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由于电源处理单元中的屏栅电源输出电压高压1 000 V，所以产品设计对高压输出端与一次母线、控制和遥测的隔离设计具有很高的要求。本设计采用了高耐压功率变压器，实现输出高压和母线的隔离，并采用变压器隔离采样及电流互感器取样等隔离技术，以满足与输出高压的隔离要求。高压电路采用了灌封工艺技术。
此外，由于电源处理单元的输出功率大，电路中的功率器件热耗大，所以对发热量大的功率器件必须采用有效的散热措施，确保其最短和最有效的散热途径，保证产品的可靠性。
2．1 屏栅电源设计
由电源处理单元的基本参数要求得到，整个设备的总输出功率达到1 kW以上，屏栅电源的输出电压高达1 000 V，并提供了80％的功率输出，所以屏栅电源是电源处理单元中最重要的电源，屏栅电源的高效率设计是PPU获得更高总效率的关键。

由于屏栅电源的输出功率接近1 kW，所以选用全桥式功率变换拓扑，电路原理示意图如图3所示。尽管全桥功率变换拓扑相对与其它功率变换拓扑比较复杂，但它适合高电压输入和大功率输出的功率变换应用。屏栅电源的高电压输出由功率变压器的4个次级绕组串联输出，这样可以有效降低输出整流二极管的耐压要求，并且提高电源的效率。由于高耐压的二极臂具有较大的正向压降，例如二极管的耐压高于1 000 V时，它的正向压降达到3 V多，因此比一般的二极管的功耗高出3倍多。应用4个次级绕组串联输出，相对1 000 V的高压输出，每个整流电路中的二极管的耐压只要大于200 V即可满足使用要求。
屏栅电源的开关频率设计为40 kHz，因为在电路试验中得到更高的开关频率将产生很大的开关损耗，较低的开关频率还能使高压功率变压器产生的寄生参数的影响最小化。
全桥功率变换拓扑由脉宽调制器(PWM)控制场效应晶体管MOSFET1～MOSFET4。屏栅电源的稳压反馈控制电路必须要求与高压输出端具有较高的隔离耐压，因此反馈采样电路由功率变压器的辅助绕组取样，再送入PWM进行比较，实现电源输出电压的稳压控制。
屏栅电源的功率变压器选择环形的铁氧体磁性材料，变压器的初级绕组使用多股漆包线缠绕以降低高频电流的趋附效应，变压器的4个次级绕组的每一个绕组单独绕制一层以减小层间的寄生电容。
2．2 阳极电源、触持极电源及加热电源设计
阳极电源与屏栅电源的输出正线合并，输出为同一端。阳极电源的输出功率虽然比屏栅电源的小，但它对提高整机效率仍有重要的作用。阳极电源的输出功率为100 W左右，根据该变换功率的大小和电路简单的设计要求，选择正激功率变换拓扑。

简化的正激功率变换电路示意图见4图所示。推挽或半桥变换器需要两个开关管，全桥变换器需要4个开关管，相比较正激功率变换只需要一个开关管。正激变换的开关频率选择为80 kHz，尽可能减轻产品重量。电源的设计选择了电流型控制PWM，以取得更好的稳定性和过流保护性能，试验电路使用了商业级的PWM控制器，其性能参数与飞行器件一致。
阳极电源的功率变压器、输入电感、输出电感都使用铁氧体罐形磁芯，这种磁芯具有较好的高频特性和较低的磁芯损耗。罐形磁芯还可以提供很好的集中磁场，及容易绕制和良好的散热特点。与之前的设计相比在减小了输出滤波电感的尺寸后，其输出电流纹波也改善了很多。
触持极电源和加热电源的输出功率虽然比阳极电源小，但由于输出特性相近，其控制方式均为稳流源，为了整体设计的简化，因此也选择了正激功率变压器拓扑。中和器触持极电源为中和器的触持极到阴极提供一个电子通路，以维持中和器放电，并且中和由放电室引出的氙离子束，使其成为不带电的中性氙原子。触持极电源和加热电源采用了与阳极电源一样的PWM控制器和变压器、电感器磁芯。

关键词： 离子推进系统 推力器 电源处理单元 验证