離子推進系統(tǒng)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(chǎn)品設(shè)計對高壓輸出端與一次母線、控制和遙測的隔離設(shè)計具有很高的要求。本設(shè)計采用了高耐壓功率變壓器，實現(xiàn)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(shù)，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(shù)。
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(fā)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(chǎn)品的可靠性。
2．1 屏柵電源設(shè)計
由電源處理單元的基本參數(shù)要求得到，整個設(shè)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(shè)計是PPU獲得更高總效率的關(guān)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(fù)雜，但它適合高電壓輸入和大功率輸出的功率變換應(yīng)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(lián)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(yīng)用4個次級繞組串聯(lián)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(guān)頻率設(shè)計為40 kHz，因為在電路試驗中得到更高的開關(guān)頻率將產(chǎn)生很大的開關(guān)損耗，較低的開關(guān)頻率還能使高壓功率變壓器產(chǎn)生的寄生參數(shù)的影響最小化。
全橋功率變換拓撲由脈寬調(diào)制器(PWM)控制場效應(yīng)晶體管MOSFET1～MOSFET4。屏柵電源的穩(wěn)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(xiàn)電源輸出電壓的穩(wěn)壓控制。
屏柵電源的功率變壓器選擇環(huán)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(yīng)，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(shè)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(jù)該變換功率的大小和電路簡單的設(shè)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(guān)管，全橋變換器需要4個開關(guān)管，相比較正激功率變換只需要一個開關(guān)管。正激變換的開關(guān)頻率選擇為80 kHz，盡可能減輕產(chǎn)品重量。電源的設(shè)計選擇了電流型控制PWM，以取得更好的穩(wěn)定性和過流保護性能，試驗電路使用了商業(yè)級的PWM控制器，其性能參數(shù)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(shè)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(wěn)流源，為了整體設(shè)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。