新型通用于电推进系统的电源模块和电推进系统的制作方法

1.本技术涉及电推力器技术领域，具体而言，涉及一种新型通用于电推进系统的电源模块和电推进系统。


背景技术：

2.电推力器是利用电能加热或电离推进剂加速喷射而产生推力的一种反作用式推力器。它与电源子系统、电源变换器和控制子系统、推进剂储存和输送子系统组成一体，可成为航天器的电推进系统。电推力器是电推进系统的核心子系统。根据加速原理的不同，电推进系统大致可分为以下三种：电热式、电磁式和静电式。电热式推进系统主要包括：电阻加热式推力器、电弧推力器和太阳热等离子体推力器，电磁式推力器主要包括：脉冲等离子体推力器、稳态等离子体推力器、阳极层推力器、变比冲等离子体推力器、磁等离子体推力器以及脉冲感应推力器。静电式推力器主要包括：离子式推力器、胶质离子推力器、场效应发射离子推力器以及盘旋共振加速离子推力器等。而一个完整的电推进系统包括如下功能单元：
3.1)电源和控制单元
‑‑‑
电源和控制单元为电推力器的控制部分和功率电源输出部分。
4.2)贮箱
‑‑‑
贮箱用于工质存储。
5.3)压力调节模块
‑‑‑
压力调节模块用于将贮箱里的高压气体转换为工作压力的气体，并输出到推力器。
6.4)推力器。
7.其中，电推进系统将朝着多工作模式、高电压大功率和组件模块化、通用化的趋势开展。标准化的电推进组件和系统的设计，有利于产品的标准化和型谱化，最终提高电推进系统设计的灵活性和产品的可靠性，促进电推进技术的开展。
8.此外，电推力器实现高比冲大推力需要高电压大功率电源的支撑，高电压大功率的需求对电源拓扑构造设计、电路保护、效率优化、高压大功率器件提出了需求。
9.现有技术中，极少有对电推进系统的电源模块进行标准化设计的电路，缺乏对推进系统的可靠性和电路的抗单粒子防护的保障能力。


技术实现要素：

10.本技术的主要目的在于提供一种新型通用于电推进系统的电源模块和电推进系统，以解决目前的问题。
11.为了实现上述目的，本技术提供了如下技术：
12.本技术第一方面提供一种新型通用于电推进系统的电源模块，包括电连接的隔离电源模块和电源芯片，还包括滤波电路、电源控制电路、功率电路和点火电路，其中：
13.所述电推进系统的输入电压经过所述滤波电路进行抗浪涌滤波处理，得到滤波电压后，并联输送至所述隔离电源模块和所述功率电路；
14.所述电源芯片向所述电源控制电路发出控制信号，所述电源控制电路接收所述控制信号并进行信号通信，实现数据运算控制；
15.所述功率电路对从所述滤波电路输入的滤波电压进行升压变换，得到推进器所需的点火电压；
16.所述点火电路根据所述点火电压控制所述推进器的点火。
17.作为本技术的一种可选实施方案，可选地，所述滤波电路，包括：
18.emi滤波器，用于对总线上的干扰传递信号进行抑制和对传向总线的骚扰信号进行衰减；
19.所述emi滤波器设于所述滤波电路的输入端处。
20.作为本技术的一种可选实施方案，可选地，所述emi滤波器，包括：
21.共模滤波器，用于抑制所述总线输入电压的共模干扰，包括：共模扼流圈 l1和电容y，所述共模扼流圈l1与所述电容y串接在所述总线上；
22.差模滤波器，用于抑制所述总线输入电压的差模干扰，包括：差模电感l2和电容x，所述l2和电容x并接在所述总线上，且所述电容y和所述电容x串接。
23.作为本技术的一种可选实施方案，可选地，所述电源控制电路，包括供电电路，用于供电；所述供电电路包括：
24.供电模块，与电推进系统的内总线串接，用于提供 28v供电；
25.限流电路，串接在内总线和所述供电模块之间，用于限流控制。
26.作为本技术的一种可选实施方案，可选地，所述电源控制电路，还包括数据处理电路，用于计算采集量；所述数据处理电路，包括：
27.多路选通开关；
28.运放；
29.ad芯片；
30.第一电平转换芯片；
31.cpu芯片；
32.rs422总线；其中，
33.所述多路选通开关，用于根据模拟量采集类型，选择与所述模拟量采集类型相匹配的电路开关；
34.所述rs422总线，用于与整星进行通信；
35.所述多路选通开关、运放、ad芯片、电平转换芯片、cpu芯片和rs422 总线依次串接在所述内总线中。
36.作为本技术的一种可选实施方案，可选地，所述电源控制电路，还包括功率基准计算电路，用于计算并输出功率电路的阳极基准值和阴极基准值，包括：
37.第二电平转换芯片；
38.da芯片；
39.恒流源运放芯片；
40.恒流源三极管；其中，
41.所述第二电平转换芯片、da芯片、恒流源运放芯片和恒流源三极管依次串接在所述内总线中。
42.作为本技术的一种可选实施方案，可选地，所述电源控制电路，还包括：
43.看门狗芯片；
44.所述看门狗芯片串接所述cpu芯片，避免程序跑飞。
45.作为本技术的一种可选实施方案，可选地，所述功率电路，包括：
46.调压电路，用于通过buck变换器调整初级电压 28v；
47.隔离谐振电路，用于通过llc谐振变换器实现功率隔离以及母线电压到功率电压的升压变换，输出电压200～320v；
48.fu电路，用于电路保护；
49.所述调压电路、隔离谐振电路和fu电路依次串接。
50.本技术第二方面提供一种电推进系统，包括第一方面所述的新型通用于电推进系统的电源模块。
51.与现有技术相比较，本技术能够带来如下技术效果：
52.1、基于本实施例的实施，本技术提供的电源模块，设计了新型的电源模块电路，其电源和控制单元的电源输入端保险丝并联冗余、滤波电容串联冗余，保证电源和控制单元的供电安全、可靠、稳定。电源模块控制接口电路采用 vf变换实现模拟量的隔离传输，隔离采用变压器，保证高压的可靠性，并提高了电路的抗单粒子防护能力。
53.2、各个电路考虑到功率需求与输入电压的范围，隔离谐振电路采用全桥拓扑，来降低流过mos管的电流，从而降低导通损耗。
附图说明
54.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，使得本技术的其它特征、目的和优点变得更明显。本技术的示意性实施例附图及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
55.图1是本实用新型电源模块的电路模块示意图；
56.图2是本实用新型滤波电路的电路结构示意图；
57.图3是本实用新型电源控制电路的电路结构示意图；
58.图4是本实用新型点火电路的电路结构示意图；
59.图5是本实用新型引弧电路t1示意图。
具体实施方式
60.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中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技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本技术保护的范围。
61.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的
过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
62.在本技术中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本技术及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
63.并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本技术中的具体含义。
64.另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。
65.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
66.实施例1
67.本实施例，主要对电推进系统的电源模块进行电路设计，对拓扑构造设计、电路保护提出了新型设计要求。各个应用电子元件或者芯片的型号和规格，可以由用户根据功率要求进行选择、使用，本实施例不作限定。
68.如图1所示，本技术第一方面提供一种新型通用于电推进系统的电源模块，包括电连接的隔离电源模块和电源芯片，还包括滤波电路、电源控制电路、功率电路和点火电路，其中：
69.所述电推进系统的输入电压经过所述滤波电路进行抗浪涌滤波处理，得到滤波电压后，并联输送至所述隔离电源模块和所述功率电路；
70.所述电源芯片向所述电源控制电路发出控制信号，所述电源控制电路接收所述控制信号并进行信号通信，实现数据运算控制；
71.所述功率电路对从所述滤波电路输入的滤波电压进行升压变换，得到推进器所需的点火电压；
72.所述点火电路根据所述点火电压控制所述推进器的点火。
73.如图1所示的电源模块的电路构成结构，此处主要是对推进器的点火电压进行控制。电源模块1仅仅是电推进系统中的其中一个电源模块，其他推进器的应用电源模块本实施例不进行限定和描述。
74.电源模块除了隔离电源模块和电源芯片，还包含滤波电路、电源控制电路、功率电路和点火电路。其中，辅助电源功率较小，因此提供多路的隔离控制电源，采用单端反激拓扑，控制芯片采用uc1844。
75.本实施例，推进系统内总线输送至推力器的点火初始电压值为28v，通过滤波电路进行滤波处理后，输入电压将并联输送至电源芯片进行电路控制以及输送至点火器而用于推进器的点火(本实施例采用高压引弧点火方式)。
76.下面将具体描述电源模块的设计电路。
77.输入电压不稳定，需要进行滤波处理。本实施例，采用具有抗浪涌功能的 emi滤波电路进行滤波处理。
78.如图2所示，作为本技术的一种可选实施方案，可选地，所述滤波电路，包括：
79.emi滤波器，用于对总线上的干扰传递信号进行抑制和对传向总线的骚扰信号进行衰减；
80.所述emi滤波器设于所述滤波电路的输入端处。
81.作为本技术的一种可选实施方案，可选地，所述emi滤波器，包括：
82.共模滤波器，用于抑制所述总线输入电压的共模干扰，包括：共模扼流圈 l1和电容y，所述共模扼流圈l1与所述电容y串接在所述总线上；
83.差模滤波器，用于抑制所述总线输入电压的差模干扰，包括：差模电感 l2和电容x，所述l2和电容x并接在所述总线上，且所述电容y和所述电容x串接。
84.结合附图2所示的电路，共模滤波器和差模滤波器的应用电子元件的连接方式具体见图所示，本实施例不再进行描述。其中，l1为共模扼流圈，c1和c2为y电容，三个元件构成了共模滤波器，抑制了共模干扰。c3和c4为x 自愈薄膜电容，l2为差模电感，三个元件构成了差模滤波器，抑制了差模干扰。以上构成了整个单机的emi滤波器。当emi滤波器被安装在整台单机中时，既能有效抑制单机外部的干扰传递信号传入设备，又能大大衰减单机本身工作时产生的传向母线的骚扰信号，从而使得单机满足电磁兼容标准。
85.如图3所示，本实施例对电源控制电路进行了设计。
86.作为本技术的一种可选实施方案，可选地，所述电源控制电路，包括供电电路，用于供电；所述供电电路包括：
87.供电模块，与电推进系统的内总线串接，用于提供 28v供电；
88.限流电路，串接在内总线和所述供电模块之间，用于限流控制。
89.本实施例主要为压力传感器等采集电路进行供电，采用一限流电路 (rv- 28v)从内总线上接电，限速为采集电路供应 28的电压。限流电路本实施例不作限定。
90.本实施例，通过电源控制电路对多路采集数据进行运放计算，主要对压力传感器信号和热敏电阻信号进行运放处理，并将处理结果通过内总线发送至电推进系统。作为本技术的一种可选实施方案，可选地，所述电源控制电路，还包括数据处理电路，用于计算采集量；所述数据处理电路，包括：
91.多路选通开关；
92.运放；
93.ad芯片；
94.第一电平转换芯片；
95.cpu芯片；
96.rs422总线；其中，
97.所述多路选通开关，用于根据模拟量采集类型，选择与所述模拟量采集类型相匹配的电路开关；
98.所述rs422总线，用于与整星进行通信；
99.所述多路选通开关、运放、ad芯片、电平转换芯片、cpu芯片和rs422 总线依次串接在所述内总线中。
100.如图3所示，采集设备如压力传感器和热敏电阻，采集到数据后，通过多路选通开关，选择一类数据进行运放计算。比如通过压传(压力传感器)采集电路采集压力模拟量，多路选通开关根据压力模拟量确定电路通断的电路开关 (提前配置对应关系即可)，其后采
集信号将以此通过运放、ad芯片、电平转换芯片、cpu芯片进行计算，最后通过rs422总线与整星所在的内总线进行通信，将计算数据进行上报。本实施例，具体选择采集3路压力传感器信号、采集3路热敏电阻信号；采集功率部分输入电压/电流遥测数据，功率部分内部各功能模块输出电压/电流遥测数据等其他采集量，同样如此进行计算，本实施例不再赘述。
101.作为本技术的一种可选实施方案，可选地，所述电源控制电路，还包括功率基准计算电路，用于计算并输出功率电路的阳极基准值和阴极基准值，包括：
102.第二电平转换芯片；
103.da芯片；
104.恒流源运放芯片；
105.恒流源三极管；其中，
106.所述第二电平转换芯片、da芯片、恒流源运放芯片和恒流源三极管依次串接在所述内总线中。
107.本实施例，输入至功率电路的输入电压至需要通过地面注入数据而给定基准值。因此，电源控制电路中提供功率部分2路(阳极和阴极)的给定基准值，具体数值由地面注入。
108.注入数据经过cpu芯片计算，依次通过第二电平转换芯片、da芯片、恒流源运放芯片和恒流源三极管进行运放处理，最后通过内总线进行上报。如图3所示，在经过恒流源输出时，将会输出阴极基准和阳极基准两组用于功率电路的给定基准值。
109.本实施例，为了稳定cpu的运行程序，避免程序跑飞。作为本技术的一种可选实施方案，可选地，所述电源控制电路，还包括：
110.看门狗芯片；
111.所述看门狗芯片串接所述cpu芯片，避免程序跑飞。
112.本实施例，上述各个芯片的具体选择型号等，可以由用户确定。本实施例优选如下芯片：cpu芯片(atmegas128)，多路选通开关(jc4067)、运放 (op07a)、ad芯片(ad976asd)，rs422总线接口电路(ds26lv31aw-qml、ds26lv32w-qml)，电平转换芯片(b54acs164245)，da芯片 (tlv5638mfkb)、恒流源运放(f158)，恒流源三极管(jantxv2n3501ub)，看门狗芯片(max706mja)。
113.点火电压需要高压，采用功率电路输出电压200～320v，通过buck调整初级电压，再通过llc电路的变压器升压输出，变压器辅边采用桥式整流后接滤波电容后输出。
114.作为本技术的一种可选实施方案，可选地，所述功率电路，包括：
115.调压电路，用于通过buck变换器调整初级电压 28v；
116.隔离谐振电路，用于通过llc谐振变换器实现功率隔离以及母线电压到功率电压的升压变换，输出电压200～320v；
117.fu电路，用于电路保护；
118.所述调压电路、隔离谐振电路和fu电路依次串接。
119.如图4所示，功率电路拓扑采用buck llc电路拓扑结构，因负载特性的影响，在隔离式llc变换器后级增加了fu电路。具体实施上，功率电路主要包括buck变换器、llc谐振变换器和熔断保护器等。其中，功率电路输出电压200～320v，通过buck调整初级电压，再通过llc电路的变压器升压输出，变压器辅边采用桥式整流后接滤波电容后输出。
120.buck电路放置于前级，mos管的开关应力与输入母线相关，从而可以选用100v的功率mos管即可满足降额设计要求，方便了元器件选型。
121.llc谐振变换器接在buck变换器之后，通过变换器实现了原变压器辅边的功率隔离，并且实现了母线电压到功率电压的升压变换。llc谐振变换器实现四个桥臂功率开关管的zvs和变压器边整流二极管的zcs，提高电源转换效率。对于不同的一次母线，通过合理设计变压器绕组，可适应多种一次母线平台。
122.因考虑到功率需求与输入电压的范围，隔离谐振电路采用全桥拓扑，来降低流过mos管的电流，从而降低导通损耗。
123.如图5所示，功率电路维持推进器点火所需的点火电压。本实施例采用单端式高压变换拓扑的电弧维持电路维持电压va。电源模块具有输出电流检测功能，发现若未引弧成功或工作中电弧熄灭，自动重新启动引弧电路t1。点火电路通过高压引弧的手段为常规技术手段，本实施例不再赘述。
124.实施例2
125.本技术第二方面提供一种电推进系统，包括第一方面所述的新型通用于电推进系统的电源模块。
126.本实施例采用的电推进系统将采用实施例1所提供的新型电源模块，使得电源模块控制接口电路采用vf变换实现模拟量的隔离传输，隔离采用变压器，保证高压的可靠性，并提高了电路的抗单粒子防护能力。
127.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。