基于FPGA的空间行波管放大器电源模块及其控制方法与流程

本技术涉及空间连续波型行波管放大器的，特别是一种基于fpga的空间行波管放大器电源模块及其控制方法。

背景技术：

1、空间连续波型行波管放大器一般由行波管(twt)、电源(epc)、线性化通道放大器(lcamp)三部分及相关附件(hv电缆等)组成，epc与twt集成为twta，lcamp与twta集成为连续波线性化行波管放大器(简称ltwta)，其组成框图如图1所示。

2、行波管电源负责将母线电压进行变换，转化为twt和lcamp工作所需要的电压。行波管电源(epc)包括低压模块，低压模块主要负责对母线电压进行整定后为高压变压器提供功率输入，同时实现单机的遥控遥测以及保护控制功能。传统的行波管电源低压模块采用数字逻辑门器件和分立元器件构成控制电路的各个子电路。为实现上述功能需要各个子电路配合工作，其所需的元器件数量多，导致低压模块面积大，重量大，加大了电装及调试工作量，同时由于大量使用数字逻辑门器件和分立元器件对低压电源的效率、稳定性和可靠性都有很大影响。

技术实现思路

1、本专利提出一种基于fpga的电源模块控制方法替代原来的分立数字电路，将原来各个子电路的控制逻辑通过fpga软件实现，在实现相同控制电路功能的前提下有效减小了电路元器件数量及电路面积和重量，极大降低了生产调试难度和周期，提高了生产过程中产品的一致性，同时采用该方法提高了电源模块的转换效率和功率密度，提升了产品的性能。

2、第一方面，提供了一种基于fpga的空间行波管放大器电源模块，包括功率变换电路和fpga；

3、所述fpga用于接收晶振时钟信号，作为fpga的工作时钟，并以此控制产生输出时钟信号clock_fpga给功率变换电路；

4、所述fpga还用于接收死区时间控制信号，并根据所述死区时间控制信号，改变所述fpga向所述功率变换电路输出的两路载波脉冲控制信号drive_1_fpga和drive_2_fpga的死区时间。

5、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述死区时间控制信号的数量为2个，分别为死区时间控制信号dt_con_a和死区时间控制信号dt_con_b，死区时间控制信号dt_con_a和死区时间控制信号dt_con_b联合指示4种死区时间，4种死区时间的取值范围是200～2000ns，相邻死区时间的间隔是200～600ns。

6、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述fpga还用于接收自动重启阈值控制信号，以调整自动重启阈值，其中所述fpga还用于根据自动重启阈值，判断监测的自动重启次数是否达到阈值。

7、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述fpga还用于接收关机指令信号、母线欠过压信号、母线过流信号、过螺流保护信号，切换fpga的工作状态，进而改变功率变换电路的状态；

8、所述fpga还用于接收复位电路的信号，以实现对功率变换电路的复位；

9、所述fpga还用于接收灯丝预热时间控制信号，以调整fpga内部灯丝预热监测时长。

10、第二方面，提供了一种基于fpga的空间行波管放大器电源模块的控制方法，所述电源模块为如上述第一方面中的任意一种实现方式中所述的电源模块，所述方法包括：

11、所述fpga根据死区时间控制信号，控制所述功率变换电路工作在软启动状态，在软启动状态的前半个周期，第一载波脉冲控制信号drive_1_fpga输出高电平信号，第二载波脉冲控制信号drive_2_fpga输出低电平信号；在软启动状态的后半个周期，第一载波脉冲控制信号drive_1_fpga输出低电平信号，第二载波脉冲控制信号drive_2_fpga输出高电平信号；

12、在软启动结束后，所述fpga控制所述功率变换电路工作在正常状态。

13、结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，在软启动状态的两个相邻周期中，前一周期中第一载波脉冲控制信号drive_1_fpga输出的高电平信号总脉宽小于后一周期中第一载波脉冲控制信号drive_1_fpga输出的高电平信号总脉宽。

14、结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，在软启动状态中，第一载波脉冲控制信号drive_1_fpga输出的高电平信号数量为多个，在同一周期中，第一载波脉冲控制信号drive_1_fpga输出的每个高电平信号脉宽相同，在下一周期中，第一载波脉冲控制信号drive_1_fpga输出的每个高电平信号增加相同的脉宽。

15、结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，所述软启动结束，包括所述第一载波脉冲控制信号drive_1_fpga输出的多个高电平信号相互重叠形成一个高电平信号。

16、结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，9、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

17、fpga上电后，在外部复位信号的作用下进行“异步复位，同步释放”操作；

18、外部复位撤消后，fpga控制功率变换电路工作在预热状态。

19、结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，所述方法还包括：

20、监测母线过流信号和过螺流保护信号是否正常；当母线过流信号发生由高向低跳变或过螺流保护信号发生由高向低跳变时，自动重启次数计数器加1；当自动重启次数计数器大于等于重启阈值时，功率变换电路执行保护关机操作，此时fpga输出给功率变换电路的第一载波脉冲信号drive_1_fpga和第二drive_2_fpga信号均置为低电平，clock_fpga维持原状态；当自动重启次数计数器小于重启阈值时，fpga控制功率变换电路进行自动重启操作。

21、结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，fpga控制功率变换电路进行自动重启操作包括：

22、以自动重启次数计数器加1时刻为d0，fpga在d0时刻控制内部计时器启动计时第一时长，经过d0+第二时长后控制功率变换电路重新进入软启动状态；若在第一时长内再次出现自动重启次数计数器加1的情况时，则重新开始上述过程，以该时刻为d0，经过d0+第二时长后重新进入软启动状态；若在第一时长内自动重启次数计数器计数达到所设定的阈值次数，则不再重复软启动过程，进行保护关机操作；若第一时长计时结束后，自动重启次数计数器计数未达到设置的阈值次数，则自动重启次数计数器和内部计时器均清零。

23、与现有技术相比，本技术提供的方案至少包括以下有益技术效果：

24、采用本专利的方法可以实现对行波管放大器高效率电源的可靠驱动。本专利提供的软启动精准控制时序，将载波信号分为3段同时逐步展开的工作模式可以确保功率变换电路中开关管高效率同步/异步工作，减小了开关损耗和开关噪声，提升了电源效率和功率密度。经实测电源额定功率点输出效率提高至94％以上，效率提升5％以上，功率密度提高了10％以上，显著提升了产品的性能。

25、采用本专利的方法可以适配多个功率变换电路。本专利提供的控制方法同时实现了四种死区时间的驱动控制，对应四种软启动时序步长参数，根据实际电路调试效果采用参数化灵活配置死区时间可保证功率变换电路工作在最佳状态。无需更改fpga控制程序即可匹配功率变换电路中不同型号变压器的最佳工作点，提高了本专利的通用性和可扩展性。

26、基于fpga的自动重启控制电路省去了传统设计的各个数字、分立元器件，仅需使用fpga两个数字i/o引脚，其控制逻辑由软件实现，大大节省了电路元器件数量及面积。通过综合对比整个控制电路，使用fpga作为控制电路能够有效减少元器件约120个，较少电路面积约40％，模块减重100g，具有更高可靠性；同时由于内部逻辑均由软件固化，无需进行二次调试，极大降低了生产周期，更有利于生产制造，综合对比下基于fpga的控制方法相较传统产品优势明显。