电推进电源处理单元（PPU）是航天器电推进系统的关键组成部分。《空间电推进电源技术》内容包含电推进PPU的能量来源、功率变换技术及测试方法三个方面。*先根据作者对卫星一次电源控制器（PCU）的研制经历，介绍了空间飞行器的能量来源，给出了输入级特性与约束，并讨论了系统级联稳定性和空间环境影响等问题；然后介绍了霍尔电推进、离子电推进、电弧电推进及新型电推进系统的电源构成、负载特性、电力电子变换技术及研制难点；*后对电推进PPU的测试方法进行介绍。《空间电推进电源技术》结合作者团队近年来的科研成果提出了融合PCU和PPU功能的柔性可扩展功率调节与处理单元（PCPU）架构及一种新的PPU系统供配电架构。

第1章电推进PPU概述
　　引言
　　空间电推进是一种将电能转换为动能的先进宇航动力技术，其工作过程为推力器将气体工质电离后，通过电场或磁场将离子加速喷出而产生推力。电推进排放的羽流为由电子、离子和工质的原子、分子等组成的等离子体。等离子体整体上不显电性，但在有电磁场存在的情况下，会在电磁力的作用下发生偏转或产生定向运动。
　　电推进的*大特点是小推力、高比冲。受电功率限制，推进工质的流量不能太大，故其推力一般较小，因而特别适用于失重情况下空间推进中要求控制精度高的情形。由于不断有外界电能供给，电推进比冲很高，一般在6000～50000m/s，所以完成同一飞行任务所需要的推进工质较少，可大大增加有效载荷，或显著降低发射成本，或明显延长使用寿命［1］。
　　国际上从1902年开始进行空间电推进技术概念研究，苏联在1962年进行了世界上*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，截至2023年，国际上已有数百颗高轨卫星应用电推进技术，另约有5000多颗“星链”卫星星座应用商业化电推进技术。我国*早于20世纪60年代开始进行空间电推进技术研究；2012年，“实践九号”A星完成了我国电推进*次在轨飞行验证；2019年，5kW级多模式大功率电推进*次实现在轨应用，2020年，1kW离子电推进系统正式实现商业卫星应用［2］。电推进技术具有高比冲、长寿命、高精度推力调节等显著技术特点，已成为航天器发展必不可少的研究方向。
　　1.1电推进系统概述
　　1.1.1电推进系统构成
　　电推进系统的基本功能是将来自航天器电源的电能转换为推进工质喷气的动能，其组成一般分成四部分，见图11。
　　图11电推进系统基本构成框图（1）电源处理单元（power　processing　unit，　PPU）。PPU用于调理来自太阳能电池阵的不稳定直流电或直接从蓄电池、一次电源母线取电，并按不同的电压和功率等要求输送到电推力器和其他用电系统。由于PPU对于电推进系统至关重要，通常其体积和质量都较大，成本也较高，是电推进系统中*复杂且*具有挑战性的系统。
　　（2）贮供系统。电推进的推进剂贮存和供应系统与一般的冷气推进系统和单组元液体推进系统相差不大，但由于其推进工质流量一般很小，每秒只有几毫克到几十毫克，且供应时间很长，这对电磁阀的精确流量控制和防止泄漏有很高要求。
　　（3）电推力器，又称电推进发动机。电推力器的种类繁多，原理多样，根据适用范围不同，不同电推力器之间性能指标相差很大。按电能加热和加速推进工质的原理分类，电推力器可分为电热式、静电式和电磁式。
　　（4）电推进控制单元。在电推力器的运行过程中，电推进控制单元采样系统信号形成电信号与星上总控制器通信，从而控制PPU和贮供系统的供电供气，实现整体推力的闭环控制。1.1.2电推进PPU的作用
　　当前国际市场上的卫星主要采用离子电推进系统和霍尔电推进系统，这两种电推进系统均需要PPU为其供电。PPU是电推进系统的关键单机之一，核心功能为卫星在轨飞行时将航天器一次母线电压和功率变换为卫星上电推进系统工作时所需的各类电源，包括高压直流源、恒流源、脉冲高压源等，并将一次母线与电推进系统进行电隔离，其技术发展对电推进技术的可靠应用具有重要影响。
　　PPU接收控制系统发出的指令，执行多个单机电源电路的开关机控制，向电推进系统供电，提供电推进系统工作所需的加热、电场维持、束流引出等不同工况下的电压和电流。作为特种电源，PPU具有拓扑结构类型多（稳压源、稳流源和高压脉冲输出电源等）、输出功率大、输出电压高和低压电源浮置高压工作等特点［3］。
　　PPU作为电推进系统的供电源和重要组成部分，其工作正常与否及其可靠性水平直接决定了电推进系统的工作状态和整星的在轨寿命。1.1.3电推进系统的分类按照电推进的工作原理，传统电推进分为电热式、静电式和电磁式三大类，见图12。
　　图12电推进分类示意图电热式推进器包含电阻加热推力器、微波等离子体推力器（MPT）和电弧加热推力器（arcjet thruster）等。以电阻加热推力器为例，介绍电热式推进器的工作原理：　钨丝加热推进剂，推进剂气体能量（焓）因加热而升高，升高的能量再转变为动能。被加速的气体从喷嘴定向喷出，并推进航天器，推进剂可以是氢气、氮气或者是氨气。
　　静电式推进利用静电场加速推进剂来获得推力，是目前性能优势高、技术成熟度好、应用领域较广的电推进类型，典型代表为霍尔电推进和离子电推进，两者为当前国际上研究和应用的重点。
　　电磁式推进器包括脉冲等离子体推力器（PPT）、磁等离子体动力（MPD）推力器和可变比冲磁等离子火箭（VASIMR）推力器等。MPD的工作原理是利用微秒级至秒级的大电流脉冲放电，使推进剂（通常为固体、如聚四氟乙烯）表面发生烧蚀和气化，气态产物在放电过程中形成的等离子体在自磁场或外加磁场下受洛伦兹力作用高速喷出而产生推力。
　　在地球同步轨道，卫星的轨道高度和轨道倾角必须相对于某一地面站保持俘获状态。但在空间中，由于各种阻力因素的影响，轨道会缓慢衰减。推进系统的任务就是将卫星维持在期望的轨道上并控制其姿态指向地球。轨道转移和任务结束时，卫星离轨装置也需要推进系统。此外，随着新型航天任务，如火星探测、空间卫星组网、全电推卫星、高精度空间科学探测卫星等不断涌现，对卫星的推进系统提出了不同要求。表11列出了这些任务对推进系统性能的要求［4，5］。表11不同任务对推进器性能的要求任务场合功能/目标对推进器的要求多模式电推力器GEO转轨大推力、大功率供给GEO位置保持高比冲、小功率供给深空探测计划主推进器任务期内满足能源供给、推力和比冲需求高比冲、宽功率范围/调节比高精度无拖曳控制卫星实施补偿非保守力轨控精度高、推力调节范围宽、分辨率高、响应快、在轨时间长超大功率推进系统远距离深空探测核电推进商业航天小卫星电推进通信、导航和遥感体积小、重量轻、成本低、高比冲、长寿命等注：　GEO（geostationary　earth　orbit）表示地球静止轨道。一般卫星的推力都是由星载化学燃料产生，地球同步轨道卫星上超过90%的燃料都被用于南北（NS）向位置保持，剩余燃料用于东西向位置保持、姿态控制和轨道转移。
　　电推进利用电能加速喷射，其比冲是化学推进的数倍甚至数十倍以上，推力小且精确可调，可大幅节省推进剂，提高姿态控制精度，是化学能向物理能推进转变的重要实现方式。电推进技术能够完成的一些功能包括：　同步通信卫星的轨道转移、位置保持和离轨处理等；低轨卫星的轨道转移、阻力补偿、姿轨控和重新定位等；深空探测的主推进；科研和对地观测卫星的超精指向、姿态控制和轨道控制、阻力补偿和无阻力飞行等。该技术将给航天器带来质量、寿命、经济等的增益，提升航天器任务执行能力，拓展其空间任务范围［6］。
　　1.2电推进PPU分类及特征
　　电推进是一种高效的航天器推进方式，利用电能来加速推进剂，产生推力。电推进PPU是实现航天器电推进系统功能的关键组成部分，它为推进系统提供所需的电能。本节将介绍几种主流的电推进PPU类型及其特征，包括霍尔电推进PPU、离子电推进PPU、电弧电推进PPU，以及新兴的电推进PPU技术。霍尔电推进PPU注重电力转换效率和稳定性。离子电推进PPU则着重于提供高电压，以加速离子产生推力，同时保持能耗*低。电弧电推进PPU适用于产生和维持电弧放电，这对于电弧推进器产生等离子体至关重要。而新型电推进PPU旨在支持新兴的推进技术，如会切场电推进、场效应电推进、胶体微推进、超高比冲离子电推进、激光烧蚀微电推进技术等，它们可能需要不同的电源特性，如更高的电压、电流或更复杂的控制策略。1.2.1霍尔电推进PPU及特征
　　霍尔推进系统分为电源系统、控制系统、加速装置、空心阴极和贮供系统。电源系统起到能量转换和能量输出的作用；控制系统作为推进系统的中央控制机构，接受星载计算机的控制指令；加速装置是*主要的工质电离和加速的区域；空心阴极是点火器和中和器，是霍尔推力器的重要组成部分；贮供系统用于贮存和供给工质气体。
　　霍尔电推进的基本原理是霍尔效应，推进剂在正交电磁场中与电子碰撞电离，电场则会加速离子进而产生推力。在理想的霍尔推力器中，沿周向的任意截面上都有正交的径向磁场和轴向电场，因此大量的电子由于漂移速度在宏观上形成环绕放电通道的霍尔漂移电流。霍尔漂移电流中的电子与中性气体发生碰撞使中性气体发生电离形成阳离子，阳离子在轴向电场的加速下射出加速通道，并在外部羽流区与空心阴极射出的电子进行中和，生成中性气体。从宏观上看，中性气体受力被加速，并对霍尔推力器产生反作用力，从而使霍尔推力器产生向后的推力。
　　霍尔推力器的主要特点如下。①　结构简单，没有容易变形、易烧蚀的栅极；外置空心阴极，避免了空间电荷效应问题；运行电压低，在大功率推进任务中具备优势，可靠性高且安全性好；体积及质量小，布局便捷；②　单位面积推力大，即推力密度高，可以达到1～3mN/cm2；③　比冲（1000～4000s）适中，且和功率、推力等参数均可调节，任务适应性强［7］。
　　在霍尔电推进系统中，PPU的基本功能是为霍尔推进器的各电极提供所需电压和电流。霍尔推进器由阳极、阴极、气体分配器、通道套筒及磁路等组成［8］。
　　在霍尔电推进推力器工作过程中，对PPU的具体供电需求如下：　
　　（1）阴极加热电源，对空心阴极加热丝通电加热，直到空心阴极温度加热到1600℃，空心阴极发射体开始热电子发射；
　　（2）阴极触持极电源，建立阴极电子发射电场，维持阴极的稳定持续放电状态，并在阴极和阳极之间形成等离子体区域；
　　（3）阴极点火电源，在阴极与触持极之间产生高压单次脉冲，使阴极和触持极之间起弧放电；
　　（4）阳极电源用以建立离子光学系统，对放电室内被电离的Xe离子进行聚焦、引出，从而产生推力。
　　霍尔电推进系统PPU与推力器供电关系如图13所示［9］。
　　图13霍尔电推进系统PPU与推力器供电关系霍尔电推进系统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［10］，振荡频率在1～100kHz，相对于等离子体的数兆赫兹的高频振荡，称为低频振荡。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［11］。

目录
丛书序
前言
第1章 电推进PPU概述
引言 001
1.1 电推进系统概述 001
1.1.1 电推进系统构成 001
1.1.2 电推进PPU的作用 002
1.1.3 电推进系统的分类 003
1.2 电推进PPU分类及特征 005
1.2.1 霍尔电推进PPU及特征 005
1.2.2 离子电推进PPU及特征 007
1.2.3 电弧电推进PPU及特征 009
1.2.4 新型电推进PPU及特征 010
1.3 电推进PPU常用电路拓扑简析 012
1.3.1 电流馈电移相全桥变换器研究现状 016
1.3.2 宽电压输出范围变换器研究现状 018
1.3.3 三相LCC谐振变换器研究现状 020
1.4 电推进PPU国内外发展现状 023
1.4.1 国外PPU的发展现状 023
1.4.2 国内PPU的发展现状 028
参考文献 029
第2章 电推进PPU的能量来源及输入级特性与约束
引言 033
2.1 航天器系统能量来源与供配电系统特性 033
2.1.1 一次电源控制器系统特性 034
2.1.2 太阳能直驱电推进PPU控制器系统特性 041
2.1.3 核能驱动的电推进PPU系统特性 042
2.1.4 传统全电推卫星平台电源系统存在的问题 044
2.2 航天器电源系统稳定性要求与考虑 046
2.2.1 功率部件自身稳定性 046
2.2.2 多级功率部件级联后的稳定性 047
2.2.3 稳定性设计的理论依据和工程方法 048
2.3 空间环境对电推进PPU的要求及共性技术 053
2.3.1 低气压环境对高压电源的影响 053
2.3.2 空间环境下功率器件的约束 054
2.3.3 保护方式 054
参考文献 056
第3章 霍尔电推进ＰＰＵ
引言 061
3.1 霍尔电推进PPU的构成 061
3.2 阳极电源与推力器的关系 062
3.2.1 阳极功率扩展与推力的关系 062
3.2.2 阳极电压扩展与比冲的关系 065
3.2.3 多模式工作对阳极电压、功率的要求 068
3.3 阳极电源功率电路 071
3.3.1 原副边移相控制宽范围输出阳极电源研究 071
3.3.2 适用于霍尔电推进的电流馈电移相全桥变换器 096
3.4 磁线圈负载特性及电源 122
3.5 耦合空心阴极电源变换器 125
3.5.1 空心阴极电源耦合策略 125
3.5.2 阴极点火电源和触持电源的耦合 127
3.5.3 阴极点火触持电源与加热电源的耦合 129
3.5.4 耦合电源的工作原理 130
3.5.5 点火时序分析 134
3.5.6 三环控制电路设计 136
3.5.7 集成电流采样方式设计 139
3.5.8 斩波开关控制设计 140
3.5.9 耦合电源与发动机联试实验验证 141
3.6 滤波器设计 146
3.6.1 滤波器单元作用分析 146
3.6.2 滤波级设计 148
3.6.3 控制级设计 149
3.6.4 滤波器单元对放电稳定性的作用 151
3.7 霍尔电推进PPU设计难点总结 153
参考文献 154
第4章 离子电推进PPU
引言 158
4.1 离子电推进PPU的构成及其与推力器的关系 158
4.1.1 离子电推进PPU的构成 158
4.1.2 屏栅电源与推力器的关系 159
4.2 带谐振钳位电路的高压屏栅电源研究 160
4.2.1 变换器工作原理分析 160
4.2.2 拓扑参数设计原则及软开关条件分析 171
4.2.3 输出电流纹波对比分析 174
4.2.4 实验验证及分析 176
4.3 混合谐振及PWM高压输出屏栅电源 181
4.3.1 变换器工作原理分析 182
4.3.2 直流增益分析及拓扑参数设计原则 188
4.3.3 *大占空比及交流电感选取原则 192
4.3.4 开关管软开关条件分析 194
4.3.5 主功率变压器磁集成方式设计 195
4.3.6 实验结果及分析 196
4.4 磁隔离变换器 200
4.4.1 磁隔离高压绝缘问题的提出 201
4.4.2 磁隔离放电阴极加热点火触持电源变换器 202
4.4.3 磁隔离控制策略 210
4.4.4 实验结果 213
4.5 离子电推进PPU难点总结 219
参考文献 220
第5章 电弧推进电源
引言 223
5.1 电弧电推进PPU构成 223
5.2 电弧推进负载特性与电源要求 224
5.2.1 脉冲点火特性 225
5.2.2 电弧击穿快速触持特性 226
5.2.3 振荡特性 227
5.3 点火电源 227
5.3.1 串联式脉冲点火方案 227
5.3.2 并联式脉冲点火方案 228
5.3.3 高压脉冲隔离防护及EMC处理 228
5.4 恒流电源 229
5.4.1 高效率隔离恒流功率变换拓扑 229
5.4.2 高动态恒流触持闭环控制 230
5.5 电弧电推进难点总结 231
参考文献 232
第6章 特种电推进PPU——高精度微推进电源及脉冲等离子推进电源
引言 233
6.1 高压宽范围快速响应电源技术 233
6.1.1 高效率高升压比倍压整流拓扑 233
6.1.2 快速动态响应闭环调节技术 237
6.2 高精度低噪声电源技术 240
6.2.1 低噪声开关电源技术 240
6.2.2 高精度低噪声线性电源技术 244
6.2.3 高精度低噪声采样电路技术 249
6.3 高精度射频离子电推进PPU 255
6.3.1 微推力及微推进电源系统 255
6.3.2 高效射频发生器电源 258
6.3.3 高精度电压可调屏栅电源 260
6.3.4 加速栅电源和中和器电源 262
6.4 脉冲等离子体电推进PPU 264
6.4.1 脉冲电源变换拓扑 265
6.4.2 点火电路拓扑 266
6.4.3 脉冲电源控制方式 267
参考文献 269
第7章 融合PCU和PPU功能的柔性可扩展PCPU架构
引言 273
7.1 柔性可扩展PCPU架构的设计 273
7.1.1 PCPU架构的提出 273
7.1.2 电源控制器PCPU功能组成 275
7.2 电源控制器PCPU的工作原理 279
7.2.1 HVC-SR 模块研究 280
7.2.2 域控制设计 286
7.2.3 高压母线串并联组合分析 289
7.3 能量管理与调度 294
7.4 两种母线频域和时域特性测试结果 296
参考文献 299
第8章 一种新的PPU系统供配电架构
引言 300
8.1 传统PPU系统架构存在的问题 300
8.1.1 架构组成 300
8.1.2 供配电 302
8.2 基于HFAC母线的PPU系统新架构 303
8.2.1 系统架构组成模块 305
8.2.2 冗余备份设计 306
8.2.3 故障模式分析 307
8.2.4 实验测试与分析 308
8.2.5 对比分析与评估 310
8.3 远端精确供配电方案 313
8.3.1 白噪声激励线缆阻抗检测及压降补偿技术 314
8.3.2 实验验证及分析 318
参考文献 327
第9章 电推进PPU共性技术
引言 328
9.1 空间环境带来的可靠性问题及抗辐照加固措施 328
9.1.1 影响空间电源寿命的因素 328
9.1.2 加速电源寿命的方法 331
9.1.3 电源寿命预测方法与预警技术 331
9.1.4 传统航天和商业航天中单粒子效应及对策 332
9.1.5 COTS元器件应用需要注意的问题 335
9.1.6 抗辐照加固措施 335
9.2 空间电源系统衰退机理研究 336
9.2.1 储能电容退化机理分析 337
9.2.2 MOSFET退化机理分析 338
9.2.3 继电器退化机理分析 339
9.2.4 电源控制环路退化机理分析 339
9.3 空间电源系统关键器件参数辨识 340
9.3.1 储能电容参数辨识 341
9.3.2 继电器参数识别 346
9.3.3 电源控制环路参数辨识 350
9.3.4 MOSFET结温测量 352
9.4 非预期性电击穿及电弧故障机理分析 354
9.4.1 非预期性电击穿机理 354
9.4.2 非预期电击穿的表现形式 356
9.4.3 非预期性电击穿的危害及应对措施 357
9.5 闭环控制中的共性问题 358
9.5.1 模拟控制及其注意事项 358
9.5.2 数字控制中的抗混叠滤波、拍频和极限环问题 361
9.6 空间电源热特性及设计 365
9.6.1 传热基本理论 365
9.6.2 热设计基本原则及设计方法 367
9.6.3 热设计步骤和流程 370
9.6.4 热设计及热分析内容 372
9.6.5 热控制及性能优化 375
参考文献 377
第10章 电推进PPU的输出特性及测试方法
引言 380
10.1 等离子体负载特性模拟 380
10.2 电推进典型异常工况的模拟测试 381
10.2.1 短路故障模拟测试 381
10.2.2 拉弧故障模拟测试 382
10.2.3 打火短路故障模拟测试 385
10.3 自动化测试系统的构建 388
10.3.1 硬件平台 388
10.3.2 软件架构 389
10.3.3 测试用例设计 391
10.3.4 系统实现 392
10.3.5 系统优化方向 394
参考文献 395