李昊巖 王少寧 王其崗 武桐

(蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000)

電推進(jìn)是一種先進(jìn)的推進(jìn)方式，可有效減少航天器總質(zhì)量，提升航天器壽命。與傳統(tǒng)化學(xué)燃料推進(jìn)相比，電推進(jìn)推力最高僅有幾牛，一般低至毫牛，調(diào)節(jié)步長(zhǎng)小，且燃料利用率高，總沖最高超過(guò)一萬(wàn)秒，因此非常適合應(yīng)用于需要輸出精準(zhǔn)推力的場(chǎng)合以及長(zhǎng)期空間任務(wù)。

作為近年來(lái)新興的電推進(jìn)器中的一種，膠體推進(jìn)器可以進(jìn)一步提供更低量級(jí)的推力控制精度，達(dá)到微牛級(jí)，且能夠做到推力連續(xù)可調(diào)，比沖可達(dá)幾百秒到幾千秒，質(zhì)量輕，體積小，功率僅有幾瓦到幾十瓦，羽流污染弱，適用于空間科學(xué)衛(wèi)星和編隊(duì)飛行需求，國(guó)際上激光干涉空間天線(Laser Interferometer Space Antenna,LISA)計(jì)劃，國(guó)內(nèi)的“太極”、“天琴”等計(jì)劃均將膠體推力器納入方案中。膠體推進(jìn)器未來(lái)在分布式衛(wèi)星系統(tǒng)的空間科學(xué)衛(wèi)星及微納衛(wèi)星編隊(duì)的姿態(tài)保持和軌道控制方面，具有更廣闊的應(yīng)用需求。

膠體推進(jìn)器電源處理單元(Power Processing Unit，PPU)電源電壓極高，由于以往航天器用電源中尚未應(yīng)用過(guò)電壓高至十千伏以上的大范圍可調(diào)電源，實(shí)現(xiàn)高壓大范圍可調(diào)電源的技術(shù)突破，是研制膠體推進(jìn)器的重點(diǎn)和難點(diǎn)。隨著我國(guó)空間科學(xué)中引力波探測(cè)對(duì)超靜無(wú)拖曳航天器平臺(tái)的迫切需要，膠體推進(jìn)器及其配套PPU的研制需求也隨之增加，例如未來(lái)我國(guó)研制的膠體推進(jìn)器即將搭載天琴-1(TQ-1)衛(wèi)星進(jìn)行在軌驗(yàn)證。

本文針對(duì)膠體推進(jìn)器PPU束流電源的研發(fā)需求，結(jié)合二次電源的最新技術(shù)，為PPU束流電源的研制提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 電推進(jìn)器及其PPU技術(shù)概述

1.1 電推進(jìn)在航天器中的應(yīng)用

電推進(jìn)器應(yīng)用于航天器位置保持、軌道轉(zhuǎn)移、姿態(tài)控制和動(dòng)量輪卸載任務(wù)，目前國(guó)際上以靜電式的離子電推進(jìn)和霍爾電推進(jìn)為主。離子推進(jìn)器發(fā)展較早，早在20世紀(jì)末，美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)在“深空一號(hào)”(DS-1)離子推力器就已進(jìn)行了大量研究工作。由于美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)太陽(yáng)系外行星探測(cè)任務(wù)需要更高功率、更大沖量的推進(jìn)器，格林研究中心(GRC)于2002年研制了“改進(jìn)型氙推力器”(NEXT)。在NASA“普羅米修斯核電推進(jìn)計(jì)劃”的背景下， JPL研制了“核電氙推進(jìn)器”(NEXIS)，相應(yīng)的，格林研究中心(GRC)研制了“高功率電推進(jìn)”(HiPEP)系統(tǒng)。而針對(duì)“精準(zhǔn)定位”(LISA Pathfinder)，“高精度方位指向”(DRAWIN)，“拖曳補(bǔ)償”(GOCE)及“長(zhǎng)時(shí)間滯空飛行”(Bepi-Colombo)等諸多空間任務(wù)，歐洲航天局(ESA)開(kāi)發(fā)了使用新型電源模塊的電推進(jìn)系統(tǒng)[1-2]。

相比較而言，霍爾推進(jìn)器可以輸出更大的推力。2000年初，司奈科瑪(SNECMA)公司和阿爾卡特(Alcatel)公司針對(duì)阿斯特里姆(Astrium)阿爾法衛(wèi)星公用共用平臺(tái)需求，研制并測(cè)試了“高功率霍爾電推進(jìn)器”(PPS-X)及其配套電源，工作電壓1000 V，功率6 kW，推力達(dá)到340 mN。2001年，大西洋研究組織和俄羅斯火炬局(EDB Fakel)聯(lián)合研制了“單級(jí)霍爾推進(jìn)系統(tǒng)”(SPT-1)，推力器在額定功率2.3 kW下輸出推力97 mN。2002年GRC完成了推力達(dá)到3 N的50 kW級(jí)霍爾推力器(NASA-457M)的設(shè)計(jì)、制造、組裝和試驗(yàn)[3]。

而在現(xiàn)如今的許多空間任務(wù)中，由于微納衛(wèi)星具有風(fēng)險(xiǎn)小、成本低、尺寸小、整合性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，成本高昂的大型衛(wèi)星，越來(lái)越多地被一系列采用無(wú)拖曳控制技術(shù)的微納衛(wèi)星來(lái)代替，而這很可能是未來(lái)衛(wèi)星發(fā)展的趨勢(shì)[4]。大幅度減小衛(wèi)星的尺寸和質(zhì)量，需要在衛(wèi)星的每個(gè)子系統(tǒng)上的小型化付出巨大的努力。例如，對(duì)于微納衛(wèi)星的姿態(tài)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其所需的比沖一般低至10-6Ns的數(shù)量級(jí)，但是在當(dāng)今已經(jīng)相對(duì)較成熟的電推進(jìn)系統(tǒng)中，大部分的電推進(jìn)方式都不能滿足這個(gè)要求[5]。因此隨著近年來(lái)對(duì)微納衛(wèi)星及其編隊(duì)飛行越來(lái)越深入的研究，迫切需要一種與以往使用的電推進(jìn)方式不同的微型、低推力、高效的推進(jìn)系統(tǒng)，來(lái)進(jìn)行替換和改進(jìn)[4,6]。表1所示的是不同種電推進(jìn)器性能參數(shù)，總體而言，離子推進(jìn)器和霍爾推進(jìn)器輸出推力和PPU功率比膠體推進(jìn)器大三個(gè)數(shù)量級(jí)，但后者電源電壓更高，電流更小。

表1 電推進(jìn)器性能參數(shù)比較

與其它電推進(jìn)方式相比，膠體推進(jìn)器的工作原理極其簡(jiǎn)單，因?yàn)閹щ娏Ｗ拥男纬膳c加速是同時(shí)進(jìn)行的，并不需要復(fù)雜的熱電離或電子轟擊過(guò)程，不需要消耗較多的能量[6]；這也使得膠體推進(jìn)器推功比很高，而通過(guò)改變推進(jìn)劑工質(zhì)流速、加速電壓、發(fā)射極結(jié)構(gòu)、發(fā)射極溫度以及推進(jìn)劑特性，可以在大范圍內(nèi)對(duì)推力和比沖進(jìn)行調(diào)節(jié)[7]；此外，由于束流相對(duì)潔凈，并不存在持續(xù)的電弧放電或磁場(chǎng)，膠體推進(jìn)器與航天器互相之間的干擾處于一個(gè)較低的水平[8]。因此它在航天器位置保持和姿態(tài)控制等方面具有很大優(yōu)勢(shì)。

在美國(guó)空軍“綠寶石”(Emerald)衛(wèi)星計(jì)劃的支持下，斯坦福大學(xué)研制的膠體微推力器已于2003年由航天飛機(jī)搭載飛行。2005年美國(guó)Busek公司研制的膠體推進(jìn)器首次搭載在空間技術(shù)-7(ST-7)衛(wèi)星上進(jìn)行在軌驗(yàn)證，2006年，還搭載在NASA與ESA合作的小型先進(jìn)技術(shù)研究任務(wù)-2(Smart-2)衛(wèi)星上進(jìn)行飛行試驗(yàn)。

1.2 膠體推進(jìn)PPU技術(shù)

相比較而言，國(guó)際上主流的離子推進(jìn)與霍爾推進(jìn)輸出推力一般在毫牛至牛級(jí)，其所需的PPU功率都可以達(dá)到千瓦級(jí)。例如之前提到的NASA第一代電推進(jìn)器DS-1的PPU功率最高達(dá)2.3 kW，其電壓和電流均較大采用了全橋電路。德國(guó)阿斯特里姆(Astrium)公司專為不同型號(hào)的電推進(jìn)器研制的可變化指標(biāo)模塊化電源，采用了零電壓準(zhǔn)諧振橋式電路，輸出電壓1850 V，輸出功率最大4625 W。而霍爾推進(jìn)器的電流更大，2004年，GRC和航空噴氣公司(Aerojet)改進(jìn)的霍爾推力器NASA-457M電流更是達(dá)到了111 A。

對(duì)于膠體推進(jìn)器PPU來(lái)說(shuō)，其功率低至瓦級(jí)，而電流僅有幾十至幾百微安，但電壓卻比離子推進(jìn)器和霍爾推進(jìn)器PPU高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。膠體推進(jìn)器通過(guò)加速帶電粒子(通常指膠體粒子)來(lái)產(chǎn)生推力，膠體推進(jìn)器及其配套PPU的結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖1。

圖1 膠體推進(jìn)器及其PPU的結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Colloid thruster with its PPU conceptual diagram

膠體推進(jìn)器由發(fā)射極、抽取極、加速極和中和器等組成,各個(gè)組成部分所需的供電電源包括束流電源、抽取極電源、加速極電源和中和器電源等共同組成了PPU，如圖2所示，PPU中各路電源參數(shù)見(jiàn)表2。

圖2 PPU結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 PPU conceptual diagram

性能參數(shù)輸出電壓輸出電流束流電源3～10kV<500μA抽取極電源1～2kV<500μA中和器電源0.5～1kV<1mA加速極電源200V～1kV<1mA加熱器電源0～15V<0.2A

其中，發(fā)射極上帶可調(diào)正電壓，由PPU中的束流電源(beam supply)供電，束流電源是整個(gè)PPU中電壓最高、功率最大的一路電源。而其它電源如加熱器電源性能參數(shù)要求低、技術(shù)難度不高，這里不做介紹。抽取極電壓比發(fā)射極電壓低1～3 kV，與束流電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類似，僅減少了升壓倍數(shù)。當(dāng)抽取極和發(fā)射極之間電壓差達(dá)到一定值時(shí)，抽取極頂端上的液體在電場(chǎng)的作用下會(huì)形成一個(gè)錐體，錐體表面的平衡由液體表面張力和靜電力的平衡來(lái)維持，在錐體頂端附近，電場(chǎng)被加強(qiáng)到一個(gè)無(wú)法被表面張力抵消的值，進(jìn)而錐體頂端分裂成小液滴，形成帶電液滴噴射。由于電噴射的穩(wěn)定性存在著遲滯，這意味著在形成穩(wěn)定的電噴射現(xiàn)象之后，其可以保持在與最初要求達(dá)到穩(wěn)定時(shí)所施加的電壓相比稍低的電壓量級(jí)[9]。

為開(kāi)啟電噴射現(xiàn)象而在發(fā)射極和抽取極施加的最小電壓，也就是束流電源與抽取極電源之間的最小電壓，被稱作膠體推進(jìn)器的開(kāi)啟電壓(onset voltage)[10]。國(guó)內(nèi)外對(duì)膠體推進(jìn)器的開(kāi)啟電壓進(jìn)行過(guò)專門(mén)研究，得出開(kāi)啟電壓[10]為

(1)

而在基于微電子制造的新型微型膠體推進(jìn)器[8]中，開(kāi)啟電壓簡(jiǎn)化為

(2)

式中：r為發(fā)射極噴嘴的內(nèi)徑；δ為液體表面張力系數(shù)；ε0為真空介電常數(shù)；d為源發(fā)射極頂端與抽取極之間的距離。

雖然不同文獻(xiàn)中提到的開(kāi)啟電壓公式形式有所不同，但是，這些公式都表明膠體推進(jìn)器的開(kāi)啟電壓與推進(jìn)器的尺寸直接相關(guān)。這意味著除非使用微電子制造技術(shù)(MEMS)來(lái)減小推進(jìn)器的尺寸，否則根據(jù)式(1)和式(2)，膠體推進(jìn)器PPU中的束流電源必須實(shí)現(xiàn)高達(dá)10 kV[10]的輸出，才能達(dá)到開(kāi)啟電壓而使推進(jìn)器工作。

大多數(shù)膠體推進(jìn)器的功率并不是很高，一般只有幾瓦到幾十瓦。在1 mlb(4.535 9 g)膠體推進(jìn)器設(shè)計(jì)中，PPU總功率為68 W，其中束流電源功率為47 W[11]。由此可見(jiàn)，電壓水平最高、功率最大的束流電源是整個(gè)PPU中最重要的部分，因而也成為了膠體推進(jìn)器PPU設(shè)計(jì)的研究重點(diǎn)，本文下面將主要介紹滿足束流電源使用要求的電源設(shè)計(jì)方案。

2 膠體推進(jìn)器PPU束流電源拓?fù)湓O(shè)計(jì)方案

當(dāng)逆變技術(shù)和脈寬調(diào)制技術(shù)興起并迅速發(fā)展后，高壓電源大多使用了高頻逆變+高壓變壓器+整流的多級(jí)升壓結(jié)構(gòu)。這樣便減小了每級(jí)升壓電路上的升壓應(yīng)力，大大降低了電路設(shè)計(jì)難度并緩解對(duì)升壓器件的壓力，例如變壓器匝比的減小、倍壓整流電路階次的降低，以及升壓電容的容值降至納法級(jí)等。例如，在大功率行波管測(cè)試設(shè)備高壓電源的研究[12]中，首先，500 V直流電經(jīng)過(guò)零電壓多諧振軟開(kāi)關(guān)變換為60 kHz的交流電，之后再經(jīng)由變壓器輸入到倍壓整流電路。通過(guò)高壓變壓器實(shí)現(xiàn)隔離，而適當(dāng)?shù)淖儽群痛渭?jí)分槽繞制的制作工藝可有效減小各種寄生參數(shù)對(duì)電路的影響。借鑒國(guó)內(nèi)外航天器行波管上大量應(yīng)用的成熟電路，類似地，束流電源方案也采取如圖3所示的前級(jí)預(yù)穩(wěn)壓電路+變壓器隔離升壓+倍壓整流電路升壓輸出的多級(jí)電路結(jié)構(gòu)。文章下面將介紹能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍輸出電壓調(diào)節(jié)的前級(jí)電路以及倍壓整流輸出電路，二者通過(guò)變壓器隔離結(jié)構(gòu)級(jí)聯(lián)、級(jí)聯(lián)方式已廣泛應(yīng)用，這里不再贅述。

圖3 束流電源結(jié)構(gòu)Fig.3 Beam supply conceptual diagram

2.1 前級(jí)電路設(shè)計(jì)方案

前級(jí)電路需要一種能夠?qū)崿F(xiàn)至少4倍壓的寬范圍電壓輸出的電路拓?fù)?，這樣經(jīng)過(guò)后級(jí)線性升壓電路，才能滿足膠體推進(jìn)器所需的供電電壓范圍。在4種基本的電路拓?fù)渲校珺oost電路具有超過(guò)2倍輸入電壓的電壓增益，在高壓應(yīng)用場(chǎng)合，級(jí)聯(lián)變換器的前級(jí)如果采用Boost電路提升電壓，則可以減輕后級(jí)隔離變壓器以及倍壓整流電路的升壓壓力，理論上應(yīng)該是最好的選擇[13]。文獻(xiàn)[14]使用了在Boost模式下工作的零電壓移相全橋倍壓變換器(FB-ZCS Boost)。類似地國(guó)內(nèi)外航天器用行波管電源通常都采用單級(jí)半橋或者全橋諧振變換器[13]。在一種低紋波多路輸出高壓電源中，文獻(xiàn)[15]同樣使用了Boost直流斬波電路替代傳統(tǒng)拓?fù)渲械腂uck電路，以便解決變壓器變比以及倍壓整流電路多極化問(wèn)題。

然而在輕載或空載條件下，Boost電路作為前級(jí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)輸出電壓在變化負(fù)載條件下非常難以控制，Buck電路則不然。在行波管高壓電源變換器設(shè)計(jì)研究中，針對(duì)小型化行波管的供電需求，文獻(xiàn)[13]提出了一種兩級(jí)Buck+半橋變換器，輸出端采用對(duì)稱倍壓整流電路代替常規(guī)的全橋整流電路。

由于Buck-Boost電路可以輸出低于或高于輸入電壓的電壓值，理想情況下調(diào)節(jié)占空比即可輸出大范圍的電壓值，因此可以將其考慮為前級(jí)電路。很多寬范圍輸出電壓的電源設(shè)計(jì)也都是基于Buck-Boost電路，文獻(xiàn)[16]使用Buck-Boost電路作為前級(jí)電路來(lái)輸出大范圍可調(diào)的電壓。

在實(shí)際中，當(dāng)Buck-Boost電路帶載后，占空比并不能夠像理想情況一樣在0到1之間任意變化；而且在輸出電壓低至輸入電壓1/3以下時(shí)，占空比過(guò)小會(huì)導(dǎo)致難以實(shí)現(xiàn)電壓的精確調(diào)節(jié)。因此考慮到對(duì)Buck-Boost電路加以改進(jìn)，例如通過(guò)將Buck和Boost變換器串、并聯(lián)組合，可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓寬范圍的調(diào)節(jié)[17]。

當(dāng)然，也可將Boost電路輸出串接Buck電路，這樣，兩個(gè)電路中的電感電容兼具濾波功能；而將兩種電路并聯(lián)也是一種選擇，只不過(guò)與二者串聯(lián)分時(shí)控制類似[17]。仿真結(jié)果表明，閉環(huán)的雙管Buckboost電路占空比為0.25和0.62時(shí)分別可以輸出8.7 V和44.5 V的電壓值，表明雙管Buckboost電路完全滿足束流電源輸出電壓在4倍壓范圍內(nèi)變化的要求。如果后級(jí)電路的輸入輸出線性度非常好，并且能夠?qū)㈦妷荷e到所需的倍數(shù)，那么使用Buck電路和Boost電路串聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為前級(jí)電路，完全滿足電源指標(biāo)要求的4倍壓大范圍輸出。

圖4 Buck電路串聯(lián)Boost電路Fig.4 Buck and boost in series

2.2 倍壓整流輸出電路設(shè)計(jì)方案

在高電壓(kV級(jí))低電流(mA級(jí))的場(chǎng)合中，倍壓整流電路越來(lái)越得到廣泛的應(yīng)用。常用的倍壓整流電路主要有2種：科克羅夫特-沃爾頓(Coccroft-Walton，C-W)倍壓整流電路和信克爾倍壓整流電路。其中，前者又分為全波電路和半波電路。通常，將2倍輸入電壓的電壓輸出稱作一階(倍壓整流電路的階次用n表示)。實(shí)際中高階倍壓整流電路的帶載能力很差，輸出幾十瓦的功率卻會(huì)導(dǎo)致輸出電壓的大幅度下降[18]。

四階的C-W半波倍壓整流電路、C-W全波倍壓整流電路和信克爾倍壓整流電路如圖5～7所示。在每種結(jié)構(gòu)中，將所有的二級(jí)管反向，便可使輸出電壓極性反向。

在C-W倍壓整流電路中，根據(jù)不同位置電容所起到的作用，將C2、C4稱作輸出電容，將C1、C3稱作升壓電容。根據(jù)文獻(xiàn)[18]的仿真結(jié)果，只改變輸出電容容值會(huì)比只改變升壓電容容值引起的壓降和紋波更大。由于輸出電容對(duì)電路的影響較大，而升壓電容對(duì)輸出電壓和電流的影響很小，在設(shè)計(jì)與改進(jìn)C-W全波倍壓整流電路時(shí)，可以選擇幾十納法的升壓電容，用以減小電路的體積。

C-W半波倍壓整流電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，除與變壓器次級(jí)直接并聯(lián)的電容上所加的電壓大小，與副邊感應(yīng)電壓近似相等外，其他所有的電容上所加電壓均近似為副邊感應(yīng)電壓的兩倍，因此C-W半波倍壓整流電路中電容的耐壓等級(jí)可以稍低，這一優(yōu)勢(shì)使得它得到廣泛的應(yīng)用，但電容串聯(lián)放電會(huì)導(dǎo)致紋波較大[18]。

圖5 四階C-W半波倍壓整流電路Fig.5 Four stage Cockroft-Walton half-wave voltage multiplier

圖6 四階C-W全波倍壓整流電路Fig.6 Four stage Cockroft-Walton full-wave voltage multiplier

圖7 信克爾倍壓整流電路Fig.7 Scheakel voltage multiplier

C-W全波倍壓整流電路是半波電路的改進(jìn)，改進(jìn)后的電路紋波變小。信克爾倍壓整流電路紋波也很小，但由于其電容以并聯(lián)的方式連接，升壓電容的等級(jí)會(huì)隨著倍壓整流電路階次n的增大而增大，尤其是最后一級(jí)輸出電容上所加的電壓與輸出電壓等級(jí)相同。這對(duì)電容耐壓值提出了較高的要求，而對(duì)二極管的要求也會(huì)更高。因此在高階倍壓整流電路中，很少使用信克爾倍壓整流電路。但由于同時(shí)等效電容也在增加，因此可以減小電容，這樣相對(duì)來(lái)講便可以縮小電路的體積，加快了充放電的速度[19]。

倍壓整流電路的輸出紋波與壓降的推導(dǎo)很復(fù)雜，在工程上通常采取如下的經(jīng)驗(yàn)公式。

(3)

(4)

式 (4)中：δV為電壓紋波；ΔV為電壓壓降；n為電路階次；f為電源頻率；c為電容容值；IL為負(fù)載電流。

由此可見(jiàn)，輸出電壓與輸入電源頻率、電容值、電路階次和負(fù)載有關(guān)，電路階次越高，電壓降及紋波越高，除此之外，電源頻率、電容值以及負(fù)載的增加，會(huì)導(dǎo)致輸出紋波和壓降的降低。一般情況下，工況在最開(kāi)始已經(jīng)確定，因此在之后設(shè)計(jì)電路的時(shí)候主要考慮電容。

(5)

式中：ΔU為允許的電壓降，一般指空載輸出電壓與額載輸出電壓之差。

根據(jù)計(jì)算和仿真便可以確定電容值，隨著倍壓電容容值的增大，輸出電壓壓降和紋波越來(lái)越小。但倍壓電容不是越大越好，在電路開(kāi)始工作到穩(wěn)態(tài)建立的時(shí)候，整流二極管會(huì)因大電容而受到一個(gè)較大的沖擊電流。因此，為了保障電路的正常工作。在滿足輸出紋波和壓降的情況下，盡可能選擇納法級(jí)的小容值的電容。

倍壓整流電路經(jīng)過(guò)發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以改善性能。例如，一種多繞組變壓器倍壓整流電路[20]采用升壓變壓器和倍壓整流電路相結(jié)合的方式，如圖8所示，減小了變壓器的電壓等級(jí)，從而通過(guò)減小匝比以及變壓器尺寸，減小了變壓器的體積和質(zhì)量，有利于裝置的小型化。另外變壓器電壓等級(jí)的減小降低了原副邊的匝數(shù)比，從而減小了分布電容，有利于裝置的運(yùn)行。這種電路拓?fù)潆m然體積大、質(zhì)量大制造相對(duì)較困難，但其輸出電壓調(diào)整時(shí)間小，倍壓整流效果好，且效率較高，工作可靠，因此這種電路拓?fù)浞绞奖粡V泛應(yīng)用于高壓直流電源。

圖8 多繞組變壓器倍壓整流電路Fig.8 Voltage multiplier with multi-winding transformer

一種新型低功耗小型高壓電源[21]采用了多級(jí)一次升壓和倍壓整流電路，如圖9所示。每一個(gè)二極管級(jí)電容組成一個(gè)整流濾波電路。高壓整流和升壓變壓器全部灌封于一體，整體穩(wěn)定性高，是一種穩(wěn)定性可靠的新型高壓電源拓?fù)?。各種倍壓整流電路在輸出高電壓的同時(shí)，其線性度也能保持在較高的水平，非常適合作為高壓電路的輸出一級(jí)。

2.3 設(shè)計(jì)方案小結(jié)

綜上，若想實(shí)現(xiàn)高壓輸出，必將使用多級(jí)電路串聯(lián)來(lái)共同實(shí)現(xiàn)電壓的升舉，否則對(duì)升壓電容、變壓器等升壓器件的電壓應(yīng)力過(guò)大，在工藝和結(jié)構(gòu)上難以實(shí)現(xiàn)。而由基本電路構(gòu)成的前級(jí)電路各有其優(yōu)點(diǎn)，但要想實(shí)現(xiàn)大范圍的輸出電壓變化，必須由Buck串聯(lián)Boost組成的基本電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，而輸出側(cè)將使用倍壓整流電路實(shí)現(xiàn)高壓輸出。仿真結(jié)果表明文章設(shè)計(jì)的電路在滿足膠體推進(jìn)器PPU束流電源10 kV輸出電壓的指標(biāo)要求的同時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)4倍壓寬范圍輸出調(diào)節(jié)，使得膠體推進(jìn)器輸出變化的推力，以達(dá)到完成空間任務(wù)的目的。

3 膠體推進(jìn)器及其PPU束流電源拓?fù)浼夹g(shù)展望

(1)輸出電壓極高。正常工況下，束流電源功率僅有幾瓦，根據(jù)式(1)、式(2)，即便采取MEMS工藝制造技術(shù)以減小推進(jìn)其尺寸，其輸出電壓最高仍達(dá)到10 kV以上，因此可以預(yù)見(jiàn)的是，無(wú)論現(xiàn)在還是在膠體推進(jìn)器技術(shù)不斷發(fā)展的將來(lái)，膠體推進(jìn)器PPU束流電源必將使用能夠輸出10 kV以上電壓的電力電子拓?fù)洹?/p>

(2)輸出電流極小。膠體推進(jìn)器PPU束流電源輸出電流極小，僅有幾十到幾百微安。比傳統(tǒng)的離子推進(jìn)器和霍爾推進(jìn)器PPU輸出電流低三至六個(gè)數(shù)量級(jí)，這對(duì)PPU工況的遙測(cè)以及數(shù)據(jù)的精度是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。

(3)調(diào)節(jié)范圍寬。束流電源需要能夠在3～10 kV的范圍內(nèi)進(jìn)行輸出調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)步長(zhǎng)為100 V，這意味著電源可調(diào)節(jié)性很強(qiáng)，必須能夠迅速隨時(shí)改變電壓輸出以滿足膠體推進(jìn)器即時(shí)的要求。

結(jié)合本文調(diào)研的膠體推進(jìn)器及其PPU技術(shù)進(jìn)展及需求，可以提出以下發(fā)展策略：

1)多模式輸出策略

膠體推進(jìn)器可以提供高姿態(tài)控制精度，并在在傳統(tǒng)推進(jìn)器不能涉及的更小推力范圍內(nèi)進(jìn)行小攝動(dòng)補(bǔ)償。與其它電推進(jìn)方式類似，為應(yīng)用在姿態(tài)控制、南北位保、動(dòng)量輪卸載等多任務(wù)環(huán)境，膠體推進(jìn)器也應(yīng)具備多種輸出模式，而其PPU在不同模式下則應(yīng)輸出相應(yīng)的電壓和電流，例如持續(xù)穩(wěn)定的輸出或者時(shí)變的電壓輸出。

2)輸出電壓更高

為滿足降額要求，膠體推進(jìn)器PPU束流電源在設(shè)計(jì)時(shí)還要高出其工作時(shí)要求的最高電壓值，同時(shí)，考慮到日后膠體推進(jìn)器的改進(jìn)，并且伴隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，PPU的輸出應(yīng)留有足夠的裕量。

3)模塊化電源結(jié)構(gòu)

在成熟的電推進(jìn)器系統(tǒng)中，已經(jīng)出現(xiàn)了模塊化電源的概念，這種電源符合大多數(shù)離子推進(jìn)器的PPU指標(biāo)。然而，新興的膠體推進(jìn)器PPU電源指標(biāo)更加苛刻。但是，如果在束流電源的研制采用了模塊化的設(shè)計(jì)，例如僅僅降低束流電源倍壓整流電路的階次以降低電壓輸出，便能夠滿足PPU其他路電源的指標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

電推進(jìn)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展多年，國(guó)際上主流的離子推進(jìn)器和霍爾推進(jìn)器及其PPU技術(shù)都已相對(duì)成熟，然而現(xiàn)如今，隨著微小衛(wèi)星的發(fā)展，尤其是在以超靜無(wú)拖曳航天器平臺(tái)為基礎(chǔ)的美國(guó)國(guó)家航空航天局的激光干涉空間天線(NASA LISA)計(jì)劃和我國(guó)“天琴”計(jì)劃的背景下，更小推力量級(jí)的膠體推進(jìn)器具有廣泛的應(yīng)用前景，但目前膠體推進(jìn)器及其PPU仍處于研究發(fā)展階段。通過(guò)分析總結(jié)了電推進(jìn)器及其PPU的特點(diǎn)，針對(duì)膠體推進(jìn)器PPU束流電源高壓大范圍可調(diào)的難點(diǎn)，借鑒已經(jīng)成熟應(yīng)用在行波管上的預(yù)穩(wěn)壓+變壓器升壓+倍壓整流的多級(jí)升壓電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對(duì)構(gòu)成這種電路結(jié)構(gòu)的各個(gè)組成部分進(jìn)行分析，論證了由基礎(chǔ)電路構(gòu)成的前級(jí)電路的優(yōu)缺點(diǎn)，本文提出前級(jí)電路應(yīng)由Buck電路和Boost電路組合實(shí)現(xiàn)大范圍電壓輸出的功能，經(jīng)過(guò)變壓器升壓后，最終由倍壓整流電路實(shí)現(xiàn)最后一級(jí)的升壓并輸出，理論上能夠滿足航天用膠體推進(jìn)器PPU束流電源性能要求，滿足我國(guó)未來(lái)航天用膠體推進(jìn)器對(duì)PPU高壓可調(diào)束流電源的迫切需求。

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