王少寧 陳昶文 張保平 王長勝

（蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000）

霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)數(shù)字化電源處理單元設(shè)計(jì)

王少寧 陳昶文 張保平 王長勝

（蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000）

分析了霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)的電源處理單元（PPU）的需求，介紹了使用移相全橋軟開關(guān)電路設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了電源處理單元陽極電源高效率，同時通過采用FPGA設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化電源處理單元的設(shè)計(jì)，最后給出了80mN霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)數(shù)字化電源處理單元工程樣機(jī)的實(shí)現(xiàn)情況，結(jié)果表明：采用軟開關(guān)后電源效率得到了明顯的提高，數(shù)字化控制的電源處理單元具備了參數(shù)靈活調(diào)整的功能。

霍爾電推進(jìn)；數(shù)字化；電源處理單元；數(shù)字電源

1 引言

電推進(jìn)是一種先進(jìn)的推進(jìn)技術(shù)，是航天器推進(jìn)系統(tǒng)的重要發(fā)展方向，已成為衡量航天器先進(jìn)性的標(biāo)志之一。電推進(jìn)技術(shù)是利用電能將氣體工質(zhì)電離、加速引出，形成等離子體束流而產(chǎn)生推力，相比化學(xué)推進(jìn)具有高比沖的顯著優(yōu)勢。目前國際主要應(yīng)用電推進(jìn)為離子式考夫曼（Kaufman）型推力器和霍爾推力器?；魻栯娡七M(jìn)在歐洲航天器中廣泛應(yīng)用，具有結(jié)構(gòu)簡單、推力大等特點(diǎn)，適合用于各類航天器的姿態(tài)控制、軌道修正、位置保持等在軌推進(jìn)任務(wù)。

電源處理單元（Power Processing Unit，PPU）是電推進(jìn)系統(tǒng)的重要組成部分，主要為電推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備——推力器提供所需的各種電壓和電流的功率需求，保證推力器穩(wěn)定工作，性能良好。由于電推進(jìn)系統(tǒng)對電源處理單元的復(fù)雜要求，數(shù)字化電源處理單元成為新的發(fā)展趨勢，并在國外航天器中已開展應(yīng)用。

數(shù)字化電源（也稱數(shù)字電源）是有別于模擬電源的一種新的技術(shù)和應(yīng)用模式。目前應(yīng)用較廣的數(shù)字電源是通過數(shù)字接口控制的開關(guān)電源，包括通過CAN、1553B等數(shù)字總線和現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）控制輸出電壓、開關(guān)頻率或多通道電源的排序、啟動、裕度控制等，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號控制［12］。

數(shù)字電源的一個很大優(yōu)勢和功能就是可編程，比如通信、檢測、遙測等所有功能都可用軟件編程實(shí)現(xiàn)。航天領(lǐng)域具有特殊的應(yīng)用環(huán)境，如高可靠性、高要求、高風(fēng)險(xiǎn)和不可維修性，電推進(jìn)系統(tǒng)對PPU的復(fù)雜供電及參數(shù)調(diào)節(jié)要求，針對PPU的故障檢測、隔離和重組（Fault Detection Isolation and Reconfiguration，F(xiàn)DIR）要求等。數(shù)字化PPU不僅是電推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的需求，也是航天技術(shù)發(fā)展的趨勢。

本文介紹了數(shù)字電源的特點(diǎn)及優(yōu)勢，詳細(xì)討論了針對霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)的數(shù)字化電源處理單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2 霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)PPU需求分析

PPU的基本功能是為霍爾推力器的各電極提供所需電壓和電流?；魻柾屏ζ饔申枠O、陰極、氣體分配器、通道套筒及磁路等組成，如圖1所示。

圖1 霍爾推力器示意圖Fig.1 Schematic diagram of Hall thruster

霍爾推力器的陽極主要是提供電壓使等離子體放電?；魻柾屏ζ魍ǖ纼?nèi)的磁場是由勵磁線圈（或永磁鐵）及磁路系統(tǒng)生成的，在加速通道的出口提供較強(qiáng)的徑向磁場，滿足穩(wěn)定放電的要求。空心陰極作為一種電子發(fā)射裝置是霍爾推力器的關(guān)鍵部件，其發(fā)射材料一般采用六硼化鑭（LaB6）或鎢鋇氧化物等低逸出功物質(zhì)，在特定的溫度下利用熱效應(yīng)發(fā)射電子。

在霍爾電推進(jìn)推力器工作過程中，對PPU的具體供電需求如下：

（1）陰極加熱電源，對空心陰極加熱絲通電加熱，直到空心陰極溫度被加熱到1600℃，空心陰極發(fā)射體開始熱電子發(fā)射；

（2）陰極觸持極電源，建立陰極電子發(fā)射電場，維持陰極的穩(wěn)定持續(xù)放電狀態(tài)，并在陰極和陽極之間形成等離子體區(qū)域；

（3）陰極點(diǎn)火電源，在陰極與觸持極之間產(chǎn)生高壓單次脈沖，使陰極和觸持極之間起弧放電；

（4）陽極電源用以建立離子光學(xué)系統(tǒng)，對放電室內(nèi)被電離的Xe離子進(jìn)行聚焦、引出，從而產(chǎn)生推力。

另外，從系統(tǒng)的角度考慮，為了抑制霍爾推力器的陽極放電時所產(chǎn)生的低頻振蕩，需在推力器與PPU之間串聯(lián)“匹配網(wǎng)路”，在PPU與推力器之間單獨(dú)設(shè)計(jì)濾波單元，以抑制由于推力器固有特性而產(chǎn)生的陽極電流振蕩，保護(hù)霍爾推進(jìn)電源系統(tǒng)不受損壞。80mN霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)PPU各電源的主要電性能參數(shù)見1所示?；魻栯娡七M(jìn)系統(tǒng)PPU與推力器的供電關(guān)系如圖2所示。

表1 PPU各電源電性能參數(shù)Table1 Preliminary PPU power supply specifications

電推進(jìn)的應(yīng)用已經(jīng)開始向單一推力到變推力、多模式的方向發(fā)展，以適應(yīng)更廣應(yīng)用需求，全電推進(jìn)衛(wèi)星就是多模式電推進(jìn)系統(tǒng)的典型應(yīng)用，通過替代地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星的化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)，進(jìn)行軌道轉(zhuǎn)移，此時需要電推進(jìn)工作在大推力模式，可以顯著降低衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量，并實(shí)現(xiàn)有效載荷質(zhì)量的最大化，為運(yùn)用商帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益［3－5］，當(dāng)衛(wèi)星到達(dá)GEO軌道后進(jìn)行位置保持時，需要電推進(jìn)系統(tǒng)工作在高比沖模式，因此需要PPU具備多模式工作能力及靈活的控制實(shí)現(xiàn)方式。對于PPU來說，工作模式的改變就是供電電源的電壓變化，即PPU的主要電源具備輸出電壓或電流參數(shù)的調(diào)整，根據(jù)任務(wù)需要，通過衛(wèi)星控制信號進(jìn)行參數(shù)調(diào)整功能。其次，需要進(jìn)行高精度軌道控制的衛(wèi)星，要求使用電推進(jìn)提供微小推力的調(diào)節(jié)，以達(dá)到衛(wèi)星軌道的精確控制完成特定使命，如重力場與穩(wěn)態(tài)海洋環(huán)境探測器（GOCE）［6］。對電推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行微小推力的調(diào)節(jié)，主要依靠控制PPU的供電電壓或電流參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。由于推力調(diào)節(jié)量非常小，通常為μN(yùn)量級，因此反饋到PPU電壓或電流的調(diào)節(jié)也將達(dá)到mV或mA級的微小調(diào)節(jié)。

圖2 霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)PPU與推力器供電關(guān)系圖Fig.2 Electric block diagram of Hall electric propulsion system

這些需求都將要求為推力器供電的PPU具備參數(shù)靈活而精確的調(diào)節(jié)和控制功能，因此數(shù)字化PPU是電推進(jìn)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)和必備技術(shù)。目前在國外也已經(jīng)開展了數(shù)字化PPU的工程應(yīng)用，例如ESA為水星探測計(jì)劃研制的電推進(jìn)系統(tǒng)中PPU被稱為供電與控制單元（Power Supply and Control Unit，PSCU）［7－8］。

通過80mN霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)PPU的功能要求和各電源性能要求分析可知，PPU必須具備與航天器上位機(jī)的通信功能，完成指令控制和數(shù)據(jù)傳輸。同時由于各電源對電壓或電流參數(shù)提出了按照一定步進(jìn)連續(xù)可調(diào)的要求，例如陰極加熱電源需要實(shí)現(xiàn)每50mA的步進(jìn)變化，共計(jì)達(dá)到不小于80個電流參數(shù)的調(diào)節(jié)能力，如果該功能使用模擬電路將基本不可實(shí)現(xiàn)。而使用數(shù)字電路只需要一個7位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，通過軟件控制即可實(shí)現(xiàn)128個參數(shù)的調(diào)節(jié)。PPU內(nèi)部的數(shù)字控制模塊（DICU）能接受和解析系統(tǒng)控制指令，完成對PPU內(nèi)部各電源控制命令執(zhí)行、遙測數(shù)據(jù)傳輸，以及PPU故障監(jiān)測和隔離功能。

3 霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)數(shù)字化PPU設(shè)計(jì)

3.1 陽極電源設(shè)計(jì)

陽極電源是PPU重要組成部分，輸出功率達(dá)到1500W，占推力器工作時PPU總輸出功率的97%以上，其性能指標(biāo)直接影響PPU整體性能和推力器工作狀態(tài)。其中，電源轉(zhuǎn)換效率是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，提高效率可以降低器件熱耗，對提高產(chǎn)品可靠性具有重要的作用。

國外同類產(chǎn)品電路設(shè)計(jì)，在2000年初期主要采用硬開關(guān)方式實(shí)現(xiàn)功率變換，效率最高只能達(dá)到91%。2010年開始采用軟開關(guān)技術(shù)達(dá)到了94%的效率。陽極電源效率若提高3%，將減少約50W的功耗，對提高功率器件的可靠性和壽命具有重要意義［9－10］。

因此，PPU陽極電源在全橋功率變換的基礎(chǔ)上，實(shí)施了零電壓零電流轉(zhuǎn)換（ZVZCS）移相全橋軟開關(guān)技術(shù)，電路原理見圖3所示。通過軟開關(guān)技術(shù)，在保留全橋變換器各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)的同時，可以利用電路寄生參數(shù)和輔助電路極大地減少開關(guān)管的開關(guān)損耗，提高產(chǎn)品效率，并減小開關(guān)管電壓應(yīng)力，提高產(chǎn)品的可靠性并改善電磁兼容（EMC）特性。功率開關(guān)管采用雙管并聯(lián)方式，既可降低器件電壓應(yīng)力，又可降低導(dǎo)通損耗。功率變壓器次級鉗位電路的加入，使輸出整流管在輸出電感續(xù)流期間自然關(guān)斷，不參與次級續(xù)流，解決了二極管反向恢復(fù)電流引起的振蕩，極大地降低了整流管電壓電流應(yīng)力。

陽極電源采用了ZVZCS移相全橋軟開關(guān)技術(shù)，電路測試達(dá)到95.5%的效率，進(jìn)入國外同類產(chǎn)品的領(lǐng)先水平。

圖3 移相全橋軟開關(guān)電路原理圖Fig.3 Electric diagram of phase－shifted full－bridge

3.2 控制電路設(shè)計(jì)

控制電路主要完成通信、數(shù)據(jù)采集、供電模塊開關(guān)機(jī)控制功能和電壓/電流調(diào)節(jié)功能以及故障檢查及處理功能。

控制電路主要采用FPGA電路、驅(qū)動和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)。對比了微處理加反熔絲FPGA和靜態(tài)隨機(jī)存儲器（SRAM）加FPGA兩個方案。微處理加反熔絲FPGA電路簡化了FPGA外圍電路設(shè)計(jì)，反熔絲FPGA編程后需要再篩選，可擴(kuò)展性差，風(fēng)險(xiǎn)大。因此采用SRAM加FPGA的控制電路，具有軟件成本低、靈活成熟度高的優(yōu)勢。

控制電路采用FPGA構(gòu)成整個系統(tǒng)的核心部分。FPGA主要實(shí)現(xiàn)1553B總線通信控制，接收上位機(jī)指令，控制PPU各電源工作，并采集PPU工作狀態(tài)參數(shù)，傳回上位機(jī)。軟件主要完成通信、解析指令、讀取采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集、產(chǎn)生脈沖、擴(kuò)展位口、閉環(huán)控制等功能由硬件完成，以便提高實(shí)時性?？刂齐娐饭δ芸驁D見圖4所示。

軟件和硬件相互配合并行工作，F(xiàn)PGA由中斷（通信和外部中斷）驅(qū)動工作，負(fù)責(zé)通信、控制發(fā)送脈沖、獲取遙測數(shù)據(jù)、根據(jù)遙控指令控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)等功能。FPGA內(nèi)部多個功能模塊同時并行工作，包括自動完成數(shù)據(jù)采集、閉環(huán)控制等功能，輸出控制脈沖等。

航天器應(yīng)用的PPU通常采用1553B作為數(shù)據(jù)通信總線。1553B接口芯片采用16位總線，為了能適應(yīng)不同類型的宿主機(jī)，在硬件上提供了多種接法。采用16位緩沖非零等待方式已比較普遍地應(yīng)用于航天領(lǐng)域。

為保證PPU在軌應(yīng)用受到單粒子翻轉(zhuǎn)問題能夠恢復(fù)正常，設(shè)計(jì)了配置刷新電路，專門針對SRAM型FPGA的配置存儲器進(jìn)行刷新，大幅度降低刷新系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度和復(fù)雜度。

控制單元軟件為嵌入式軟件，基于SRAM型 FPGA系統(tǒng)，其主要功能是控制電源處理單元中各電源開關(guān)機(jī)，對各電源電壓、電流參數(shù)的調(diào)節(jié)，監(jiān)控電源工作狀態(tài)，并具備1553B總線通信功能，配合硬件完成PPU的工作［7］。

圖4 PPU控制電路功能框圖Fig.4 Block diagram of PPU control unit

3.3 產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)結(jié)果

80mN霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)數(shù)字化PPU通過電路設(shè)計(jì)，并完成了工程樣機(jī)的研制。產(chǎn)品尺寸為：280mm×200mm×120mm，質(zhì)量5.8kg，其中陰極加熱電源為主備份。數(shù)字化PPU整機(jī)效率達(dá)到94.7%，對比國外同類產(chǎn)品，工程樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了較高的功率密度和整機(jī)效率。

通過PPU與推力器的真實(shí)點(diǎn)火性能測試，陽極電源輸出電壓最小控制步進(jìn)達(dá)到0.56V。同樣加熱電源輸出電流最小控制步進(jìn)達(dá)到10mA，實(shí)現(xiàn)了電源參數(shù)的精確調(diào)節(jié)?？刂撇竭M(jìn)的測試數(shù)據(jù)見表2。同時電壓和電流的控制精度均小于1%，測試數(shù)據(jù)見表3。

同時，通過PPU與推力器的真實(shí)點(diǎn)火聯(lián)試，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，在推力器工作過程中，通過上位機(jī)對PPU的參數(shù)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了推力器性能的完全控制和調(diào)節(jié)。同時通過預(yù)設(shè)的控制程序，實(shí)現(xiàn)了工程樣機(jī)與推力器的全自主控制點(diǎn)火、自主推進(jìn)、工作模式轉(zhuǎn)變、推力調(diào)節(jié)。完全改變了原PPU單一工作模式和不可調(diào)節(jié)的局限。

電推進(jìn)系統(tǒng)數(shù)字化PPU工程樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了PPU的自主控制和電源參數(shù)靈活控制調(diào)節(jié)，PPU軟件可以完成推力器所需的各工作模式運(yùn)行程序，PPU只需接受衛(wèi)星控制系統(tǒng)的指令，即可自主控制完成指定的工作模式。并實(shí)現(xiàn)PPU的自主故障檢測和保護(hù)功能，為PPU及電推進(jìn)系統(tǒng)在軌應(yīng)用提高了故障檢測、隔離和恢復(fù)（FDIR）的控制能力，更有效地隔離故障器件或故障電路，使故障不會影響衛(wèi)星的正?？刂迫蝿?wù)，并通過控制策略設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)重組保證整星功能正常。

表2 PPU步進(jìn)控制測試數(shù)據(jù)Table 2 PPU step control test data

表3 PPU控制精度測試數(shù)據(jù)Table 3 PPU control precision test data

4 結(jié)束語

通過對數(shù)字化PPU的系統(tǒng)控制，將提高衛(wèi)星長期自主運(yùn)行管理能力，例如GEO衛(wèi)星采用全電推進(jìn)進(jìn)行變軌過程控制將長達(dá)數(shù)月，要不斷修正變軌策略，星地間數(shù)據(jù)交換頻繁，因此在變軌過程中將耗費(fèi)更多的人力和物力，增加任務(wù)成本，而通過數(shù)字化PPU的靈活控制配合衛(wèi)星的控制策略，可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星長期自主管理和地面站監(jiān)視判斷的自動化水平，也是發(fā)展全電推進(jìn)衛(wèi)星的必然選擇。

我國航天領(lǐng)域電推進(jìn)應(yīng)用尚處于起步階段，隨著電推進(jìn)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對高精度軌道控制的微小推力需求；GEO衛(wèi)星軌道轉(zhuǎn)移、位置保持對全電推進(jìn)的需求；深空探測任務(wù)對大范圍、多點(diǎn)工作模式的需求，都將依賴于數(shù)字化PPU實(shí)現(xiàn)對推力器的控制，以滿足對推力的高精確、連續(xù)調(diào)節(jié)和多模式的控制。

霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)數(shù)字化PPU工程樣機(jī)的研制，為后繼更多類型及功率需求的電推進(jìn)數(shù)字化PPU研制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，對提高我國電推進(jìn)系統(tǒng)的空間應(yīng)用水平和可靠性具有重要意義。

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（編輯：張小琳）

Design of Digital Power Processing Unit for Hall Electric Propulsion System

WANG Shaoning CHEN Changwen ZHANG Baoping WANG Changsheng
（Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

The digital PPU becomes new development trend.This paper analyse the requirement of Hall electric propulsion system PPU，introduces the electric circuit design of phase－shifted fullbridge soft switch，realizes high efficiency of the PPU anode power，and achieves digital PPU by using FPGA method.At last，it introduces the EM result of PPU for 80mN Hall electric propulsion system，and demonstrates the use of soft switch method.The results show that the PPU efficiency is obviously improved，and the PPU parameter quick adjust is reached.

Hall electric propulsion；digital；power processing unit（PPU）；digital power supply

V441

A

10.3969/j.issn.1673－8748.2016.05.011

2016－07－12；

2016－09－07

王少寧，男，高級工程師，博士，從事宇航二次電源和電推進(jìn)系統(tǒng)電源處理單元設(shè)計(jì)。Email：shaoningwang@163.com。