CN109391012A - 霍尔电推进阳极电源模块串并联热切换系统及其切换方法 - Google Patents

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吴晨昊
屈诚志
马季军
张玉
石磊磊
吉裕晖
罗伟林
涂浡
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Abstract

本发明提供一种霍尔电推进阳极电源模块串并联热切换系统，包括：阳极电源模块；使能开关，与阳极电源模块连接；功率开关管阵列，与阳极电源模块连接。本发明还提供一种霍尔电推进阳极电源模块串并联热切换系统的切换方法。本发明提供的霍尔电推进阳极电源模块串并联热切换系统，通过控制阳极电源模块串并联连接形式的功率开关管阵列和控制阳极电源模块功率输出的功率管开关阵列的组合，实现霍尔电推进阳极电源模块的串并联热切换。

Description

霍尔电推进阳极电源模块串并联热切换系统及其切换方法
技术领域
本发明涉及电切换技术领域，特别涉及霍尔电推进阳极电源模块串并联热切换系统及其切换方法。
背景技术
电推进系统具有高比冲的特点，在一定条件下，可以使航天器获得数十千米每秒的速度增量，而传统化学推进则难以达到这一等级。以发射质量1500kg，电功率3kW的深空探测器为例，采用比冲为315s的双组元化学推进，即使在推进剂消耗量与发射质量比为0.8时，所能提供的速度增量也只有4.9km/s，而采用高比冲的电推进技术时，所能提供的速度增量可以达到20km/s。
此外，采用电推进系统还可以大大增加航天器的有效载荷。以湿重5000kg的航天器从LEO(低地球轨道)转移到GEO(地球同步轨道)为例，采用电推进技术时，航天器的干重大约是采用化学推进的3倍。
目前在商业航天以及深空探测、载人飞行等领域，电推进正逐步取代化学推进，具有广阔的发展前景。随着技术的发展以及应用领域的不断扩展，大功率、可工作在多模式(高比冲或大推力)的霍尔推力器成为发展主流，这一发展趋势要求与霍尔推力器匹配的PPU阳极电源能够工作在更大功率(由kW等级向几十甚至几百kW等级发展)、更宽的输出电压范围，此时，采用单个阳极电源来实现显然是不现实的，而通过将阳极电源进行模块化设计，每个模块的功率可以是几kW甚至十几kW，使得设计难度大大降低，然后采用多个阳极电源模块串并联组合实现更高功率等级的阳极电源。因此，发展可靠、高效的多模块串并联切换技术是未来霍尔电推进阳极电源发展的关键。
发明内容
本发明的目的在于提供霍尔电推进阳极电源模块串并联热切换系统及其切换方法，以解决如何简化阳极电源模块的串并联切换过程的同时保证整个霍尔电推进系统可靠性的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：提出一种霍尔电推进阳极电源模块串并联热切换系统，包括：阳极电源模块；使能开关，与所述阳极电源模块连接；功率开关管阵列，与所述阳极电源模块连接。
进一步地，所述阳极电源模块为一个DC/DC模块。
进一步地，所述使能开关采用功率开关管或继电器。
进一步地，霍尔电推进阳极电源模块串并联热切换系统还包括使能信号，通过所述使能信号控制所述使能开关的通断。
进一步地，所述使能信号为控制信号。
进一步地，所述功率开关管阵列以串并联的形式与所述阳极电源模块连接。
本发明还提供一种霍尔电推进阳极电源模块串并联热切换系统的切换方法，包括：通过控制使能开关的通断控制阳极电源模块的功率输出，通过控制功率开关管阵列各功率开关管的通断，控制阳极电源模块的串并联切换，阳极电源模块将功率母线电压变换到负载所需要的输出电压。
进一步地，通过功率开关管阵列和所述使能开关控制方式的组合，控制所述阳极电源模块串并联的热切换。
进一步地，所述阳极电源模块采用功率拓扑技术，将功率母线电压变换到负载所需要的输出电压。
进一步地，通过使能信号控制使能开关的通断，控制所述阳极电源模块的功率输出。
本发明提供的霍尔电推进阳极电源模块串并联热切换系统，通过控制阳极电源模块串并联连接形式的功率开关管阵列和控制阳极电源模块功率输出的功率管开关阵列的组合，实现霍尔电推进阳极电源模块的串并联热切换。
本发明提供的霍尔电推进阳极电源模块串并联热切换系统的切换方法，提供一种霍尔电推进阳极电源模块串并联热切换技术，能够简化阳极电源模块的串并联切换过程，优化大功率霍尔电推进系统在大推力、大比冲等模式之间切换的流程，同时提高了整个霍尔电推进系统的可靠性。
附图说明
下面结合附图对发明作进一步说明：
图1为本发明实施例一提出霍尔电推进阳极电源模块串并联热切换系统的结构示意图；
图2为本发明实施例一提供的霍尔电推进阳极电源模块串并联热切换系统串并联热切换的切换过程电路输出状态示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的霍尔电推进阳极电源模块串并联热切换系统及其切换方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明的核心思想在于，本发明提供的霍尔电推进阳极电源模块串并联热切换系统，通过控制阳极电源模块串并联连接形式的功率开关管阵列和控制阳极电源模块功率输出的功率管开关阵列的组合，实现霍尔电推进阳极电源模块的串并联热切换。本发明提供的霍尔电推进阳极电源模块串并联热切换系统的切换方法，提供一种霍尔电推进阳极电源模块串并联热切换技术，能够简化阳极电源模块的串并联切换过程，优化大功率霍尔电推进系统在大推力、大比冲等模式之间切换的流程，同时提高了整个霍尔电推进系统的可靠性。
本发明提出一种霍尔电推进阳极电源模块串并联热切换系统，包括：阳极电源模块；使能开关，与所述阳极电源模块连接；功率开关管阵列，与所述阳极电源模块连接。
在本发明实施例中，所述阳极电源模块为一个DC/DC模块，通过采用功率拓扑技术，将功率母线电压变换到负载所需要的输出电压，实现电能的变换。所述使能开关采用功率开关管或继电器。霍尔电推进阳极电源模块串并联热切换系统还包括使能信号，通过所述使能信号控制所述使能开关的通断。所述使能信号为控制信号。所述功率开关管阵列以串并联的形式与所述阳极电源模块连接。
本发明还提供一种霍尔电推进阳极电源模块串并联热切换系统的切换方法，包括：通过控制使能开关的通断控制阳极电源模块的功率输出，通过控制功率开关管阵列各功率开关管的通断，控制阳极电源模块的串并联切换，阳极电源模块将功率母线电压变换到负载所需要的输出电压。
在本发明实施例中，通过功率开关管阵列和所述使能开关控制方式的组合，控制所述阳极电源模块串并联的热切换。通过使能信号控制使能开关的通断，控制所述阳极电源模块的功率输出。
实施例一
图1为本发明实施例提出霍尔电推进阳极电源模块串并联热切换系统的结构示意图；图2为本发明实施例一提供的霍尔电推进阳极电源模块串并联热切换系统串并联热切换的切换过程电路输出状态示意图。以四个阳极电源模块为例实现模块的串并联热切换，其他数量阳极电源模块的热切换也可采用同样的方法。
参照图1以及图2，若电路初始状态为4个阳极电源模块输出串联，则4个阳极电源模块都处于使能状态，即开关KS1、KS2、KS3、KS4都闭合；同时开关KZ1闭合，开关KZ2、KZ3、KZ4断开，开关KC1、KC2、KC3闭合，开关KB1、KB2、KB3断开。假设每个模块在额定点工作时，其输出电压和电流分别为Vo和Io，此时电路的输出状态如图2阶段①所示。
则其由输出串联热切换到输出并联的过程如下。
首先，通过使能信号控制开关KS1，使得阳极电源模块1关闭功率输出，然后开通开关KZ2，开通KZ2之后关断开关KZ1，然后关断开关KC1，其他开关状态保持不变，从而阳极电源模块输出状态切换成阳极电源模块2、3、4串联，阳极电源模块1关闭，电路的输出状态如图2阶段②所示。
然后，通过使能信号控制开关KS2，使得阳极电源模块2关闭功率输出，然后开通开关KZ3，开通KZ3之后关断开关KZ2，然后关断开关KC2，其他开关状态保持不变，从而阳极电源模块输出状态切换成阳极电源模块3、4串联，阳极电源模块1、2关闭，电路的输出状态如图2阶段③所示。
再而，通过使能信号控制开关KS3，使得阳极电源模块3关闭功率输出，然后开通开关KZ4，开通KZ4之后关断开关KZ3，然后关断开关KC3，其他开关状态保持不变，从而阳极电源模块输出状态切换成阳极电源模块4输出，阳极电源模块1、2、3关闭，电路的输出状态如图2阶段④所示。
最后，依次闭合开关KB1、KB2、KB3、KZ1、KZ2、KZ3、KZ4，再关断开关KC1、KC2、KC3，使得阳极电源模块1、2、3、4的输出连接形式为并联，此时，开通开关KB1、KB2、KB3，实现阳极电源模块1、2、3、4并联输出，电路的输出状态如图2阶段⑦所示。
若电路初始状态为4个阳极电源模块输出并联，则此时4个阳极电源模块都处于使能状态，即开关KS1、KS2、KS3、KS4都闭合；同时开关KZ1、KZ2、KZ3、KZ4都闭合，开关KC1、KC2、KC3断开，开关KB1、KB2、KB3闭合，此时电路的输出状态如图2阶段⑦所示。
则其由输出串联热切换到输出并联的过程如下。
首先，通过使能信号控制开关KS1，使得阳极电源模块1关闭功率输出，随后关闭开关KZ1、KB1，其他开关状态保持不变，从而阳极电源模块输出状态切换成阳极电源模块2、3、4输出并联，阳极电源模块1关闭，电路的输出状态如图2阶段⑥所示。
然后，通过使能信号控制开关KS2，使得阳极电源模块2关闭功率输出，随后关闭开关KZ2、KB2，其他开关状态保持不变，从而阳极电源模块输出状态切换成阳极电源模块3、4输出并联，阳极电源模块1、2关闭，电路的输出状态如图2阶段⑤所示。
再而，通过使能信号控制开关KS3，使得阳极电源模块3关闭功率输出，随后关闭开关KZ3、KB3，其他开关状态保持不变，从而阳极电源模块输出状态切换成阳极电源模块4输出，阳极电源模块1、2、3关闭，电路的输出状态如图2阶段④所示。
最后，依次开通开关KC3、KC2、KC1、KZ1，关闭开关KZ4，此时阳极电源模块1、2、3、4输出切换为串联，再依次通过使能信号控制开关KS3、KS2、KS1开通，实现阳极电源模块1、2、3、4串联输出，电路的输出状态如图2阶段①所示。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种霍尔电推进阳极电源模块串并联热切换系统，其特征在于，包括：
阳极电源模块；
使能开关，与所述阳极电源模块连接；
功率开关管阵列，与所述阳极电源模块连接。
2.如权利要求1所述的霍尔电推进阳极电源模块串并联热切换系统，其特征在于，所述阳极电源模块为一个DC/DC模块。
3.如权利要求1所述的霍尔电推进阳极电源模块串并联热切换系统，其特征在于，所述使能开关采用功率开关管或继电器。
4.如权利要求1所述的霍尔电推进阳极电源模块串并联热切换系统，其特征在于，还包括使能信号，通过所述使能信号控制所述使能开关的通断。
5.如权利要求4所述的霍尔电推进阳极电源模块串并联热切换系统，其特征在于，所述使能信号为控制信号。
6.如权利要求1所述的霍尔电推进阳极电源模块串并联热切换系统，其特征在于，所述功率开关管阵列以串并联的形式与所述阳极电源模块连接。
7.一种如权利要求1所述的霍尔电推进阳极电源模块串并联热切换系统的切换方法，其特征在于，包括：通过控制使能开关的通断控制阳极电源模块的功率输出，通过控制功率开关管阵列各功率开关管的通断，控制阳极电源模块的串并联切换，阳极电源模块将功率母线电压变换到负载所需要的输出电压。
8.如权利要求7所述的霍尔电推进阳极电源模块串并联热切换系统的切换方法，其特征在于，通过功率开关管阵列和所述使能开关控制方式的组合，控制所述阳极电源模块串并联的热切换。
9.如权利要求7所述的霍尔电推进阳极电源模块串并联热切换系统的切换方法，所述阳极电源模块采用功率拓扑技术，将功率母线电压变换到负载所需要的输出电压。
10.如权利要求7所述的霍尔电推进阳极电源模块串并联热切换系统的切换方法，通过使能信号控制使能开关的通断，控制所述阳极电源模块的功率输出。
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