬范圍輸入還缺少一種相對簡單且準確的設計方法，現有的增益曲線分析方法主要有時域分析法和FHA分析法，其中基波等效分析法就是將諧振腔的輸入信號和輸出信號都等效為正弦波，并在此基礎上利用電路原理推導得到變換器增益曲線公式。該方法僅適用于開關頻率在諧振頻率附近的區域，當開關頻率偏離諧振頻率時，FHA分析方法得到的增益要顯著小于實際增益，因此對于寬范圍輸入設計沒有太多幫助。時域分析法是在建立變換器狀態方程的基礎上，結合邊界條件，推導得到變換器的數學模型。該方法得到的結果是最準確的，但是無法得到增益曲線的解析表達式，無法實現直觀設計。正是基于這些原因，結合LLC諧振變換器的工作特性以及優點，需要一種簡化的時域分析模型來獲得相對準確的增益曲線以完成寬范圍輸入設計，相比于傳統的基于時域增益曲線的設計方法和基于FHA增益曲線的設計方法，該方法在設計復雜度和準確度之間會有一定的改善。

不同電感比h下的增益曲線如圖9所示，其中縱坐標是由變壓器匝比n與增益M的乘積組成，電感比h=Lm/Lr。從圖9中可以看出，電感比h越大，最大增益也越小，因此設計寬范圍輸入時，需要考慮電感比h的最大值，并且將實際的電感比h設計在這一臨界值之內[11]。

由于LLC諧振變換器工作在諧振頻率附近的效率是最高的，所以往往設計額定輸入電壓下變換器的增益為變壓器匝比n，變壓器匝比只和輸出電壓以及額定輸入電壓有關。

根據啟動電流設計品質因數Q，變換器啟動前，副邊輸出電壓為零，等效為輸出短路，因此變換器啟動的第一個電流尖峰將會很高，這會導致原邊的MOS管過流即使采用較高的啟動頻率。

電感比h的設計需要結合LLC諧振變換器的主要波形，可以得到相應的狀態方程，考慮變換器的最大增益值。

3 屏柵電源LLC拓撲技術展望

小行星探測具有其飛行距離遠，任務周期長，任務復雜等特點，對電推進提出了很多要求。隨著航天器高比沖、長壽命和高功率密度電推進技術的發展，大功率PPU成為空間電源領域的一個研究熱點，得到越來越多的關注，促進了高效高壓電源拓撲、控制方法以及器件的發展[12]。憑借其高效率、高功率密度以及低電磁干擾(EMI)等特點，LLC拓撲越來越多的應用于開關電源中，并使用這種結構作為主拓撲。目前，對于LLC拓撲的研究主要集中于以下3個方面。

1)數字化控制方式

隨著屏柵電源指標的進一步提高，結合目前數字電源的發展，可以考慮將數字電源應用到屏柵電源中。通過采樣功率管MOSFET漏源極之間電壓，借助數字控制芯片FPGA來實現數字化同步整流[13]。利用非隔離型的LLC諧振變換器拓撲結構，有效的減小了變壓器匝數和副邊的電流，使變壓器的損耗很大程度的降低了。

2)三電平諧振變換器

針對副邊整流部分進行了分析和研究，其拓撲結構主要包括同步整流以及倍壓整流。提出了一種新的三電平諧振變換器，這種拓撲結構下功率管耐壓值為輸入電壓值的一半，可以很好地應用在大功率的場合。同時副邊整流還介紹了一種倍壓整流的拓撲結構，濾波電容的耐壓值降為原來的一半，整流二極管耐壓值同時降低為和輸出電壓相同，可以有效地應用到高電壓大功率的場合中。

3)混合控制

目前，屏柵電源常用的控制策略有變頻控制和定頻控制。當變換器采用變頻控制時，效率較高，但在輸入電壓范圍寬和負載變化很大的情況下，開關頻率范圍較寬，使得磁性元件，如變壓器和電感難以優化設計。當變換器采用定頻控制時，易于優化設計磁性元件，但是當輸入電壓范圍較寬時，變壓器原副邊匝比將會降低，使得整流二極管電壓應力增加。同時，占空比變化很大，導致環流增加，效率降。因此，針對大功率寬范圍輸入電壓場合下，提出了一種全橋LLC諧振變換器的混合式控制策略[14]，以克服LLC諧振變換器在寬范圍輸入電壓場合的不足。當輸入電壓較低時，使變換器工作在變頻模式；當輸入電壓較高時，使變換器工作在定頻模式。

4 結束語

近年來小行星探測在國內外受到了高度的關注，特別是歐美國家已經取得了令人矚目的成績，離子電推進被認為小行星探測任務中最先進、最有效的技術途徑。基于國內外大功率離子電推進電源處理單元的研究，屏柵電源作為電源處理電源的核心。針對現有屏柵電源拓撲結構的分析，全橋LLC諧振變換器拓撲結構在寬范圍輸入以及效率方面有一定優勢。因此，研究LLC拓撲結構，將進一步降低損耗，滿足在大功率場合下離子電推進實現高效率、高可靠性、輕質量的要求。