电源处理单元配置方案可靠性比较及选择

刘罡，张乾，赵登峰，张保平，陈昶文

（兰州空间技术物理研究所，甘肃 兰州 730000）

电源处理单元配置方案可靠性比较及选择

刘罡，张乾，赵登峰，张保平，陈昶文

（兰州空间技术物理研究所，甘肃 兰州 730000）

电推进技术是航天推进技术一个重要的发展方向。针对新一代通信卫星平台电推进系统的需求，对用于电推进系统的电源处理单元的4种备选配置方案做了介绍，并对每种方案的可靠性进行了计算。通过可靠性指标对比和对配置方案的分析，为方案优选提供了一些依据。

电推进；电源处理单元；可靠性比较；方案选择

0 引言

卫星动力是衡量卫星水平的一个关键因素。电推进就是用电能作为卫星的主要动力来源，相较于化学剂推进而言，其最大的优势是节省推进剂，从而能够增加有效载荷、降低发射重量、延长卫星工作寿命。

电推进技术具有输出推力稳定、对整星姿态影响小等一系列的优点，是航天推进技术的一个重要的发展方向。当前国际市场上的卫星主要采用离子电推进系统和霍尔电推进系统，这两种电推进系统均需要电源处理单元 （PPU：Power Processing U-nit）为其供电。

PPU作为电推进系统中的关键设备之一，其功能为卫星在轨飞行时，将卫星上一次母线电压和功率分别变换为卫星上电推进系统工作时所需要的各种电压和功率，并将一次母线与电推进系统进行电隔离[1]。

PPU接收控制系统发出的控制指令，执行其多个单机电源电路的开关机控制，向电推进系统供电，提供电推进系统工作所需的加热、电场维持和束流引出等不同工况下的电压和电流。作为特种电源，PPU具有拓扑结构类型多 （稳压源、稳流源和高压脉冲输出电源等）、输出功率大、输出电压高和低压电源浮置高压工作等特点。

PPU作为电推进系统的供电源和重要组成部分，其工作正常与否及其可靠性水平直接决定了电推进系统的工作状态和整星的在轨寿命。作为未来长寿命、高可靠卫星电推进系统的必配产品，PPU的需求量相当大，但目前在国内，除了在轨试验任务成功外，还没有PPU和电推进系统在轨成功应用的型号任务[2]。因此，在已有工作的基础上，开展改进型PPU可靠性专项工作，先期开展PPU配置方案的可靠性指标对比及方案选择具有重要的意义。

针对新一代通信卫星平台电推进系统需求，本文对4种备选PPU配置方案的可靠性进行了计算。通过可靠性指标对比和对配置方案的分析，为方案优选提供了一些依据。

1 推力器与PPU的任务和配置

1.1 符号介绍

为了增强可读性，此处给出后文涉及到的所有英文缩略语。

a） PPU-i：i号电源处理单元，i=1， 2；

b）PPU-Ni：i号北电源处理单元，i=1，2；

c） PPU-Si：i号南电源处理单元，i=1， 2；

d）T：推力器；

e）TSU：切换开头单元；

f） TSU-i：i号切换开关单元，i=1， 2；

g） T-Ni：i号北推力器，i=1， 2；

h） T-Si：i号南推力器，i=1， 2。

1.2 推力器的任务和配置

新一代通信卫星平台电推进系统完成在轨位置保持 （简称 “位保”）和轨道变动 （简称 “变轨”）两项任务，需要配置4台推力器，南北各2台[3]。

在位保期间正常工作状态下一天之内4台推力器依次轮流点火。如果某单台推力器发生故障，一天之内需要另外3台推力器依次点火。至少有一对南北对角配置的推力器都能正常工作，才能完成位保任务。

在变轨期间，要求南或者北有任意1台推力器在工作。

1.3 PPU的任务和配置

PPU为推力器供电，推力器的工作模式即是PPU的供电模式。通过对推力器任务和配置进行分析，只要卫星南北两侧对角的2台推力器能够工作，即可完成任务。

在满足推力器的工作模式下，可以有4种不同的PPU配置方案，如图1所示。

1.3.1 配置方案1

方案1采用4台PPU对4台T供电的方案，即配置4台PPU，每台PPU为1台T供电，如图1a所示。

在方案2-4中，所配置的PPU与方案1中的完全相同，此处不再特别进行说明。这样既便于简化设计，又便于对不同的方案进行比较。

1.3.2 配置方案2

方案2为4台PPU配以2台TSU进行切换，南北两侧T相互独立的方案，如图1b所示。

其中，PPU-N1、PPU-N2分别为T-N1、T-N2供电；PPU-S1、PPU-S2分别为T-S1、T-S2供电；南、北不再形成互连，通过TSU-1实现PPUN1、PPU-N2之间的切换，通过TSU-2实现PPUS1、PPU-S2之间的切换。

1.3.3 配置方案3

方案3为2台PPU配以2台TSU进行切换，南北两侧T相互独立的方案，如图1c所示。

其中，PPU-1通过TSU-1的切换来实现PPU-1分别对T-N1、T-N2的供电；PPU-2通过TSU-2的切换来实现PPU-2分别对T-S1、T-S2的供电。

1.3.4 配置方案4

方案4为2台PPU配以1台TSU进行切换，PPU与T全对应方案，如图1d所示。

其中，PPU-1通过TSU实现切换，可以为4台T供电；PPU-2通过TSU实现切换，也可以为4台T供电。

图1 4种PPU配置方案

2 可靠性的计算及对比

2.1 PPU和TSU组成简介

单台PPU包含7个功能电路：输入输出接口电路、屏栅电路、加速电路、点火电路、DC/AC电路、输出电路和传感器电路。单台PPU内部的备份方式为：屏栅电路采用4取3的备份方式，其余电路均采用无备份方式。

PPU是多个功能电路的复杂组合体，功能电路设计的多样性和其复杂的指令时序控制系统，以及频繁加载、卸载的工况对接口电路、控制电路和其他各个功能电路稳定、可靠地工作都提出了严苛的要求。

TSU主要由继电器阵列组成，实现PPU向T的加电、断电和切换功能。

在方案2和方案3中，其TSU完全相同；方案4的TSU不同于方案2和方案3，要复杂得多，从下面的计算数据中可以了解。

2.2 工作失效率数据

PPU、TSU均为电子设备，采用应力分析法对其进行可靠性计算，分别获得其工作失效率数据，如表1所示。

表1 PPU、TSU的工作失效率数据

2.3 不同配置方案的可靠度的计算

2.3.1 可靠性计算的公式

与配置方案有关的电子设备指数分布可靠性计算公式分别如公式 （1）-（4）所示。

设备或其组成单元的可靠度R的计算如公式（1） 所示。

式（1）中：λ、t——设备或其组成单元的工作失效率、工作时间。

若设备由n个单元串联而成，则其可靠度R是则其各个串联单元的可靠度R1、R2…Rn之积，即[6]：

若设备由2个相同单元的冷备份冗余系统组成，单元工作失效率、工作时间分别为λ、t，切换装置可靠度为RSW，则设备的可靠度R的计算公式为[6]：

若设备由n个相同单元组成，n个单元中至少有k个单元正常工作设备便能正常工作，即为n中取k表决冗余系统。若单元工作失效率为λ，则n中取k表决冗余系统的工作失效率λe的计算公式为：

PPU的屏栅电路采用4取3的备份形式，属于表决冗余。如果1个屏栅子电路的工作失效率为λ，则表决冗余后屏栅电路的工作失效率为：=12λ/7。 表 1 中λPPU引用了 12λ/7。

2.3.2 方案1的可靠度计算

在图1a中，4台PPU对4台T供电，按照对角配置，PPU-N1、PPU-S1为1组，是主份；则PPU-N2、PPU-S2为另1组，是备份。主、备份之间没有切换装置，通过指令控制，分别实现主、备份的加断电和切换。因此，方案1为冷备份冗余系统。

在方案1中，主份的可靠度R1=RPPU-N1RPPU-S1=exp（-λPPUt） exp （-λPPUt） =exp （-2λPPUt）， 将表1中的数据，即λPPU=1 263.33（fit）、t=22 000 h代入其中，则R1=0.945 930。

冷备份后，由于主、备份之间没有切换装置，通过指令控制实现主、备份的切换。因此，RSW=1， 则方案 1 的可靠度 RS1= （1+RSW×2λPPUt） R1=0.998 511。

2.3.3 方案2的可靠度计算

在图1b中，PPU-N1、PPU-N2为T-N1、TN2供电，通过TSU-1实现PPU-N1、PPU-N2两者之间的切换，PPU-N1、PPU-N2组成冷备份。同样地，PPU-S1、PPU-S2为T-S1、T-S2供电，通过TSU-2实现PPU-S1、PPU-S2两者之间的切换，PPU-S1、PPU-S2组成冷备份。按照推力器对角配置工作，南、北不再形成互连，这两个冷备份之间属于串联关系。

PPU-N1、PPU-N2组成的冷备份的可靠度R1=（1+RTSUλPPUt） exp （-λPPUt）， 其中， 切换装置的可靠度 RTSU=exp（-λTSU2t），将表 1中的数据，即λPPU=1 263.33 （fit）、λTSU2=30.05 （fit）、t=22 000 h代入其中，则R1=0.999 602。

PPU-S1、PPU-S2组成的冷备份的可靠度为R2，由于 R2=R1，则方案2的可靠度 RS2=R1R2=0.999 204。

2.3.4 方案3的可靠度计算

在图1c中，PPU-1通过TSU-1实现切换，为T-N1、T-N2供电；PPU-2通过TSU-2实现切换，为T-S1、T-S2供电。则PPU-1和TSU-1组成串联系统，PPU-2和TSU-2组成串联系统。由于必须保证至少一对对角南北推力器工作才能完成任务，因此必须保证PPU-1和TSU-1、PPU-2和TSU-2都能正常工作才能完成供电任务，所以为无备份配置。

在方案3中，PPU-1和TSU-1组成的串联系统的可靠度 R1=RPPU-1RTSU=exp （-λPPUt） exp（-λTSU2t）=exp[- （λPPU+λTSU2）t]， 将表 1 的数据， 即λPPU=1 263.33 （fit）、λTSU2=30.05 （fit）、t=22 000 h代入其中，则R1=0.971 946。

同样地，PPU-2和TSU-2组成的串联系统的可靠度R2=RPPU-2RTSU=R1，则方案3的可靠度RS3=R1R2=0.944 679。

2.3.5 方案4的可靠度计算

在图1d中，PPU-1通过TSU实现切换，为4台T供电；同样地，PPU-2通过TSU实现切换，也可以为4台T供电。则PPU-1和TSU组成串联系统，PPU-2和TSU组成串联系统；两台PPU通过TSU实现与T的全对应。

由于必须保证至少一对对角南北推力器工作才能完成任务，因此必须保证PPU-1、PPU-2和TSU都能正常工作才能完成供电任务，所以为无备份配置。

在方案4中，PPU-1、PPU-2和TSU组成串联系统的可靠度RS4=RPPU-1RPPU-2RTSU=exp（-λPPUt）exp （-λPPUt） exp （-λTSU4t） =exp[- （2λPPU+λTSU4）t]，将表1中的数据，即λPPU=1 263.33（fit）、λTSU4=157.74 （fit）、t=22 000 h 代入其中， 则方案4的可靠度RS4=0.942 653。

2.4 不同配置方案的可靠性对比

结合4种不同PPU配置方案的可靠度计算结果，列出了4种配置方案的可靠性对比情况，如表2所示。

表2 4种配置方案可靠性对比

3 结束语

通过对4种不同的PPU配置方案的介绍、可靠度计算及其可靠性对比，形成以下结论，为PPU最终配置方案的选择提供了一些依据。

a）方案4的可靠度最低，方案3的可靠度略高于方案4，方案2的可靠度最高，方案1的可靠度与方案2的接近 （相差约0.000 7）。

b）对比方案1，方案2多了2组TSU，体积、重量略大，需要特别考虑继电器的故障模式及其可能造成的潜在危害。

c）对比方案2，方案1的可靠度相对而言也比较高，其最大的优点是没有切换电路，因而少了很多继电器，相应地也少了很多故障模式及其潜在危害。

d）对比4个方案，对方案1、方案2进行综合考虑后优选其一，其余方案不予考虑。

可靠性的高低不是方案选择的惟一依据，在可靠性比较接近的情况下，体积、重量、成本和其他电性能指标的易实现性等也是方案选择的参考依据。

[1]王少宁，陈昶文，张保平，等.霍尔电推进系统数字化电源处理单元设计 [J].航天器工程，2016，25（5）： 69.

[2]夏广庆，徐宗琦，王鹏，等.无中和器射频离子推力器原理研究 [J].中国空间科学技术，2016，36（1）：2.

[3]马雪，韩冬，汤亮.电推进卫星角动量卸载研究 [J].中国空间科学技术， 2016， 36 （1）： 71.

[4]中国人民解放军总装备部电子信息基础部.电子设备可靠性预计手册：GJB/Z 299C-2006[S].北京：总装备部军标出版发行部，2006.

[5]Repartment of Defense.Reliability Prediction of Electronic Equipment：MIL-HDBK-217F[S].

[6]孙新利，陆长捷.工程可靠性教程 [M].北京：国防工业出版社，2005：19；27；37；41.

Reliability Comparison and Selection of Configuration Scheme for Power Processing Unit

LIU Gang， ZHANG Qian， ZHAO Dengfeng， ZHANG Baoping， CHEN Changwen
（Lanzhou Institute of Physics， CAST， Lanzhou 730000， China）

Electric propulsion technology is an important development direction of aerospace propulsion technology.In view of the requirement of the electric propulsion system of the new generation communication satellite platform，four alternative configuration schemes of the power supply unit used in the electric propulsion system are introduced，and the reliability of each scheme is also calculated.Through the comparison of the reliability indexes and the analysis of the configuration schemes，some suggestions are provided for the optimization of the scheme.

electric propulsion； power processing unit； reliability comparison； scheme selection

TB 114.37

A

1672-5468（2017）04-0037-05

10.3969/j.issn.1672-5468.2017.04.007

2017-02-10

刘罡 （1970-），男，陕西西安人，兰州空间技术物理研究所 （航天510所）高级工程师，硕士，从事二次电源的可靠性研究工作。

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《电子产品可靠性与环境试验》编辑部