霍尔电推进系统数字化电源处理单元设计

王少宁 陈昶文 张保平 王长胜

（兰州空间技术物理研究所，兰州 730000）

霍尔电推进系统数字化电源处理单元设计

王少宁 陈昶文 张保平 王长胜

（兰州空间技术物理研究所，兰州 730000）

分析了霍尔电推进系统的电源处理单元（PPU）的需求，介绍了使用移相全桥软开关电路设计方法，实现了电源处理单元阳极电源高效率，同时通过采用FPGA设计方法，实现了数字化电源处理单元的设计，最后给出了80mN霍尔电推进系统数字化电源处理单元工程样机的实现情况，结果表明：采用软开关后电源效率得到了明显的提高，数字化控制的电源处理单元具备了参数灵活调整的功能。

霍尔电推进；数字化；电源处理单元；数字电源

1 引言

电推进是一种先进的推进技术，是航天器推进系统的重要发展方向，已成为衡量航天器先进性的标志之一。电推进技术是利用电能将气体工质电离、加速引出，形成等离子体束流而产生推力，相比化学推进具有高比冲的显著优势。目前国际主要应用电推进为离子式考夫曼（Kaufman）型推力器和霍尔推力器。霍尔电推进在欧洲航天器中广泛应用，具有结构简单、推力大等特点，适合用于各类航天器的姿态控制、轨道修正、位置保持等在轨推进任务。

电源处理单元（Power Processing Unit，PPU）是电推进系统的重要组成部分，主要为电推进系统的关键设备——推力器提供所需的各种电压和电流的功率需求，保证推力器稳定工作，性能良好。由于电推进系统对电源处理单元的复杂要求，数字化电源处理单元成为新的发展趋势，并在国外航天器中已开展应用。

数字化电源（也称数字电源）是有别于模拟电源的一种新的技术和应用模式。目前应用较广的数字电源是通过数字接口控制的开关电源，包括通过CAN、1553B等数字总线和现场可编程门阵列（FPGA）控制输出电压、开关频率或多通道电源的排序、启动、裕度控制等，实现数字信号控制［12］。

数字电源的一个很大优势和功能就是可编程，比如通信、检测、遥测等所有功能都可用软件编程实现。航天领域具有特殊的应用环境，如高可靠性、高要求、高风险和不可维修性，电推进系统对PPU的复杂供电及参数调节要求，针对PPU的故障检测、隔离和重组（Fault Detection Isolation and Reconfiguration，FDIR）要求等。数字化PPU不仅是电推进系统技术发展的需求，也是航天技术发展的趋势。

本文介绍了数字电源的特点及优势，详细讨论了针对霍尔电推进系统的数字化电源处理单元的设计与实现。

2 霍尔电推进系统PPU需求分析

PPU的基本功能是为霍尔推力器的各电极提供所需电压和电流。霍尔推力器由阳极、阴极、气体分配器、通道套筒及磁路等组成，如图1所示。

图1 霍尔推力器示意图Fig.1 Schematic diagram of Hall thruster

霍尔推力器的阳极主要是提供电压使等离子体放电。霍尔推力器通道内的磁场是由励磁线圈（或永磁铁）及磁路系统生成的，在加速通道的出口提供较强的径向磁场，满足稳定放电的要求。空心阴极作为一种电子发射装置是霍尔推力器的关键部件，其发射材料一般采用六硼化镧（LaB6）或钨钡氧化物等低逸出功物质，在特定的温度下利用热效应发射电子。

在霍尔电推进推力器工作过程中，对PPU的具体供电需求如下：

（1）阴极加热电源，对空心阴极加热丝通电加热，直到空心阴极温度被加热到1600℃，空心阴极发射体开始热电子发射；

（2）阴极触持极电源，建立阴极电子发射电场，维持阴极的稳定持续放电状态，并在阴极和阳极之间形成等离子体区域；

（3）阴极点火电源，在阴极与触持极之间产生高压单次脉冲，使阴极和触持极之间起弧放电；

（4）阳极电源用以建立离子光学系统，对放电室内被电离的Xe离子进行聚焦、引出，从而产生推力。

另外，从系统的角度考虑，为了抑制霍尔推力器的阳极放电时所产生的低频振荡，需在推力器与PPU之间串联“匹配网路”，在PPU与推力器之间单独设计滤波单元，以抑制由于推力器固有特性而产生的阳极电流振荡，保护霍尔推进电源系统不受损坏。80mN霍尔电推进系统PPU各电源的主要电性能参数见1所示。霍尔电推进系统PPU与推力器的供电关系如图2所示。

表1 PPU各电源电性能参数Table1 Preliminary PPU power supply specifications

电推进的应用已经开始向单一推力到变推力、多模式的方向发展，以适应更广应用需求，全电推进卫星就是多模式电推进系统的典型应用，通过替代地球静止轨道（GEO）卫星的化学推进系统，进行轨道转移，此时需要电推进工作在大推力模式，可以显著降低卫星发射质量，并实现有效载荷质量的最大化，为运用商带来巨大的经济效益［3－5］，当卫星到达GEO轨道后进行位置保持时，需要电推进系统工作在高比冲模式，因此需要PPU具备多模式工作能力及灵活的控制实现方式。对于PPU来说，工作模式的改变就是供电电源的电压变化，即PPU的主要电源具备输出电压或电流参数的调整，根据任务需要，通过卫星控制信号进行参数调整功能。其次，需要进行高精度轨道控制的卫星，要求使用电推进提供微小推力的调节，以达到卫星轨道的精确控制完成特定使命，如重力场与稳态海洋环境探测器（GOCE）［6］。对电推进系统进行微小推力的调节，主要依靠控制PPU的供电电压或电流参数来实现。由于推力调节量非常小，通常为μN量级，因此反馈到PPU电压或电流的调节也将达到mV或mA级的微小调节。

图2 霍尔电推进系统PPU与推力器供电关系图Fig.2 Electric block diagram of Hall electric propulsion system

这些需求都将要求为推力器供电的PPU具备参数灵活而精确的调节和控制功能，因此数字化PPU是电推进系统广泛应用的基础和必备技术。目前在国外也已经开展了数字化PPU的工程应用，例如ESA为水星探测计划研制的电推进系统中PPU被称为供电与控制单元（Power Supply and Control Unit，PSCU）［7－8］。

通过80mN霍尔电推进系统PPU的功能要求和各电源性能要求分析可知，PPU必须具备与航天器上位机的通信功能，完成指令控制和数据传输。同时由于各电源对电压或电流参数提出了按照一定步进连续可调的要求，例如阴极加热电源需要实现每50mA的步进变化，共计达到不小于80个电流参数的调节能力，如果该功能使用模拟电路将基本不可实现。而使用数字电路只需要一个7位数模转换器，通过软件控制即可实现128个参数的调节。PPU内部的数字控制模块（DICU）能接受和解析系统控制指令，完成对PPU内部各电源控制命令执行、遥测数据传输，以及PPU故障监测和隔离功能。

3 霍尔电推进系统数字化PPU设计

3.1 阳极电源设计

阳极电源是PPU重要组成部分，输出功率达到1500W，占推力器工作时PPU总输出功率的97%以上，其性能指标直接影响PPU整体性能和推力器工作状态。其中，电源转换效率是设计的关键，提高效率可以降低器件热耗，对提高产品可靠性具有重要的作用。

国外同类产品电路设计，在2000年初期主要采用硬开关方式实现功率变换，效率最高只能达到91%。2010年开始采用软开关技术达到了94%的效率。阳极电源效率若提高3%，将减少约50W的功耗，对提高功率器件的可靠性和寿命具有重要意义［9－10］。

因此，PPU阳极电源在全桥功率变换的基础上，实施了零电压零电流转换（ZVZCS）移相全桥软开关技术，电路原理见图3所示。通过软开关技术，在保留全桥变换器各项优点的同时，可以利用电路寄生参数和辅助电路极大地减少开关管的开关损耗，提高产品效率，并减小开关管电压应力，提高产品的可靠性并改善电磁兼容（EMC）特性。功率开关管采用双管并联方式，既可降低器件电压应力，又可降低导通损耗。功率变压器次级钳位电路的加入，使输出整流管在输出电感续流期间自然关断，不参与次级续流，解决了二极管反向恢复电流引起的振荡，极大地降低了整流管电压电流应力。

阳极电源采用了ZVZCS移相全桥软开关技术，电路测试达到95.5%的效率，进入国外同类产品的领先水平。

图3 移相全桥软开关电路原理图Fig.3 Electric diagram of phase－shifted full－bridge

3.2 控制电路设计

控制电路主要完成通信、数据采集、供电模块开关机控制功能和电压/电流调节功能以及故障检查及处理功能。

控制电路主要采用FPGA电路、驱动和数模转换电路实现。对比了微处理加反熔丝FPGA和静态随机存储器（SRAM）加FPGA两个方案。微处理加反熔丝FPGA电路简化了FPGA外围电路设计，反熔丝FPGA编程后需要再筛选，可扩展性差，风险大。因此采用SRAM加FPGA的控制电路，具有软件成本低、灵活成熟度高的优势。

控制电路采用FPGA构成整个系统的核心部分。FPGA主要实现1553B总线通信控制，接收上位机指令，控制PPU各电源工作，并采集PPU工作状态参数，传回上位机。软件主要完成通信、解析指令、读取采集数据。数据采集、产生脉冲、扩展位口、闭环控制等功能由硬件完成，以便提高实时性。控制电路功能框图见图4所示。

软件和硬件相互配合并行工作，FPGA由中断（通信和外部中断）驱动工作，负责通信、控制发送脉冲、获取遥测数据、根据遥控指令控制执行机构等功能。FPGA内部多个功能模块同时并行工作，包括自动完成数据采集、闭环控制等功能，输出控制脉冲等。

航天器应用的PPU通常采用1553B作为数据通信总线。1553B接口芯片采用16位总线，为了能适应不同类型的宿主机，在硬件上提供了多种接法。采用16位缓冲非零等待方式已比较普遍地应用于航天领域。

为保证PPU在轨应用受到单粒子翻转问题能够恢复正常，设计了配置刷新电路，专门针对SRAM型FPGA的配置存储器进行刷新，大幅度降低刷新系统设计的难度和复杂度。

控制单元软件为嵌入式软件，基于SRAM型 FPGA系统，其主要功能是控制电源处理单元中各电源开关机，对各电源电压、电流参数的调节，监控电源工作状态，并具备1553B总线通信功能，配合硬件完成PPU的工作［7］。

图4 PPU控制电路功能框图Fig.4 Block diagram of PPU control unit

3.3 产品实现结果

80mN霍尔电推进系统数字化PPU通过电路设计，并完成了工程样机的研制。产品尺寸为：280mm×200mm×120mm，质量5.8kg，其中阴极加热电源为主备份。数字化PPU整机效率达到94.7%，对比国外同类产品，工程样机实现了较高的功率密度和整机效率。

通过PPU与推力器的真实点火性能测试，阳极电源输出电压最小控制步进达到0.56V。同样加热电源输出电流最小控制步进达到10mA，实现了电源参数的精确调节。控制步进的测试数据见表2。同时电压和电流的控制精度均小于1%，测试数据见表3。

同时，通过PPU与推力器的真实点火联试，产品性能稳定，在推力器工作过程中，通过上位机对PPU的参数进行控制，实现了推力器性能的完全控制和调节。同时通过预设的控制程序，实现了工程样机与推力器的全自主控制点火、自主推进、工作模式转变、推力调节。完全改变了原PPU单一工作模式和不可调节的局限。

电推进系统数字化PPU工程样机实现了PPU的自主控制和电源参数灵活控制调节，PPU软件可以完成推力器所需的各工作模式运行程序，PPU只需接受卫星控制系统的指令，即可自主控制完成指定的工作模式。并实现PPU的自主故障检测和保护功能，为PPU及电推进系统在轨应用提高了故障检测、隔离和恢复（FDIR）的控制能力，更有效地隔离故障器件或故障电路，使故障不会影响卫星的正常控制任务，并通过控制策略设计，实现系统重组保证整星功能正常。

表2 PPU步进控制测试数据Table 2 PPU step control test data

表3 PPU控制精度测试数据Table 3 PPU control precision test data

4 结束语

通过对数字化PPU的系统控制，将提高卫星长期自主运行管理能力，例如GEO卫星采用全电推进进行变轨过程控制将长达数月，要不断修正变轨策略，星地间数据交换频繁，因此在变轨过程中将耗费更多的人力和物力，增加任务成本，而通过数字化PPU的灵活控制配合卫星的控制策略，可以实现卫星长期自主管理和地面站监视判断的自动化水平，也是发展全电推进卫星的必然选择。

我国航天领域电推进应用尚处于起步阶段，随着电推进技术的广泛应用，对高精度轨道控制的微小推力需求；GEO卫星轨道转移、位置保持对全电推进的需求；深空探测任务对大范围、多点工作模式的需求，都将依赖于数字化PPU实现对推力器的控制，以满足对推力的高精确、连续调节和多模式的控制。

霍尔电推进系统数字化PPU工程样机的研制，为后继更多类型及功率需求的电推进数字化PPU研制奠定了坚实的基础，对提高我国电推进系统的空间应用水平和可靠性具有重要意义。

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（编辑：张小琳）

Design of Digital Power Processing Unit for Hall Electric Propulsion System

WANG Shaoning CHEN Changwen ZHANG Baoping WANG Changsheng
（Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

The digital PPU becomes new development trend.This paper analyse the requirement of Hall electric propulsion system PPU，introduces the electric circuit design of phase－shifted fullbridge soft switch，realizes high efficiency of the PPU anode power，and achieves digital PPU by using FPGA method.At last，it introduces the EM result of PPU for 80mN Hall electric propulsion system，and demonstrates the use of soft switch method.The results show that the PPU efficiency is obviously improved，and the PPU parameter quick adjust is reached.

Hall electric propulsion；digital；power processing unit（PPU）；digital power supply

V441

A

10.3969/j.issn.1673－8748.2016.05.011

2016－07－12；

2016－09－07

王少宁，男，高级工程师，博士，从事宇航二次电源和电推进系统电源处理单元设计。Email：shaoningwang@163.com。