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Ku波段行波管的电子调节器

摘要：一种高度先进的调节电源被称为电子功率调节器（EPC），用于激励作为卫星有效载荷中的RF信号放大器的行波管（TWT）。由TWT和EPC组成的组件称为行波管放大器（TWTA）。 EPC用于为TWT的各种电极提供具有紧密调节的隔离和调节电压轨，并使其射频性能独立于由于日照和日照条件的变化而导致的太阳能总线变化。有效负载质量及其功耗主要是由于总体直流功耗占总质量的35％左右，卫星应用的70%-90％左右。这种情况确保了TWTA及其相关EPC的设计的持续改进，以实现更高效和更轻的产品。 EPCs涉及的关键技术是设计和配置，闭环调节，元件和材料选择，高压（HV）输出的能量限制和HV卡的灌封等。这项工作解决了实现和测试中发展的一些关键技术EPC的技术水平，专注于高空电和高功率能力的设计，高达6 kV和170 WRF，分别用于空间TWTA。最后，具有320W直流功率的EPC的实验原型在开环配置中提供Ku波段行波管所需的不同电压。

关键词：TWT，EPCs，TWTA，开关调节器，卫星通信。

1.引言

高压电源通常用于需要高质量电源的医疗，工业和空间应用中。 这些具有多级转换器的大功率电源的设计应该提供：

bull;通过控制潮流方向隔离源和负载;

bull;高转换效率和高功率密度;

bull;具有低总谐波失真的输入和输出波形。

电子功率调节器（EPC）是用于向行波管（TWT）的各种电极提供严格调节的隔离和调节电压的稳压电源。 EPC提供阳极和电网电压几百伏特的低和高电压组合，根据TWT的类型，阴极和集电极的千伏数量级组合。 EPC通常在C波段TWT的3 kV范围内工作，Ku波段TWT工作在6 kV。 高效灵活的开关电源（SMPS）技术用于在EPC中产生多个稳压输出。 因此，开发的EPCs体积小巧，重量轻，满足卫星电源系统的要求，因为发射成本是航天器质量的函数。为了实现EPC的高转换效率和高功率密度，涉及以下领域的关键技术是必要的。

bull;电源电路的设计和配置;

bull;减少传导损耗的封装技术;

bull;组件和材料选择;

bull;高压（HV）输出的能量限制和HV卡的灌封。

旅行波管放大器（TWTA）技术已被证明适用于调节和不受管制的公共汽车航天器。EPC和TWT效率通常分别高于95％和60％。使用新的包装技术实现减重。此外，根据要求，可以实现单（一个TWT，一个EPC）和双（两个TWT与一个EPC）。

在这项工作中，考虑实现空间Ku波段TWT在提供6kV高压系统的开环配置中实现现有技术EPC的关键方面。

2.EPC的描述和操作

通过内置排序，命令接口模块以及适用于空间应用的故障监控，保护和内务管理功能对TWT各种电源供电。 EPC的基本框图如图1所示。

2.1EPC基本框图

参考图 1，EPC的重要组成部分包括

bull;内部偏置转换器，

bull;控制/保护，遥测（TM）/远程命令（TC）和ON / OFF排序。

bull;灯丝供应，

bull;高压电子功率调节器（HVEPC）。

图1 EPC的基本框图

所有这些块的功能说明如下：

(1)内部偏置转换器

内部偏置转换器是为EPC中的所有集成电路（IC）提供偏置的低功率转换器。通常选择正向转换器拓扑。输出端的电感耦合，以实现更好的调节。

控制/保护，遥测/遥控和ON /OFF接口

控制电路提供脉冲宽度调制器（PWM）控制器，其通常用于EPC的其余三个块。保护电路提供对输出短路，螺旋过流，过压，输入过流等的保护，遥测电路提供如螺旋电流，螺旋电压，螺旋过电压和螺旋过电流等信号。ON/OFF排序电路提供TWT要求的特定排序程序，以便在给出TC命令时激活EPC块。在TWT操作中，电极的顺序开关ON和OFF非常关键。只有当阴极开始发射电子时，才应将HV转换器接通。所以为此目的，一旦给出了接通电源，关闭高电压转换器。这被保持关闭，直到检测到灯丝电流。延时3分钟后，HV转换器接通。关闭序列是类似的方式。第一个HV转换器关闭。然后，为了使螺旋电压下降到一定值以下，对于所有关闭的其他电路都会检测到这一点。为了确保这一点，加热器只有在螺旋电压下降到低于极限之后才关闭。因此，EPC如图1所示。 1表示低压和高压块之间的分离。

(2)灯丝供应​​转换器

TWT的加热器需要低电压和大电流电源。该电源采用推挽配置的电压馈送脉宽调制（PWM）开关电源（SMPS）拓扑结构。该转换器的输入源自内部偏置转换器。需要一个方波作为输出，因此选择的拓扑是推挽，输出是方波。该转换器以固定占空比运行，频率为10 kHz，得到方波。电流互感器连接在电源电源的输出端，以检测灯丝的开关ON，有助于排序操作。

（3）HVEPC

高电压块产生TWT电极所需的高压电源。 TWT是具有由四个收集器，阳极和阴极组成的电极的螺旋。 Ku波段螺旋TWT的结构如图1所示。该电源采用PWM电流推挽拓扑结构设计。

3.HVEPC涉及的关键技术和设计配置

3.1关键技术

TWT是一种多电极真空装置，在其电源（EPC）方面面临许多挑战，用于在预期的使用寿命内提供RF性能。在开放的领域，提供非常有限的信息，在土着产品的开发方面正在进行一些很小的工作。下面详细阐述了实现EPC的挑战/关键技术。

bull;设计和配置是具有拓扑结构的现状，应考虑高压输出的能量限制要求，并以高效率和紧凑的封装实现。

bull;对于由TWT的直流和射频条件引起的负载变化大的Ku-TWT，可提供高达6 kV的直流电压范围。螺旋线是参考地面，而阴极相对于螺旋线是-6kV。

bull;当RF对于TWT无效时，大多数电流将被更靠近阴极电压的最沮丧阶段收集器收集。但随着RF信号的增加，其他集电极电流也增加，导致TWT消耗的直流功率增加。这导致了多级收集器，其中TWT消耗的直流功率倾向于与被处理的RF信号成比例地增加，并且消耗的直流功率相当恒定。

bull;在接通条件和冷丝涌入电流限制下维持灯丝预热时间。 典型的灯丝预热时间为3分钟，冷涌流限制在灯丝转换器中的40秒的软启动。

bull;控制各种高电压输出的ON和OFF特性，以避免在切换期间对光束进行去聚焦。

图2 Ku波段螺旋TWT的结构

3.2设计配置

HVEPC是EPC设计的关键方面，目标是在320W的效率为90％，并且在6kV操作被认为是激励120W Ku波段TWT。工作开关频率设置为100 kHz。

HVEPC的电气规格：

输出功率：高达320 W（直流）

螺旋电压：高达6 kV

阴极电流：高达115 mA

集电极数量：最多4个

典型的阳极电压相对于螺旋线为正440V。

当RF有效时，螺旋电流和电压的保护极限为集电极电流的10％和最终阳极/电极电压的60％。

所有电极电压参考阴极电位。 TWT将被操作，螺旋接地并且收集器沮丧。典型的集电极电压相对于阴极在-600V，-2.2，-2.8和-3.4kV的范围内。

HVEPC的原理图如图3所示。HVEPC从航天器原始直流总线上获取能量，其完整的操作是通过航天器TM/TC来实现的。在HVEPC中使用的输入滤波器是在EPC封装的物理限制内进行设计和实现的。该设计的滤波器不能充分抑制EPC对总线的传导发射。因此，为了满足实时要求，应设计外部LC滤波器，并且必须将其插入到EPC和总线之间。该EMI滤波器连接到回扫电感器，主要用于通过补偿任何输入线和输出负载变化来向高压变压器的初级电压提供恒定电压。为此SMPS选择的拓扑结构是反馈电感电流馈电推拉拓扑，其详细图如图4所示。在这种拓扑结构中，反激式变压器与推挽式逆变器串联。反激式电流馈电技术对于具有一个或多个高压输出的隔离多输出电源是一个很好的选择。此外，由于回扫变压器初级的高源阻抗，电压推挽的通常的通量不平衡问题不会导致变压器饱和并导致晶体管故障。在变压器的次级侧，一个绕组专用于阳极电源，而在剩下的五个绕组中，四个串联布置，使得它们提供集电器1，集电极2，集电极3，集线器4电源和第五绕组用于螺旋电源。在图3的PWM模块中，选择的控制器是1525 PWM IC，提供栅极脉冲来对推挽式逆变器的MOSFET进行开关。

高输出电压的要求可以通过双倍的概念实现。 因此，高压变压器用于将电压升高到相当大的量，并且使用倍增器稍后加倍。 然后输出串联连接以获得TWT电极所要求的高电压。 因此，这个概念简化了设计。 输出之后是串联电阻，以便限制任何瞬间短路的输出电流。 串联稳压器在各自的输出端实现了螺旋和阳极电源的调节。 集电极电源的规定是通过间接检测输出电压来实现的，隔离反馈绕组。 通过与次级高电压串联连接的线性调节器对阴极进行螺旋线调节。 所使用的调节器也用作有源滤波器，由于功率转换器的切换，减少了螺旋纹波; 主要总线和TWT负载调制。

变压器次级电压通常限制在300V，因为非常高的电压可能引起电弧并进一步导致电晕效应。 电路设计技术在电弧打样中起着至关重要的作用，例如制造导体（焊接点）的圆形边缘，厚导电路径，并在铺设路径之间保持足够的间隙，选择具有圆形边缘的高压变形器等 电晕最小化主要通过最小化施加到所有组件的交流电压来实现（使用可能的电压乘法器;在整流器之后使用具有串联布置的几个低压绕组）。 如果选择材料特别是电介质是最优先的，电晕的影响可以大大降低。

HVEPC用于获得隔离电极电压的实验设置。

HVEPC的整个框图如图5所示。HVEPC中已经设置了用于开路和获得开环配置中的隔离电压的设置。

HVEPC的实验装置由两个不同的印刷电路板（PCB）组成，即图6和图7中给出的电源卡和高压卡，以及原始总线供电和负载卡。因此，HVEPC是电源卡和高压卡的级联连接。 HVEPC电路的性能评估对于TWT至关重要。因此，在原型模型中考虑了复制载荷，并进行了实验。参考图5，HVEPC卡已经通过使用反馈电流，PWM，推挽拓扑进行了测试。

图3 HVEPC示意图

图4反激电流馈送推拉拓扑 图5 HVEPC测试实验设置

图6电源卡PCB

图7 高压卡PCB

4.电源卡结果与讨论

电源卡基本上安装了EMI滤波器和预调节器，如图3所示。这里放置的反激式电感器主要用于平均电流模式控制，能够执行电流限制和电压调节。代表功率卡的PCB包括输入滤波电容器，功率MOSFET，缓冲器，PWM开关调节器1525 IC和反激式变压器，如图6所示。 1525 IC具有同步，逐脉冲电流限制和软启动功能，是1524的改进版本。该卡的尺寸为：10厘米9 15厘米，重量：290克。

用于电源卡的组件如表格1。

最初，原始直流母线输入电压为70 V，输入5A直流电流转换为50 V，100 kHz脉冲输入，高压变压器采用降压型电流馈电推拉拓扑，给出功率MOSFET的门脉冲的实验波形如图8所示。

观察到在数字存储示波器上观察到占空比为43.5％，峰峰值电压为11.6V。 类似地，功率MOSFET和输入回扫电感器电流的开关波形如图9所示。 从图9可以看出通道1表示以伏特为单位的漏极至源极电压（VDS1），通道2表示满载时电流通过电感，以安培为单位。 观察到当功率MOSFET开关处于导通状态时，输入电流上升。 所使用的MOSFET的浪涌电流限制为25 A.因此，可以得出结论，观察到具有100 kHz频率的43.2 V交流电源作为电源卡的输出，并将其提供给安装在高压卡上的高压变压器的初级。

表1 电源卡中使用的组件列表

图8 功率MOSFET的门脉冲 图9 开关波形和输入电感电流

5.高压卡结果与讨论

高压卡基本上容纳图3中的高压变压器，倍加压器，放电器和串联电阻器，如图7所示。该卡的尺寸为：24厘米27厘米，重量：500克。

表2列出了用于测试高压卡的组件列表。

高压整流器和滤波器部分采用1.2 kV直流PIV的超快反向恢复二极管，并选择70 ns的反向恢复时间。 铁氧体磁芯是5-100 kHZ范围内变压器的理想核心材料，因为磁芯损耗和核心成本较低。 为该变压器提供了大量的绝缘。 金属氧化物高压电阻适用于泄放和高压检测电路。 每个输出端都提供出血管，以处理任何双倍电容器故障。 优选具有低ESR和高体积密度的高电压多播放器陶瓷电容器。 通过专用软件实现电场和整个HV区域对材料和部件的应力，从而通过HV区域的精确几何定义实现电场控制。

在图7中，电流被感测为T2变压器次级侧的二极管电流，如图10所示。

要提供给TWT的电极的HVEPC的直流输出电压在总线电压范围内被观察并在表3中示出。 观察到当直流母线电压为70V时，电路中的输入电流为4.2A。

在表3中，VIN，VC1，VC2，VC3，VC4 VH是直流母线电压，集电极1，集电极2，集电极3，集电极4和螺旋线电压，V.IIN是以安培为单位给出的输入侧电流。 EPC的效率观察值为68％，尽管被设计为90％的复制载荷。 理论和实验结果不匹配的原因是：

bull;开关占空比保持在50％，并使用最大耐受电压的负载卡容量为600 V，在VIN = 70 V时螺旋负载的并联组合之一观

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