基于副边LLC谐振变换器的功率处理单元建模与分析

随着航空航天技术的不断发展,航天器对于霍尔电推进功率处理单元(PPU)的需求不断提高,高增益、大功率以及高效的PPU成为研究的主流方向。LLC拓扑能够在全负载范围内实现软开关,因此在PPU阳极电源中具有广阔的应用前景。原边LLC因其原副边增益特性,给阳极电源高增益变换器的谐振电感设计带来极大的挑战。针对上述问题,提出了一种改进的副边LLC谐振拓扑,在保留原边LLC谐振电路软开关特性的同时,有效解决了谐振电感设计问题,使得PPU阳极电源具备高增益的性能。首先利用时域分析法建立了副边LLC拓扑数学模型,其次在模型的基础上给出其峰值增益的计算方法,最后通过一台样机验证了所建模型的正确性并验证了副边LLC电路的有效性。

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。

大功率电推进电源处理单元技术

电推进作为一种先进的推进技术,其发射质量轻、比冲高,可以降低发射成本。高压电源是电源处理单元(PPU)的主要功率来源,是大功率、高效PPU设计的重点。新型电力电子技术的应用,将对未来地球同步轨道(GEO)通信卫星和深空探测的发展产生重要影响。本文以5 k W等级PPU为研究对象,主要介绍大功率电推进技术的现状与发展,从电力电子的拓扑、器件和控制方法 3个角度分析了大功率、高效PPU技术发展的特点与前景,为中国研制大功率PPU高压电源提供参考。

霍尔电推进PPU阳极电源拓扑技术研究

针对未来对大功率以及超大功率电源处理单元的需求,对国内外霍尔推力器阳极电源拓扑技术的研究现状进行了分析与总结,采用软开关四管Buck-Boost变换器的PWM加移相控制策略,结合对该策略的时序仿真分析试验,对传统“四边形电感电流”模式进行了改进,解决了电路工作在低负载情况下时,整个电路会因开关管的额外损耗导致变换器的效率降低的问题,使电路在全电压全负载范围内实现了开关管的零电压开通,将电感电流的有效值降到了最小,在极大地降低了开关管造成的损耗的同时提升了四管Buck-Boost变换器效率。

霍尔电推进系统数字化电源处理单元设计

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。

适用于30cm离子推力器的5kW电源处理单元设计

为了满足更大范围的卫星应用需求,我国正在研制30cm离子推力器。30cm离子推力器瞄准全电推进卫星平台、近深空探测器对推进任务的需求,对提高卫星平台先进性和提升国际竞争力具有重要的意义。为了配合30cm离子推力器的研制,同时设计了输出功率达到5kW的电源处理单元。该设计实现了一种输出功率为1kW的模块,通过串联组合可以达到输出5kW功率要求,提出了一种"最佳"的平顶变换及软开关的全桥电路拓扑,达到了95%的转换效率,同时还能容易实现屏栅电源的N+1冗余设计。并且通过高压组件的完全灌封,有效提高产品的可靠性。

空间离子电推进系统电源处理单元设计

空间电推进电源处理单元是组成电推进系统的关键设备之一,它是多电源组合、输出功率大、电压高及时序控制的复杂电源变换产品。以离子电推进系统配置的电源处理单元为例,叙述了输出功率为1 kW,屏栅电源输出电压达到1 000 V的各功能电源的电路设计,并给出了实验电路的测试结果。

超大功率电推进电源处理单元关键技术研究

针对深空探测等空间任务对超大功率(10~100kW)电推进系统的需求,通过对国内外超大功率电推进技术的调研,提出了一种50kW超大功率霍尔电推进系统电源处理单元(Power processing unit,PPU)设计方案,重点对核心的阳极电源关键技术进行研究,提出了四管Buck-Boost变换器和三相LLC谐振变换器级联的设计方案。

光谱01卫星脉冲等离子推力器电源处理单元的开发

针对光谱01卫星应用需求,提出了脉冲等离子推力器电源处理单元的设计方案,给出了验证结果。采用反激变换拓扑和恒功率方式实现了以2.5Hz的频率将5.76μF的储能电容器充电至1600V,将0.68μF的火花塞点火电容充电至800V;采用超快恢复高压整流管、高压绕组串联、高压整流管串联和开关频率设计解决了反激变换器整流二极管反向恢复引起的功率反向传输问题;采用输出钳位二极管和限流电阻解决了储能电容振荡负电压反向一次母线充电的问题。PPT的地面寿命试验和在轨测试结果表明,所设计的电源处理单元方案合理可行。

微小卫星用脉冲等离子体推力器电源处理单元设计

近年来,随着微纳米技术的迅速发展,以及星上探测器、数据处理和传输设备日趋小型化,使微小卫星的研究和应用成为航天技术发展的一股新潮流。针对应用于体积和功率有限的微小卫星的电推进系统,以脉冲等离子体推力器为研究对象,介绍了电源处理单元的组成和功能。为进一步提高脉冲等离子体推力器点火的可靠性和使用寿命,设计了应用于微小卫星电推进系统的脉冲等离子体推力器电源处理单元,并对整个电源处理单元的稳定可靠性进行研究。结果表明,充电电源采用恒功率充电方式,在母线电压6.8 V条件下,以5 W的输入功率可将储能电容器恒功率充电致1600 V;放电点火电路采用LC振荡电路,减小了开关器件的电流应力,在输入电压800 V时,点火电流的峰值可高达100~150 A,这种大电流放电有助于清除火花塞表面的积碳,增加了点火的可靠性。

离子推力器数字化电源处理单元设计分析

离子电推进系统(IPA)是卫星实现无拖曳飞行的主要手段,10 cm离子推力器(LIPS-100)是根据重力梯度卫星无拖曳飞行需求所设计的。针对LIPS-100推力器电源处理单元(PPU)必须具备电参数高精度、高稳定性和快速响应的要求,采用移相全桥拓扑结构设计屏栅电源,减少了开关管高频时的开关损耗以及有效降低了开关管的电压和电流应力;以DSP为核心设计数字化阳极电源和励磁电源,实现电源输出电压、电流参数的改变,实现推力连续变化的控制,并且可以有效减小控制板体积。

脉冲等离子体推力器电源处理单元技术研究

为了进一步提高脉冲等离子体推力器点火的可靠性和使用寿命,采用理论计算和地面试验的方法,设计了一款可应用于立方体纳卫星脉冲等离子体推力器放电能量为2.6J的电源处理单元,其放电点火电路是基于LC振荡电路,且对放电点火电路的性能、开关管的电流应力和整个电源处理单元的稳定可靠性进行了研究。结果表明:LC振荡放电点火电路中,开关器件的电流应力较小,提高了整个电路的可靠性;该放电点火电路在输入电压800V时,点火电流的峰值可达到100A^150A,这种大电流放电有助于清除火花塞表面的积碳。

电源处理单元配置方案可靠性比较及选择

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。

胶体推进器PPU高压可调束流电源技术概述

针对胶体推进器(Colloid Thruster,CT)电源处理单元(Power Processing Unit,PPU)的小功率(10W)高压(10kV)束流电源展开分析,从胶体推进器发展现状、趋势及其PPU需求出发,调查应用于胶体推进器PPU上的小功率高压电源拓扑的发展现状,总结了胶体推进器PPU束流电源的技术特点,并对目前高压电源所用到的几种基本电路拓扑组合的前级电路,以及倍压整流电路拓扑结构进行分析,为胶体推进器PPU高压束流电源的研制提供研究方向与技术参考。

基于全桥LLC变换器的离子电推进高压屏栅电源优化设计

针对1 kW离子电推力器屏栅电源供电需求,本文基于全桥LLC设计分别给出了实用的谐振参数优化方法、谐振电感器优化方法、变频移相结合控制方法、过载保护电路和软启动电路;同时论述了采用双副边绕组串联和倍压整流技术的1 kV/1 kW屏栅电源的设计过程;最后,搭建了一台1 kW的离子电推进屏栅电源工程样机,验证了设计方法的可行性和对产品性能的改进。与相同规格移相全桥屏栅电源相比,体积缩小了27%,重量减轻了21%。

烧蚀Z箍缩脉冲等离子体推进系统实验研究

脉冲等离子体推力器(PPT)是最早用于空间任务的电推力器.烧蚀Z箍缩脉冲等离子体推力器(AZPPT)因其同轴前后式和阳极尖锥的特殊构型可以在较小体积和功率下实现较高的推功比和比冲.研究阳极尖锥长度、充电电压、放电次数对AZPPT性能的影响,试验表明随着充电电压的升高,推力器放电电流峰值、羽流等离子体电子温度、元冲量等参数升高,证明可通过改变电压实现推力的宽范围调节.阳极尖锥高度增加时,推力器的元冲量有少量下降,比冲有明显上升,相比没有尖锥时,比冲最高提升23.7%,总体效率最高提升7.3%,证明该结构在小功率AZPPT中的性能优化作用.基于以上结果,设计开发了一款1 U小型化、模块化推进系统.推进系统点火成功,5 J放电能量下元冲量达193.72μN·s,具有小功率、综合性能好、结构紧凑等特点.

变电站视频及环境监控系统中通信电源监控模块的一体化集成方法

变电站视频及环境监控系统通常不包括对通信电源的监控,给变电站内环境信息的一体化监控带来不便。为此,提出一种通过站端处理单元集成通信电源监控模块的方法,将通信电源监控模块通过站端处理单元集成到变电站视频及环境监控系统中。该方法采用通信电源监测数据主动推送方式,极大地缩短了故障的发现时间。该实现方式在广东电网得到了广泛应用,实现了对站内通信电源的监控,取得了良好的使用效果。

离子推进系统电源研究

离子推进电源处理单元(PPU)是组成离子电推进系统的关键设备之一。本文以某离子电推进系统配置的电源处理单元为例,针对多路组合、输出功率大、电压高及时序控制等电源特点,采用不同的电源变换拓扑方案,来实现复杂电源功能。并通过实际电路验证和检测,研究结果满足了设计指标要求。

1.5 kW级磁聚焦霍尔推力器阳极电源设计

介绍了1.5 kW级磁聚焦霍尔推力器阳极电源的设计,针对电源输入输出电压宽范围、高升压比的特点,设计了变压器原边并联,副边串联的双变压器结构;为了提高效率,分析了滞后臂实现软开关的实现条件;为了抑制整流二极管反向恢复的电压尖峰,变压器原边使用了两个钳位二极管且在变压器副边采用了CDD无损吸收电路。针对霍尔推力器负载特点,设计了双零点三极点补偿器,提高了电源的动态和稳态特性。最后,给出了产品实物及滤波单元原理并验证了方案的合理性。

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%。