行波管高压电源数字控制技术研究_左姗姗.pdf

Electrical Automation电气自动化 2023 年第 45 卷 第 1 期电源技术Power Supply Techniques行波管高压电源数字控制技术研究左姗姗1，2，徐春雨1，杨毅1，2，赵斌1，2，王刚1，2(1 中国科学院空天信息创新研究院，北京100190;2 中国科学院大学 电子电气与通信工程学院，北京100049)摘要:行波管放大器在卫星通信和国防等领域的应用越来越广泛，行波管电源系统对输出电压稳定性的要求也越来越高，但传统的模拟控制开关电源存在诸多缺点，无法满足需求。为此，设计了一个基于现场可编程逻辑门阵列(field programmable gate array，FPGA)的数字控制开关电源，功率主电路采用 Buck 型变换器，控制环路采用电压环反馈控制。在 MATLAB/Simulink 仿真的基础上，结合 FPGA 对系统整体性能进行测试。结果表明，电源系统在不同工作条件下的输出电压稳定，瞬态响应调节迅速，总体性能满足行波管放大器的设计要求。关键词:行波管放大器;比例积分微分控制;Buck 变换器;数字控制DOI:10 3969/j issn 1000 3886 2023 01 022 中图分类号 TN2 文献标志码 A 文章编号 1000 3886(2023)01 0078 03esearch on Digital Control Technology ofTraveling Wave Tube High Voltage Power SupplyZuo Shanshan1，2，Xu Chunyu1，Yang Yi1，2，Zhao Bin1，2，Wang Gang1，2(1 Aerospace Information esearch Institute，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China;2 School of Eelectronic，Electrial and Communication Engineering University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)Abstract:Travelling wave tube amplifier is more and more widely used in satellite communications，national defense and other fields Therequirements of traveling wave tube power supply system for output voltage stability are higher and higher However，the traditionalanalog control switching power supply has many shortcomings and can not meet the needs To this end，an field programmble gatearray(FPGA)-based digital control switching power supply was designed The main power circuit adopted a Buck converter，and thecontrol loop applied voltage loop feedback control Based on MATLAB/Simulink simulation，the overall performance of the systemwas tested with FPGA The results show that the output voltage of the power supply system is stable under different workingconditions，the transient response is adjusted quickly，and the overall performance meets the design requirements of the traveling wavetube amplifierKeywords:travelling-wave tube amplifier;proportion integral differential(PID)control;Buck converter;digital control定稿日期:2021 10 060引言行波管放大器(travelling-wave tube amplifier，TWTA)是一种高增益、高效率、宽频带和长寿命的重要微波真空电子设备，被广泛地应用于卫星通信、电子对抗和雷达上1。TWTA 由行波管(travelling-wave tube，TWT)和电子功率调节器(electronic powerconditioner，EPC)这两部分组成2。TWTA 的主要作用为实现终端的微波功率放大，EPC 为 TWT 提供多个稳定电压。EPC 由两个阶段的功率转换器组成:作为预调节器，前一阶段通常是一个闭环的 Buck 转换器，其功能是当输入电压或负载变化时输出稳定的电压;第二阶段通常是开环直流变压器，其功能是提高输入电压并且提供电阻隔离。作为电源系统，EPC 的性能在很大程度上决定着 TWTA 的性能，较好的控制方案对提高开关电源的性能具有至关重要的作用，但传统的模拟电源控制精度和响应速度取决于电路拓扑和设备本身的参数，性能很难进一步提高，与之相比，数字控制模式数据处理能力强、动态响应快，更便于提高变换器的性能3。为实现数字化控制，国内外实验室均进行了大量研究。但目前的数字电源一方面主要面向通信市场，并未涉及 TWTA 领域;另一方面控制均基于单片机或数字信号处理实现4，存在较大的内部时延，系统的动态响应较低。现场可编程逻辑门阵列(field pro-grammable gate array，FPGA)具有极小的内部时延，可满足系统实时采样的需求5。为了更精确地控制，本文设计了一个基于 FP-GA 的电压环控制的数字控制 Buck 型变换器，并将其应用于行波管上，输出电压稳定，动态响应快，满足实际需求。1系统设计1 1功率级电路参数设计本文开关电源的设计指标如下:输入电压 Vi为 28 V，允许正负 3 V 的波动，期望输出电压 Vo为 21 V，纹波电压 v 为输出电压的 4%，额定负载电流 Io为 1 A，额定电阻 为 21，开关频率fs为 100 kHz。电感电容的参数均在连续模式下设计，开关管导通时，由基尔霍夫电压定律得电感电压为 VL=Vi Vo。由法拉第定律得VL/L=ILfsVi/Vo，其中:IL为电感电流变化值，取负载电流的 40%。由此可得电感的表达式，如式(1)所示，从而计算出临界电感值为 131 25 H。电容可根据输出电压的纹波值来计算，电容充电的电荷为 Q=IL/(8fs)，联立其定义式 C=Q/v得电容的表达式如式(2)所示，计算出电容值为 0 6 F，考虑余量预留以及产品规格确定电感值为 150 H，电容值为 2 2 F。L=(Vi Vo)fsILVoVi(1)87Electrical Automation电源技术Power Supply Techniques电气自动化 2023 年第 45 卷 第 1 期C=IL8fsv(2)1 2ADC 和 DPWM 发生器的设计为保证稳态工作时输出电压稳定，模数转换器(analog to dig-italc converter，ADC)的分辨率应不超过纹波电压。二进制数字输出的 ADC 能区分输入模拟电压的不同等级大小6，因此 ADC 的分辨率为:Vrange，ADC2N=3 32812 9 mV(3)式中:Vrange，ADC为 ADC 满量程电压值;N 为 ADC 的量化位数，本文设计采用8 位 ADC。而纹波电压为4%Vo=840 mV，因此 ADC 的设计满足系统要求。数字脉宽调制器(digital pulse width modulation，DPWM)在PWM 的基础上对参数进行采样和量化，把占空幅值的数字信号转换为时间信号以控制开关管的开断。为避免极限环振荡现象，DPWM 发生器的分辨率必须高于 ADC7。本次设计选择 DPWM发生器的位数为 11 bit，以保证输出电压的稳定。1 3PID 补偿器传递函数的设计比例积分微分(proportion integral differential，PID)补偿器的设计采用基于连续域设计的仿真法，首先设计一个连续域的反馈控制环节的补偿函数，然后进行离散处理。电压控制型开关系统传递函数模块图如图 1 所示，其中GC(s)、H(s)、Fm分别为补偿器、采样网络以及 DPWM 发生器的传递函数。采用状态空间平均法对开关变换器建模，并进行拉氏变换，可得输出电压对控制变量的传递函数 Gvd(s)如式(4)所示。Gvd(s)=Vi1+sL+LCs2(4)式中:Vi为输入电压;为额定电阻;L、C 分别为电感、电容。图 1电压控制型开关系统传递函数模块图未加入补偿环节时系统的开环传递函数为T(s)=Gvd(s)H(s)Fm。由上文可知，ADC 的分辨率为 12 9 mV，则采样网络的传递函数为 H(s)=1/0 012 9 77 575，DP-WM 发生器的分辨率为11 bit，故 Fm=1/211=1/2 048。为得到稳定的系统，本文基于零极点特性补偿的原则设计补偿函数，并增加倒置零点以改善低频特性，使得穿越频率达到开关频率的 1/10，相位裕度达到 60以上。补偿器的传递函数为:Gc(s)=Gc01+s()z1+L()s1+s()p(5)式中:z、p分别为补偿器的零极点频率;L为倒置零点频率，为穿越频率的 1/10;Gc0为补偿器的直流增益。在 Control SystemDesigner 中对控制器进行调整，得到补偿后开环传递函数的波特图，如图 2 所示。相位裕度为 75 6，穿越频率为14 3 kHz，满足补偿要求。图 2补偿后的开环传递函数波特图连续域的补偿函数为:Gc(s)=1 955 105s2+0 452s+2 068s2+s(6)通过后向差分进行离散化，在 MATLAB 下，通过零极点匹配的方式得到 z 域的补偿函数:Gc(z)=1 982 3 536 z1+1 537z21 z1(7)相应的增量型 PID 补偿器表达式为:d(n)d(n 1)=1982e(n)3536e(n 1)+1537e(n 2)(8)式中:d(n 1)、d(n)分别为第 n 1 个周期和第 n 个周期的控制量;e(n)、e(n 1)、e(n 2)为最近三次的采样误差。2系统性能测试2 1Simulink 系统整体仿真为了验证补偿器能否满足系统需求，以及 ADC 转换器和DPWM 发生器的精度能否使系统稳定输出，本文通过建立系统Simulink 整体仿真模型，在 MATLAB 环境下进行仿真，结果如图3所示。输入电压在 25 31 V 之间变化，电压均能稳定在 21 V，纹波电压约为 150 mV。为验证负载变化时系统的调整能力，仿真电路在0 05 s 时加入负载，负载电流从1 A 阶跃到2 A，输出电压经过调整能够恢复到21 V 并稳定下来，恢复到4%范围内的时间约为 85 s，调节时间较为短暂。图 3系统仿真结果图97Electrical Automation电气自动化 2023 年第 45 卷 第 1 期电源技术Power Supply Techniques仿真结果表明:系统具有较好的动态、稳态特性;输出电压、纹波以及调整时间均在期望值范围内，由此验证了补偿方法可行。2 2数字电源的电路测试通过上文的设计，基于 Simulin