CN107769582B - 一种用于微型脉冲等离子体推进器的充电电路 - Google Patents

一种用于微型脉冲等离子体推进器的充电电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于微型脉冲等离子体推进器的充电电路，包括功率变换电路、整流滤波电路和PWM控制器电路，功率变换电路将星载电源(VS)转换为高压脉冲；整流滤波电路将功率变换电路输出的高压脉冲滤波整流得到所需的直流电压；功率变换电路还包括变压器(T3)；星载电源(VS)与变压器(T3)的初级线圈相连，变压器(T3)的次级线圈与整流滤波电路相连，用做高压脉冲电源。本发明提供的用于微型脉冲等离子体推进器的充电电路可靠性较好、稳压输出、功率管承受电压降低、变压器磁芯利用率提高、纹波系数减小、待机时不存在电能消耗。

Description

一种用于微型脉冲等离子体推进器的充电电路
技术领域
本发明涉及一种用于微型脉冲等离子体推进器的充电电路。
背景技术
当前，卫星系统沿网络化、微型化快速发展，使得研制出能够满足微纳卫星高精度姿轨控制要求，且具有质量轻、体积小、功耗低等特点的微型电推进器显得十分必要。微型脉冲等离子体推进器(Micro-Pulsed Plasma Thruster,μPPT)是脉冲等离子体推进器(Pulsed Plasma Thruster,PPT)的一种，通常将系统质量低于1kg的PPT称为μPPT，其质量、体积和功耗均至少要比PPT的低一个量级。μPPT除了具备传统PPT推力密度大、比冲高、推力小而精准、控制精度高、结构简单、可靠性高等优点外，还具备功耗低、成本低、质量轻、体积小等优点，十分适用于微纳卫星的空间应用以及执行高精度控制的推进任务。
μPPT的系统组成包括推力器本体和电源处理单元，而电源处理单元包括点火系统和充电电源两部分，其中，充电电源用来对微推进器的主放电电容进行充电，其质量和性能直接关系到整个推力器系统的质量和性能。
按照控制机理分，目前常见的充电电路有调频式和调宽式两种。调频式充电电源具有静态功耗小等优点，但其无限流功能，且不能连续工作，不能满足于μPPT的工作要求。调宽式充电电源具有噪音小、效率高、能连续工作等优点，该控制方式已广泛应用于多种开关电源。
按照升压结构分，调宽式充电电源的升压电路结构可分为单端反激式、单端正激式、自激式、降压式、升压式、反转式、推挽式等，目前应用于PPT的充电电源多采用推挽式升压电路结构。推挽式电路利用脉冲调制器将直流信号转化为高频方波信号后，通过变压器进行升压处理，再通过普通倍压整流电路对交流电整流滤波为直流并对外输出，推挽结构采用了变压器，具有电气隔离功能，同时还具有通态损耗小、电源利用率较高、电路结构简单、功率大等优点。这种充电电源存在一些问题：
电路可靠性较差，抗干扰能力不强。μPPT的电源处理单元信号源复杂，加上充电电路前级与后级间隔离不彻底，容易对充电电路产生干扰；负载的变化会引起电压降落和电压脉动，造成输出电压不稳定；电路短路保护不彻底。
功率管承受电压过高。开关管关断时漏感能量在开关管上会引起高压电尖峰，导致功率管承受高电压。
磁芯的利用率低。这是由于变压器的铁心偏磁导致的。
纹波系数较大。普通倍压电路下柱在一个周期内仅在很短时间内获得电荷，而在差不多在一个周期的时间内流失电荷，导致纹波系数较大。
待机时存在电能消耗。电路中不存在待机可关断功能，电路中元器件在系统待机时存在一定数值的电能消耗，不适应于微纳卫星低功耗的要求。
发明内容
基于此，本发明有必要提供一种用于微型脉冲等离子体推进器的充电电路，针对充电电路可靠性较差、输出电压不稳定、功率管承受电压过高、变压器磁芯利用率低、纹波系数较大、待机时存在电能消耗等技术问题，本发明提供的用于微型脉冲等离子体推进器的充电电路可靠性较好、稳压输出、功率管承受电压降低、变压器磁芯利用率提高、纹波系数减小、待机时不存在电能消耗。
其技术方案如下：
一种用于微型脉冲等离子体推进器的充电电路，包括功率变换电路、整流滤波电路和PWM控制器电路，所述功率变换电路将星载电源(VS)转换为高压脉冲，并起到将输入部分和输出部分电网隔离的作用；整流滤波电路将功率变换电路输出的高压脉冲滤波整流得到所需的直流电压，还防止了高频噪声对负载的影响；所述功率变换电路还包括变压器(T3)；星载电源(VS)与变压器(T3)的初级线圈相连，变压器(T3)的次级线圈与整流滤波电路相连，用做高压脉冲电源。
PWM控制器电路用来稳定和调节功率变换电路的输出电压，并实施过压、过流和短路保护功能。
在其中一个实施例中，所述整流滤波电路包括第一滤波电容(C45)、第二滤波电容(C46)、第三滤波电容(C49)、第四滤波电容(C50)、第五滤波电容(C52)、第六滤波电容(C54)，还包括第一整流二极管(D12)、第二整流二极管(D13)、第三整流二极管(D14)、第四整流二极管(D15)、第五整流二极管(D16)、第六整流二极管(D17)、第七整流二极管(D18)、第八整流二极管(D19)；其中，所述整流滤波电路设计为对称倍压整流电路；变压器(T3)的次级圈首相连接到由第一-第八整流二极管组成的高频高压整流硅堆的阳极上，而两个尾端分别接到边柱的第一-第六滤波电容上；中间柱在每半周时间内获得电荷一次，而流失电荷时间不到半个周期，其纹波系数为而采用普通倍压电路的电源的纹波系数为对比二者可知，采用对称倍压整流电路可以有效减小电源的纹波系数；式中，n为倍压级数，Id为输出电流，f为工作频率，C为倍压电容的容量，v0为输出电压。
在其中一个实施例中，所述PWM控制器电路包括同步式切换式稳压降压器(BuckRegulator)，PWM控制芯片(U5)，第一开关晶体管(Q4)、第二开关晶体管(Q5)，第一电容(C43)、第二电容(C44)，光电耦合器(OP3)，可控精密稳压源(U6)，电阻；其中，星载电源(VS)经同步式切换式稳压降压器(Buck Regulator)进行降压后给PWM控制芯片(U5)和光电耦合器(OP3)供电。
在其中一个实施例中，稳压环节中，取样电压引出于整流滤波电路的输出端，整流滤波电路的输出端经电压取样电阻(R74)与可控精密稳压源(U6)相连，再经过光电耦合器(OP3)隔离连接到PWM控制芯片(U5)，实现输出直流电压的取样、对比、调整和稳定；
在其中一个实施例中，限流保护环节中，取样电流为第一开关晶体管(Q4)、第二开关晶体管(Q5)与变压器(T3)的两个初级线圈组成的回路电流，电流取样电阻(R61)与PWM控制芯片(U5)连接，实现过压、过流或短路保护；第一开关晶体管(Q4)、第二开关晶体管(Q5)与变压器(T3)的两个初级线圈间通过第一电容(C43)、第二电容(C44)、第三电阻(R45)、第四电阻(R46)相连接。
在其中一个实施例中，变压器(T3)采用推挽拓扑结构的变压器，一个变压器包含两个升压线包。
通过使用上述用于微型脉冲等离子体推进器的充电电路，电路可靠性提高，抗干扰能力强，功率管承受电压降低，磁芯的利用率提高，且纹波系数变小，待机时不存在电能消耗。
附图说明
图1为本发明用于微型脉冲等离子体推进器的充电电路。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”、“设置于”或“安设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件；一个元件与另一个元件固定连接的具体方式可以通过现有技术实现，在此不再赘述，优选采用螺纹连接的固定方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明中所述“第一”、“第二”不代表具体的数量及顺序，仅仅是用于名称的区分。
本发明提供一种用于微型脉冲等离子体推进器的充电电路，主要由功率变换电路、整流滤波电路和PWM控制器电路组成，如图1所示。
功率变换电路用来将卫星上的低压直流星载电源(VS)转换为高压脉冲，并起到将输入部分和输出部分电网隔离的作用；
整流滤波电路用来将功率变换电路输出的高压脉冲滤波整流得到所需的直流电压，还防止了高频噪声对负载的影响；
PWM控制器电路是用来稳定和调节功率变换电路的输出电压，并实施过压、过流和短路保护功能。
所述功率变换电路包括星载电源(VS)，变压器(T3)；其中，变压器(T3)采用对称性较好的推挽拓扑结构的变压器，一个变压器包含两个升压线包；星载电源(VS)与变压器(T3)的初级线圈相连，变压器(T3)的次级线圈与整流滤波电路相连，用做高压脉冲电源。
所述整流滤波电路包括滤波电容(C45、C46、C49、C50、C52、C54)，整流二极管(D12、D13、D14、D15、D16、D17、D18、D19)；其中，整流滤波电路设计为对称倍压整流电路；变压器(T3)的次级圈首相连接到由整流二极管(D12、D13、D14、D15、D16、D17、D18、D19)组成的高频高压整流硅堆的阳极(图中6点)上，而两个尾端分别接到边柱的滤波电容(C45、C46、C49、C50、C52、C54)上(图中的7、8点)；中间柱在每半周时间内获得电荷一次，而流失电荷时间不到半个周期，其纹波系数为而采用普通倍压电路的电源的纹波系数为对比二者可知，采用对称倍压整流电路可以有效减小电源的纹波系数；式中，n为倍压级数，Id为输出电流，f为工作频率，C为倍压电容的容量，v0为输出电压。
所述PWM控制器电路包括同步式切换式稳压降压器(Buck Regulator)，PWM控制芯片(U5)，开关晶体管(Q4、Q5)，电容(C43、C44)，光电耦合器(OP3)，可控精密稳压源(U6)，电阻(R40、R41、R45、R46、R58、R61、R63、R66、R74)；其中，星载电源(VS)经同步式切换式稳压降压器(Buck Regulator)进行降压后给PWM控制芯片(U5)和光电耦合器(OP3)供电；稳压环节中，取样电压引出于整流滤波电路的输出端，整流滤波电路的输出端经电压取样电阻(R74)与可控精密稳压源(U6)相连，再经过光电耦合器(OP3)隔离连接到PWM控制芯片(U5)，实现输出直流电压的取样、对比、调整和稳定；限流保护环节中，取样电流为开关晶体管(Q4、Q5)与变压器(T3)的两个初级线圈组成的回路电流，电流取样电阻(R61)与PWM控制芯片(U5)连接，实现过压、过流或短路保护；开关晶体管(Q4、Q5)与变压器(T3)的两个初级线圈间通过电容(C43、C44)、电阻(R45、R46)相连接，可降低功率管的承受电压和提高磁芯的利用率。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种用于微型脉冲等离子体推进器的充电电路，其特征在于包括功率变换电路、整流滤波电路和PWM控制器电路，所述功率变换电路将星载电源(VS)转换为高压脉冲；整流滤波电路将功率变换电路输出的高压脉冲滤波整流得到所需的直流电压，所述功率变换电路还包括变压器(T3)；星载电源(VS)与变压器(T3)的初级线圈相连，变压器(T3)的次级线圈与整流滤波电路相连，用做高压脉冲电源；
PWM控制器电路是用来稳定和调节功率变换电路的输出电压；所述PWM控制器电路包括同步式切换式稳压降压器，PWM控制芯片(U5)，第一开关晶体管(Q4)、第二开关晶体管(Q5)，第一电容(C43)、第二电容(C44)、光电耦合器(OP3)、可控精密稳压源(U6)、第一电阻(R40)、第二电阻(R41)、第三电阻(R45)、第四电阻(R46)、第五电阻(R58)、电流取样电阻(R61)、第六电阻(R63)、第七电阻(R66)和电压取样电阻(R74)；其中，星载电源(VS)经同步式切换式稳压降压器进行降压后给PWM控制芯片(U5)和光电耦合器(OP3)供电；
整流滤波电路的直流电压输出端经电压取样电阻(R74)与可控精密稳压源(U6)相连，再经过光电耦合器(OP3)隔离连接到PWM控制芯片(U5)，实现整流滤波电路所输出的直流电压的取样、对比、调整和稳定；第一开关晶体管(Q4)的漏极接变压器(T3)其中一个初级线圈，第二开关晶体管(Q5)的漏极连接变压器(T3)的另一个初级线圈，电流取样电阻(R61)的一端接地，第一开关晶体管(Q4)源极以及第二开关晶体管(Q5)的源极连接在一起后与电流取样电阻(R61)的另一端连接且电流取样电阻(R61)的另一端与PWM控制芯片(U5)连接，PWM控制芯片(U5)通过采样电流取样电阻(R61)两端电压实现过流或短路保护；取样电流为第一开关晶体管(Q4)、第二开关晶体管(Q5)与变压器(T3)的两个初级线圈组成的回路电流；第一开关晶体管(Q4)、第二开关晶体管(Q5)与变压器(T3)的两个初级线圈间通过第一电容(C43)、第二电容(C44)、第三电阻(R45)、第四电阻(R46)相连接。
2.根据权利要求1所述的用于微型脉冲等离子体推进器的充电电路，其特征在于：所述整流滤波电路包括第一滤波电容(C45)、第二滤波电容(C46)、第三滤波电容(C49)、第四滤波电容(C50)、第五滤波电容(C52)、第六滤波电容(C54)，还包括第一整流二极管(D12)、第二整流二极管(D13)、第三整流二极管(D14)、第四整流二极管(D15)、第五整流二极管(D16)、第六整流二极管(D17)、第七整流二极管(D18)、第八整流二极管(D19)；其中，所述整流滤波电路设计为对称倍压整流电路；变压器(T3)的次级圈首相连接到由第一-第八整流二极管组成的高频高压整流硅堆的阳极上，而两个尾端分别接到边柱的第一-第六滤波电容上；中间柱每半周时间内获得电荷一次，而流失电荷时间不到半个周期，其纹波系数为而采用普通倍压电路的电源的纹波系数为对比二者可知，采用对称倍压整流电路可以有效减小电源的纹波系数；式中，n为倍压级数，Id为输出电流，f为工作频率，C为倍压电容的容量，v0为输出电压。
3.根据权利要求1所述的用于微型脉冲等离子体推进器的充电电路，其中，变压器(T3)采用推挽拓扑结构的变压器，一个变压器包含两个升压线包。
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