航天器用胶体推进器10kV高压可调束流电源仿真分析研究

近年来，随着微纳卫星编队飞行成为诸如引力波探测等领域的研究热点，推力量级更小的新兴电推进器，例如胶体推进器（Colloid Thruster，CT）的应用前景越来越广泛，尤其是对其电源处理单元（Power Processing Unit，PPU）的需求越来越高。文章针对航天器胶体推进器电源处理单元中10kV高压可调束流电源，设计了一种双管Buck Boost预稳压电路+罗耶自激震荡器+双向倍压整流的三级式电压升举电路拓扑；选取合适的电路参数，并使用电路仿真软件Saber对前级电路和后级电路分别进行仿真，以证实电路拓扑及参数选择的可行性，进而对整体电路进行仿真，验证设计的准确性。同时，选取了两种由反激构成的备选高压电路进行仿真分析验证，从中甄选出最佳的电路拓扑。仿真结果表明，设计的3种电路都能实现最高至10kV的电压输出，同时，能够实现3kV到10kV之间的大范围调节，满足胶体推进器PPU束流电源的工作指标。     

大功率离子推力器屏栅电源拓扑技术进展与展望

将离子推力器电源处理单元(PPU)的屏栅电源拓扑作为研究对象,从电推进发展现状及趋势出发,介绍了国内外的研究进展和应用情况。主要就目前屏栅电源所用到的双全桥并联拓扑、全桥谐振变换器、推挽变换器组成的组合变换器拓扑和全桥软开关拓扑进行论证分析,归纳了各屏栅电源拓扑的技术特点,最后结合我国今后PPU屏栅电源的发展需求,对屏栅电源新技术、新拓扑和功率量级等3方面作出展望,可为今后研制超大功率PPU屏栅电源提供研究方向与技术参考。     

用于小行星探测的离子电推进屏栅电源拓扑研究

为了满足小行星探测中离子电推进多工作点调节的需求,将离子电推进电源处理单元(PPU)屏栅电源的拓扑结构作为研究对象,介绍了国内外屏栅电源的现状与应用场合,分析了各个屏栅电源拓扑结构的特点,最后得出了LLC拓扑可以满足任务要求。通过对LLC拓扑的工作特性分析,提出了一种简化的时域增益曲线模型,以适应宽范围输入的要求。结合目前对于LLC拓扑的研究,提出数字化控制方式、三电平谐振变换器和混合控制3方面的技术展望,可为今后研制高效率、轻质量的离子电推进PPU屏栅电源提供技术参考。     

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。     

国外SAR卫星T/R模块电源单元设计分析与启示

合成孔径雷达(SAR)卫星的发射器/接收器(T/R)模块电源设计约束条件多、设计难度大,文章对国外具有代表性的地中海盆地观测小卫星星座(COSMO-SkyMed)、"哨兵-1"(Sentinel-1)卫星和阿根廷微波对地观测卫星(SAOCOM-1A)等SAR卫星中T/R模块电源的设计方案进行了介绍,对比了主要技术指标、电路拓扑、设计特点、动静态性能、体积质量等关键参数,分析提炼了T/R模块电源的电路拓扑筛选、滤波电容设计、交叉调整率等设计要点,结合我国T/R模块电源的研究现状,提出了我国SAR卫星T/R模块电源技术在功率变换拓扑效率提升研究、滤波器优化设计方法研究、T/R电源的可靠性研究等方面的发展建议。     

国外小天体探测器电源系统设计分析

介绍了日本隼鸟号(Hayabusa)、欧洲罗塞塔(Rosetta)、美国黎明号(Dawn)小天体探测器的电源系统设计概况,对电源系统拓扑、母线体制、太阳电池阵功率调节方式、锂离子蓄电池组配置等技术方案的特点进行归纳,总结了小天体探测器电源系统的最大功率点跟踪(MPPT)拓扑、电能自主运行和管理等关键技术,分析了3种不同拓扑结构的MPPT,以及电能自主管理应具备的能力。最后,提出了我国小天体探测器电源系统技术发展的建议,包括优化MPPT功率调节方式、重视电能自主运行和管理的研究,同时开展电源系统轻小型化设计工作。     

航天器百千瓦级分布式可重构电源系统设计

随着大功率通信卫星、高分辨率SAR卫星、大功率电推进航天器、核动力航天器、大型在轨服务站等对超大功率能源系统需求不断增强,100 kW超大功率电源系统成为未来大功率航天器电源系统的发展趋势。文章结合航天器电源系统研究基础,对100 kW电源系统的高压、大功率、分布式的任务特点进行分析,设计一种分布式可重构电源系统,提出了系统拓扑架构和相应的控制策略,并对高压大功率变换控制技术、多通道能源管理技术、高压大功率元器件技术和系统可靠性、安全性技术进行研究。对文章提出的电源系统进行软件建模和仿真,结果表明:100 kW电源系统拓扑架构和管理控制策略合理可行,系统稳定性较好,鲁棒性强,可为后续大功率航天器电源系统研究和设计提供参考。     

离子液体静电喷雾推力器研究进展及关键技术

综合文献及作者实践,介绍了离子液体静电喷雾推力器(ILET)的工作原理和特点。从ILET工作过程数值分析研究、结构研究、性能测试及束流诊断三方面总结了离子液体静电喷雾推力器的研究现状。在此基础之上总结和评述了数值模拟技术、高精度制造与装配、微功率高压电源、推力器性能测试等推力器研制过程涉及的关键技术及存在的困难。最后针对离子液体静电喷雾推力器技术和未来应用,给出了相关认识和建议。     

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。     

国外SAR卫星电源系统分析与启示

介绍了国外合成孔径雷达(SAR)卫星电源系统的特点,从SAR卫星成像模式多、峰值功率大、较大的载荷平台功率比以及脉冲功率工作等方面分析了其对电源系统设计的需求;介绍了欧洲和加拿大研制的Cosmo-Skymed卫星、TerraSAR-X卫星、Radarsat-2卫星、Sentinel-1卫星、EarthCARE卫星等的电源系统设计概况,对其电源系统拓扑、母线体制、太阳电池阵功率调节方式、锂离子蓄电池组配置等技术方案的特点进行了归纳总结,在此基础上提出了我国SAR卫星电源系统技术发展的建议。     

空间电源功率调节技术综述

介绍了空间电源功率调节装置(PCU)的分流调节器(SR),蓄电池的充电控制器(BCR)、放电控制器(BDR)和主误差放大器(MEA)的原理和技术现状。阐述了顺序开关分流调节(S3R)、混合型调节和顺序开关分流串联调节(S4R)三种基本拓扑的工作原理,并对三者进行了性能比较,认为S4R是目前最先进的调节技术。讨论了功率调节装置模块化、智能化和小型化的发展趋势并分析了大功率的功率调节装置研制难点。     

空间堆核动力技术选择研究

目前,基于太阳能、化学能的空间电源与空间推进技术,其技术能力的发展已接近极限状态,未来亟需开发基于核能的先进空间动力技术。针对低成本空间轨道运输、高功率载荷航天器、深空探测器、行星表面探测与开发等应用场景,以空间堆核电源为重点,分析了国际发展现状和未来航天需求,分别针对大功率(100 kWe～1 MWe)和小功率(1 kWe～10 kWe)应用需求,提出了技术主导方案,围绕主导技术方案梳理了关键技术,为我国空间堆核动力技术发展规划和预先研究提供参考。     

一种小型SAR卫星电源系统设计

合成孔径雷达(SAR)卫星电源系统具有大功率脉冲供电、响应速度快的特点。文章在分析小型SAR卫星用电需求和设计约束的基础上,提出了一种适应于小型SAR卫星的电源拓扑结构。电源系统采用复合母线体制,在低压不调节母线基础上生成一条全调节母线和一条高压不调节母线,利用全调节母线为平台负载设备供电,利用高压不调节母线为SAR载荷供电。电源系统为平台、SAR载荷分别配置能量型锂离子蓄电池组和功率型锂离子蓄电池组,有效保证卫星负载的不同用电需求。该电源系统方案可为我国后续小型大功率SAR卫星电源系统设计提供参考。     

一种新的航天器电源系统拓扑

介绍了一种新的航天器电源系统拓扑结构,通过采用最大功率跟踪控制器控制顺序开关系统调节（S3R）分流调节器,并使用升压变换器获得稳定的100V一次输出母线,使得太阳电池阵功率被充分使用。这种拓扑结构已被用于欧洲贝皮·哥伦布水星探测器,并可为我国航天器电源技术发展提供借鉴。     

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。     

LEO卫星电源系统拓扑研究

基于30个近地轨道（LEO）卫星任务及其电源系统应用情况,在系统层面上对5种电源系统拓扑进行了分析比较,包括配置方式、控制原理、效率及器件等。针对功率调节性能和器件组成规模,选择配有最大功率点跟踪（MPPT）的升一降压调节器（B2R）作为多适用的电源系统拓扑。此系统适应LEO卫星需求,属于拓扑用途广泛的电源系统,可通过合理配置热备份的功率调节模块来实现功率组合及可靠性设计,具有较高的兼容性,能够满足中国LEO卫星任务需求。     

基于S3MPR拓扑和电导增量法的空间电源系统研究

为满足高分辨率光学和雷达遥感卫星、深空探测器等航天器日益增长的电能需求,文章提出了一种基于顺序开关分流最大功率调节器(S3MPR)拓扑电路的电导增量峰值功率跟踪方法,克服了传统最大功率点跟踪(MPPT)变换器拓扑质量比功率低、效率不高的缺点,可减少最大功率点附近的振荡现象。搭建了Matlab-Saber的联合仿真平台和半物理试验平台,对所提出的电路和跟踪方法进行了验证。结果表明:基于S3MPR电路的电导增量峰值功率跟踪方法,可以实现对太阳电池阵最大功率点的有效跟踪,并具有较好的跟踪效率,证明仿真和试验平台合理有效。     

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。     

采用高压固态调制器和高压电源提高雷达发射机的性能和可靠性

采用高压固态调制器和高压电源能够延长采用微波真空电子管(VED)的高功率雷达发射机的使用寿命。无论是集成式的还是独立的固态调制器和电源，都适于改型设计和新设计的雷达发射机。本文同时列出了现代固态调制器的结构和被替代的传统固态调制器的结构，并介绍了几部已用或可能用“恰当技术”进行改进的战场雷达发射机。     

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。