张保平，阮新波，高 波，武 荣，陈昶文，张欣怡

（1.南京航空航天大学自动化学院，南京 210016；2.兰州空间技术物理研究所，兰州 730000）

宇航电推进技术是一种将航天器电能转化为动能的动力技术，其工作原理是，推力器将气体工质电离，并通过高压电场将离子加速喷出而产生推力。前苏联在1962 年进行了世界上首次电推进系统（Kaufman 型离子电推进）空间飞行验证，经过半个多世纪的发展，国际上已有约270 颗高轨卫星应用电推进技术，另有约1 700 颗“星链”卫星星座应用商业化电推进技术。我国最早于1974 年开始空间电推进技术研究，2012 年实践9 号A 星完成了我国电推进首次在轨飞行验证，2019 年5 kW 级多模式大功率电推进首次在轨应用，2020 年1 kW 级离子电推进系统正式实现商业卫星应用[1]。电推进技术具有高比冲、长寿命和高精度推力调节等技术优势，已经成为航天器发展不可或缺的追求目标。

随着电推进技术的不断发展和空间应用的不断深入，电推进可执行的空间任务不断扩展，由最初的仅执行位置保持已经逐步扩展至执行部分甚至全部轨道转移和深空探测主推进等任务。同时，在日益增长的空间任务需求牵引下，国内外电推进技术均呈现出“百花齐放、百家争鸣”的发展态势，各种新型电推进不断涌现，电推进可应用的领域也不断拓展，推动了传统化学推进难以甚至无法完成的新型空间任务的提出和实现。

目前，宇航电推进技术的两个主流方向为离子电推进技术和霍尔电推进技术。其中离子电推进利用直流轰击、射频和微波等方式电离工质产生等离子体，并在高压静电场作用下将离子加速喷出进而产生推力，是当前比冲效率较高的电推进类型；霍尔电推进利用电子在放电室中的螺旋运动电离工质产生等离子体，在阳极电场和洛仑磁力作用下实现等离子体高速喷出进而产生推力，是一款推功比较高的电推进类型。

电推进系统主要由推力器、电源处理单元PPU（power processing unit）和贮供单元XFS（xenon feed system）等部分组成。PPU 是系统的关键单机之一，核心功能是将航天器一次供电转换为推力器工作所需的各类电源，包括高压直流源、恒流源和脉冲高压源等，其技术发展对电推进技术的可靠应用具有重要影响。

本文系统阐述了中等功率（10 kW 以下）离子电推进与霍尔电推进的PPU 技术发展现状，并对不同PPU 技术方案在实际应用中的通用性与局限性进行了对比分析，结合我国电推进系统PPU 的应用背景，介绍了目前PPU 技术发展面临的高变换效率、高功率密度和长寿命高压绝缘防护等问题的解决途径，最后归纳讨论了电推进PPU 技术发展面临的共性问题以及发展的挑战与趋势。

1 PPU 产品概述

1.1 离子电推进PPU

离子电推进技术作为目前主流的空间电推进技术之一，得益于推力器特殊的栅极结构和PPU高压电源的共同作用，实现了高比冲和高效率等核心关键指标，同时通过PPU 电源参数和贮供供气参数的精密调节使其具备输出推力可宽范围精确调节的优势，在目前航天器的位保和变轨任务中得到了广泛应用。图1 为离子电推进系统PPU 供电结构示意，主要包括10 个功能电源输出，即：阴极加热电源（4～8 A）、阴极触持极电源（0.4～0.8 A）、阴极点火电源（脉冲800～1 200 V）、阳极电源（也称放电室电源，3～30 A）、励磁电源（按需）、中和器阴极加热电源（4～8 A）、中和器触持极电源（1～2 A）、中和器阴极点火电源（脉冲800～1 200 V）、加速电源（-500～-150 V）和屏栅电源（也称束电源，1 000～2 000 V），其中加热电源与点火电源仅在推力器点火初期工作，工作时间约为3～10 min，其余电源根据推进任务需求时间长期工作。

图1 一般离子电推进系统PPU 供电示意Fig.1 Schematic of PPU power supply for general ion electric propulsion system

根据不同种类离子推力器的供电要求，PPU 的各功能电源配置也有细微差别，如射频离子推力器还需配备对应的射频电源。但离子推力器的PPU必须具有中和器加热、触持与点火电源，阳极电源，阴极加热、触持点火电源、加速电源和屏栅电源。屏栅电源输出功率占总功率的80%以上，且由于推力器的供电需求，阳极电源、阴极加热、触持点火电源均浮置于屏栅高压电源之上，这增加了PPU 供电设计和高压绝缘防护的复杂性，也是离子电推进系统PPU 设计的难点之一。另外，PPU 还需具备以下功能：

（1）具备与航天器的通信接口（一般采用1553B或RS422 通信总线），接受航天器各类工作指令；

（2）供电输入浪涌保护和输入隔离保护功能，防止PPU 故障扩散对航天器造成不利影响；

（3）各路电源输出控制功能；

（4）具备输入与输出各路电源电压、电流的实施遥测采集功能，以及相关工作状态的回馈；

（5）具备故障监测与故障处理功能，根据预定故障流程进行故障响应与处理；

（6）根据系统配置需求，具备输出电源的冗余备份切换功能；

（7）根据离子推力器的特殊性，还应具备相应的电源互锁功能与栅极闪烁保护功能等。

1.2 霍尔电推进PPU

霍尔电推进PPU 供电示意如图2 所示。相对于离子电推进系统，霍尔推力器结构简单，所需供电需求一般仅为阴极加热电源（4～8 A，根据不同的阴极材料确定）、触持电源（0.6～1.6 A）与点火电源（300～1 000 V,脉冲或直流均可）、励磁电源（按需）和阳极电源（200～800 V，根据不同推力器功率等级确定），且长期工作中一般只有阳极电源开机。由于主功率阳极电源电压相对较低，因此产品高压绝缘防护难度较低。供电结构简单，其系统应用成本也相对较低，这也是近年来霍尔电推进在国内外得到广泛应用的主要原因之一，尤其在商业航天领域。

图2 一般霍尔电推进系统PPU 供电示意Fig.2 Schematic of PPU power supply for general Hall electric propulsion system

与离子电推进PPU 不同，霍尔电推进PPU 的90%的输出功率由阳极电源承担，其主要难点在于如何抑制与推力器匹配产生的阳极电流振荡问题。在工作过程中，通过实验观察到大范围的阳极电流自发振荡[2]，振荡频率在1～100 kHz 之间，相对于等离子体的数兆赫兹的高频振荡，称之为低频振荡。低频振荡幅值比较大，会对航天器的电源产生不良影响，并且降低推力器的效率和比冲，甚至会导致发动机熄火[3]。国际上许多霍尔推力器研究单位都对阳极低频振荡开展了实验和数值模拟研究，俄罗斯科学家从20 世纪70 年代起对很大频率范围内的振荡做了全面系统的工作[4-6]。因此，一般在霍尔电推进PPU 输出端与推力器之间专门配置了相应的滤波单元FU（filter unit）。

2 PPU 国内外发展现状

2.1 国外发展情况

目前，美国电推进系统以离子电推进系统为主，已在轨应用的有NSTAR 离子电推进系统（2001年搭载深空1 号）、NEXT-40 离子电推进系统和XIPS 系列离子电推进系统。欧洲电推进技术则以霍尔电推进为主，也有少部分航天器采用离子电推进。电推进系统PPU 由专门的公司进行独立开发，如Airbus DS 公司、比利时TAS-B 公司等。表1 列出了PPU 整机实现性能指标情况[7-24]，图3 汇总了国外PPU 产品实物。

图3 国外PPU 产品实物汇总Fig.3 Summary of PPU products abroad

表1 国外PPU 整机指标情况对比Tab.1 Comparison of overall PPU specifications abroad

2.2 国内发展情况

国内开展离子电推进PPU 研究的单位主要为兰州空间技术物理研究所，其研制的PPU-EI1000产品已在商业通信卫星进行了在轨应用，多模式PPU-EI5000 产品在2019 年在轨首次应用，目前正在开展高精度宽范围推力可调节PPU-EI500 产品的研制，已完成了相关鉴定试验的考核。霍尔电推进PPU 的国内研制单位主要有上海空间电源研究所、兰州空间技术物理研究所和北京控制工程研究所等，目前各家1.5 kW 级的霍尔电推进PPU 均已完成在轨测试与试验验证，其中上海空间电源研究所的PPU 产品在2021 年中国空间站“天和”核心舱已正式应用，另外，目前商业航天300～700 W 的霍尔电推进PPU 在国内也得到了快速发展，其中北京控制工程研究所和兰州空间技术物理研究所的相关产品已经实现了批量生产与在轨应用。表2 列出了目前国内电推进PPU 实现性能指标情况[23-26]，图4汇总了国内PPU 产品实物。

图4 国内PPU 产品实物汇总Fig.4 Summary of domestic PPU products

表2 国内PPU 整机指标情况对比Tab.2 Comparison of domestic overall PPU specifications

分别简要介绍国外PPU 中的核心屏栅电源与阳极电源的技术方案。离子电推进系统中，为解决宽动态范围和高功率要求，NSTAR 的屏栅电源选取了全桥变换拓扑结构，采用4 个独立的电源模块输入并联、输出串联的方式实现高压，如图5 所示，每个电源模块输出电压为300 V。模块1～3 占空比为100%，模块4 占空比约为66%，这样可以保证4个模块中的3 个工作在效率最大点，而第4 个模块处于调整状态。因此，输出端的电压纹波大幅减小，相对于单模块来说，输出端的滤波电容体积也大幅减小。全桥拓扑的优点是结构简单、器件少，有利于减轻电源重量和体积。然而，开关管的导通和关断为硬开关控制，存在器件电应力大和开关损耗高等缺点。

图5 屏栅电源拓扑结构Fig.5 Grid power supply topology

霍尔电推进系统阳极电源模块原理框图如图6所示，主要包含输入滤波器、母线开关、逆变器、变压器和输出电压电流控制。阳极电源单模块额定功率2.5 kW，最大功率可达3 kW。在400 V/3 kW 下效率95.3%，350 V/2.5 kW 下效率95.1%。双模块输出通过并联均流后可实现400 V/5 kW，短路电流24 A；输出串联后实现800 V/5 kW，短路电流12 A。

图6 阳极电源模块原理框图Fig.6 Block diagram of schematic of anode power module

3 PPU 关键技术与难点

PPU 产品由于其应用环境的特殊性，兼具高电压和大功率的空间应用特点，应用可靠性涉及到电力电子、数字控制、真空、材料、热、力和软件等多技术融合贯通，其主要关键技术有以下3 个方面。

3.1 高效率功率变换技术

DC-DC 功率变换作为PPU 产品的基本属性，如何采用先进电源拓扑技术和新型功率电子元器件提升PPU 功率变换效率是其长期的研究方向。电推进系统PPU 关键电源如屏栅电源和阳极电源等主要电源模块功率在PPU 总输出功率中占比在80%以上，这些电源模块的高效率运行可以有效降低PPU 工作热损，减小热控需求。

采用硬开关拓扑的电源模块，结构简单，但热损较大，影响电路性能及长期可靠性，采用先进的软开关控制的开关电源拓扑可以有效降低损耗，提高电源效率和功率密度。其中，软开关技术中移相全桥软开关设计理论成熟，其主要劣势在于输出整流管和变压器绕组电压应力高，且需配置高压输出差模电感和箝位电路，造成体积重量和高压绝缘防护难度增加。故移相全桥更适合于输出电压低、输出功率大的场合，如大功率霍尔电推进PPU 阳极电源等。

而全桥LLC 变换器优势在于输出电路简单且输出整流管工作于ZCS 状态，整流管电压应力和变压器绕组应力等于输出电压，绝缘防护难度小。其主要劣势在于在宽范围输入、输出需求场合其工作频率范围宽，效率下降明显，因此全桥LLC 变换器更适合于输入、输出变换范围较小的场合[26]。

针对一些母线电压范围宽、工作模式多的电推进PPU 产品，一般结合几种拓扑，如Buck+全桥LLC、Boost+全桥LLC 或全桥（半桥）LLC+Buck 等组合变换拓扑的优势，并结合数字化技术，可以有效提高PPU 的多模式和宽范围工作能力。

3.2 高压绝缘防护技术

高压绝缘防护是影响PPU 产品使用寿命的重要环节，考虑到大功率高压的特殊性，一般采取绝缘措施时首先要考虑如何保证高压功率部组件的散热问题，这也是PPU 高压绝缘防护难度较大的主要原因，同时也要保证高压电路在常压和真空环境中能够长期可靠运行，因为绝缘寿命的老化是一个长期的缓变过程，在不合理的试验条件考核中，往往不能暴露绝缘设计中的薄弱环节，从而留下致命的应用安全隐患。

因此，在PPU 产品的绝缘防护设计中，需根据不同的元器件种类和属性，如高压二极管、高压继电器、连接器、变压器、高压电容器和高压导线等，制定适应性的绝缘防护方案，均应根据其自身的特点（如热膨胀系数、热导率）采取诸如灌封固体绝缘、表面涂覆加强绝缘等措施，同时有必要借助软件仿真手段，对特殊绝缘结构进行建模，开展电场分布仿真分析，以消除潜在的设计隐患。

3.3 空间元器件与材料的应用

PPU 产品具有高压、大功率和大电流等综合特性，因此，相对于一般宇航DCDC 电源产品而言，其元器件的选择不仅需要考虑空间辐射、单粒子效应，还需要重点考虑高压电容（耐电流冲击）、高压继电器、高压连接器、高压二极管和SiC 功率半导体等器件在特殊应用工况下的寿命可靠性问题[27]。同时，针对绝缘材料的选择，在保证满足绝缘寿命的前提条件下，还需考虑大功率散热可靠性与热设计适配性等问题。

4 PPU 产品发展趋势探讨

电推进的发展是以空间应用需求为导向的，随着电推进应用任务需求的多元化发展，PPU 技术的挑战与趋势有如下4 种。

4.1 向数字化、多模式控制方向发展

在航天器平台智能化控制发展趋势下，对电推进系统的多任务、多模式、多工况需求日益凸显，尤其对PPU 变参数自适应控制需求愈加迫切，同时针对PPU 自身多模块串并联组合控制与柔性重构的需求，也促使PPU 技术在数字化控制方面需要更进一步。目前的数字通信接口的兼容配置为后续PPU 产品进一步的数字控制创造了有利条件，结合PPU 硬件的冗余设计支撑，通过软件在轨参数注入或软件流程重构，提升电推进系统使用灵活性及适应性。

4.2 向功率集成化、小型化、轻量化方向发展

随着电推进系统的广泛应用，对于航天器来说，电推进系统相比于化学推进系统，其推重比存在数量级的差异，也是其劣势之一，而PPU 产品重量一般占到电推进系统干重的40%～60%之间，因此，作为系统核心单机之一，其小型化、轻量化、集成化是未来发展的必经之路，这也离不开元器件、原材料与工艺技术的进一步发展。如何进一步提高大功率电源开关频率，缩小磁芯元件与滤波元件体积，如何借助功率芯片与控制逻辑芯片的微组装技术达到功率组件集成化设计的目的，均是未来PPU小型化发展的有效手段与途径。

4.3 向超大功率方向发展

目前以上海空间推进研究所、兰州空间技术物理研究所和北京控制工程研究所等为代表的多个国内电推进研发国家队，相继于2021 年、2022 年成功完成50～100 kW 级大功率牛级霍尔推力器的点火运行，实现了稳定点火运行，成功将我国的霍尔电推进功率水平提升至百千瓦级，为后续太空任务，如星际探测、大型深空探测和大规模采样返回等宇航任务需求向多元化发展奠定了技术基础。相对而言，空间用PPU 的研发比较滞后，在后续发展中也将面临高压一次母线、高压大功率元器件应用、产品热设计、拓扑电路技术、高压大电流绝缘防护、回路瞬态高能冲击和高效负载匹配设计等多方面的难题。

4.4 向低成本方向发展

近年来，商业航天发展蓬勃，尤其是微小卫星发展态势强劲，而电推进系统动辄几百上千万元的价格让众多航天器总体用户望而却步。因此，PPU产品如何从技术方案、电路设计和元器件选型的起始端做到产品成本控制显得尤为重要，同时批量化生产、过程控制和试验考核的有效评价也是低成本控制的关键环节。

5 结语

随着宇航任务的复杂化和多样化，离子电推进和霍尔电推进作为目前应用最为广泛的电推进技术，在技术成熟度和产品成熟度上，我国与美欧国家还存在一定差距。在国内对电推进应用需求日趋迫切的环境下，应借鉴国外电推进PPU 技术发展模式，积累更多的经验，以突破高压绝缘防护、高效率功率电源拓扑技术、数字化控制技术、轻量化集成技术以及低成本制造技术等难点，促进离子和霍尔电推进系统PPU 技术的进一步提升，为电推进技术的广泛可靠应用夯实基础。