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。     

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。     

空间核电源系统整流装置设计

为满足我国未来深空探测、星表基地等空间任务电源系统的需求,针对空间核电源系统,为解决高压高频输入导致高谐波输出的问题,本文提出了利用12脉波整流器来实现交直流变换。在本文的拓扑结构中,重点研究三相三绕组隔离型变压器、三抽头平衡电抗器及LLC谐振变换器的参数设计。通过三相三绕组隔离型变压器产生30°相位差的两组电压,进而产生12脉波,三抽头平衡电抗器可以改善输出侧的电能质量。本文利用LLC谐振电路实现隔离降压,使输出更稳定,并采用Matlab中的Simulink对提出的拓扑进行仿真验证。验证成功后,对整流装置硬件进行搭建,实现了空间核电源系统整流装置的设计。结果表明:该拓扑不仅可以达到稳定的直流输出,而且具有高功率因数校正的特点。     

宇航高可靠宽占空比磁隔离MOSFET驱动电路研究

基于驱动变压器的磁隔离MOSFET驱动电路已经在宇航二次电源中得到广泛应用，针对现有磁隔离驱动电路存在的问题，结合宇航应用特点提出新型磁隔离驱动电路的6条设计目标，基于此设计了一种新型磁隔离驱动电路。详细分析了该电路的工作原理，推导出参数计算公式，并完成了全面的仿真验证。该电路具有：Vgs驱动电压幅值不随占空比发生变化以确保MOSFET高效导通；工作占空比可达90%以上且无失真传输；Vgs零负压从而保证功率MOSFET单粒子性能不受影响；占空比瞬变时驱动波形无异常震荡等特点。新一代宇航高效高功率密度电源拓扑的核心驱动问题得到解决，对提高星载二次电源效率具有重要的意义。     

高压大功率S3MPR电源控制器设计与验证

针对航天器平台一级能源变换高压大功率的应用需求,采用并联式DC/DC变换器的最大功率点跟踪(MPPT)拓扑结构,设计一种顺序开关分流最大功率调节(S~3MPR)电源控制器。为了解决传统S~3MPR技术的算法电路复杂、跟踪精度低等问题,兼顾航天器应用环境的特殊性,通过采用模拟电路实现的方式设计出一种基于交错扰动方法的MPPT控制算法电路。该算法可以实现太阳电池阵电压电流输出较大范围内精确跟踪其最大功率输出。研制了5 kW功率(10路太阳电池阵)的原理样机对设计进行试验验证,结果表明:电源控制器性能良好,满足高压大功率航天器平台的应用需求。     

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。     

电源转换模块LTC3780的工作性能仿真分析

为了获得可应用于航天器系统的稳定的供电电源,采用高性能升压-降压开关稳压控制器LTC3780,设计在低压、高压和正常供电时都能实现预期输出电压的电源转换电路;利用LTspice软件对该电源转换电路进行工作性能仿真,主要对不同输入电压时的输出电压和不同负载时的带载能力进行了仿真,通过仿真实现了稳定的电压输出和较强的带载能力。     

一种用于锂离子蓄电池组的主动均衡电路设计

针对大容量锂离子蓄电池组的均衡管理要求,文章提出一种基于多绕组变压器的主动均衡拓扑电路,采用固定占空比控制,通过多绕组变压器将串联蓄电池组中电压较高单体的能量传输到电池组中,从而实现单体之间的电压均衡。采用Simulink软件进行了仿真验证,结果表明:多绕组变压器均衡电路电池组可以实现大电流快速均衡。该方法可为卫星上大容量电池均衡设计提供参考。     

宇航用反激电源通过控制变压器漏感提高抗辐射能力研究

宇宙中辐射粒子的遂穿效应会造成反激电源中输出整流二极管反向击穿电压降低，若降低到低于反向尖峰电压，则会击穿二极管，导致电源损毁。因此，通过降低整流二极管反向尖峰电压，可提高宇航用电源的抗辐射能力。通过理论分析和Saber软件仿真分析，验证了变压器漏感是整流二极管反向尖峰电压产生的主要因素之一。采用不同的变压器绕制方法来减小漏感，可使整流二极管的反向尖峰电压得到有效抑制，可靠性得到大幅提高，并成功应用于宇航反激电源的设计。     

一种星载固态功率放大器用400W二次电源设计

为了满足导航卫星系统对于固态功率放大器大功率、高可靠性、轻量化的需求,文章采用移相全桥同步整流变换电路加反激变换电路匹配的拓扑方案,设计了一种星载L频段固态放大器用400W二次电源,并详细给出了二次电源拓扑结构及设计原理分析。文章重点对变压器热耗进行分析,为了更好地进行变压器散热设计,该方案创新性采用灌封主功率变压器散热方案,灌封变压器的温度从104℃降低为85.5℃,散热相比有明显改善。同时给出了实物环路测试、电性能指标对比测试以及热平衡与热仿真对比测试,电源效率92.8%,环路的相位裕量42°,增益裕度26dB。测试结果表明设计的二次电源在实现高效率大功率输出的同时,有效地实现器件的一级降额散热,满足高可靠性的批产需求。     

空间核电源电力系统功率因数校正技术的研究

为满足我国未来深空探测、星表基地等空间任务电源系统的需求,通过采用基于空间核电源系统的功率因数校正技术来滤除和抑制由发电机产生的谐波,从而提高系统的用电效率。提出一种新型Boost PFC拓扑结构,首先分析变换器的工作原理,之后对工作在连续电流导通模式下的Boost变换器进行建模分析。通过对变换器双环控制中的电压环和电流环进行理论设计和数学推导,从而确定控制环路参数。采用PLECS仿真软件对变换器的控制策略和系统的动态响应进行验证,并实现输入电流对输入电压的零相位正弦化追踪。     

等离子体点火用高压电源设计方法研究

根据等离子体点火对高压直流电源的要求,选用具有电容型滤波器的LCC串并联谐振变换器为主电路拓扑结构,针对电感电流连续模式下的谐振变换器,在对其工作原理分析的基础上,用基波近似法推导出变换器的稳态模型,建立了变换器的等效电路,并给出了便于工程设计的电路的数学描述.通过研究各参数对电路性能所造成的影响,设计最优化的参数以保证开关管在全负载范围内实现零电压开关,有效降低了开关管的热损耗.详细介绍了电源系统的组成和电路参数的设计方法,针对该设计方案,通过仿真结果证实了理论分析的正确性.     

高速PCB的仿真与EMC设计方法探讨（Ⅰ）

以高速系统的信号完整性（SI）仿真、电源完整性（PI）仿真以及EMC分析为基本出发点。着重介绍了基于电路与电磁场仿真分析工具及EMC设计规则解决板级PCB设计中EMC问题的过程、高速PCB的电源分配系统（PDS）的构建以及高速PCB仿真设计中电源完整性分析过程，通过EDA分析工具实现PCB的建模与分布参数提取；通过电磁场分析工具完成网络参数定量分析，从最基本的设计方法入手，提出了高速PCB的信号系统与电源系统设计参数优化方案，指出了信号与电源完整性仿真设计和EMC设计的内在联系，希望本文能给予正在从事产品EMC设计的可靠性工程师、高速系统仿真设计工程师提供解决此类问题的新思路与新方法。     

行波管在轨可调高压数字化隔离控制电路设计方案

为了实现星载行波管放大器在轨功率和频率可调,需要遥控改变行波管的阴极电流和螺旋极电压。为了精准控制行波管的阴极电流和螺旋极电压以及控制灵活性,提出了用变压器隔离的串行数字化高压控制参考电压产生电路,电路通过传输两路脉冲信号：一路为开始和时钟复合脉冲,用于识别和准备接收数据以及分离时钟信号;另一路为数据信号,它是数字化的高电压值（对应螺旋极或阳极电压）。详细介绍了电路的组成、原理和参数设计方法,并用PSpice进行了仿真验证。仿真结果证明：电路能正确识别、接收和完成数据传输和转换功能。串行数字化高压隔离电路完全可以实现控制电压的精准传输,输出电压无纹波,控制方式灵活,易于调试。     

基于阻容元件的电磁阀快响应技术

为了寻求一种简单、便捷的驱动控制电路,以实现电磁阀高电压开启、低电压维持的快响应工作模式,充分利用电气元件电容的充放电功能和电阻的分压功能,设计了"电磁阀线圈串接电阻和电容并联组"驱动电路。通过AMESim仿真软件建立电磁阀和驱动电路的仿真模型,对比分析了电容和电阻参数对线圈电流和响应的影响规律,并通过试验验证了该技术途径可以达到高电压开启、低电压维持的效果,实现了电磁阀的快响应目标。根据参数对比试验数据,启动电流峰值和上升率应通过选择电容参数来控制,维持电流应通过选择分压电阻参数来调整。该驱动电路技术可以推广应用于快响应电磁阀设计中,结构简易、操作简便。     

一种高效率星载电源无线能量传输系统

无接触感应电能传输技术作为一种新型的电能传输技术,具有供电安全、方便灵活的优点。本文针对磁耦合谐振式无线能量传输技术进行研究,提出一种适用于星载电源的采用串联补偿拓扑的无线能量传输系统,具体介绍功率控制和转换电路及松耦合变压器的设计;设计了一种高效率无线能量转换电路,通过建立一个220 W原理样机对系统进行验证,实际测量在10 cm左右的传输距离,无线供电效率可达82%。该研究对卫星电源无线供能技术具有一定的参考意义。     

小型化电子回旋谐振微波离子推进器研究

常规的电推进技术是针对大卫星应用而研制的，体积大、功耗高，不能满足小卫星飞速发展的实际需要。针对小卫星对电推进器的要求，提出了利用电子回旋谐振微波放电技术，采用微波同轴放电腔体的小型化离子推进器。由于同轴传输线不存在截止波长，放电腔体的直径选择非常灵活，可以适应小卫星的低供电能力和对体积重量的要求。实验样机的直径为50mm，在微波功率为30W，加速电压1．2kV，减速电压0．2kV的条件下，等离子体的电子密度达到了4．6×10^16／m^3，推进器的离子束流也达到6mA。实验样机的体积大大低于常规波导谐振腔微波离子推进器，实现了小型化，基本满足了小卫星对电推进器的体积重量要求。     

一种高压直采ADC的抗总剂量辐照设计

由于γ射线对SiO2的电离作用，会引起MOS管阈值电压负漂移和二极管死区漏电变化，负漂移和漏电变化程度随MOS管栅氧厚度增加而加大。这样在设计高压直采ADC时，实现稳定基准和低漏电开关是个难点，通常的解决方法是优化电路参数裕量和版图，但很少考虑MOS管的反型和二极管的死区漏电。重点研究了MOS器件阈值和二极管死区漏电流变化对器件参数影响的机理，并提出一种不同电源电压MOS管结合设计思路，同时考虑了减小二极管死区漏电的影响。最后，通过使用不同电源电压MOS管设计和二极管死区漏电流分析，高压ADC在50krad（Si）总剂量条件下仍能达到设计要求。     

一种新型的充放电及分流一体化空间电源控制技术

为满足卫星轻量化需求,本文对一体化的空间电源调节技术进行了研究。采用一种新型的集蓄电池充放电与并联分流一体化功率拓扑结构和功率调节控制策略,可实现使用单一电路完成太阳阵分流、电池充电控制、电池放电调节三种功能。介绍了新型拓扑的工作模式、功率调节控制策略及其实现方法,通过Pspice软件进行了电路建模与原理仿真,结果证明此方法有效。     

航天用高效率半导体激光器驱动电源

随着航天用半导体激光器功率的增加,对其驱动电源的效率提出了更高的需求,采用传统硬开关变换方式的反激已经无法满足效率要求。针对此问题,基于高可靠性器件和反激拓扑,研究一种高效率的恒流源实现方法。反激主电路采用准谐振的工作模式,谷底开通方式使其开关损耗大幅下降。利用一个电流互感器配合简单外围电路实现电流过零检测、输出电流平均值检测以及同步整流驱动三个功能,进一步降低了辅助电路的损耗。搭建了实验样机进行效率测试。结果表明:采用此设计方案的样机在额定负载下效率可以达到92%以上。