電源處理單元配置方案可靠性比較及選擇

劉罡，張乾，趙登峰，張保平，陳昶文

（蘭州空間技術(shù)物理研究所，甘肅 蘭州 730000）

電源處理單元配置方案可靠性比較及選擇

劉罡，張乾，趙登峰，張保平，陳昶文

（蘭州空間技術(shù)物理研究所，甘肅 蘭州 730000）

電推進技術(shù)是航天推進技術(shù)一個重要的發(fā)展方向。針對新一代通信衛(wèi)星平臺電推進系統(tǒng)的需求，對用于電推進系統(tǒng)的電源處理單元的4種備選配置方案做了介紹，并對每種方案的可靠性進行了計算。通過可靠性指標對比和對配置方案的分析，為方案優(yōu)選提供了一些依據(jù)。

電推進；電源處理單元；可靠性比較；方案選擇

0 引言

衛(wèi)星動力是衡量衛(wèi)星水平的一個關(guān)鍵因素。電推進就是用電能作為衛(wèi)星的主要動力來源，相較于化學劑推進而言，其最大的優(yōu)勢是節(jié)省推進劑，從而能夠增加有效載荷、降低發(fā)射重量、延長衛(wèi)星工作壽命。

電推進技術(shù)具有輸出推力穩(wěn)定、對整星姿態(tài)影響小等一系列的優(yōu)點，是航天推進技術(shù)的一個重要的發(fā)展方向。當前國際市場上的衛(wèi)星主要采用離子電推進系統(tǒng)和霍爾電推進系統(tǒng)，這兩種電推進系統(tǒng)均需要電源處理單元 （PPU：Power Processing U-nit）為其供電。

PPU作為電推進系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，其功能為衛(wèi)星在軌飛行時，將衛(wèi)星上一次母線電壓和功率分別變換為衛(wèi)星上電推進系統(tǒng)工作時所需要的各種電壓和功率，并將一次母線與電推進系統(tǒng)進行電隔離[1]。

PPU接收控制系統(tǒng)發(fā)出的控制指令，執(zhí)行其多個單機電源電路的開關(guān)機控制，向電推進系統(tǒng)供電，提供電推進系統(tǒng)工作所需的加熱、電場維持和束流引出等不同工況下的電壓和電流。作為特種電源，PPU具有拓撲結(jié)構(gòu)類型多 （穩(wěn)壓源、穩(wěn)流源和高壓脈沖輸出電源等）、輸出功率大、輸出電壓高和低壓電源浮置高壓工作等特點。

PPU作為電推進系統(tǒng)的供電源和重要組成部分，其工作正常與否及其可靠性水平直接決定了電推進系統(tǒng)的工作狀態(tài)和整星的在軌壽命。作為未來長壽命、高可靠衛(wèi)星電推進系統(tǒng)的必配產(chǎn)品，PPU的需求量相當大，但目前在國內(nèi)，除了在軌試驗任務成功外，還沒有PPU和電推進系統(tǒng)在軌成功應用的型號任務[2]。因此，在已有工作的基礎(chǔ)上，開展改進型PPU可靠性專項工作，先期開展PPU配置方案的可靠性指標對比及方案選擇具有重要的意義。

針對新一代通信衛(wèi)星平臺電推進系統(tǒng)需求，本文對4種備選PPU配置方案的可靠性進行了計算。通過可靠性指標對比和對配置方案的分析，為方案優(yōu)選提供了一些依據(jù)。

1 推力器與PPU的任務和配置

1.1 符號介紹

為了增強可讀性，此處給出后文涉及到的所有英文縮略語。

a） PPU-i：i號電源處理單元，i=1， 2；

b）PPU-Ni：i號北電源處理單元，i=1，2；

c） PPU-Si：i號南電源處理單元，i=1， 2；

d）T：推力器；

e）TSU：切換開頭單元；

f） TSU-i：i號切換開關(guān)單元，i=1， 2；

g） T-Ni：i號北推力器，i=1， 2；

h） T-Si：i號南推力器，i=1， 2。

1.2 推力器的任務和配置

新一代通信衛(wèi)星平臺電推進系統(tǒng)完成在軌位置保持 （簡稱 “位保”）和軌道變動 （簡稱 “變軌”）兩項任務，需要配置4臺推力器，南北各2臺[3]。

在位保期間正常工作狀態(tài)下一天之內(nèi)4臺推力器依次輪流點火。如果某單臺推力器發(fā)生故障，一天之內(nèi)需要另外3臺推力器依次點火。至少有一對南北對角配置的推力器都能正常工作，才能完成位保任務。

在變軌期間，要求南或者北有任意1臺推力器在工作。

1.3 PPU的任務和配置

PPU為推力器供電，推力器的工作模式即是PPU的供電模式。通過對推力器任務和配置進行分析，只要衛(wèi)星南北兩側(cè)對角的2臺推力器能夠工作，即可完成任務。

在滿足推力器的工作模式下，可以有4種不同的PPU配置方案，如圖1所示。

1.3.1 配置方案1

方案1采用4臺PPU對4臺T供電的方案，即配置4臺PPU，每臺PPU為1臺T供電，如圖1a所示。

在方案2-4中，所配置的PPU與方案1中的完全相同，此處不再特別進行說明。這樣既便于簡化設(shè)計，又便于對不同的方案進行比較。

1.3.2 配置方案2

方案2為4臺PPU配以2臺TSU進行切換，南北兩側(cè)T相互獨立的方案，如圖1b所示。

其中，PPU-N1、PPU-N2分別為T-N1、T-N2供電；PPU-S1、PPU-S2分別為T-S1、T-S2供電；南、北不再形成互連，通過TSU-1實現(xiàn)PPUN1、PPU-N2之間的切換，通過TSU-2實現(xiàn)PPUS1、PPU-S2之間的切換。

1.3.3 配置方案3

方案3為2臺PPU配以2臺TSU進行切換，南北兩側(cè)T相互獨立的方案，如圖1c所示。

其中，PPU-1通過TSU-1的切換來實現(xiàn)PPU-1分別對T-N1、T-N2的供電；PPU-2通過TSU-2的切換來實現(xiàn)PPU-2分別對T-S1、T-S2的供電。

1.3.4 配置方案4

方案4為2臺PPU配以1臺TSU進行切換，PPU與T全對應方案，如圖1d所示。

其中，PPU-1通過TSU實現(xiàn)切換，可以為4臺T供電；PPU-2通過TSU實現(xiàn)切換，也可以為4臺T供電。

圖1 4種PPU配置方案

2 可靠性的計算及對比

2.1 PPU和TSU組成簡介

單臺PPU包含7個功能電路：輸入輸出接口電路、屏柵電路、加速電路、點火電路、DC/AC電路、輸出電路和傳感器電路。單臺PPU內(nèi)部的備份方式為：屏柵電路采用4取3的備份方式，其余電路均采用無備份方式。

PPU是多個功能電路的復雜組合體，功能電路設(shè)計的多樣性和其復雜的指令時序控制系統(tǒng)，以及頻繁加載、卸載的工況對接口電路、控制電路和其他各個功能電路穩(wěn)定、可靠地工作都提出了嚴苛的要求。

TSU主要由繼電器陣列組成，實現(xiàn)PPU向T的加電、斷電和切換功能。

在方案2和方案3中，其TSU完全相同；方案4的TSU不同于方案2和方案3，要復雜得多，從下面的計算數(shù)據(jù)中可以了解。

2.2 工作失效率數(shù)據(jù)

PPU、TSU均為電子設(shè)備，采用應力分析法對其進行可靠性計算，分別獲得其工作失效率數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 PPU、TSU的工作失效率數(shù)據(jù)

2.3 不同配置方案的可靠度的計算

2.3.1 可靠性計算的公式

與配置方案有關(guān)的電子設(shè)備指數(shù)分布可靠性計算公式分別如公式 （1）-（4）所示。

設(shè)備或其組成單元的可靠度R的計算如公式（1） 所示。

式（1）中：λ、t——設(shè)備或其組成單元的工作失效率、工作時間。

若設(shè)備由n個單元串聯(lián)而成，則其可靠度R是則其各個串聯(lián)單元的可靠度R1、R2…Rn之積，即[6]：

若設(shè)備由2個相同單元的冷備份冗余系統(tǒng)組成，單元工作失效率、工作時間分別為λ、t，切換裝置可靠度為RSW，則設(shè)備的可靠度R的計算公式為[6]：

若設(shè)備由n個相同單元組成，n個單元中至少有k個單元正常工作設(shè)備便能正常工作，即為n中取k表決冗余系統(tǒng)。若單元工作失效率為λ，則n中取k表決冗余系統(tǒng)的工作失效率λe的計算公式為：

PPU的屏柵電路采用4取3的備份形式，屬于表決冗余。如果1個屏柵子電路的工作失效率為λ，則表決冗余后屏柵電路的工作失效率為：=12λ/7。 表 1 中λPPU引用了 12λ/7。

2.3.2 方案1的可靠度計算

在圖1a中，4臺PPU對4臺T供電，按照對角配置，PPU-N1、PPU-S1為1組，是主份；則PPU-N2、PPU-S2為另1組，是備份。主、備份之間沒有切換裝置，通過指令控制，分別實現(xiàn)主、備份的加斷電和切換。因此，方案1為冷備份冗余系統(tǒng)。

在方案1中，主份的可靠度R1=RPPU-N1RPPU-S1=exp（-λPPUt） exp （-λPPUt） =exp （-2λPPUt）， 將表1中的數(shù)據(jù)，即λPPU=1 263.33（fit）、t=22 000 h代入其中，則R1=0.945 930。

冷備份后，由于主、備份之間沒有切換裝置，通過指令控制實現(xiàn)主、備份的切換。因此，RSW=1， 則方案 1 的可靠度 RS1= （1+RSW×2λPPUt） R1=0.998 511。

2.3.3 方案2的可靠度計算

在圖1b中，PPU-N1、PPU-N2為T-N1、TN2供電，通過TSU-1實現(xiàn)PPU-N1、PPU-N2兩者之間的切換，PPU-N1、PPU-N2組成冷備份。同樣地，PPU-S1、PPU-S2為T-S1、T-S2供電，通過TSU-2實現(xiàn)PPU-S1、PPU-S2兩者之間的切換，PPU-S1、PPU-S2組成冷備份。按照推力器對角配置工作，南、北不再形成互連，這兩個冷備份之間屬于串聯(lián)關(guān)系。

PPU-N1、PPU-N2組成的冷備份的可靠度R1=（1+RTSUλPPUt） exp （-λPPUt）， 其中， 切換裝置的可靠度 RTSU=exp（-λTSU2t），將表 1中的數(shù)據(jù)，即λPPU=1 263.33 （fit）、λTSU2=30.05 （fit）、t=22 000 h代入其中，則R1=0.999 602。

PPU-S1、PPU-S2組成的冷備份的可靠度為R2，由于 R2=R1，則方案2的可靠度 RS2=R1R2=0.999 204。

2.3.4 方案3的可靠度計算

在圖1c中，PPU-1通過TSU-1實現(xiàn)切換，為T-N1、T-N2供電；PPU-2通過TSU-2實現(xiàn)切換，為T-S1、T-S2供電。則PPU-1和TSU-1組成串聯(lián)系統(tǒng)，PPU-2和TSU-2組成串聯(lián)系統(tǒng)。由于必須保證至少一對對角南北推力器工作才能完成任務，因此必須保證PPU-1和TSU-1、PPU-2和TSU-2都能正常工作才能完成供電任務，所以為無備份配置。

在方案3中，PPU-1和TSU-1組成的串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度 R1=RPPU-1RTSU=exp （-λPPUt） exp（-λTSU2t）=exp[- （λPPU+λTSU2）t]， 將表 1 的數(shù)據(jù)， 即λPPU=1 263.33 （fit）、λTSU2=30.05 （fit）、t=22 000 h代入其中，則R1=0.971 946。

同樣地，PPU-2和TSU-2組成的串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度R2=RPPU-2RTSU=R1，則方案3的可靠度RS3=R1R2=0.944 679。

2.3.5 方案4的可靠度計算

在圖1d中，PPU-1通過TSU實現(xiàn)切換，為4臺T供電；同樣地，PPU-2通過TSU實現(xiàn)切換，也可以為4臺T供電。則PPU-1和TSU組成串聯(lián)系統(tǒng)，PPU-2和TSU組成串聯(lián)系統(tǒng)；兩臺PPU通過TSU實現(xiàn)與T的全對應。

由于必須保證至少一對對角南北推力器工作才能完成任務，因此必須保證PPU-1、PPU-2和TSU都能正常工作才能完成供電任務，所以為無備份配置。

在方案4中，PPU-1、PPU-2和TSU組成串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度RS4=RPPU-1RPPU-2RTSU=exp（-λPPUt）exp （-λPPUt） exp （-λTSU4t） =exp[- （2λPPU+λTSU4）t]，將表1中的數(shù)據(jù)，即λPPU=1 263.33（fit）、λTSU4=157.74 （fit）、t=22 000 h 代入其中， 則方案4的可靠度RS4=0.942 653。

2.4 不同配置方案的可靠性對比

結(jié)合4種不同PPU配置方案的可靠度計算結(jié)果，列出了4種配置方案的可靠性對比情況，如表2所示。

表2 4種配置方案可靠性對比

3 結(jié)束語

通過對4種不同的PPU配置方案的介紹、可靠度計算及其可靠性對比，形成以下結(jié)論，為PPU最終配置方案的選擇提供了一些依據(jù)。

a）方案4的可靠度最低，方案3的可靠度略高于方案4，方案2的可靠度最高，方案1的可靠度與方案2的接近 （相差約0.000 7）。

b）對比方案1，方案2多了2組TSU，體積、重量略大，需要特別考慮繼電器的故障模式及其可能造成的潛在危害。

c）對比方案2，方案1的可靠度相對而言也比較高，其最大的優(yōu)點是沒有切換電路，因而少了很多繼電器，相應地也少了很多故障模式及其潛在危害。

d）對比4個方案，對方案1、方案2進行綜合考慮后優(yōu)選其一，其余方案不予考慮。

可靠性的高低不是方案選擇的惟一依據(jù)，在可靠性比較接近的情況下，體積、重量、成本和其他電性能指標的易實現(xiàn)性等也是方案選擇的參考依據(jù)。

[1]王少寧，陳昶文，張保平，等.霍爾電推進系統(tǒng)數(shù)字化電源處理單元設(shè)計 [J].航天器工程，2016，25（5）： 69.

[2]夏廣慶，徐宗琦，王鵬，等.無中和器射頻離子推力器原理研究 [J].中國空間科學技術(shù)，2016，36（1）：2.

[3]馬雪，韓冬，湯亮.電推進衛(wèi)星角動量卸載研究 [J].中國空間科學技術(shù)， 2016， 36 （1）： 71.

[4]中國人民解放軍總裝備部電子信息基礎(chǔ)部.電子設(shè)備可靠性預計手冊：GJB/Z 299C-2006[S].北京：總裝備部軍標出版發(fā)行部，2006.

[5]Repartment of Defense.Reliability Prediction of Electronic Equipment：MIL-HDBK-217F[S].

[6]孫新利，陸長捷.工程可靠性教程 [M].北京：國防工業(yè)出版社，2005：19；27；37；41.

Reliability Comparison and Selection of Configuration Scheme for Power Processing Unit

LIU Gang， ZHANG Qian， ZHAO Dengfeng， ZHANG Baoping， CHEN Changwen
（Lanzhou Institute of Physics， CAST， Lanzhou 730000， China）

Electric propulsion technology is an important development direction of aerospace propulsion technology.In view of the requirement of the electric propulsion system of the new generation communication satellite platform，four alternative configuration schemes of the power supply unit used in the electric propulsion system are introduced，and the reliability of each scheme is also calculated.Through the comparison of the reliability indexes and the analysis of the configuration schemes，some suggestions are provided for the optimization of the scheme.

electric propulsion； power processing unit； reliability comparison； scheme selection

TB 114.37

A

1672-5468（2017）04-0037-05

10.3969/j.issn.1672-5468.2017.04.007

2017-02-10

劉罡 （1970-），男，陜西西安人，蘭州空間技術(shù)物理研究所 （航天510所）高級工程師，碩士，從事二次電源的可靠性研究工作。

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《電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗》編輯部