CN114070119A - 一种基于航天航空飞行器空中变轨推射等离子体电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于航天航空飞行器空中变轨推射等离子体电源，包括电源输入端、电源输出端、多个并联的斩波升降压整流电路、滤波电感、耦合变压器、引弧单元、电流传感器和控制单元。本发明采用n路斩波升降压整流电路交错移相并联组成，后级滤波电感的整流脉波数为单组整流脉波的n倍，由于脉波数量的大幅度提高，在直流输出相同的纹波电流的情况下，滤波电感的体积将大幅度减小，重量也大幅度减轻，为飞行器空中变轨推射等离子体电源所占用的空间体积小型化和轻量化提供了路径解决方案。

Description

一种基于航天航空飞行器空中变轨推射等离子体电源

技术领域

本发明涉及电力电子功率变换及等离子体电源控制技术领域，特别是涉及一种基于航天航空飞行器空中变轨推射等离子体电源。

背景技术

航天航空飞行器在空中飞行变轨及改变飞行姿态时，需要一个外加的推力使其飞行器在轨飞行时改变其轨道及姿态飞行。目前飞行器空中变轨所需要的推力一般由飞行器本身所带的变轨发动机产生，但由于变轨发动机在空中实施点火，不仅控制响应速度相对较慢，而且重量大，所占用的空间体积也较大，对于飞行器有限的空间体积和重量来说，采用变轨发动机作为飞行器变轨所需的推力和控制响应速度已经受到技术挑战。

目前现有的飞行器变轨推射发动机及控制系统存在体积大、重量大的缺点，而且还存在控制响应速度相对较慢的缺陷，对于高超音速飞行器而言，降低自身重量和体积可有效降提高飞行速度和降低飞行器的成本等，因此研究一种如何减轻飞行器变轨推射的重量、减小所占用的体积和提高其变轨推射的动态控制响应速度，显得十分重要和必要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的一项或多项不足，提供一种基于航天航空飞行器空中变轨推射等离子体电源。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于航天航空飞行器空中变轨推射等离子体电源，包括：

电源输入端，用于与飞行器的蓄电池的输出端连接；

电源输出端，所述电源输出端的正极用于与飞行器的等离子体发生器的阳极连接，所述电源输出端的负极用于与所述等离子体发生器的阴极连接；

多个并联的斩波升降压整流电路，所述斩波升降压整流电路的输入端与所述电源输入端连接；

滤波电感，所述滤波电感的第一端与所述斩波升降压整流电路的输出端正极连接，所述滤波电感的第二端与所述电源输出端的正极连接；

耦合变压器，所述耦合变压器的副边绕组耦接在所述斩波升降压整流电路的输出端负极和所述电源输出端的负极连接之间；

引弧单元，所述引弧单元的输入端与所述电源输入端连接，所述引弧单元的输出端耦接至所述耦合变压器的原边绕组；

电流传感器，所述电流传感器耦接在所述耦合变压器的副边绕组和所述斩波升降压整流电路的输出端负极之间；

控制单元，所述控制单元的电流信号输入端与所述电流传感器的输出端连接，所述控制单元的PWM脉冲信号输出端的数量与斩波升降压整流电路的数量相同，各PWM脉冲信号输出端与各斩波升降压整流电路的控制端分别一一对应连接，所述控制单元的引弧控制信号输出端与所述引弧单元的控制端连接；

其中，所述控制单元用于在接收到点火指令后输出引弧点火信号给所述引弧单元，以便所述引弧单元输出交流引弧脉冲；所述控制单元还用于在所述电流传感器检测到弧电流时输出引弧关闭信号给所述引弧单元，以便所述引弧单元停止输出交流引弧脉冲；所述控制单元还用于输出多个依次相移同电角度的PWM信号给所述多个并联的斩波升降压整流电路，以便所述斩波升降压整流电路输出直流脉冲。

优选的，所述等离子体电源还包括限流电感，所述限流电感耦接在所述滤波电感的第二端和所述等离子体发生器的阳极之间。

优选的，所述等离子体电源还包括假负载，所述假负载耦接在所述滤波电感的第二端和斩波升降压整流电路的输出端负极之间。

优选的，所述等离子体电源还包括引弧保护单元，所述引弧保护单元耦接在滤波电感的第二端和斩波升降压整流电路的输出端负极之间。

优选的，所述斩波升降压整流电路包括直流支撑电容、充放电电容、隔离二极管、续流二极管、充电储能电感、场效应开关管、输入端正极、输入端负极、输出端正极和输出端负极，所述输入端负极与输出端负极连接，所述场效应开关管的栅极与控制单元的PWM脉冲信号输出端连接，所述场效应开关管的漏极与输入端正极连接，所述场效应开关管的源极经充放电电容与隔离二极管的阳极连接，所述隔离二极管的阴极与输出端正极连接，所述直流支撑电容的第一端与输入端正极连接，所述直流支撑电容的第二端与输入端负极连接，所述充电储能电感的第一端与场效应管的源极连接，所述充电储能电感的第二端与输入端负极连接，所述续流二极管的阳极与输入端负极连接，所述续流二极管的阴极与隔离二极管的阳极连接。

优选的，所述场效应开关管为SIC型MOSFET功率模块。

优选的，所述等离子体电源还包括第三电容和第四电容，所述第三电容耦接在滤波电感的第一端和斩波升降压整流电路的输出端负极之间，所述第四电容耦接在滤波电感的第二端和斩波升降压整流电路的输出端负极之间。

优选的，所述控制单元包括数字可编程FPGA模块、引弧隔离电路、多个PWM触发驱动脉冲电路、第一A/D转换模块和电源电路；

所述引弧隔离电路的输入端与所述数字可编程FPGA模块的引弧控制信号输出端连接，所述引弧隔离电路的输出端与所述引弧单元的控制端连接；

所述数字可编程FPGA模块的各个PWM脉冲信号输出端与对应的斩波升降压整流电路的控制端之间耦接有一个PWM触发驱动脉冲电路；

所述第一A/D转换模块的输入端与电流传感器的输出端连接，所述第一A/D转换模块的输出端与数字可编程FPGA模块的电流信号输入端连接；

所述电源电路的输入端用于与所述蓄电池的输出端连接，所述电源电路的第一输出端与PWM触发驱动脉冲单元和引弧隔离电路的电源端连接，所述电源电路的第二输出端与所述数字可编程FPGA模块的电源端连接。

优选的，所述控制单元还包括通信隔离电路，所述通信隔离电路的一端与数字可编程FPGA模块的通信端连接，所述通信隔离电路的另一端用于飞行器的控制系统连接。

优选的，所述斩波升降压整流电路为Zeta斩波升降压整流电路。

优选的，引弧隔离电路为光电隔离器，所述通信隔离电路为光电隔离器。

本发明的有益效果是：

（1）本发明采用n路斩波升降压整流电路交错移相并联组成，后级滤波电感的整流脉波数为单组整流脉波的n倍，由于脉波数量的大幅度提高，在直流输出相同的纹波电流的情况下，滤波电感的体积将大幅度减小，重量也大幅度减轻，为飞行器空中变轨推射等离子体电源所占用的空间体积小型化和轻量化提供了路径解决方案；

（2）本发明中的限流电感能够避免等离子体发生器引弧时短路损坏前级整流电路的电子元器件，限制输出电流的剧烈变化；

（3）本发明中的引火保护单元能够在点火时防止交流高压脉冲损坏主电路中的电子元器件，在高频高压引弧时刻，起到对主电路的保护作用；

（4）本发明中场效应开关管为SIC型MOSFET功率模块，由于SIC型MOSFET功率模块耗极低，开关频率可高达200kHZ, 比普通型IGBT开关模块开关频率高出一个数量级，开关损耗极低；由于开关频率的大幅度提高，功率密度大大提高，因而可以显著缩小等离子体电源的体积和重量；

（5）本发明采用n路斩波升降压整流电路并联移相控制，整流后的脉波数将是单路整流脉波数的n倍(n=1,2,3,...n)，由于整流脉波数的大幅度提高，达到相同的直流纹波所需要的滤波电感容量将大幅度减小，功率密度得到大大提高，因而可以显著缩小等离子体电源的体积和重量，这对于高超音速飞行器来说，缩小体积和重量是关键性技术考核指标；

（6）本发明中滤波电感、第三电容和第四电容组成Π型滤波电路，改善了对斩波升降压整流电路输出电流的滤波效果，可使得所产生的等离子体稳定可靠。

附图说明

图1为基于航天航空飞行器空中变轨推射等离子体电源的一种组成框图；

图2为基于航天航空飞行器空中变轨推射等离子体电源的一种电路示意图；

图3为图2中控制单元的一种组成示意图；

图4为4倍频的移相Zeta斩波整流PWM脉冲输出控制信号时序图；

图5为飞行器变轨工作时序指令信号与等离子电源工作时序信号图。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1-图5，本实施例提供了一种基于航天航空飞行器空中变轨推射等离子体电源：

如图1所示，一种基于航天航空飞行器空中变轨推射等离子体电源，包括电源输入端、电源输出端、多个并联的斩波升降压整流电路、滤波电感、耦合变压器、引弧单元、电流传感器和控制单元。所述电源输入端用于与飞行器的蓄电池的输出端连接，即电源输入端的正极（+极）用于与蓄电池直流母线的正极连接，电源输入端的负极（-极）用于与蓄电池直流母线的负极连接；所述电源输出端的正极用于与飞行器的等离子体发生器的阳极连接，所述电源输出端的负极用于与所述等离子体发生器的阴极连接。本实施例中采用飞行器的蓄电池为引弧单元、斩波升降压整流电路等提供工作电源。

所述斩波升降压整流电路的输入端正极与所述电源输入端的正极连接，所述斩波升降压整流电路的输入端负极与所述电源输入端的负极连接。所述斩波升降压整流电路用于根据蓄电池提供的电流以及来自控制单元的PWM信号产生并输出直流脉冲。

所述多个并联的斩波升降压整流电路对应的PWM信号依次相移（相位移动）相同电角度，PWM信号的占空比大小决定了斩波升降压整流电路输出的直流脉冲的电压大小。

PWM信号依次相移相同电角度是指后一个PWM信号在前一个PWM信号的基础上相移一个预设的电角度，每个PWM信号在前一个PWM信号的基础上相移的电角度相同。例如，4个斩波升降压整流电路并联，则PWM信号有4个（PWM1、PWM2、PWM3和PWM4），那么相位移动角度为360°/4 = 90°电角度（因为一个周期为360°电角度），即，PWM2在PWM1的基础上相移90度电角度，PWM3在PWM2的基础上相移90度电角度，PWM4在PWM3的基础上相移90度电角度，PWM1在PWM4的基础上相移90度电角度，若PWM1、PWM2、PWM3和PWM4的脉冲频率均为100kHz，则4个斩波升降压整流电路并联可构成4倍频的整流电路，整流输出脉波数为400kHz。

本实施例中，斩波升降压整流电路采用Zeta斩波升降压整流电路，将多个斩波升降压整流电路并联，后级滤波电感L5的整流脉波数为单组整流脉波的n倍，由于脉波数量的大幅度提高，在直流输出相同的纹波电流的情况下，滤波电感L5的体积将大幅度减小，重量也大幅度减轻，从而实现了等离子体电源的空间体积尺寸小型化和轻量化。

所述滤波电感的第一端与所述斩波升降压整流电路的输出端正极连接，所述滤波电感的第二端与所述电源输出端的正极连接。所述滤波电感用于对所述斩波升降压整流电路输出的直流脉冲进行滤波，得到脉动电流小、平滑的直流脉冲，从而为等离子体发生器提供稳定的弧电流。

所述引弧单元的输入端正极与所述电源输入端的正极连接，所述引弧单元的输入端负极与所述电源输入端的负极连接，所述引弧单元的输出端耦接至所述耦合变压器的原边绕组。所述引弧单元用于根据来自控制单元的引弧点火信号产生并输出交流引弧脉冲，以及根据来自控制单元的引弧关闭信号停止产生交流引弧脉冲。

所述耦合变压器的副边绕组的第一端与所述斩波升降压整流电路的输出端负极连接，所述副边绕组的第二端与电源输出端的负极连接。所述耦合变压器用于对引弧单元输出的交流引弧脉冲进行变压，使得变压后的交流引弧脉冲能够击穿等离子体发生器阳极和阴极之间的空气介质，并将变压后的交流引弧脉冲输出至等离子体发生器，从而将等离子体发生器阳极和阴极之间的空气介质击穿。此外，耦合变压器在电路中还起到电气隔离的作用。

所述电流传感器耦接在所述副边绕组的第一端和所述斩波升降压整流电路的输出端负极之间。在等离子体发生器阳极和阴极之间的空气介质被击穿之前，电流传感器所在电路处于断路状态，电流传感器检测不到弧电流；在等离子体发生器阳极和阴极之间的空气介质被击穿后，主电路（主电路指斩波升降压整流电路、滤波电感、耦合变压器和电流传感器等组成的电路部分）自动跟随输出弧电流，电流传感器检测到弧电流。

所述控制单元的电流信号输入端与所述电流传感器的输出端连接，所述控制单元的PWM脉冲信号输出端的数量与斩波升降压整流电路的数量相同，各PWM脉冲信号输出端与各斩波升降压整流电路的控制端分别一一对应连接，所述控制单元的引弧控制信号输出端与所述引弧单元的控制端连接。所述控制单元用于在接收到点火指令后输出引弧点火信号给所述引弧单元，以便所述引弧单元输出交流引弧脉冲；所述控制单元还用于在所述电流传感器检测到弧电流时输出引弧关闭信号给所述引弧单元，以便所述引弧单元停止输出交流引弧脉冲；所述控制单元还用于输出多个依次相移同电角度的PWM信号给所述多个并联的斩波升降压整流电路，每个PWM信号用于控制一个斩波升降压整流电路输出的直流脉冲的占空比。

在一些实施例中，所述等离子体电源还包括限流电感，所述限流电感的第一端与所述滤波电感的第二端连接，所述限流电感的第二端用于与等离子体发生器的阳极连接。所述限流电感能够防止等离子体发生器引弧时短路损坏前级整流电路的电子元器件，限制输出电流的剧烈变化。

在一些实施例中，所述等离子体电源还包括假负载，所述假负载耦接在所述滤波电感的第二端和斩波升降压整流电路的输出端负极之间。所述假负载可以稳定直流母线电压，本实施例中所述假负载为电阻。

在一些实施例中，所述等离子体电源还包括引弧保护单元，所述引弧保护单元耦接在滤波电感的第二端和斩波升降压整流电路的输出端负极之间。所述引火保护单元能够在等离子体发生器引弧时防止交流高压脉冲损坏主电路中的电子元器件，在实施等离子体发生器进行高频高压引弧时刻，起到对主电路的保护作用。

在一些实施例中，所述等离子体电源还包括电压传感器，所述电压传感器耦接在滤波电感的第二端和斩波升降压整流电路的输出端负极之间，所述电压传感器的输出端与控制单元的电压信号输入端连接。所述电流传感器用于检测经滤波电感滤波后的直流脉冲的电压，控制单元根据电压传感器的检测结果调节PWM信号中脉冲的占空比，从而实现直流脉冲的电压调节。

在一些实施例中，所述斩波升降压整流电路包括直流支撑电容、充放电电容、隔离二极管、续流二极管、充电储能电感、场效应开关管、输入端正极、输入端负极、输出端正极和输出端负极，所述输入端负极与输出端负极连接，所述场效应开关管的栅极与控制单元的PWM脉冲信号输出端连接，所述场效应开关管的漏极与输入端正极连接，所述场效应开关管的源极经充放电电容与隔离二极管的阳极连接，所述隔离二极管的阴极与输出端正极连接，所述直流支撑电容的第一端与输入端正极连接，所述直流支撑电容的第二端与输入端负极连接，所述充电储能电感的第一端与场效应管的源极连接，所述充电储能电感的第二端与输入端负极连接，所述续流二极管的阳极与输入端负极连接，所述续流二极管的阴极与隔离二极管的阳极连接。本实施例中，场效应开关管为SIC型MOSFET功率模块，由于SIC型MOSFET功率模块耗极低，开关频率可高达200kHZ, 比普通型IGBT开关模块开关频率高出一个数量级，开关损耗极低；由于开关频率的提高，功率密度大大提高，因而可以显著缩小等离子体电源的体积和重量。

如图2所示，以4个并联的Zeta斩波升降压整流电路为例，所述4个并联的Zeta斩波升降压整流电路包括第一直流支撑电容C11、第二直流支撑电容C21、第三直流支撑电容C31、第四直流支撑电容C41、第一充放电电容C12、第二充放电电容C22、第三充放电电容C32、第四充放电电容C42、第一隔离二极管D12、第二隔离二极管D22、第三隔离二极管D32、第四隔离二极管D42、第一续流二极管D11、第二续流二极管D21、第三续流二极管D31、第四续流二极管D41、第一充电储能电感L1、第二充电储能电感L2、第三充电储能电感L3、第四充电储能电感L4、第一场效应开关管Q1、第二场效应开关管Q2、第三场效应开关管Q3、第四场效应开关管Q4、输入端正极、输入端负极、输出端正极和输出端负极。

所述输入端负极与输出端负极连接，所述第一场效应开关管Q1的栅极与控制单元的PWM脉冲信号输出端连接，所述第一场效应开关管Q1的漏极与输入端正极连接，所述第一场效应开关管Q1的源极经第一充放电电容C12与第一隔离二极管D12的阳极连接，所述第一隔离二极管D12的阴极与输出端正极连接，所述第一直流支撑电容C11的第一端与输入端正极连接，所述第一直流支撑电容C11的第二端与输入端负极连接，所述第一充电储能电感L1的第一端与第一场效应管的源极连接，所述第一充电储能电感L1的第二端与输入端负极连接，所述第一续流二极管D11的阳极与输入端负极连接，所述第一续流二极管D11的阴极与第一隔离二极管D12的阳极连接。

所述第二场效应开关管Q2的栅极与控制单元的PWM脉冲信号输出端连接，所述第二场效应开关管Q2的漏极与输入端正极连接，所述第二场效应开关管Q2的源极经第二充放电电容C22与第二隔离二极管D22的阳极连接，所述第二隔离二极管D22的阴极与输出端正极连接，所述第二直流支撑电容C21的第一端与输入端正极连接，所述第二直流支撑电容C21的第二端与输入端负极连接，所述第二充电储能电感L2的第一端与第二场效应管的源极连接，所述第二充电储能电感L2的第二端与输入端负极连接，所述第二续流二极管D21的阳极与输入端负极连接，所述第二续流二极管D21的阴极与第二隔离二极管D22的阳极连接。

所述第三场效应开关管Q3的栅极与控制单元的PWM脉冲信号输出端连接，所述第三场效应开关管Q3的漏极与输入端正极连接，所述第三场效应开关管Q3的源极经第三充放电电容C32与第三隔离二极管D32的阳极连接，所述第三隔离二极管D32的阴极与输出端正极连接，所述第三直流支撑电容C31的第一端与输入端正极连接，所述第三直流支撑电容C31的第二端与输入端负极连接，所述第三充电储能电感L3的第一端与第三场效应管的源极连接，所述第三充电储能电感L3的第二端与输入端负极连接，所述第三续流二极管D31的阳极与输入端负极连接，所述第三续流二极管D31的阴极与第三隔离二极管D32的阳极连接。

所述第四场效应开关管Q4的栅极与控制单元的PWM脉冲信号输出端连接，所述第四场效应开关管Q4的漏极与输入端正极连接，所述第四场效应开关管Q4的源极经第四充放电电容C42与第四隔离二极管D42的阳极连接，所述第四隔离二极管D42的阴极与输出端正极连接，所述第四直流支撑电容C41的第一端与输入端正极连接，所述第四直流支撑电容C41的第二端与输入端负极连接，所述第四充电储能电感L4的第一端与第四场效应管的源极连接，所述第四充电储能电感L4的第二端与输入端负极连接，所述第四续流二极管D41的阳极与输入端负极连接，所述第四续流二极管D41的阴极与第四隔离二极管D42的阳极连接。

所述Zeta斩波升降压整流电路的供电电源由飞行器的蓄电池提供，图2中蓄电池输出DC27V的直流电压。在一些实施例中，所述第一场效应开关管Q1、第二场效应开关管Q2、第三场效应开关管Q3和第四场效应开关管Q4均为SIC型MOSFET功率模块，由于SIC型MOSFET功率模块耗极低，开关频率可高达200kHZ, 比普通型IGBT开关模块开关频率高出一个数量级，开关损耗极低，提高了电源系统整机的效率；由于开关频率的提高，功率密度大大提高，因而可以显著缩小等离子体电源的体积和重量。

如图2所示，在一些实施例中，所述等离子体电源还包括第三电容C3和第四电容C4，所述滤波电感L5的第一端和第三电容C3的第一端均与Zeta斩波升降压整流电路的输出端正极连接，所述第四电容C4的第一端与滤波电感L5的第二端连接，所述第三电容C3的第二端和第四电容C4的第二端均与Zeta斩波升降压整流电路的输出端负极连接。即，这些实施例中滤波电感L5、第三电容C3和第四电容C4组成Π型滤波电路，改善了对Zeta斩波升降压整流电路输出的直流脉冲的滤波效果。

此外，图2中，限流电感L6的第一端与滤波电感L5的第二端连接，所述限流电感L6的第二端用于与等离子体发生器的阳极连接；负载电阻RL作为假负载，所述负载电阻RL的第一端与滤波电感L5的第二端连接，负载电阻RL的第二端与Zeta斩波升降压整流电路的输出端负极连接。引弧保护单元U1的第一端与限流电感L6的第二端连接，所述引弧保护单元U1的第二端与Zeta斩波升降压整流电路的输出端负极连接。耦合变压器的原边绕组的第一端和第二端与引弧单元的高频高压引出端口连接，耦合变压器的副边绕组的第一端与Zeta斩波升降压整流电路的输出端负极连接，耦合变压器的副边绕组的第二端用于与等离子体发生器的阴极连接。耦合变压器的副边绕组的第一端和Zeta斩波升降压整流电路的输出端负极之间串联有电流传感器LEM1，耦合变压器的副边绕组的第一端和限流电感L6的第二端之间串联有电压传感器LEM2。引弧单元的引弧控制端口与控制单元连接，引弧单元的供电电源端口用于与蓄电池连接。

图2所示等离子体电源的工作原理为：控制单元发出的PWM1、PWM2、PWM3和PWM4等四个PWM信号触发第一场效应开关管Q1、第二场效应开关管Q2、第三场效应开关管Q3和第四场效应开关管Q4导通，DC27V输入电源对第一充电储能电感L1、第二充电储能电感L2、第三充电储能电感L3和第四充电储能电感L4储能充电，同时对第一充放电电容C12、第二充放电电容C22、第三充放电电容C32和第四充放电电容C42充电。在第一场效应开关管Q1、第二场效应开关管Q2、第三场效应开关管Q3和第四场效应开关管Q4截止时，对第一充电储能电感L1、第二充电储能电感L2、第三充电储能电感L3和第四充电储能电感L4储存的能量通过第一续流二极管D11、第二续流二极管D21、第三续流二极管D31和第四续流二极管D41放电，分别对第一充放电电容C12、第二充放电电容C22、第三充放电电容C32和第四充放电电容C42反向充电。第一充放电电容C12、第二充放电电容C22、第三充放电电容C32和第四充放电电容C42的电压右正左负，能量通过第一隔离二极管D12、第二隔离二极管D22、第三隔离二极管D32和第四隔离二极管D42后输入滤波电感L5、第三电容C3和第四电容C4组成的Π型滤波电路进行滤波，滤波后得到稳定的可控的直流电源。限流电感L6在电路中起限流缓冲的作用，在等离子体发生器受到高频高压点火引弧后被击穿，等离子体电源输出稳定的可调直流脉冲，在等离子体发生器阳极与阴极之间形成稳定的等离子体弧电流。引弧单元的供电电压为DC27V蓄电池组电压，引弧单元内部产生3kV/50kHZ的高频交流引弧脉冲，为耦合变压器的一次线圈提供单相交流引弧脉冲电压。耦合变压器的电气隔离度交流25kV，变比为1:5，可使得耦合变压器的二次输出电压达到15kV，足以击穿等离子体发生器的阳极与阴极之间的大气介质（等离子体发生器的阳极与阴极的空气间距为3-5mm）。调节PWM信号的占空比，即可调节输出输出电压的大小。电路中，Ud=K*Uin, 其中K为升压倍数，Ud为直流输出电压，Uin为蓄电池端电压，K=D/（1-D），D为占空比，当D=0.5时，Ud=Uin ，当D＜0.5时，Zeta斩波为降压整流，当D＞0.5时，Zeta斩波为升压整流。引弧保护单元U1在高频/高压15kV/50kHZ的点火时，防止交流高压脉冲损坏主电路中的电子元器件，在高频高压引弧时刻，起到对主电路的保护作用。

在一些实施例中，第一场效应开关管Q1、第二场效应开关管Q2、第三场效应开关管Q3、第四场效应开关管Q4的规格为：开关频率100kHz，选用ROHM公司生产的沟槽型SIC功率模块，型号SCT3017AL, 额定电压650V, 额定电流118A,导通电阻17mΩ。第一充电储能电感L1、第二充电储能电感L2、第三充电储能电感L3和第四充电储能电感L4的规格为：电感量10uH, 额定电流100A。第一续流二极管D11、第二续流二极管D21、第三续流二极管D31、第四续流二极管D41的规格为：选用高速二极管，额定电流118A, 额定电压650V。第一充放电电容C12、第二充放电电容C22、第三充放电电容C32、第四充放电电容C42的规格为：选用薄膜型电容器，容量1uF, 电压600V。滤波电感L5的规格为：设计电感量10uH， 额定电流35A。第三电容C3的规格为: 选用薄膜型电容器，容量40uF, 电压600V。限流电感L6的规格为:设计电感量100uH， 额定电流35A。等离子点火电源额定输出3600W, 额定输出弧电流30A,额定输出弧电压DC120V, 且可击穿间距为5mm的等离子体发生器的电极。

在一些实施例中，所述控制单元包括数字可编程FPGA模块、引弧隔离电路、多个PWM触发驱动脉冲电路、第一A/D转换模块和电源电路，所述PWM触发驱动脉冲电路的数量、数字可编程FPGA模块的PWM脉冲信号输出端数量和斩波升降压整流电路的数量均相同。

所述引弧隔离电路耦接在数字可编程FPGA模块的引弧控制信号输出端和引弧单元的控制端之间。所述引弧隔离电路的作用主要为：在数字可编程FPGA模块接到点火指令后，数字可编程FPGA模块经过信号处理和计算，下发引弧点火信号给引弧单元，通过引弧隔离电路实现电气隔离，并将隔离后的引弧点火信号发送给引弧单元，启动引弧单元工作，实现高压引弧点火。

所述多个PWM触发驱动脉冲电路的输入端与所述数字可编程FPGA模块的多个PWM脉冲信号输出端一一对应连接，所述多个PWM触发驱动脉冲电路的输出端与所述多个并联的斩波升降压整流电路的控制端一一对应连接。PWM触发驱动脉冲电路主要是将数字可编程FPGA模块发出的PWM信号进行隔离和功率放大，经PWM触发驱动脉冲电路处理后的PWM信号用于驱动对应斩波升降压整流电路产生直流脉冲。

所述第一A/D转换模块的输入端与电流传感器的输出端连接，所述第一A/D转换模块的输出端与数字可编程FPGA模块的电流信号输入端连接。

所述电源电路的输入端用于与所述蓄电池的输出端连接，所述电源电路的第一输出端与PWM触发驱动脉冲单元和引弧隔离电路的电源端连接，所述电源电路的第二输出端与所述数字可编程FPGA模块的电源端连接。

在一些实施例中，所述控制单元还包括通信隔离电路，所述通信隔离电路的一端与数字可编程FPGA模块的通信端连接，所述通信隔离电路的另一端用于飞行器的控制系统连接。所述通信隔离电路主要用于实现数字可编程FPGA模块和飞行器的控制系统之间的电气隔离。

本实施例中引弧隔离电路为光电隔离器，所述通信隔离电路为光电隔离器。

举例，如图3所示，所述控制单元包括数字可编程FPGA模块（可编程控制器）、第一DC/DC电源模块、第二DC/DC电源模块、第一光电隔离模块、第二光电隔离模块、第三光电隔离模块、第四光电隔离模块、第五光电隔离模块、第一A/D转换模块、第二A/D转换模块、第一PWM触发驱动脉冲单元、第二PWM触发驱动脉冲单元、第三PWM触发驱动脉冲单元和第四PWM触发驱动脉冲单元，其中，第一DC/DC电源模块和第二DC/DC电源模块组成电源电路，第一光电隔离模块、第二光电隔离模块、第三光电隔离模块和第四光电隔离模块组成通信隔离电路，第五光电隔离模块作为引弧隔离电路，第一PWM触发驱动脉冲单元、第二PWM触发驱动脉冲单元、第三PWM触发驱动脉冲单元和第四PWM触发驱动脉冲单元组成PWM触发驱动脉冲电路。

所述第一DC/DC电源模块的输入端用于与蓄电池连接，第一DC/DC电源模块的输出端与第二DC/DC电源模块的输入端、第一PWM触发驱动脉冲单元的电源端、第二PWM触发驱动脉冲单元的电源端、第三PWM触发驱动脉冲单元的电源端、第四PWM触发驱动脉冲单元和第五光电隔离模块的电源端连接。所述第二DC/DC电源模块的输出端与FPGA的电源端连接。第一DC/DC电源模块将输入的DC27V电压转换为DC24V电压，并实现电气隔离，电气隔离度 ≥AC2500V。第一DC/DC电源模块的输入电压范围：+15V—+40V, 输出DC24V ± 1V,为相关模块提供DC24V工作电源。第二DC/DC电源模块主要是将第一DC/DC电源模块输出的DC24V电压转换为FPGA工作所需要的3.3V电压，线性精度优于0.001%。

所述第一光电隔离模块耦接在飞行器的控制器系统的控制指令输出端和数字可编程FPGA模块的控制指令输入端之间；所述第二光电隔离模块耦接在飞行器的控制系统的保护信号输入端和数字可编程FPGA模块的保护信号输出端之间；所述第三光电隔离模块耦接在飞行器的控制系统的复位信号输出端和数字可编程FPGA模块的复位信号输入端之间；所述第四光电隔离模块耦接在飞行器的控制系统的通信端和数字可编程FPGA模块的通信端之间。第一光电隔离模块的作用主要为：将飞行器的控制系统发出的控制指令信号通过第一光电隔离模块实现电气隔离，并将该指令信号发送给数字可编程FPGA模块，数字可编程FPGA模块接收到该信号后生成并输出引弧点火信号。第二光电隔离模块的作用主要为：将等离子电源的故障保护信号通过第二光电隔离模块实现电气隔离，并将隔离后保护信号传送到飞行器的控制系统，以便飞行控的制系统进行分析处理，实现故障保护连锁。第三光电隔离模块的作用主要为：在飞行器的控制系统检测到等离子电源故障的情况下，经过故障保护代码处理后，发出故障保护复位信号，通过第三光电隔离模块实现电气隔离，并将隔离后的复位信号发送给数字可编程FPGA模块，数字可编程FPGA模块接收到该信号后立即进行故障保护复位。第四光电隔离模块的作用主要为：实现数字可编程FPGA模块与飞行器的控制系统通信时的电气隔离。

所述第一A/D转换模块的输入端与电流传感器的输出端连接，第二A/D转换模块的输入端与电压传感器的输出端连接，第一A/D转换模块的输出端与FPGA的电流信号输入端连接，第二A/D转换模块的输出端均与FPGA的电压信号输入端连接。第一A/D转换模块接收电流传感器发出的电流信号，并将电流信号由模拟信号转换为数字电流反馈控制信号，A/D采样转换精度优于14位半；第二A/D转换模块接收电压传感器发出的电压信号，并将电压信号由模拟信号转换为数字电压反馈控制信号，A/D采样转换精度优于14位半。

所述数字可编程FPGA模块用于完成所有控制信号的逻辑处理与算法控制、PWM脉冲移相控制等，电路设计100M运算速率，整个程序循环周期时间优于10uS。

所述第一PWM触发驱动脉冲单元耦接在数字可编程FPGA模块的第一PWM信号输出端和第一斩波升降压整流电路的场效应管的栅极之间，所述第二PWM触发驱动脉冲单元耦接在数字可编程FPGA模块的第二PWM信号输出端和第二斩波升降压整流电路的场效应管的栅极之间，所述第三PWM触发驱动脉冲单元耦接在数字可编程FPGA模块的第三PWM信号输出端和第三斩波升降压整流电路的场效应管的栅极之间，所述第四PWM触发驱动脉冲单元耦接在数字可编程FPGA模块的第四PWM信号输出端和第四斩波升降压整流电路的场效应管的栅极之间。第一PWM触发驱动脉冲单元、第二PWM触发驱动脉冲单元、第三PWM触发驱动脉冲单元和第四PWM触发驱动脉冲单元主要是将FPGA发出的PWM1脉冲信号、PWM2脉冲信号、PWM3脉冲信号和PWM4脉冲信号进行隔离或功率放大。

所述第五光电隔离模块耦接在数字可编程FPGA模块的引弧控制信号输出端和引弧单元的控制端之间。所述第五光电隔离模块的作用主要为实现电气隔离。

4倍频的移相Zeta斩波整流PWM脉冲输出控制信号时序图如图4所示。由图4可见，控制单元输出的4路PWM信号依次移相90度电角度，可使得主电路整流后得到4倍频的整流。飞行器变轨工作时序指令信号与等离子电源工作时序信号图如图5所示。

本发明的飞行器空中变轨所需推力由等离子体电源和等离子体发生器两个部分组成，而等离子体发生器由安装在飞行器上的等离子体电源提供动力源。不仅具有体积小，重量轻，功率密度大的显著特点，而且具有控制响应速度快的特点，为高超音速飞行器空中变轨提供了切实可行的推力解决方案。

飞行器依据飞行器控制系统的控制指令及运行轨迹的要求发出变轨或飞行姿态点火控制指令，启动等离子体电源工作，等离子体电源向等离子体发生器提供动力源，在等离子体发生器的阳极与阴极之间形成高功率脉冲电弧等离子体，从而产生强大的推力驱动飞行器变轨或改变运行姿态。当飞行器进入预定的轨道或完成姿态改变后，等离子电源受飞行器的指令控制，停止等离子电源工作，等待下一次点火飞行控制指令，再次启动变轨推射等离子体电源系统工作。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于航天航空飞行器空中变轨推射等离子体电源，其特征在于，包括：

电源输入端，用于与飞行器的蓄电池的输出端连接；

电源输出端，所述电源输出端的正极用于与飞行器的等离子体发生器的阳极连接，所述电源输出端的负极用于与所述等离子体发生器的阴极连接；

多个并联的斩波升降压整流电路，所述斩波升降压整流电路的输入端与所述电源输入端连接；

滤波电感，所述滤波电感的第一端与所述斩波升降压整流电路的输出端正极连接，所述滤波电感的第二端与所述电源输出端的正极连接；

耦合变压器，所述耦合变压器的副边绕组耦接在所述斩波升降压整流电路的输出端负极和所述电源输出端的负极连接之间；

引弧单元，所述引弧单元的输入端与所述电源输入端连接，所述引弧单元的输出端耦接至所述耦合变压器的原边绕组；

电流传感器，所述电流传感器耦接在所述耦合变压器的副边绕组和所述斩波升降压整流电路的输出端负极之间；

控制单元，所述控制单元的电流信号输入端与所述电流传感器的输出端连接，所述控制单元的PWM脉冲信号输出端的数量与斩波升降压整流电路的数量相同，各PWM脉冲信号输出端与各斩波升降压整流电路的控制端分别一一对应连接，所述控制单元的引弧控制信号输出端与所述引弧单元的控制端连接；

其中，所述控制单元用于在接收到点火指令后输出引弧点火信号给所述引弧单元，以便所述引弧单元输出交流引弧脉冲；所述控制单元还用于在所述电流传感器检测到弧电流时输出引弧关闭信号给所述引弧单元，以便所述引弧单元停止输出交流引弧脉冲；所述控制单元还用于输出多个依次相移同电角度的PWM信号给所述多个并联的斩波升降压整流电路，以便所述斩波升降压整流电路输出直流脉冲。

2.根据权利要求1所述的一种基于航天航空飞行器空中变轨推射等离子体电源，其特征在于，所述等离子体电源还包括限流电感，所述限流电感耦接在所述滤波电感的第二端和所述等离子体发生器的阳极之间。

3.根据权利要求1所述的一种基于航天航空飞行器空中变轨推射等离子体电源，其特征在于，所述等离子体电源还包括假负载，所述假负载耦接在所述滤波电感的第二端和斩波升降压整流电路的输出端负极之间。

4.根据权利要求1所述的一种基于航天航空飞行器空中变轨推射等离子体电源，其特征在于，所述等离子体电源还包括引弧保护单元，所述引弧保护单元耦接在滤波电感的第二端和斩波升降压整流电路的输出端负极之间。

5.根据权利要求1所述的一种基于航天航空飞行器空中变轨推射等离子体电源，其特征在于，所述斩波升降压整流电路包括直流支撑电容、充放电电容、隔离二极管、续流二极管、充电储能电感、场效应开关管、输入端正极、输入端负极、输出端正极和输出端负极，所述输入端负极与输出端负极连接，所述场效应开关管的栅极与控制单元的PWM脉冲信号输出端连接，所述场效应开关管的漏极与输入端正极连接，所述场效应开关管的源极经充放电电容与隔离二极管的阳极连接，所述隔离二极管的阴极与输出端正极连接，所述直流支撑电容的第一端与输入端正极连接，所述直流支撑电容的第二端与输入端负极连接，所述充电储能电感的第一端与场效应管的源极连接，所述充电储能电感的第二端与输入端负极连接，所述续流二极管的阳极与输入端负极连接，所述续流二极管的阴极与隔离二极管的阳极连接。

6.根据权利要求5所述的一种基于航天航空飞行器空中变轨推射等离子体电源，其特征在于，所述场效应开关管为SIC型MOSFET功率模块。

7.根据权利要求1所述的一种基于航天航空飞行器空中变轨推射等离子体电源，其特征在于，所述等离子体电源还包括第三电容和第四电容，所述第三电容耦接在滤波电感的第一端和斩波升降压整流电路的输出端负极之间，所述第四电容耦接在滤波电感的第二端和斩波升降压整流电路的输出端负极之间。

8.根据权利要求1所述的一种基于航天航空飞行器空中变轨推射等离子体电源，其特征在于，所述控制单元包括数字可编程FPGA模块、引弧隔离电路、多个PWM触发驱动脉冲电路、第一A/D转换模块和电源电路；

所述引弧隔离电路的输入端与所述数字可编程FPGA模块的引弧控制信号输出端连接，所述引弧隔离电路的输出端与所述引弧单元的控制端连接；

所述数字可编程FPGA模块的各个PWM脉冲信号输出端与对应的斩波升降压整流电路的控制端之间耦接有一个PWM触发驱动脉冲电路；

所述第一A/D转换模块的输入端与电流传感器的输出端连接，所述第一A/D转换模块的输出端与数字可编程FPGA模块的电流信号输入端连接；

所述电源电路的输入端用于与所述蓄电池的输出端连接，所述电源电路的第一输出端与PWM触发驱动脉冲单元和引弧隔离电路的电源端连接，所述电源电路的第二输出端与所述数字可编程FPGA模块的电源端连接。

9.根据权利要求8所述的一种基于航天航空飞行器空中变轨推射等离子体电源，其特征在于，所述控制单元还包括通信隔离电路，所述通信隔离电路的一端与数字可编程FPGA模块的通信端连接，所述通信隔离电路的另一端用于飞行器的控制系统连接。

10.根据权利要求9所述的一种基于航天航空飞行器空中变轨推射等离子体电源，其特征在于，所述斩波升降压整流电路为Zeta斩波升降压整流电路。

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