本發(fā)明屬于射頻離子電推進(jìn)，涉及一種射頻離子電推進(jìn)屏柵電源功率電路及控制電路。

背景技術(shù)：

1、射頻離子電推進(jìn)技術(shù)作為高性能的微電推進(jìn)技術(shù),具有高比沖、羽流準(zhǔn)直、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于小型化等優(yōu)點(diǎn)，在商業(yè)微小衛(wèi)星領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。射頻離子電推進(jìn)系統(tǒng)由射頻離子推力器、中和器、電源處理與控制單元、射頻功率處理單元和貯供單元組成。其中，電源處理與控制單元由直流功率處理單元和數(shù)字接口與控制單元組成，直流功率處理單元為推力器的屏柵極和加速柵極、空心陰極中和器的觸持極(點(diǎn)火極)和加熱器供電，數(shù)字接口與控制單元完成電推進(jìn)系統(tǒng)各部分的測(cè)控功能。其中，屏柵電源為直流功率處理單元中的高壓大功率電源，其輸出功率占直流功率處理單元總輸出功率的百分之八十以上。

2、射頻離子電推進(jìn)屏柵電源具有高壓小電流輸出特性，其輸出電壓范圍較寬，輸出電壓一般為千伏級(jí)；其最大輸出電流與推力器推力大小相關(guān)，mn級(jí)射頻離子電推進(jìn)器配套的屏柵電源最大輸出電流一般為幾十至幾百ma。射頻離子電推進(jìn)系統(tǒng)在推力器點(diǎn)火瞬間，推力器屏柵等效阻抗由高阻(mω級(jí))向低阻(kω級(jí))轉(zhuǎn)化，此時(shí)，由于加速柵未供電，推力器工作不穩(wěn)定，屏柵等效阻抗較小，屏柵工作電流較大，且存在屏柵對(duì)加速柵頻繁打火放電的情況；加速柵供電后，推力器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中也存在屏柵對(duì)加速柵打火放電的情況，打火放電產(chǎn)生瞬時(shí)大電流，該電流峰值約為屏柵電源穩(wěn)態(tài)輸出電流的幾十倍，約為加速柵電源穩(wěn)態(tài)輸出電流的幾百倍。

3、當(dāng)前的屏柵電源多采用輸出電壓?jiǎn)苇h(huán)反饋調(diào)節(jié)，在面對(duì)復(fù)雜或惡劣工況時(shí)，其電源輸出動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能較差，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢，無(wú)法及時(shí)調(diào)整供電電壓和電流，甚至造成惡劣工況進(jìn)一步加劇。在推力器點(diǎn)火后至加速柵供電前時(shí)間段內(nèi)，輸出電壓?jiǎn)苇h(huán)反饋調(diào)節(jié)的屏柵電源無(wú)法完成輸出模式的切換，造成變換器原邊輸入過(guò)流保護(hù)，屏柵電源輸出電壓跌落甚至無(wú)輸出。針對(duì)屏柵對(duì)加速柵打火放電的情況，由于打火時(shí)間具有不確定性，針對(duì)極窄脈沖(μs級(jí)以下)的打火工況，當(dāng)前屏柵電源的過(guò)流保護(hù)措施無(wú)法進(jìn)行有效的峰值電流抑制，造成屏柵電源及其供電母線遭受放電浪涌電流沖擊，嚴(yán)重情況下造成屏柵電源及其供電系統(tǒng)損壞。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種射頻離子電推進(jìn)屏柵電源功率電路及控制電路，根據(jù)推力器屏柵極等效阻抗?fàn)顟B(tài)進(jìn)行電源恒壓恒流雙輸出模式自適應(yīng)調(diào)節(jié)，采集電源原邊側(cè)電流進(jìn)行過(guò)載保護(hù)，提高穩(wěn)定性，解決現(xiàn)有屏柵電源的過(guò)流保護(hù)措施無(wú)法進(jìn)行有效的峰值電流控制，使屏柵電源及其供電母線遭受放電浪涌電流沖擊的技術(shù)問(wèn)題。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明提供一種射頻離子電推進(jìn)屏柵電源功率電路，包括輸入濾波電容cin、原邊電流采樣電路、第一級(jí)倍頻同步整流buck變換器、第二級(jí)電流型推挽隔離變換器、兩級(jí)串聯(lián)橋式倍壓整流電路、輸出電壓采樣電路、輸出電流采樣電路，兩級(jí)串聯(lián)橋式倍壓整流電路、輸出電流采樣電路、輸出電壓采樣電路依次連接，所述輸出電壓采樣電路用于與推力器屏柵極負(fù)載連接；所述第一級(jí)倍頻同步整流buck變換器、第二級(jí)電流型推挽隔離變換器、兩級(jí)串聯(lián)橋式倍壓整流電路通過(guò)功率變壓器t1連接。

4、進(jìn)一步地，所述原邊電流采樣電路包括電流互感器t2、磁復(fù)位電阻r1、濾波電容c5、信號(hào)輸出二極管v5、電流-電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換電阻r2；所述電流互感器t2的1腳與輸入濾波電容cin一端連接,并與電源供電正線vin+連接，電流互感器t2的2腳與第一級(jí)倍頻同步整流buck變換器連接，電流互感器t2的3腳與所述信號(hào)輸出二極管v5的陽(yáng)極連接，電流互感器t2的4腳與pwm脈寬調(diào)制電路的供電地cgnd連接，所述磁復(fù)位電阻r1與濾波電容c5并聯(lián)，一端與電流互感器t2的3腳連接，另一端與電流互感器t2的4腳連接，所述信號(hào)輸出二極管v5的陽(yáng)極與電流互感器t2的3腳連接，陰極連接原邊電流采樣信號(hào)is，所述電流-電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換電阻r2的一端連接原邊電流采樣信號(hào)is，另一端連接pwm脈寬調(diào)制電路的供電地cgnd。

5、進(jìn)一步地，所述第一級(jí)倍頻同步整流buck變換器包括n?mos管q1、n?mos管q2、nmos管q3和濾波電感l(wèi)1；所述n?mos管q1的漏極和n?mos管q2的漏極連接，并連接電流互感器t2的2腳，n?mos管q1的源極和n?mos管q2的源極連接并與n?mos管q3的漏極連接，所述n?mos管q3的漏極還與濾波電感l(wèi)1的一端連接，n?mos管q3的源極與輸入濾波電容cin的另一端連接，并連接電源供電回線vingnd，所述濾波電感l(wèi)1的另一端與功率變壓器t1連接，n?mos管q1的柵極連接第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)vq1gs，n?mos管q2的柵極連接第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)vq2gs，n?mos管q3的柵極連接第三驅(qū)動(dòng)信號(hào)vq3gs。

6、進(jìn)一步地，所述功率變壓器t1的1腳、3腳、5腳和7腳互為同名端，2腳、4腳、6腳和8腳互為同名端，所述功率變壓器t1的2腳、3腳與第一級(jí)倍頻同步整流buck變換器連接，1腳、4腳與第二級(jí)電流型推挽隔離變換器連接；所述第二級(jí)電流型推挽隔離變換器包括n?mos管q4、n?mos管q5，所述n?mos管q4的漏極連接功率變壓器t1的1腳，n?mos管q4的源極連接電源供電回線vingnd，n?mos管q4的柵極連接第四驅(qū)動(dòng)信號(hào)vq4gs；所述n?mos管q5的漏極連接功率變壓器t1的4腳，n?mos管q5的源極連接電源供電回線vingnd，n?mos管q5的柵極連接第五驅(qū)動(dòng)信號(hào)vq5gs。

7、進(jìn)一步地，所述兩級(jí)串聯(lián)橋式倍壓整流電路包括整流二極管v1、整流二極管v2、整流二極管v3、整流二極管v4、電容c1、電容c2、電容c3及電容c4；所述整流二極管v1的陽(yáng)極連接功率變壓器t1的5腳，陰極與電容c1的一端以及電源輸出供電正端vout+連接，電容c1的另一端連接功率變壓器t1的6腳；整流二極管v2的陰極連接功率變壓器t1的5腳，陽(yáng)極與電容c2的一端以及整流二極管v3的陰極連接，電容c2的另一端連接功率變壓器t1的6腳；整流二極管v3的陽(yáng)極連接功率變壓器t1的7腳，陰極連接電容c3的一端，電容c3的另一端連接功率變壓器t1的8腳；整流二極管v4的陰極連接功率變壓器t1的7腳，陽(yáng)極與電容c4的一端以及輸出電流采樣電路一端連接，電容c4的另一端連接功率變壓器t1的8腳。

8、進(jìn)一步地，所述輸出電壓采樣電路一端與電源輸出供電正端vout+連接，另一端與電源輸出供電地線voutgnd連接；所述輸出電壓采樣電路將電源輸出電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為輸出電壓采樣信號(hào)vcy。

9、進(jìn)一步地，所述輸出電流采樣電路一端與整流二極管v4陽(yáng)極連接，另一端與電源輸出供電地線voutgnd連接。

10、一種射頻離子電推進(jìn)屏柵電源控制電路，基于上述射頻離子電推進(jìn)屏柵電源功率電路，其特殊之處在于，包括輸出電壓pid負(fù)反饋控制電路、輸出電流pid負(fù)反饋控制電路、反饋信號(hào)比較電路、pwm脈寬調(diào)制電路、隔離驅(qū)動(dòng)電路；所述輸出電壓pid負(fù)反饋控制電路接收輸出電壓采樣電路的輸出電壓采樣信號(hào)vcy，將其與運(yùn)放同相端輸出電壓基準(zhǔn)信號(hào)vset比較，進(jìn)行負(fù)反饋pid環(huán)路運(yùn)算，形成輸出電壓反饋信號(hào)；所述輸出電流pid負(fù)反饋控制電路接收輸出電流采樣電路的輸出電流采樣信號(hào)icy，將其與運(yùn)放同相端輸出電流基準(zhǔn)信號(hào)iset進(jìn)行比較，進(jìn)行負(fù)反饋pid環(huán)路運(yùn)算，形成輸出電流反饋信號(hào)。

11、進(jìn)一步地，所述反饋信號(hào)比較電路包括二極管v6和二極管v7，所述二極管v6陰極與輸出電壓pid負(fù)反饋控制電路連接，陽(yáng)極與二極管v7陽(yáng)極連接，并與pwm脈寬調(diào)制電路連接，所述二極管v7陰極與輸出電流pid負(fù)反饋控制電路連接。

12、進(jìn)一步地，所述隔離驅(qū)動(dòng)電路將pwm脈寬調(diào)制電路輸出的脈寬調(diào)制輸出信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)變壓器輸出第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)vq1gs、第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)vq2gs、第三驅(qū)動(dòng)信號(hào)vq3gs、第四驅(qū)動(dòng)信號(hào)vq4gs、第五驅(qū)動(dòng)信號(hào)vq5gs。

13、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

14、本發(fā)明一種射頻離子電推進(jìn)屏柵電源功率電路，原邊側(cè)采用兩級(jí)式的功率拓?fù)洌ㄟ^(guò)第一級(jí)倍頻同步整流buck變換器實(shí)現(xiàn)輸出反饋閉環(huán)控制，利用濾波電感l(wèi)1進(jìn)行有效的峰值電流抑制，通過(guò)定頻、滿占空比工作的第二級(jí)電流型推挽隔離變換器實(shí)現(xiàn)功率隔離傳輸，并提高電源工作效率。副邊側(cè)采用兩級(jí)串聯(lián)橋式倍壓整流電路，具有元器件應(yīng)力小、輸出電壓紋波小的優(yōu)點(diǎn)。屏柵電源進(jìn)行了原邊電流信號(hào)、輸出電壓信號(hào)及輸出電流信號(hào)的采樣，并傳遞給相關(guān)的功能電路，從而實(shí)現(xiàn)原邊過(guò)流保護(hù)、輸出電壓pid負(fù)反饋控制、輸出電流pid負(fù)反饋控制等功能，可根據(jù)推力器屏柵極等效阻抗?fàn)顟B(tài)進(jìn)行電源恒壓恒流雙輸出模式自適應(yīng)調(diào)節(jié)，從而滿足屏柵極在推力器點(diǎn)火及工作過(guò)程中的供電需求，保證射頻離子推進(jìn)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性。

15、本發(fā)明一種射頻離子電推進(jìn)屏柵電源功率電路具有三重過(guò)流保護(hù)，通過(guò)三重過(guò)流保護(hù)，提高了全工況下屏柵電源的工作可靠性和供電穩(wěn)定性，提升了射頻離子電推進(jìn)系統(tǒng)的魯棒性。