劉罡，張乾，趙登峰，張保平，陳昶文

（蘭州空間技術(shù)物理研究所，甘肅 蘭州 730000）

電源處理單元配置方案可靠性比較及選擇

劉罡，張乾，趙登峰，張保平，陳昶文

（蘭州空間技術(shù)物理研究所，甘肅 蘭州 730000）

電推進(jìn)技術(shù)是航天推進(jìn)技術(shù)一個(gè)重要的發(fā)展方向。針對(duì)新一代通信衛(wèi)星平臺(tái)電推進(jìn)系統(tǒng)的需求，對(duì)用于電推進(jìn)系統(tǒng)的電源處理單元的4種備選配置方案做了介紹，并對(duì)每種方案的可靠性進(jìn)行了計(jì)算。通過可靠性指標(biāo)對(duì)比和對(duì)配置方案的分析，為方案優(yōu)選提供了一些依據(jù)。

電推進(jìn)；電源處理單元；可靠性比較；方案選擇

0 引言

衛(wèi)星動(dòng)力是衡量衛(wèi)星水平的一個(gè)關(guān)鍵因素。電推進(jìn)就是用電能作為衛(wèi)星的主要?jiǎng)恿碓?，相較于化學(xué)劑推進(jìn)而言，其最大的優(yōu)勢(shì)是節(jié)省推進(jìn)劑，從而能夠增加有效載荷、降低發(fā)射重量、延長衛(wèi)星工作壽命。

電推進(jìn)技術(shù)具有輸出推力穩(wěn)定、對(duì)整星姿態(tài)影響小等一系列的優(yōu)點(diǎn)，是航天推進(jìn)技術(shù)的一個(gè)重要的發(fā)展方向。當(dāng)前國際市場(chǎng)上的衛(wèi)星主要采用離子電推進(jìn)系統(tǒng)和霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)，這兩種電推進(jìn)系統(tǒng)均需要電源處理單元 （PPU：Power Processing U-nit）為其供電。

PPU作為電推進(jìn)系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，其功能為衛(wèi)星在軌飛行時(shí)，將衛(wèi)星上一次母線電壓和功率分別變換為衛(wèi)星上電推進(jìn)系統(tǒng)工作時(shí)所需要的各種電壓和功率，并將一次母線與電推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行電隔離[1]。

PPU接收控制系統(tǒng)發(fā)出的控制指令，執(zhí)行其多個(gè)單機(jī)電源電路的開關(guān)機(jī)控制，向電推進(jìn)系統(tǒng)供電，提供電推進(jìn)系統(tǒng)工作所需的加熱、電場(chǎng)維持和束流引出等不同工況下的電壓和電流。作為特種電源，PPU具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型多 （穩(wěn)壓源、穩(wěn)流源和高壓脈沖輸出電源等）、輸出功率大、輸出電壓高和低壓電源浮置高壓工作等特點(diǎn)。

PPU作為電推進(jìn)系統(tǒng)的供電源和重要組成部分，其工作正常與否及其可靠性水平直接決定了電推進(jìn)系統(tǒng)的工作狀態(tài)和整星的在軌壽命。作為未來長壽命、高可靠衛(wèi)星電推進(jìn)系統(tǒng)的必配產(chǎn)品，PPU的需求量相當(dāng)大，但目前在國內(nèi)，除了在軌試驗(yàn)任務(wù)成功外，還沒有PPU和電推進(jìn)系統(tǒng)在軌成功應(yīng)用的型號(hào)任務(wù)[2]。因此，在已有工作的基礎(chǔ)上，開展改進(jìn)型PPU可靠性專項(xiàng)工作，先期開展PPU配置方案的可靠性指標(biāo)對(duì)比及方案選擇具有重要的意義。

針對(duì)新一代通信衛(wèi)星平臺(tái)電推進(jìn)系統(tǒng)需求，本文對(duì)4種備選PPU配置方案的可靠性進(jìn)行了計(jì)算。通過可靠性指標(biāo)對(duì)比和對(duì)配置方案的分析，為方案優(yōu)選提供了一些依據(jù)。

1 推力器與PPU的任務(wù)和配置

1.1 符號(hào)介紹

為了增強(qiáng)可讀性，此處給出后文涉及到的所有英文縮略語。

a） PPU-i：i號(hào)電源處理單元，i=1， 2；

b）PPU-Ni：i號(hào)北電源處理單元，i=1，2；

c） PPU-Si：i號(hào)南電源處理單元，i=1， 2；

d）T：推力器；

e）TSU：切換開頭單元；

f） TSU-i：i號(hào)切換開關(guān)單元，i=1， 2；

g） T-Ni：i號(hào)北推力器，i=1， 2；

h） T-Si：i號(hào)南推力器，i=1， 2。

1.2 推力器的任務(wù)和配置

新一代通信衛(wèi)星平臺(tái)電推進(jìn)系統(tǒng)完成在軌位置保持 （簡稱 “位保”）和軌道變動(dòng) （簡稱 “變軌”）兩項(xiàng)任務(wù)，需要配置4臺(tái)推力器，南北各2臺(tái)[3]。

在位保期間正常工作狀態(tài)下一天之內(nèi)4臺(tái)推力器依次輪流點(diǎn)火。如果某單臺(tái)推力器發(fā)生故障，一天之內(nèi)需要另外3臺(tái)推力器依次點(diǎn)火。至少有一對(duì)南北對(duì)角配置的推力器都能正常工作，才能完成位保任務(wù)。

在變軌期間，要求南或者北有任意1臺(tái)推力器在工作。

1.3 PPU的任務(wù)和配置

PPU為推力器供電，推力器的工作模式即是PPU的供電模式。通過對(duì)推力器任務(wù)和配置進(jìn)行分析，只要衛(wèi)星南北兩側(cè)對(duì)角的2臺(tái)推力器能夠工作，即可完成任務(wù)。

在滿足推力器的工作模式下，可以有4種不同的PPU配置方案，如圖1所示。

1.3.1 配置方案1

方案1采用4臺(tái)PPU對(duì)4臺(tái)T供電的方案，即配置4臺(tái)PPU，每臺(tái)PPU為1臺(tái)T供電，如圖1a所示。

在方案2-4中，所配置的PPU與方案1中的完全相同，此處不再特別進(jìn)行說明。這樣既便于簡化設(shè)計(jì)，又便于對(duì)不同的方案進(jìn)行比較。

1.3.2 配置方案2

方案2為4臺(tái)PPU配以2臺(tái)TSU進(jìn)行切換，南北兩側(cè)T相互獨(dú)立的方案，如圖1b所示。

其中，PPU-N1、PPU-N2分別為T-N1、T-N2供電；PPU-S1、PPU-S2分別為T-S1、T-S2供電；南、北不再形成互連，通過TSU-1實(shí)現(xiàn)PPUN1、PPU-N2之間的切換，通過TSU-2實(shí)現(xiàn)PPUS1、PPU-S2之間的切換。

1.3.3 配置方案3

方案3為2臺(tái)PPU配以2臺(tái)TSU進(jìn)行切換，南北兩側(cè)T相互獨(dú)立的方案，如圖1c所示。

其中，PPU-1通過TSU-1的切換來實(shí)現(xiàn)PPU-1分別對(duì)T-N1、T-N2的供電；PPU-2通過TSU-2的切換來實(shí)現(xiàn)PPU-2分別對(duì)T-S1、T-S2的供電。

1.3.4 配置方案4

方案4為2臺(tái)PPU配以1臺(tái)TSU進(jìn)行切換，PPU與T全對(duì)應(yīng)方案，如圖1d所示。

其中，PPU-1通過TSU實(shí)現(xiàn)切換，可以為4臺(tái)T供電；PPU-2通過TSU實(shí)現(xiàn)切換，也可以為4臺(tái)T供電。

圖1 4種PPU配置方案

2 可靠性的計(jì)算及對(duì)比

2.1 PPU和TSU組成簡介

單臺(tái)PPU包含7個(gè)功能電路：輸入輸出接口電路、屏柵電路、加速電路、點(diǎn)火電路、DC/AC電路、輸出電路和傳感器電路。單臺(tái)PPU內(nèi)部的備份方式為：屏柵電路采用4取3的備份方式，其余電路均采用無備份方式。

PPU是多個(gè)功能電路的復(fù)雜組合體，功能電路設(shè)計(jì)的多樣性和其復(fù)雜的指令時(shí)序控制系統(tǒng)，以及頻繁加載、卸載的工況對(duì)接口電路、控制電路和其他各個(gè)功能電路穩(wěn)定、可靠地工作都提出了嚴(yán)苛的要求。

TSU主要由繼電器陣列組成，實(shí)現(xiàn)PPU向T的加電、斷電和切換功能。

在方案2和方案3中，其TSU完全相同；方案4的TSU不同于方案2和方案3，要復(fù)雜得多，從下面的計(jì)算數(shù)據(jù)中可以了解。

2.2 工作失效率數(shù)據(jù)

PPU、TSU均為電子設(shè)備，采用應(yīng)力分析法對(duì)其進(jìn)行可靠性計(jì)算，分別獲得其工作失效率數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 PPU、TSU的工作失效率數(shù)據(jù)

2.3 不同配置方案的可靠度的計(jì)算

2.3.1 可靠性計(jì)算的公式

與配置方案有關(guān)的電子設(shè)備指數(shù)分布可靠性計(jì)算公式分別如公式 （1）-（4）所示。

設(shè)備或其組成單元的可靠度R的計(jì)算如公式（1） 所示。

式（1）中：λ、t——設(shè)備或其組成單元的工作失效率、工作時(shí)間。

若設(shè)備由n個(gè)單元串聯(lián)而成，則其可靠度R是則其各個(gè)串聯(lián)單元的可靠度R1、R2…Rn之積，即[6]：

若設(shè)備由2個(gè)相同單元的冷備份冗余系統(tǒng)組成，單元工作失效率、工作時(shí)間分別為λ、t，切換裝置可靠度為RSW，則設(shè)備的可靠度R的計(jì)算公式為[6]：

若設(shè)備由n個(gè)相同單元組成，n個(gè)單元中至少有k個(gè)單元正常工作設(shè)備便能正常工作，即為n中取k表決冗余系統(tǒng)。若單元工作失效率為λ，則n中取k表決冗余系統(tǒng)的工作失效率λe的計(jì)算公式為：

PPU的屏柵電路采用4取3的備份形式，屬于表決冗余。如果1個(gè)屏柵子電路的工作失效率為λ，則表決冗余后屏柵電路的工作失效率為：=12λ/7。 表 1 中λPPU引用了 12λ/7。

2.3.2 方案1的可靠度計(jì)算

在圖1a中，4臺(tái)PPU對(duì)4臺(tái)T供電，按照對(duì)角配置，PPU-N1、PPU-S1為1組，是主份；則PPU-N2、PPU-S2為另1組，是備份。主、備份之間沒有切換裝置，通過指令控制，分別實(shí)現(xiàn)主、備份的加斷電和切換。因此，方案1為冷備份冗余系統(tǒng)。

在方案1中，主份的可靠度R1=RPPU-N1RPPU-S1=exp（-λPPUt） exp （-λPPUt） =exp （-2λPPUt）， 將表1中的數(shù)據(jù)，即λPPU=1 263.33（fit）、t=22 000 h代入其中，則R1=0.945 930。

冷備份后，由于主、備份之間沒有切換裝置，通過指令控制實(shí)現(xiàn)主、備份的切換。因此，RSW=1， 則方案 1 的可靠度 RS1= （1+RSW×2λPPUt） R1=0.998 511。

2.3.3 方案2的可靠度計(jì)算

在圖1b中，PPU-N1、PPU-N2為T-N1、TN2供電，通過TSU-1實(shí)現(xiàn)PPU-N1、PPU-N2兩者之間的切換，PPU-N1、PPU-N2組成冷備份。同樣地，PPU-S1、PPU-S2為T-S1、T-S2供電，通過TSU-2實(shí)現(xiàn)PPU-S1、PPU-S2兩者之間的切換，PPU-S1、PPU-S2組成冷備份。按照推力器對(duì)角配置工作，南、北不再形成互連，這兩個(gè)冷備份之間屬于串聯(lián)關(guān)系。

PPU-N1、PPU-N2組成的冷備份的可靠度R1=（1+RTSUλPPUt） exp （-λPPUt）， 其中， 切換裝置的可靠度 RTSU=exp（-λTSU2t），將表 1中的數(shù)據(jù)，即λPPU=1 263.33 （fit）、λTSU2=30.05 （fit）、t=22 000 h代入其中，則R1=0.999 602。

PPU-S1、PPU-S2組成的冷備份的可靠度為R2，由于 R2=R1，則方案2的可靠度 RS2=R1R2=0.999 204。

2.3.4 方案3的可靠度計(jì)算

在圖1c中，PPU-1通過TSU-1實(shí)現(xiàn)切換，為T-N1、T-N2供電；PPU-2通過TSU-2實(shí)現(xiàn)切換，為T-S1、T-S2供電。則PPU-1和TSU-1組成串聯(lián)系統(tǒng)，PPU-2和TSU-2組成串聯(lián)系統(tǒng)。由于必須保證至少一對(duì)對(duì)角南北推力器工作才能完成任務(wù)，因此必須保證PPU-1和TSU-1、PPU-2和TSU-2都能正常工作才能完成供電任務(wù)，所以為無備份配置。

在方案3中，PPU-1和TSU-1組成的串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度 R1=RPPU-1RTSU=exp （-λPPUt） exp（-λTSU2t）=exp[- （λPPU+λTSU2）t]， 將表 1 的數(shù)據(jù)， 即λPPU=1 263.33 （fit）、λTSU2=30.05 （fit）、t=22 000 h代入其中，則R1=0.971 946。

同樣地，PPU-2和TSU-2組成的串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度R2=RPPU-2RTSU=R1，則方案3的可靠度RS3=R1R2=0.944 679。

2.3.5 方案4的可靠度計(jì)算

在圖1d中，PPU-1通過TSU實(shí)現(xiàn)切換，為4臺(tái)T供電；同樣地，PPU-2通過TSU實(shí)現(xiàn)切換，也可以為4臺(tái)T供電。則PPU-1和TSU組成串聯(lián)系統(tǒng)，PPU-2和TSU組成串聯(lián)系統(tǒng)；兩臺(tái)PPU通過TSU實(shí)現(xiàn)與T的全對(duì)應(yīng)。

由于必須保證至少一對(duì)對(duì)角南北推力器工作才能完成任務(wù)，因此必須保證PPU-1、PPU-2和TSU都能正常工作才能完成供電任務(wù)，所以為無備份配置。

在方案4中，PPU-1、PPU-2和TSU組成串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度RS4=RPPU-1RPPU-2RTSU=exp（-λPPUt）exp （-λPPUt） exp （-λTSU4t） =exp[- （2λPPU+λTSU4）t]，將表1中的數(shù)據(jù)，即λPPU=1 263.33（fit）、λTSU4=157.74 （fit）、t=22 000 h 代入其中， 則方案4的可靠度RS4=0.942 653。

2.4 不同配置方案的可靠性對(duì)比

結(jié)合4種不同PPU配置方案的可靠度計(jì)算結(jié)果，列出了4種配置方案的可靠性對(duì)比情況，如表2所示。

表2 4種配置方案可靠性對(duì)比

3 結(jié)束語

通過對(duì)4種不同的PPU配置方案的介紹、可靠度計(jì)算及其可靠性對(duì)比，形成以下結(jié)論，為PPU最終配置方案的選擇提供了一些依據(jù)。

a）方案4的可靠度最低，方案3的可靠度略高于方案4，方案2的可靠度最高，方案1的可靠度與方案2的接近 （相差約0.000 7）。

b）對(duì)比方案1，方案2多了2組TSU，體積、重量略大，需要特別考慮繼電器的故障模式及其可能造成的潛在危害。

c）對(duì)比方案2，方案1的可靠度相對(duì)而言也比較高，其最大的優(yōu)點(diǎn)是沒有切換電路，因而少了很多繼電器，相應(yīng)地也少了很多故障模式及其潛在危害。

d）對(duì)比4個(gè)方案，對(duì)方案1、方案2進(jìn)行綜合考慮后優(yōu)選其一，其余方案不予考慮。

可靠性的高低不是方案選擇的惟一依據(jù)，在可靠性比較接近的情況下，體積、重量、成本和其他電性能指標(biāo)的易實(shí)現(xiàn)性等也是方案選擇的參考依據(jù)。

[1]王少寧，陳昶文，張保平，等.霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)數(shù)字化電源處理單元設(shè)計(jì) [J].航天器工程，2016，25（5）： 69.

[2]夏廣慶，徐宗琦，王鵬，等.無中和器射頻離子推力器原理研究 [J].中國空間科學(xué)技術(shù)，2016，36（1）：2.

[3]馬雪，韓冬，湯亮.電推進(jìn)衛(wèi)星角動(dòng)量卸載研究 [J].中國空間科學(xué)技術(shù)， 2016， 36 （1）： 71.

[4]中國人民解放軍總裝備部電子信息基礎(chǔ)部.電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)：GJB/Z 299C-2006[S].北京：總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部，2006.

[5]Repartment of Defense.Reliability Prediction of Electronic Equipment：MIL-HDBK-217F[S].

[6]孫新利，陸長捷.工程可靠性教程 [M].北京：國防工業(yè)出版社，2005：19；27；37；41.

Reliability Comparison and Selection of Configuration Scheme for Power Processing Unit

LIU Gang， ZHANG Qian， ZHAO Dengfeng， ZHANG Baoping， CHEN Changwen
（Lanzhou Institute of Physics， CAST， Lanzhou 730000， China）

Electric propulsion technology is an important development direction of aerospace propulsion technology.In view of the requirement of the electric propulsion system of the new generation communication satellite platform，four alternative configuration schemes of the power supply unit used in the electric propulsion system are introduced，and the reliability of each scheme is also calculated.Through the comparison of the reliability indexes and the analysis of the configuration schemes，some suggestions are provided for the optimization of the scheme.

electric propulsion； power processing unit； reliability comparison； scheme selection

TB 114.37

A

1672-5468（2017）04-0037-05

10.3969/j.issn.1672-5468.2017.04.007

2017-02-10

劉罡 （1970-），男，陜西西安人，蘭州空間技術(shù)物理研究所 （航天510所）高級(jí)工程師，碩士，從事二次電源的可靠性研究工作。

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《電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)》編輯部