《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于全橋半橋切換LLC諧振變換器的霍爾電源設(shè)計(jì)
電子技術(shù)應(yīng)用
徐霆豪,王少寧,劉澳慧
蘭州空間技術(shù)物理研究所
摘要: 針對(duì)深空探測(cè)等空間任務(wù)電推力器高輸入電壓的需求,設(shè)計(jì)出一種適用于霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)的電源處理單元,對(duì)LLC諧振變換器對(duì)半橋全橋動(dòng)態(tài)拓?fù)淝袚Q和軟啟動(dòng)進(jìn)行研究,實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)變頻率控制輸出電壓,并設(shè)計(jì)基于同時(shí)變頻和變占空比的低尖峰全橋半橋切換模式。同時(shí)為滿足電推進(jìn)所需的軟啟動(dòng)功能,根據(jù)移相全橋軟啟動(dòng)設(shè)計(jì)出基于改變LLC諧振變換器MOSFET移相角的分段線性的軟啟動(dòng)模式。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)性能,設(shè)計(jì)了一款5 kW的全數(shù)字樣機(jī),輸入400 V輸出200 ~1 000 V,能夠?qū)崿F(xiàn)LLC諧振變換器寬范圍、高效率的輸出。
中圖分類號(hào):TN86 文獻(xiàn)標(biāo)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(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)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(jìn)技術(shù)是一種將航天器儲(chǔ)備或收集的電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的技術(shù),通過將氣體工質(zhì)電離,并通過高壓電場(chǎng)將離子加速噴出而產(chǎn)生推力。與化學(xué)推進(jìn)相比,電推進(jìn)具有高比沖、高精度、長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)。隨著電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展和深空探測(cè)需求的提升,電推進(jìn)技術(shù)依靠著其優(yōu)良的性能從僅僅用于位置保持和軌道轉(zhuǎn)移開始轉(zhuǎn)向深空探測(cè)主推力器的任務(wù)。

電源處理單元(Power Processing Unit,PPU)作為電推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵單機(jī)之一,它的功能不限于電源轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)、輸出穩(wěn)定電流和電壓、點(diǎn)火控制、保護(hù)功能、監(jiān)測(cè)和診斷、通信接口等。為了滿足電推力器各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能的供能需求,PPU的技術(shù)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用[1]。

目前在超大功率衛(wèi)星平臺(tái)上,太陽能電池陣提供電推進(jìn)系統(tǒng)的輸入電壓一般為60~120 V,但未來應(yīng)用在深空探測(cè)電推進(jìn)主推力器的輸入電壓將會(huì)提升至400 V[2],這要求采用高壓DC-DC轉(zhuǎn)換技術(shù),因此本文設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換為電推進(jìn)系統(tǒng)所需的各級(jí)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(shù)物理研究所,甘肅 蘭州 730000)


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