离子推进系统电源研究

摘要：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。
关键词：离子推进系统；推力器；电源处理单元；验证

自从1911年俄罗斯火箭科学家齐奥尔科夫斯基提出电推进概念以来，前苏联和美国相继开始了近30年的电推进空间飞行试验，到上世纪90年代开始，电推进正式开始在航天器上应用，到目前为止，电推进系统已广泛应用于空间任务。
电推进作为一种先进的推进技术，由于其高比冲的优势，可以降低航天器系统质量、提高寿命、增加有效载荷，已经成为衡量一颗卫星先进性的重要指标。并且电推进已经是具有战略竞争力的未来航天器关键技术。

1 离子推进器简介
离子推进技术是利用电能(来自太阳能电池或核电反应堆电源)使推进剂电离，在磁场和电场的作用下，高速喷出，产生远高于化学推进的喷气速度，可有效减少推进剂的需求量。离子推进技术，由于其具有高比冲、高效率的特点。
离子推进系统(Ion Push System，IPS)由推力器、电源处理单元(Power Processing Unit，PPU)、推进剂供给系统(Xenon Feed Syste m，XFS)以及数字接口与控制单元(Digital Control Interface Unit，DCIU)4部分组成。离子推力器的基本功能是产生推力。离子推力器由推力器外壳、放电室、主阴极、中和空心阴极、离子光学系统(即栅极组件)等几个基本部分构成。图1为其构造示意图。电源处理单元在控制单元的控制下，通过卫星平台的电源总线向推力器的加热极，加速极，阳极电离室等功能单元提供各种电压。

离子电推进系统推力器工作过程中，电源处理单元各功能电源的工作情况如下：
1)阴极和中和器阴极两个加热电源，对空心阴极加热丝通电加热，直到空心阴极温度被加热到1 600℃，空心阴极发射体开始热电子发射；
2)阴极触持极电源、阳极电源及中和器触持极电源，建立阴极和中和器阴极电子发射电场，维持阴极的稳定持续放电状态，并在主阴极和阳极间形成等离子体区域；
3)阴极点火电源和中和器点火电源，分别在主阴极和中和器的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)加速电源和屏栅电源用以离子光学组件供电，对放电室内被电离的Xe+进行聚焦、加速和引出，从而产生推力。
文中以1 kW离子电推进系统配套的电源处理单元为设计对象，电源处理单元的基本特性参数见表1所示，此外点火电源为峰值大于650 V的高电压脉冲，脉冲宽度不小于10μs。

由于电源处理单元中的屏栅电源输出电压高压1 000 V，所以产品设计对高压输出端与一次母线、控制和遥测的隔离设计具有很高的要求。本设计采用了高耐压功率变压器，实现输出高压和母线的隔离，并采用变压器隔离采样及电流互感器取样等隔离技术，以满足与输出高压的隔离要求。高压电路采用了灌封工艺技术。
此外，由于电源处理单元的输出功率大，电路中的功率器件热耗大，所以对发热量大的功率器件必须采用有效的散热措施，确保其最短和最有效的散热途径，保证产品的可靠性。
2．1 屏栅电源设计
由电源处理单元的基本参数要求得到，整个设备的总输出功率达到1 kW以上，屏栅电源的输出电压高达1 000 V，并提供了80％的功率输出，所以屏栅电源是电源处理单元中最重要的电源，屏栅电源的高效率设计是PPU获得更高总效率的关键。

由于屏栅电源的输出功率接近1 kW，所以选用全桥式功率变换拓扑，电路原理示意图如图3所示。尽管全桥功率变换拓扑相对与其它功率变换拓扑比较复杂，但它适合高电压输入