用于小行星探测的离子电推进屏栅电源拓扑研究

胡延栋 王少宁 陈昶文 武桐

(兰州空间技术物理研究所，兰州 730000)

小行星是太阳系中重要的组成部分，保留了太阳系形成之初的姿态，小行星探测是了解太阳系演变、探索生命起源的重要途径。小行星探测任务将实现近地采样返回探测和主带彗星探测，分阶段、多手段获取科学探测成果。随着探测器进入深空，距离太阳越来越远，太阳电池翼的电能输出能力随之下降，为了与不同太阳距离条件下电池翼输出功率的大小相匹配，推进系统的功率须能在0.3～5 kW范围内进行多工作点调节，且具备长期连续工作的能力。由于探测任务的复杂性，离子电推进具有比冲高、寿命长、效率高等特点，已经成为小行星探测推进系统的优势选择。

典型的离子电推进系统由4部分组成，分别为电源处理单元(Power Processing Unit, PPU)、推力器、推进剂储供系统(Xenon Feed System, XFS)和数字控制单元(Digital Control Interface Unit, DCIU)。其中PPU是电推进系统稳定、可靠运行的基础，具备将航天器的母线电压转化为推力器启动、工作所需要的各种电流和电压，同时还具备功率变换、故障保护功能。随着电推进任务类型逐渐扩展，推力器功率不断提升，对PPU性能也有了更高要求。

在离子电推进PPU中，电源处理单元由屏栅电源(Beam Supply, BS)、加速电源、阳极电源、阴极加热电源、阴极点火电源、中加热电源、中触持极电源以及中点火电源组成[1]。其中，屏栅电源占PPU功率的80%以上，因此为满足高效率、高功率密度PPU的要求，屏栅电源的设计是核心。

综上所述，针对小行星探测任务的宽范围、多工作模式电推进系统对PPU的功能和性能需求，本文研究了离子电推进PPU屏栅电源的现状，提出了一种高效率、高可靠性和宽范围输入的PPU屏栅电源，并最后对该屏栅电源的LLC拓扑结构做出了展望。

1 离子电推进PPU屏栅电源技术研究现状

1.1 国内的离子电推进屏栅电源

兰州空间技术物理研究所的离子电推进系统和上海空间技术研究所研制的霍尔电推进系统在实践-9A(SJ-9A)卫星上进行了首次飞行试验，主要功能是为卫星南北位置保持的电推进系统供电。我国自主研制的LIP-300离子推力器屏栅电源由4个模块串联得到输出电压为1360 V，输出功率为4 kW，同时还可以多串联一个模块，处于不工作状态，实现N+1的冗余设计。在全桥功率变换的基础上，实施零电压零电流开关(ZVZCS)移相全桥软开关技术[2]，降低了开关管的开关损耗，提高了产品效率，改善了产品的可靠性和电磁兼容(EMC)特性。单模块的效率曲线如图1所示，最终效率可达到95%。

图1 移相全桥变换器效率测试曲线Fig.1 Efficiency curve of phase-shift full bridge converter

1.2 NEXT离子电推进屏栅电源

为了满足地球轨道和深空探测任务的需求，美国提出了新一代离子推力器(NASA ’s Evolutionary Xenon Thruster, NEXT)项目，针对5～10 kW等级的离子PPU，该项目由波音电子动力设备公司(Boeing Electron Dynamics Devices, BEDD)负责离子PPU的研制[3]。PPU的总效率超过92%，总质量不超过15 kg，功率密度比为3.0 kg/kW。NEXT离子电推进PPU采用了软开关技术，屏栅电源选用了一种移相/脉宽调制双全桥变换器拓扑，由4个1.1 kW模块组成，每个模块的初级侧并联两个全桥电路，输出低通滤波器由电感Lr组成，次级侧由整流二极管组成，初级侧电路如图2所示。每个全桥的工作频率为50 kHz，模块的开关频率输出为100 kHz。

图2 NEXT屏栅电源的双桥拓扑结构Fig.2 Full bridge topology structure of beam supply for NEXT

在高压输出运行时，变换器采用移相控制，所有的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)占空比为50%，通过改变Q1和Q3或Q2和Q4开关之间的相移角对输出电压进行调节。为了满足宽范围输入电压应用场合，允许屏栅电源低电压输出运行，变换器在脉冲宽度调制(PWM)模式下运行，当变换器需要较低的输出电压时，相移控制电路使桥臂工作在不同相位，直到MOSFET开关相位差180°时，输出电压最低。在PWM模式控制下，输出电压与栅极驱动脉冲宽度成正比。直到占空比达到50%，PWM控制无法再提高输出电压，控制方法转换为移相控制，便可以获得更高的输出电压。其中，NEXT项目PPU效率测试曲线如图3所示，该效率包含了屏栅电源及其他电源的整体效率，输入电压100 V的情况下，则5 kW的PPU总效率为93%～95%[4]。

图3 NEXT项目PPU效率曲线Fig.3 PPU efficiency curve of NEXT project

为适应目前探测任务的需求，NEXT离子电推进PPU的设计偏向于宽范围输入电压(80～160 V)与宽范围输出电压(275～1800 V)下隔离运行，模块输出功率1.1 kW，PPU组件外形尺寸大约为409 mm×511 mm×203 mm。此1.1 kW的功率模块是屏栅电源的组成部分，多个单一功率模块在输入、输出端并联运行就可以实现屏栅电源在更高功率输出。图4为5 kW的PPU屏栅电源模块基本拓扑连接方式。分流总线能够确保所有模块在相同功率等级下运行，通过额外并联的一个模块实现N+1冗余设计。

双桥移相拓扑的优点在于充分利用了PWM控制和移相控制2种控制方式，在高压输出模式下，移相控制可使电源工作在零电压开关(ZVS)或零电流开关(ZCS)，减小开关、提高转换效率。此整流器运行方式使得输出滤波器的电感电压最小，所以输出端电感的尺寸和质量大幅减小。其缺点是电路参数选取较难，低压输出下，PWM控制属于硬开关，运行损耗较大，降低了变换器转换效率。

图4 5 kW屏栅电源模块连接结构图Fig.4 Diagram of the connection structure on 5kW beam supply module

1.3 Astrium 公司的离子电推进屏栅电源

为了满足定位精度高(DARWIN任务)、牵引补偿(GOCE任务)和长期在轨飞行(Bepi-Colombo任务)，欧洲航天局提出了一种高压电源模块(High Voltage Power Supply, HVPS)作为屏栅电源来适应离子电推进的需求，由Astrium 公司承担了该项目的研制。HVPS是离子电推进的核心，已经在“重力梯度和海洋环流探测”(GOCE)任务中得到了应用。

HVPS采用了一种高效率、简单的环路控制直流输出LC串联谐振变换器，如图5所示。它包括两个变换器，主变换器采用谐振型隔离DC/DC拓扑，提供的输出电压为80%～90%，占主要部分；次变换器采用推挽式结构，用于传输剩余的电压。推挽式变换器的输入端直接与直流母线相连，输出端与主变换器输出端串联，整体效率主要由主变换器决定，只有小部分的功率需要经推挽式变换器调节[5-6]。

图5 直流输出串联变换器Fig.5 DC-output series connected converter

LC串联谐振变换器如图6所示，图中的谐振电容Cr，与谐振电感Lr，构成串联谐振网络，逆变器的输出电压注入谐振网络获得近似正弦波电流，流入高频变压器中，因此变压器上的涡流损耗大幅降低，相比于非谐振型双向全桥DC/DC变换器，变换器的整体效率得到较大提高。

图6 LC全桥谐振拓扑结构Fig.6 LC full bridge resonant topology structure

高压电源模块的输入电压100 V，输出电压1000 V，最大输出功率为1400 W。模块的效率如图7所示，功率从700～1400 W时可达97%，功率密度比为2 kg/kW。

图7 直流输出串联变换器效率曲线Fig.7 Efficiency curve of DC-output series connected converter

高压电源的结构由多个单模块并联构成，模块之间利用多模块均流技术相连，提高了系统功率等级，增加了可靠性。其输出功率取决于特定电推进的工作情况，一个附加模块可以在其他模块故障时投入运行以保证输出功率稳定，避免了如果其中一个模块在输出端短路所造成的整个高压电源组件失效。

LC串联谐振型双向全桥DC/DC变换器的不足在于：高频变压器的电流与逆变电路的电流一致，开关管承受较大的电流应力，同时谐振网络的能量也存在一定的局限性。为解决上述问题，通过将LC谐振电路中并联一个励磁电感Lm，多种复合谐振网络相继取代单级谐振网络，典型的复合谐振网络主要为LLC拓扑[7]。

综合来看，国外对于离子电推进PPU屏栅电源的研究相比于国内较为成熟，特别是欧洲航天局提出的HVPS，效率达到了97%，但其拓扑相对复杂。为了满足小行星探测任务中电推进系统的工作功率有一定的变化范围，还需要对屏栅电源LLC谐振变换器宽范围输入方面进一步研究，从而设计出多个等级的工作点来适应小行星探测的任务需求。

2 屏栅电源LLC谐振变换器宽范围输入研究

2.1 LLC谐振变换器的工作特性

图8 全桥LLC谐振变换器主电路拓扑结构Fig.8 Full bridge LLC resonant converter main circuit topology

根据其工作特性可以将按开关频率fs不同分为3种工作模式：①当变换器工作在fs>fr1时，谐振网络的阻抗特性呈现感性，变换器可以实现ZVS。但是次级整流二极管不能实现ZCS，存在反向恢复问题。②当变换器工作在fr2

通过以上分析可知，LLC谐振变换器具有以下几个优点：

(1)易于实现开关管MOSFET的零电压开通，在一定条件下可以实现次级整流二极管的零电流关断，开关损耗低，能够实现较高的效率；

(2)适合在高频下工作，可以降低磁性元件的体积，且次级不需要滤波电感，增大变换器的功率密度；

(3)通过变频控制输出电压，不改变驱动信号的占空比，可以实现升压也可以实现降压；

(4)结构简单，实用性好，容易分析其特点。

2.2 LLC谐振变换器宽范围输入的研究

目前对于LLC谐振变换器的研究方向主要是优化策略研究、混合控制的研究和谐振腔设计方法的研究等居多。由于LLC谐振变换器工作在频率调制模式，随着开关频率的不同，变换器的工作特性和增益将跟随着变化。为了满足小行星探测中宽范围输入要求，LLC谐振变换器的增益曲线就成为研究的重点。对此有关研究提出了LLC谐振变换器的一种精确的时域增益模型，然而该模型相对复杂，需要借助软件才能完成增益曲线的绘制[8]。还提出了一种通过基波等效分析法(Fundamental Harmonic Approximation, FHA)得出的增益曲线[9]，在工作频率与谐振频率相差较大时，由于FHA分析方法得到的最大增益点与实际存在较大偏差[10]，因此得到的结果往往不是最理想的。

针对LLC谐振变换器宽范围输入还缺少一种相对简单且准确的设计方法，现有的增益曲线分析方法主要有时域分析法和FHA分析法，其中基波等效分析法就是将谐振腔的输入信号和输出信号都等效为正弦波，并在此基础上利用电路原理推导得到变换器增益曲线公式。该方法仅适用于开关频率在谐振频率附近的区域，当开关频率偏离谐振频率时，FHA分析方法得到的增益要显著小于实际增益，因此对于宽范围输入设计没有太多帮助。时域分析法是在建立变换器状态方程的基础上，结合边界条件，推导得到变换器的数学模型。该方法得到的结果是最准确的，但是无法得到增益曲线的解析表达式，无法实现直观设计。正是基于这些原因，结合LLC谐振变换器的工作特性以及优点，需要一种简化的时域分析模型来获得相对准确的增益曲线以完成宽范围输入设计，相比于传统的基于时域增益曲线的设计方法和基于FHA增益曲线的设计方法，该方法在设计复杂度和准确度之间会有一定的改善。

不同电感比h下的增益曲线如图9所示，其中纵坐标是由变压器匝比n与增益M的乘积组成，电感比h=Lm/Lr。从图9中可以看出，电感比h越大，最大增益也越小，因此设计宽范围输入时，需要考虑电感比h的最大值，并且将实际的电感比h设计在这一临界值之内[11]。

由于LLC谐振变换器工作在谐振频率附近的效率是最高的，所以往往设计额定输入电压下变换器的增益为变压器匝比n，变压器匝比只和输出电压以及额定输入电压有关。

根据启动电流设计品质因数Q，变换器启动前，副边输出电压为零，等效为输出短路，因此变换器启动的第一个电流尖峰将会很高，这会导致原边的MOS管过流即使采用较高的启动频率。

电感比h的设计需要结合LLC谐振变换器的主要波形，可以得到相应的状态方程，考虑变换器的最大增益值。

3 屏栅电源LLC拓扑技术展望

小行星探测具有其飞行距离远，任务周期长，任务复杂等特点，对电推进提出了很多要求。随着航天器高比冲、长寿命和高功率密度电推进技术的发展，大功率PPU成为空间电源领域的一个研究热点，得到越来越多的关注，促进了高效高压电源拓扑、控制方法以及器件的发展[12]。凭借其高效率、高功率密度以及低电磁干扰(EMI)等特点，LLC拓扑越来越多的应用于开关电源中，并使用这种结构作为主拓扑。目前，对于LLC拓扑的研究主要集中于以下3个方面。

1)数字化控制方式

随着屏栅电源指标的进一步提高，结合目前数字电源的发展，可以考虑将数字电源应用到屏栅电源中。通过采样功率管MOSFET漏源极之间电压，借助数字控制芯片FPGA来实现数字化同步整流[13]。利用非隔离型的LLC谐振变换器拓扑结构，有效的减小了变压器匝数和副边的电流，使变压器的损耗很大程度的降低了。

2)三电平谐振变换器

针对副边整流部分进行了分析和研究，其拓扑结构主要包括同步整流以及倍压整流。提出了一种新的三电平谐振变换器，这种拓扑结构下功率管耐压值为输入电压值的一半，可以很好地应用在大功率的场合。同时副边整流还介绍了一种倍压整流的拓扑结构，滤波电容的耐压值降为原来的一半，整流二极管耐压值同时降低为和输出电压相同，可以有效地应用到高电压大功率的场合中。

3)混合控制

目前，屏栅电源常用的控制策略有变频控制和定频控制。当变换器采用变频控制时，效率较高，但在输入电压范围宽和负载变化很大的情况下，开关频率范围较宽，使得磁性元件，如变压器和电感难以优化设计。当变换器采用定频控制时，易于优化设计磁性元件，但是当输入电压范围较宽时，变压器原副边匝比将会降低，使得整流二极管电压应力增加。同时，占空比变化很大，导致环流增加，效率降。因此，针对大功率宽范围输入电压场合下，提出了一种全桥LLC谐振变换器的混合式控制策略[14]，以克服LLC谐振变换器在宽范围输入电压场合的不足。当输入电压较低时，使变换器工作在变频模式；当输入电压较高时，使变换器工作在定频模式。

4 结束语

近年来小行星探测在国内外受到了高度的关注，特别是欧美国家已经取得了令人瞩目的成绩，离子电推进被认为小行星探测任务中最先进、最有效的技术途径。基于国内外大功率离子电推进电源处理单元的研究，屏栅电源作为电源处理电源的核心。针对现有屏栅电源拓扑结构的分析，全桥LLC谐振变换器拓扑结构在宽范围输入以及效率方面有一定优势。因此，研究LLC拓扑结构，将进一步降低损耗，满足在大功率场合下离子电推进实现高效率、高可靠性、轻质量的要求。