微小卫星用脉冲等离子体推力器电源处理单元设计
发布时间：2021-08-28 06:49
近年来,随着微纳米技术的迅速发展,以及星上探测器、数据处理和传输设备日趋小型化,使微小卫星的研究和应用成为航天技术发展的一股新潮流。针对应用于体积和功率有限的微小卫星的电推进系统,以脉冲等离子体推力器为研究对象,介绍了电源处理单元的组成和功能。为进一步提高脉冲等离子体推力器点火的可靠性和使用寿命,设计了应用于微小卫星电推进系统的脉冲等离子体推力器电源处理单元,并对整个电源处理单元的稳定可靠性进行研究。结果表明,充电电源采用恒功率充电方式,在母线电压6.8 V条件下,以5 W的输入功率可将储能电容器恒功率充电致1600 V;放电点火电路采用LC振荡电路,减小了开关器件的电流应力,在输入电压800 V时,点火电流的峰值可高达100～150 A,这种大电流放电有助于清除火花塞表面的积碳,增加了点火的可靠性。
【文章来源】：固体火箭技术. 2020,43(02)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
推力器示意图
图1 推力器示意图PPU负载为脉冲等离子体推力器，结合PPT工作原理，在整个工作工程中，PPU各个电源的功能如下:(1)控制逻辑电路和星上总线通信，接受卫星平台的指令，控制各个输出电源的工作时序;(2)充电电路按照工作时序要求，将卫星母线低压转换成高压电源输出。使推力器储能电容器充电至工作电压，加在正负平行极板间形成强电场，并使点火电路的电容器充电至工作电压;(3)点火电路按照控制逻辑电路的时序，输出高压点火脉冲，储能电容器经点火电路放电，火花塞点火触发主放电[19]。
由于一次输入母线电压低至6.8 V，输出电压高达2000 V左右，变压器的最大升压比达到了294倍，设计难度高，体积难以优化。为克服以上问题，本文根据电源处理单元的技术指标要求，充电电源的拓扑结构选用适用于低压小功率场合的副边带有中心抽头的反激变换结构，电路原理图如图3所示。在反激拓扑中，次级电压不依赖于匝比关系，可以在较小的匝比下输出高压，降低了变压器的加工难度同时减小了体积。设计中反激变换器副边采用绕组串联输出，一个绕组输出800 V为点火电源储能电容充电，两个绕组串联输出1600 V为推力器储能电容充电。反激变压器的匝比取决于最高输出电压，母线电压和开关MOSFET漏源可承受电压电压。为满足一级降额要求，设计结果应使次级反射电压叠加母线电压和电压尖峰不超过MOSFET额定漏源电压一级降额值。综合考虑选取额定耐压值为200V MOSFET开关管，开关管关断时承受的最大电压应力为120 V，通过公式:
【参考文献】：
期刊论文
[1]脉冲等离子体推力器电源处理单元技术研究[J]. 徐友慧,王少宁,陈昶文,任海玢,徐恒通. 推进技术. 2019(06)
[2]基于12U标准立方体星的μ-PPT电推进系统研制[J]. 王尚民,田立成,张天平,陈新伟,冯玮玮,高军,陈昶文,罗卫东. 推进技术. 2018(12)
[3]脉冲等离子体推力器地面试验电源[J]. 鲁文涛,蒋远大,吴汉基,张志远. 科学技术与工程. 2010(10)
[4]微小卫星的在轨推进技术[J]. 吴汉基,蒋远大,张志远,王鲁峰. 火箭推进. 2006(03)
[5]脉冲等离子体推力器研究综述[J]. 杨乐,李自然,尹乐,吴建军,周进. 火箭推进. 2006(02)
[6]EDA技术在航空地面电源逆变控制电路上的应用[J]. 吴国强,赵徐成,郭爱民. 徐州工程学院学报. 2005(01)
[7]电推进技术的应用与发展趋势[J]. 吴汉基,蒋远大,张志远. 推进技术. 2003(05)
博士论文
[1]激光支持的脉冲等离子体推力器理论、实验与仿真研究[D]. 张代贤.国防科学技术大学 2014
[2]固体烧蚀型脉冲等离子体推力器工作特性研究[D]. 谢泽华.国防科学技术大学 2013
[3]脉冲等离子体推力器工作过程及羽流特性理论与实验研究[D]. 张锐.国防科学技术大学 2013
[4]脉冲等离子体推力器工作过程理论和实验研究[D]. 杨乐.国防科学技术大学 2007
硕士论文
[1]40J脉冲等离子体推力器（PPT）性能研究[D]. 胡宗森.中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心） 2002
本文编号：3368027
【文章来源】：固体火箭技术. 2020,43(02)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
推力器示意图
图1 推力器示意图PPU负载为脉冲等离子体推力器，结合PPT工作原理，在整个工作工程中，PPU各个电源的功能如下:(1)控制逻辑电路和星上总线通信，接受卫星平台的指令，控制各个输出电源的工作时序;(2)充电电路按照工作时序要求，将卫星母线低压转换成高压电源输出。使推力器储能电容器充电至工作电压，加在正负平行极板间形成强电场，并使点火电路的电容器充电至工作电压;(3)点火电路按照控制逻辑电路的时序，输出高压点火脉冲，储能电容器经点火电路放电，火花塞点火触发主放电[19]。
由于一次输入母线电压低至6.8 V，输出电压高达2000 V左右，变压器的最大升压比达到了294倍，设计难度高，体积难以优化。为克服以上问题，本文根据电源处理单元的技术指标要求，充电电源的拓扑结构选用适用于低压小功率场合的副边带有中心抽头的反激变换结构，电路原理图如图3所示。在反激拓扑中，次级电压不依赖于匝比关系，可以在较小的匝比下输出高压，降低了变压器的加工难度同时减小了体积。设计中反激变换器副边采用绕组串联输出，一个绕组输出800 V为点火电源储能电容充电，两个绕组串联输出1600 V为推力器储能电容充电。反激变压器的匝比取决于最高输出电压，母线电压和开关MOSFET漏源可承受电压电压。为满足一级降额要求，设计结果应使次级反射电压叠加母线电压和电压尖峰不超过MOSFET额定漏源电压一级降额值。综合考虑选取额定耐压值为200V MOSFET开关管，开关管关断时承受的最大电压应力为120 V，通过公式:
【参考文献】：
期刊论文
[1]脉冲等离子体推力器电源处理单元技术研究[J]. 徐友慧,王少宁,陈昶文,任海玢,徐恒通. 推进技术. 2019(06)
[2]基于12U标准立方体星的μ-PPT电推进系统研制[J]. 王尚民,田立成,张天平,陈新伟,冯玮玮,高军,陈昶文,罗卫东. 推进技术. 2018(12)
[3]脉冲等离子体推力器地面试验电源[J]. 鲁文涛,蒋远大,吴汉基,张志远. 科学技术与工程. 2010(10)
[4]微小卫星的在轨推进技术[J]. 吴汉基,蒋远大,张志远,王鲁峰. 火箭推进. 2006(03)
[5]脉冲等离子体推力器研究综述[J]. 杨乐,李自然,尹乐,吴建军,周进. 火箭推进. 2006(02)
[6]EDA技术在航空地面电源逆变控制电路上的应用[J]. 吴国强,赵徐成,郭爱民. 徐州工程学院学报. 2005(01)
[7]电推进技术的应用与发展趋势[J]. 吴汉基,蒋远大,张志远. 推进技术. 2003(05)
博士论文
[1]激光支持的脉冲等离子体推力器理论、实验与仿真研究[D]. 张代贤.国防科学技术大学 2014
[2]固体烧蚀型脉冲等离子体推力器工作特性研究[D]. 谢泽华.国防科学技术大学 2013
[3]脉冲等离子体推力器工作过程及羽流特性理论与实验研究[D]. 张锐.国防科学技术大学 2013
[4]脉冲等离子体推力器工作过程理论和实验研究[D]. 杨乐.国防科学技术大学 2007
硕士论文
[1]40J脉冲等离子体推力器（PPT）性能研究[D]. 胡宗森.中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心） 2002
本文编号：3368027
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