基于全橋半橋切換LLC諧振變換器的霍爾電源設計
電子技術應用
徐霆豪，王少寧，劉澳慧
蘭州空間技術物理研究所
摘要： 針對深空探測等空間任務電推力器高輸入電壓的需求，設計出一種適用于霍爾電推進系統的電源處理單元，對LLC諧振變換器對半橋全橋動態拓撲切換和軟啟動進行研究，實現高效率、寬范圍的輸出。通過建立LLC諧振變換器的基波模型，分析頻率與增益的特性曲線，K值和Q值的選值，實現變頻率控制輸出電壓，并設計基于同時變頻和變占空比的低尖峰全橋半橋切換模式。同時為滿足電推進所需的軟啟動功能，根據移相全橋軟啟動設計出基于改變LLC諧振變換器MOSFET移相角的分段線性的軟啟動模式。為了驗證設計性能，設計了一款5 kW的全數字樣機，輸入400 V輸出200 ~1 000 V，能夠實現LLC諧振變換器寬范圍、高效率的輸出。
中圖分類號：TN86 文獻標志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.245587
中文引用格式： 徐霆豪，王少寧，劉澳慧. 基于全橋半橋切換LLC諧振變換器的霍爾電源設計[J]. 電子技術應用，2025，51(2)：108-114.
英文引用格式： Xu Tinghao，Wang Shaoning，Liu Aohui. Design of Hall power supply based on full bridge half bridge switching digital LLC resonant converter[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(2)：108-114.
中文引用格式： 徐霆豪，王少寧，劉澳慧. 基于全橋半橋切換LLC諧振變換器的霍爾電源設計[J]. 電子技術應用，2025，51(2)：108-114.
英文引用格式： Xu Tinghao，Wang Shaoning，Liu Aohui. Design of Hall power supply based on full bridge half bridge switching digital LLC resonant converter[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(2)：108-114.
Design of Hall power supply based on full bridge half bridge switching digital LLC resonant converter
Xu Tinghao，Wang Shaoning，Liu Aohui
Lanzhou Institute of Space Technology Physics
Abstract： A power processing unit suitable for Hall electric propulsion systems is designed to meet the high input voltage requirements of space missions such as deep space exploration. The LLC resonant converter is studied for half bridge full bridge dynamic topology switching and soft start, achieving high efficiency and wide range output. By establishing a fundamental model of LLC resonant converter, analyzing the characteristic curves of frequency and gain, selecting the values of K and Q, variable frequency control output voltage is achieved, and a low peak full bridge half bridge switching mode based on simultaneous frequency conversion and variable duty cycle is designed. At the same time, in order to meet the soft start function required for electric propulsion, a segmented linear soft start mode based on changing the phase shift angle of LLC resonant converter MOSFET is designed according to the phase-shifting full bridge soft start. In order to verify the design performance, a 5 kW all digital prototype was designed, with an input of 400 V and an output of 200 V to 1 000 V. The results showed that it can achieve a wide range and high efficiency output of the LLC resonant converter.
Key words : power processing unit；LLC resonant converter；full bridge half bridge switching；digital control；soft start
引言
電推進技術是一種將航天器儲備或收集的電能轉化為動能的技術，通過將氣體工質電離，并通過高壓電場將離子加速噴出而產生推力。與化學推進相比，電推進具有高比沖、高精度、長壽命的特點。隨著電推進技術的發展和深空探測需求的提升，電推進技術依靠著其優良的性能從僅僅用于位置保持和軌道轉移開始轉向深空探測主推力器的任務。
電源處理單元（Power Processing Unit，PPU）作為電推進系統的關鍵單機之一，它的功能不限于電源轉換和調節、輸出穩定電流和電壓、點火控制、保護功能、監測和診斷、通信接口等。為了滿足電推力器各個模塊實現各個功能的供能需求，PPU的技術發展起著至關重要的作用[1]。
目前在超大功率衛星平臺上，太陽能電池陣提供電推進系統的輸入電壓一般為60~120 V，但未來應用在深空探測電推進主推力器的輸入電壓將會提升至400 V[2]，這要求采用高壓DC-DC轉換技術，因此本文設計了基于全橋半橋切換LLC諧振變換器的電源處理單元以確保能夠高效地將輸入電壓轉換為電推進系統所需的各級電壓。
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作者信息：
徐霆豪，王少寧，劉澳慧
（蘭州空間技術物理研究所，甘肅 蘭州 730000）
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