离子推进器屏栅电源稳压控制方法研究

为了解决离子推进器屏栅电源在负载突变过程中产生的过压、过流等问题,对LLC谐振变换器采用移相-变频控制(PS-PFM)稳定输出电压,当采样电压低于设定值下限时,进入变频控制模式,当采样电压高于设定值上限时,进入移相控制模式。实验证明,相比于常用的调频控制,移相控制的加入能够解决轻载或空载模式下的电压飘高问题,通过PID参数的调整,可以实现负载跳变时的稳定快速调节,使输出电压保持在设定值;通过PCB布局与磁性元件优化设计,所研制的原理样机在额定情况下效率高达98.9%,功率密度可达6.47×10^(6)W/m^(3),在同等级的电源产品中具有优势。

离子推进器屏栅电源负载突变分析

离子推进器在工作过程中需要进行打火操作,突变负载会对电源处理单元(PPU)造成过压过流等影响。为满足离子推进器PPU负载突变的需求,选择PPU中的屏栅电源作为研究对象,结合全桥LLC谐振变换器拓扑,采用平均大信号建模法,建立了全桥LLC非线性状态空间方程,并通过方程中快慢变量的近似处理,推导出平均大信号模型,通过仿真验证了平均大信号模型与状态空间方程基本一致。据此大信号模型设计了控制器,通过Matlab/Simulink仿真和实验验证了控制的有效性。所研制的原理样机可以实现软开关和负载突变下的快速调节,最低效率为97.1%,输出稳定性较高,可以提升推进器电源模块的可靠性。

大功率离子推力器屏栅电源拓扑技术进展与展望

将离子推力器电源处理单元(PPU)的屏栅电源拓扑作为研究对象,从电推进发展现状及趋势出发,介绍了国内外的研究进展和应用情况。主要就目前屏栅电源所用到的双全桥并联拓扑、全桥谐振变换器、推挽变换器组成的组合变换器拓扑和全桥软开关拓扑进行论证分析,归纳了各屏栅电源拓扑的技术特点,最后结合我国今后PPU屏栅电源的发展需求,对屏栅电源新技术、新拓扑和功率量级等3方面作出展望,可为今后研制超大功率PPU屏栅电源提供研究方向与技术参考。

大功率离子推力器屏栅电源仿真分析

将离子推力器电源处理单元(PPU)屏栅电源拓扑作为研究对象,结合国内外屏栅电源发展现状,提出了双全桥零电压开关(ZVS)技术、移相\脉宽调制控制结合的设计方法。该方法的优点是在满足离子推力器屏栅电源多电压输出的需求基础上,实现零电压开关(ZVS),提高运行效率,增大功率密度。文中分析了该拓扑的原理,同时利用Saber软件对电路进行分仿真和分析。仿真结果表明,文中所设计的屏栅电源拓扑能在宽范围输入电压(80~160 V)下实现宽范围输出电压(500~1200 V),并保持ZVS状态,符合屏栅电源宽范围、高压大功率的工作特点,满足其工作指标。

基于双模式控制全桥变换器屏栅电源技术研究

针对离子推力器电源处理单元(PPU)屏栅电源,提出了双全桥DC/DC变换器拓扑、移相/占空比控制结合的设计方法,优点是实现离子推力器屏栅电源大功率、宽范围输出电压调节,增大功率密度,以适应电推力器大功率小型化的发展趋势。此处分析了该变换器的原理及工作模态,利用Saber进行仿真分析,通过仿真波形验证了理论正确性。最后在一台1kW/100V原理样机上进行验证。结果表明此处所设计的双全桥DC/DC变换器能在双模式控制下实现输出电压宽范围调节(0-1000V),满足工作指标。

5kW离子电推进大功率屏栅电源的设计研究

针对航天器用5kW离子电推力器核心供电模块屏栅电源的技术需求,采用移相全桥技术设计了低电压输入高电压输出的大功率屏栅电源模块。对比分析了零电压开关ZVS和零电压零电流开关ZVZCS两种移相全桥方案后,得出ZVZCS更适合于电推进屏栅电源的设计。提出了ZVZCS移相全桥变换器CDD无损缓冲电路中辅助电容的设计方法,论述了屏栅电源功率级和控制电路的设计过程。通过实物产品验证表明:采用ZVZCS移相全桥技术设计的屏栅电源模块能在较宽的负载范围内实现超前桥臂和滞后桥臂的软开关,提高了变换器的效率;采用CDD无损缓冲电路能辅助实现滞后桥臂的零电流关断,降低原边电流的损耗,同时降低高压整流管的电压应力。在具备完善的输入滤波、浪涌抑制及母线开关等功能以后,最大功率下效率>95%。

用于小行星探测的离子电推进屏栅电源拓扑研究

为了满足小行星探测中离子电推进多工作点调节的需求,将离子电推进电源处理单元(PPU)屏栅电源的拓扑结构作为研究对象,介绍了国内外屏栅电源的现状与应用场合,分析了各个屏栅电源拓扑结构的特点,最后得出了LLC拓扑可以满足任务要求。通过对LLC拓扑的工作特性分析,提出了一种简化的时域增益曲线模型,以适应宽范围输入的要求。结合目前对于LLC拓扑的研究,提出数字化控制方式、三电平谐振变换器和混合控制3方面的技术展望,可为今后研制高效率、轻质量的离子电推进PPU屏栅电源提供技术参考。

离子推力器高效高可靠性屏栅电源设计

为了进一步提高离子推力器的可靠性和使用寿命,采用6个电源模块串联输出的方法设计了高效高可靠性的屏栅电源试验样机,每个模块采用全桥LLC谐振变换器,并对屏栅电源模块的性能、打火时开关管的瞬态电流应力分别进行了测试研究。结果表明:屏栅电源模块采用全桥LLC谐振变换器,可以实现零电压开通零电流关断,整个电源的转换效率提高到96.9%;单个电源模块输出电压为210V,电源模块内部没有>250V的交流电压峰值,简化了高压绝缘设计的难度;变换器初级较大谐振电感的限流作用使得推力器出现打火时,开关器件瞬态电流仅为40A。该设计能有效提高屏栅电源的效率和可靠性,可以应用于小行星探测等深空探测航天器的电推进系统。

屏栅电源新型双全桥拓扑的模型预测控制

针对屏栅电源的传统PID双闭环控制精度低及鲁棒性弱的问题,提出了电流内环采用PID控制器、电压外环采用MPC控制器的双闭环控制方法。该方法首先分析了新型双全桥拓扑的结构及工作模式,其次根据拓扑建立小信号模型并设计电流内环控制器参数,将内环作为被控对象建立预测模型并完成MPC控制器设计。为验证MPC双闭环控制方法的合理性,最后在Matlab中搭建MPC双闭环控制和PID双闭环控制进行对比。仿真实验表明,与PID双闭环控制相比,MPC双闭环控制能有效克服因负载扰动对输出的影响,提高系统的动态性能和抗干扰能力。

宽范围输入输出离子电推进屏栅电源的设计

深空探测器离子电推进系统电源处理单元(Power Processing Unit,PPU)需要适应宽范围电压输入、宽范围电压输出和功率输出,造成PPU的元器件应力增加、体积重量增加和效率降低。针对我国小天体探测器离子电推进PPU中核心模块屏栅电源输入电压60~110 V、输出电压420~1260 V、输出电流0.3~2.1 A的指标需求,从功率模块分解、软开关拓扑选择、单级功率变换器拓扑设计和两级功率变换器拓扑设计方面研究了屏栅电源的设计,提出了在效率、体积和可靠性方面综合优化的方案,对屏栅单个功率模块的设计开展了实物验证。得出:采用优化的模块分解,将输出电压固定,能有效降低元器件应力、优化变换器工作点效率以及提高变换器的可靠性;移相全桥和全桥LLC在设计宽范围输入变换器时存在半导体功率元器件电应力高和磁性元器件加工困难等问题;采用BUCK或BOOST+全桥LLC的两级拓扑方案,能简化高压整流电路的应力,同时适应宽范围输入电压,是宽范围输入输出屏栅电源优选的方案。

新型小功率离子微推进屏栅电源设计

离子微推进技术的快速发展对屏栅电源小型化高效率的研究提出了迫切需求。通过对比国内外现有屏栅电源技术的特点,文中提出Buck-推挽LLC谐振级联式DC/DC变换器作为电源主功率电路,引入对称式沃尔顿倍压整流电路实现高电压输出。通过分析变换器工作模态推导状态方程,完成补偿网络及其他主要电路参数的设计。通过Saber仿真,搭建原理样机并进行验证,实验结果表明,高增益倍压整流电路有效减少了变压器匝比,谐振变换器所有功率半导体器件均实现软开关,电源效率提升至95%。

离子推力器小功率正高压屏栅电源研究

为了设计一种适用于小功率离子推力器的小功率正高压屏栅电源,提出了一种前级降压斩波电路后级全桥LLC谐振及全波倍压整流的两级式拓扑结构。在该主电路的基础上,设计了控制电路,并开展了试验研究。试验结果表明:设计的正高压屏栅电源在输入电压42V、输出负载12.52kΩ时,输出电压和输出功率分别为1050V,88W,且输出电压误差范围控制在2%以内,屏栅电源效率为90.44%。对于输出正负极高压短路、瞬时加减载具有自恢复功能。研究证明了该两级式拓扑结构的可行性,从而提供了一种小功率正高压屏栅电源的设计方法,对小功率离子推力器的发展具有推动作用。

离子电推进系统电源处理单元的数字化设计

为了降低航天器的质量,提高使用寿命,满足商业航天小卫星电推进系统需求,概述了电源处理单元(power processing unit,PPU)数字化设计的需求及屏栅电源设计方案,针对电源处理单元的高精度、高稳定性、快速响应的要求,采用BUCK方案和全桥电路设计屏栅电源。以STM32微控制器为核心设计数字化加热电源和屏栅电源,实现卫星平台/地检设备的数据采集遥测,电源输出电压参数的改变。实验结果表明:三个数字化电源的控制精度均小于3%,数字化控制的电源处理单元具有灵活调整的特点,能够有效减少控制板体积。

应用于电推进系统的宽输入电压范围高压电源研究

电推进电源(Power Processing Unit,PPU)是电推进系统的核心单机,其体积、重量及关键技术难度往往超过推力器本身。屏栅电源及阳极电源这类大功率高压电源是电推进电源系统的核心部件。针对多模式切换电推进系统的需求,提出了一种适用于宽输入电压范围屏栅电源的两级式功率拓扑架构,前级为两相交错并联Boost拓扑以实现宽范围调压,后级为工作于最优频率点的不控谐振拓扑以实现高变比隔离升压。研究该功率拓扑架构的控制方式及磁性器件的设计原则并最终给出了相应的实验结果。