基于全桥半桥切换LLC谐振变换器的霍尔电源设计
电子技术应用
徐霆豪，王少宁，刘澳慧
兰州空间技术物理研究所
摘要： 针对深空探测等空间任务电推力器高输入电压的需求，设计出一种适用于霍尔电推进系统的电源处理单元，对LLC谐振变换器对半桥全桥动态拓扑切换和软启动进行研究，实现高效率、宽范围的输出。通过建立LLC谐振变换器的基波模型，分析频率与增益的特性曲线，K值和Q值的选值，实现变频率控制输出电压，并设计基于同时变频和变占空比的低尖峰全桥半桥切换模式。同时为满足电推进所需的软启动功能，根据移相全桥软启动设计出基于改变LLC谐振变换器MOSFET移相角的分段线性的软启动模式。为了验证设计性能，设计了一款5 kW的全数字样机，输入400 V输出200 ~1 000 V，能够实现LLC谐振变换器宽范围、高效率的输出。
中圖分類號：TN86 文獻標志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.245587
中文引用格式： 徐霆豪，王少寧，劉澳慧. 基于全橋半橋切換LLC諧振變換器的霍爾電源設計[J]. 電子技術應用，2025，51(2)：108-114.
英文引用格式： Xu Tinghao，Wang Shaoning，Liu Aohui. Design of Hall power supply based on full bridge half bridge switching digital LLC resonant converter[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(2)：108-114.
中文引用格式： 徐霆豪，王少寧，劉澳慧. 基于全橋半橋切換LLC諧振變換器的霍爾電源設計[J]. 電子技術應用，2025，51(2)：108-114.
英文引用格式： Xu Tinghao，Wang Shaoning，Liu Aohui. Design of Hall power supply based on full bridge half bridge switching digital LLC resonant converter[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(2)：108-114.
Design of Hall power supply based on full bridge half bridge switching digital LLC resonant converter
Xu Tinghao，Wang Shaoning，Liu Aohui
Lanzhou Institute of Space Technology Physics
Abstract： A power processing unit suitable for Hall electric propulsion systems is designed to meet the high input voltage requirements of space missions such as deep space exploration. The LLC resonant converter is studied for half bridge full bridge dynamic topology switching and soft start, achieving high efficiency and wide range output. By establishing a fundamental model of LLC resonant converter, analyzing the characteristic curves of frequency and gain, selecting the values of K and Q, variable frequency control output voltage is achieved, and a low peak full bridge half bridge switching mode based on simultaneous frequency conversion and variable duty cycle is designed. At the same time, in order to meet the soft start function required for electric propulsion, a segmented linear soft start mode based on changing the phase shift angle of LLC resonant converter MOSFET is designed according to the phase-shifting full bridge soft start. In order to verify the design performance, a 5 kW all digital prototype was designed, with an input of 400 V and an output of 200 V to 1 000 V. The results showed that it can achieve a wide range and high efficiency output of the LLC resonant converter.
Key words : power processing unit；LLC resonant converter；full bridge half bridge switching；digital control；soft start
引言
電推進技術是一種將航天器儲備或收集的電能轉化為動能的技術，通過將氣體工質電離，并通過高壓電場將離子加速噴出而產生推力。與化學推進相比，電推進具有高比沖、高精度、長壽命的特點。隨著電推進技術的發展和深空探測需求的提升，電推進技術依靠著其優良的性能從僅僅用于位置保持和軌道轉移開始轉向深空探測主推力器的任務。
電源處理單元（Power Processing Unit，PPU）作為電推進系統的關鍵單機之一，它的功能不限于電源轉換和調節、輸出穩定電流和電壓、點火控制、保護功能、監測和診斷、通信接口等。為了滿足電推力器各個模塊實現各個功能的供能需求，PPU的技術發展起著至關重要的作用[1]。
目前在超大功率衛星平臺上，太陽能電池陣提供電推進系統的輸入電壓一般為60~120 V，但未來應用在深空探測電推進主推力器的輸入電壓將會提升至400 V[2]，這要求采用高壓DC-DC轉換技術，因此本文設計了基于全橋半橋切換LLC諧振變換器的電源處理單元以確保能夠高效地將輸入電壓轉換為電推進系統所需的各級電壓。
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作者信息：
徐霆豪，王少寧，劉澳慧
（蘭州空間技術物理研究所，甘肅 蘭州 730000）
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