微小衛(wèi)星用脈沖等離子體推力器電源處理單元設(shè)計(jì)

徐友慧，王少寧，高 波，陳昶文，任海玢，徐恒通，侯天明

0 引言

近年來，微小衛(wèi)星因空間開發(fā)和空間任務(wù)的需求，得到噴井式的發(fā)展。微小衛(wèi)星以其質(zhì)量輕、體積小、成本低、能耗小、發(fā)射方式靈活等突出優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于空間探測、對地觀測、現(xiàn)代通信、軍事偵察等領(lǐng)域[1]。構(gòu)成星座以及編隊(duì)飛行的微小衛(wèi)星，軌道保持與姿態(tài)控制時需要μN(yùn)級推力以及很小的沖量值(通常在10-9～10-3N·s量級)[2]。相比于其他電推進(jìn)器，脈沖等離子體推力器(PPT)可提供微牛頓量級的推力控制、產(chǎn)生離散的微小沖量。此外，PPT可線性調(diào)節(jié)推力[3]，以及其質(zhì)量小，結(jié)構(gòu)簡單和功耗小等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于質(zhì)量和功率受到限制的微小衛(wèi)星的軌道機(jī)動、精確編隊(duì)、阻力補(bǔ)償和位置保持[4-5]。與脈沖等離子體推力器配套的電源處理單元是一個復(fù)雜的電源變換器。在脈沖等離子體推力器PPU中，充電電源是唯一的功率轉(zhuǎn)換電源，為高壓電容充電電源，由于微小衛(wèi)星的功率資源及其寶貴，因此轉(zhuǎn)換效率高、功率穩(wěn)定沖擊小的充電電源是微小衛(wèi)星PPU設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。在PPT的研究歷程中，美國、韓國和日本等國相繼在PPT領(lǐng)域取得較大的進(jìn)展[6]，充電電源也經(jīng)過多次技術(shù)突破，實(shí)現(xiàn)了小型化、高可靠性設(shè)計(jì)。其中，美國已實(shí)現(xiàn)空間應(yīng)用的PPT充電電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有繼承性，均采用單端反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如林肯實(shí)驗(yàn)室研制LES-6、LES-8/9[7]同步通訊衛(wèi)星PPT、TIP系列PPT[8-11]以及NASA地球觀測1號衛(wèi)星(EO-1)PPT充電電源。韓國由KSLV-1火箭搭載發(fā)射的科學(xué)技術(shù)衛(wèi)星2號(STSAT-2)[12]，其PPT電源處理單元中充電電源采用雙反激變換器。國內(nèi)也開展了PPT相關(guān)的研究工作。其中，中國科學(xué)院的胡宗森在研究工作中提出了雙單端反激式開關(guān)電源輸出串聯(lián)結(jié)構(gòu)[13]；南京理工大學(xué)的朱平[14]在研究水工質(zhì)脈沖等離子體低功率推進(jìn)器時，直流高壓充電電源采用串聯(lián)諧振變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

本文對與PPT配套的電源處理單元進(jìn)行了研究，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了滿足微小衛(wèi)星空間應(yīng)用的電源處理單元，電容器充電電源采用反激變換器實(shí)現(xiàn)恒功率充電，降低了變壓器的設(shè)計(jì)難度，恒功率充電方式克服了其他充電方式中初級瞬態(tài)功率對母線的沖擊；點(diǎn)火電路采用LC振蕩電路，開關(guān)管的電流就是點(diǎn)火電流，降低了開關(guān)器件的電流應(yīng)力。

1 脈沖等離子體推力器PPU組成及工作原理

脈沖等離子體推力器是一種脈沖電磁加速的電推進(jìn)裝置，運(yùn)行時無需起動和預(yù)熱時間，控制靈活。雖脈沖功率很大，但平均功耗較小[15]，降低了對電源和結(jié)構(gòu)的要求[16]。已成功應(yīng)用于航天器控制的PPT，都是以固體聚四氟乙烯塑料做推進(jìn)劑[17]，脈沖方式工作，原理示意圖如圖1所示。利用高電壓放電產(chǎn)生的高溫電弧燒蝕推進(jìn)劑，產(chǎn)生等離子體，在氣動熱力和洛倫茲力的共同作用下，等離子體夾雜其他燒蝕產(chǎn)物形成高速噴射流，產(chǎn)生反作用推力[18]。

相比離子推力器和霍爾推力器PPU千瓦級的功率，脈沖等離子體推力器PPU功率低至幾瓦，輸入功率可以通過調(diào)節(jié)儲能電容充電時間進(jìn)行改變，不需要復(fù)雜的電源處理單元，降低了電源要求和簡化了結(jié)構(gòu)。脈沖等離子體電推進(jìn)系統(tǒng)由充電電路(電源轉(zhuǎn)換裝置)、放電點(diǎn)火電路、推力器本體和通信控制電路(包括控制邏輯電路和遙測電路)四部分組成。其中，充電電路、放電點(diǎn)火電路和通信控制電路組成了推力器的電源處理單元，與推力器的供電關(guān)系圖如圖2所示。

圖1 推力器示意圖

圖2 PPU與脈沖等離子體推力器供電關(guān)系圖

PPU負(fù)載為脈沖等離子體推力器，結(jié)合PPT工作原理，在整個工作工程中，PPU各個電源的功能如下：(1)控制邏輯電路和星上總線通信，接受衛(wèi)星平臺的指令，控制各個輸出電源的工作時序；(2)充電電路按照工作時序要求，將衛(wèi)星母線低壓轉(zhuǎn)換成高壓電源輸出。使推力器儲能電容器充電至工作電壓，加在正負(fù)平行極板間形成強(qiáng)電場，并使點(diǎn)火電路的電容器充電至工作電壓；(3)點(diǎn)火電路按照控制邏輯電路的時序，輸出高壓點(diǎn)火脈沖，儲能電容器經(jīng)點(diǎn)火電路放電，火花塞點(diǎn)火觸發(fā)主放電[19]。

2 PPU設(shè)計(jì)

脈沖等離子體推力器電源處理單元的主要功能是將星載低壓經(jīng)DC/DC轉(zhuǎn)換成脈沖等離子體推力器所需的各路工作電源，接受衛(wèi)星平臺的指令，控制推力器的工作模式和時序，并向衛(wèi)星平臺輸出能反映推力器工作狀態(tài)的遙測數(shù)據(jù)[20]。

本文以用于微小衛(wèi)星脈沖等離子體推力器配套的電源處理單元為設(shè)計(jì)對象，電源處理單元的基本特性輸出參數(shù)見表1，要求母線輸入電壓為6.8～8.4 V，PPU功率等級為5 W，工作頻率1 Hz，充電電路負(fù)載(推力器儲能電容器)為2 μF多層瓷介質(zhì)電容器，放電點(diǎn)火電路的放電電流不小于100 A。

表1 電源處理單元的基本特性輸出參數(shù)

2.1 充電電源設(shè)計(jì)

充電電路屬于高壓轉(zhuǎn)換電源，主要功能是實(shí)現(xiàn)來自衛(wèi)星母線較低的電壓到主放電儲能電容器和點(diǎn)火電路儲能電容器充電電壓的調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換，將主放電儲能電容器充電至1～3 kV的工作電壓和點(diǎn)火儲能電容器幾百伏的工作電壓。適用于微小衛(wèi)星的充電電源應(yīng)滿足以下兩點(diǎn)：充電過程快速高效；由于星上電源功耗的限制，電源功率和對母線的沖擊盡可能小。傳統(tǒng)的直流高壓電源中，通常由工頻變壓器和可控整流器(SCR)電路組成，電源轉(zhuǎn)換效率低、可靠性差以及整個系統(tǒng)體積和重量大。隨著逆變技術(shù)和PWM的快速發(fā)展，高壓電源普遍采用高頻開關(guān)變換技術(shù)[21]。高增益DC/DC變換器是構(gòu)成高壓開關(guān)電源的核心組成部分，是實(shí)現(xiàn)電路小型化和高效化的關(guān)鍵。

由于一次輸入母線電壓低至6.8 V，輸出電壓高達(dá)2000 V左右，變壓器的最大升壓比達(dá)到了294倍，設(shè)計(jì)難度高，體積難以優(yōu)化。為克服以上問題，本文根據(jù)電源處理單元的技術(shù)指標(biāo)要求，充電電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選用適用于低壓小功率場合的副邊帶有中心抽頭的反激變換結(jié)構(gòu)，電路原理圖如圖3所示。在反激拓?fù)渲校渭夒妷翰灰蕾囉谠驯汝P(guān)系，可以在較小的匝比下輸出高壓，降低了變壓器的加工難度同時減小了體積。設(shè)計(jì)中反激變換器副邊采用繞組串聯(lián)輸出，一個繞組輸出800 V為點(diǎn)火電源儲能電容充電，兩個繞組串聯(lián)輸出1600 V為推力器儲能電容充電。反激變壓器的匝比取決于最高輸出電壓，母線電壓和開關(guān)MOSFET漏源可承受電壓電壓。

圖3 單端反激電路示意圖

為滿足一級降額要求，設(shè)計(jì)結(jié)果應(yīng)使次級反射電壓疊加母線電壓和電壓尖峰不超過MOSFET額定漏源電壓一級降額值。綜合考慮選取額定耐壓值為200 V MOSFET開關(guān)管，開關(guān)管關(guān)斷時承受的最大電壓應(yīng)力為120 V，通過公式：

(1)

式中Vpr為開關(guān)管關(guān)斷時承受的最大電壓應(yīng)力；Vin為最大輸入電壓；Vout為輸出電壓；Np/Ns為變壓器匝比，其中最大輸入電壓為8.4 V。經(jīng)計(jì)算，匝比設(shè)計(jì)為1∶7.5∶7.5。

電容器的充電方式將影響電路功率變換以及PPU的整體性能。電容器的充電方式有恒壓充電、恒流充電和恒功率充電三種充電方式[19]。其中，恒壓充電在電容器電壓較低時，產(chǎn)生較大的瞬時電流，使變壓器的繞組承受過大的短路電流，需要串聯(lián)限流電阻，導(dǎo)致充電效率嚴(yán)重降低；恒流充電雖然充電電流恒定，有對電容器沖擊小的優(yōu)勢，但隨著電容電壓的增加，對應(yīng)的充電功率也在線性增加，對于功率有嚴(yán)格限制的微小衛(wèi)星，并不是最理想的充電方式。

本文采用恒功率充電方式，功率為PPU的輸入功率5 W，整個充電過程中吸取相同的功率，自始至終等于電容器獲得的功率，對母線功率沖擊小。采用單片集成電流型PWM控制芯片UC1845A來實(shí)現(xiàn)，即在變壓器原邊采樣電流，經(jīng)比較器形成三角波送入UC1845A，與UC1845A內(nèi)部誤差放大器的輸出誤差電壓(Verr)進(jìn)行比較，使得反激變壓器初級電流值恒定，因此每個周期變壓器初級儲能固定，當(dāng)反激變換器工作于斷續(xù)模式時，獲得恒功率充電。為避免由于電容器電壓較低使反激變換器進(jìn)入連續(xù)工作模式，而引起初級電流增大、變壓器飽和，利用誤差放大器輸出較大的阻抗，增加了軟啟動電路，用于減小變壓器上電流的直流分量。

高壓充電電源設(shè)計(jì)中另一個重要參數(shù)是電容器充電時間，它決定了電源的最高放電頻率。在反激變換器中，開關(guān)管與整流二極管的正向?qū)▔航禐? V，則開關(guān)管的占空比D為

(2)

式中Np/Nsm為變壓器原邊與整個副邊的匝比。

充電過程中母線電源輸入的能量為

E1=PtD

(3)

式中P為PPU的輸入功率；t為充電時間。

充電過程中儲能電容器存儲的能量為

(4)

式中C為儲能電容器的容值；U為儲能電容器的最終電壓。

在整個充電過程中，有

E1η=E2

(5)

式中η為變換器的效率，取80%。

由式(2)～式(5)計(jì)算得t=842 ms，設(shè)計(jì)中為留有一定的安全裕量，額定充電時間選為950 ms，由通訊控制電路控制UC1845A時鐘CT端電平實(shí)現(xiàn)，充放電時序圖如圖4所示。為滿足周期性的充放電，增加了軟啟動電容電荷泄放電路，具體工作流程為：當(dāng)儲能電容器充滿電時，通訊控制電路將CT端電平拉低，將脈寬調(diào)制器關(guān)閉停止充電，此時給出信號將軟啟動電容電荷泄放。下一個周期將CT端設(shè)置為高阻態(tài)，軟啟動電容充電發(fā)揮作用，電容開始充電。

2.2 放電點(diǎn)火電源設(shè)計(jì)

放電點(diǎn)火電路是脈沖等離子體推力器電源處理單元的核心部分之一，其負(fù)載是火花塞，作用是給火花塞足夠的擊穿點(diǎn)火能量，使之產(chǎn)生的“等離子體源”能可靠地引發(fā)推力器極板間的主放電。在火花塞擊穿之前，點(diǎn)火電源負(fù)載阻抗大，需輸出高壓(不小于1500 V)來擊穿火花塞。火花塞擊穿后，需大電流(不小于100 A)來維持放電，且清除火花塞上的積炭。

圖4 脈沖等離子體推力器一個周期的充放電時序

現(xiàn)有PPT大部分放電點(diǎn)火電路中由于采用升壓變壓器，受限于開關(guān)器件耐壓，且變壓器存在磁芯飽和，使得開關(guān)器件較難選取，重量和體積難以優(yōu)化。為避免以上缺點(diǎn)，本文采用LC振蕩放電點(diǎn)火電路，原理圖如圖5所示，開關(guān)管Q、諧振電感L和諧振電容C構(gòu)成點(diǎn)火電路，其中開關(guān)管選用集成反向二極管(V)的IGBT，電容C2和C3串聯(lián)構(gòu)成諧振電容，C4為點(diǎn)火電源儲能電容。點(diǎn)火電路工作時，C4已被充電至800 V，控制邏輯電路發(fā)出的觸發(fā)脈沖使IGBT導(dǎo)通，通過LC諧振的方式產(chǎn)生高壓，高壓值為2倍于UC4，作用于火花塞，使其雪崩擊穿，此后諧振電感大電流飽和，諧振電容器直接向火花塞放電。該電路的優(yōu)勢是開關(guān)管上的電流就是點(diǎn)火電流(即諧振電容的放電電流)，避免了匝比帶來的大電流，減小了開關(guān)管的電流應(yīng)力。在諧振期間，內(nèi)部集成反向二極管可保護(hù)開關(guān)管因驅(qū)動出現(xiàn)提前掉電引起的損壞，使得整個電路更加可靠。

圖5 放電點(diǎn)火電路原理圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為保證設(shè)計(jì)充電電源與整個PPU的功能正確、工作安全可靠，將焊接完的電路板與處于真空系統(tǒng)中的PPT進(jìn)行帶載測試。波形如圖6所示，其中黃色是點(diǎn)火電流波形；藍(lán)色是點(diǎn)火電路電壓波形；紅色是推力器儲能電容器充電電壓波形，綠色是主放電電流波形。從圖6中可看出，t0～t1階段充電電路已將推力器儲能電容器和點(diǎn)火電路儲能電容器完全充電，屬于充電階段，其中推力器儲能電容器充電電壓為1600 V。通訊控制電路通過充電電壓的遙測值判斷充電完成，發(fā)送點(diǎn)火驅(qū)動脈沖，使點(diǎn)火電路中的IGBT觸發(fā)導(dǎo)通，點(diǎn)火電路通過LC振蕩產(chǎn)生高壓。隨著電壓的升高，在t1時刻火花塞被擊穿點(diǎn)火，大概在2 μs左右的t2時刻主放電發(fā)生，推力器儲能電容器充電電壓發(fā)生驟降開始放電，之后放電電流和電壓經(jīng)歷幾個周期的振蕩。在t3時刻點(diǎn)火電流為零，火花塞點(diǎn)火關(guān)斷，整個t2～t4階段屬于主電容器放電階段。通訊控制電路通過再次遙測充電電壓的值判斷點(diǎn)火成功，之后按照設(shè)定工作頻率加入延時，啟動下一個充放電周期。圖中顯示，推力器儲能電容器充電電壓在成功點(diǎn)火瞬間由1600 V在7 μs內(nèi)變成-1000 V，電流斜坡上升；點(diǎn)火電路峰值點(diǎn)火電流達(dá)到115 A，到達(dá)設(shè)計(jì)要求，且該電流可維持火花塞附近的等離子狀態(tài)，有助于清除火花塞上積炭，避免火花塞過度污染而失效。

圖6 推力器點(diǎn)火波形

4 結(jié)論

(1)充電電源采通過電流型PWM控制反激變換器工作在斷續(xù)模式下，實(shí)現(xiàn)高壓脈沖電容器的恒功率充電，對母線功率沖擊小，元器件應(yīng)力小。

(2)在LC點(diǎn)火電路中，通過諧振電感和諧振電容振蕩產(chǎn)生高壓大電流，能為火花塞提供足夠的點(diǎn)火能量，根據(jù)電路結(jié)構(gòu)，開關(guān)管的電流就是點(diǎn)火電流，降低了開關(guān)管的電流應(yīng)力，使整個電路更加可靠。

(3)本文設(shè)計(jì)的PPT電源處理單元與PPT聯(lián)試成功點(diǎn)火，證明該電源處理單元能正確、安全可靠地為推力器提供工作的各路電源。