離子推進系統電源研究

由于電源處理單元中的屏柵電源輸出電壓高壓1 000 V，所以產品設計對高壓輸出端與一次母線、控制和遙測的隔離設計具有很高的要求。本設計采用了高耐壓功率變壓器，實現輸出高壓和母線的隔離，并采用變壓器隔離采樣及電流互感器取樣等隔離技術，以滿足與輸出高壓的隔離要求。高壓電路采用了灌封工藝技術。
此外，由于電源處理單元的輸出功率大，電路中的功率器件熱耗大，所以對發熱量大的功率器件必須采用有效的散熱措施，確保其最短和最有效的散熱途徑，保證產品的可靠性。
2．1 屏柵電源設計
由電源處理單元的基本參數要求得到，整個設備的總輸出功率達到1 kW以上，屏柵電源的輸出電壓高達1 000 V，并提供了80％的功率輸出，所以屏柵電源是電源處理單元中最重要的電源，屏柵電源的高效率設計是PPU獲得更高總效率的關鍵。

由于屏柵電源的輸出功率接近1 kW，所以選用全橋式功率變換拓撲，電路原理示意圖如圖3所示。盡管全橋功率變換拓撲相對與其它功率變換拓撲比較復雜，但它適合高電壓輸入和大功率輸出的功率變換應用。屏柵電源的高電壓輸出由功率變壓器的4個次級繞組串聯輸出，這樣可以有效降低輸出整流二極管的耐壓要求，并且提高電源的效率。由于高耐壓的二極臂具有較大的正向壓降，例如二極管的耐壓高于1 000 V時，它的正向壓降達到3 V多，因此比一般的二極管的功耗高出3倍多。應用4個次級繞組串聯輸出，相對1 000 V的高壓輸出，每個整流電路中的二極管的耐壓只要大于200 V即可滿足使用要求。
屏柵電源的開關頻率設計為40 kHz，因為在電路試驗中得到更高的開關頻率將產生很大的開關損耗，較低的開關頻率還能使高壓功率變壓器產生的寄生參數的影響最小化。
全橋功率變換拓撲由脈寬調制器(PWM)控制場效應晶體管MOSFET1～MOSFET4。屏柵電源的穩壓反饋控制電路必須要求與高壓輸出端具有較高的隔離耐壓，因此反饋采樣電路由功率變壓器的輔助繞組取樣，再送入PWM進行比較，實現電源輸出電壓的穩壓控制。
屏柵電源的功率變壓器選擇環形的鐵氧體磁性材料，變壓器的初級繞組使用多股漆包線纏繞以降低高頻電流的趨附效應，變壓器的4個次級繞組的每一個繞組單獨繞制一層以減小層間的寄生電容。
2．2 陽極電源、觸持極電源及加熱電源設計
陽極電源與屏柵電源的輸出正線合并，輸出為同一端。陽極電源的輸出功率雖然比屏柵電源的小，但它對提高整機效率仍有重要的作用。陽極電源的輸出功率為100 W左右，根據該變換功率的大小和電路簡單的設計要求，選擇正激功率變換拓撲。

簡化的正激功率變換電路示意圖見4圖所示。推挽或半橋變換器需要兩個開關管，全橋變換器需要4個開關管，相比較正激功率變換只需要一個開關管。正激變換的開關頻率選擇為80 kHz，盡可能減輕產品重量。電源的設計選擇了電流型控制PWM，以取得更好的穩定性和過流保護性能，試驗電路使用了商業級的PWM控制器，其性能參數與飛行器件一致。
陽極電源的功率變壓器、輸入電感、輸出電感都使用鐵氧體罐形磁芯，這種磁芯具有較好的高頻特性和較低的磁芯損耗。罐形磁芯還可以提供很好的集中磁場，及容易繞制和良好的散熱特點。與之前的設計相比在減小了輸出濾波電感的尺寸后，其輸出電流紋波也改善了很多。
觸持極電源和加熱電源的輸出功率雖然比陽極電源小，但由于輸出特性相近，其控制方式均為穩流源，為了整體設計的簡化，因此也選擇了正激功率變壓器拓撲。中和器觸持極電源為中和器的觸持極到陰極提供一個電子通路，以維持中和器放電，并且中和由放電室引出的氙離子束，使其成為不帶電的中性氙原子。觸持極電源和加熱電源采用了與陽極電源一樣的PWM控制器和變壓器、電感器磁芯。