李 可

(華東電子工程研究所 合肥 230088)

機載小功率行波管高壓電源設計

李 可

(華東電子工程研究所 合肥 230088)

論文介紹了一種機載小功率行波管高壓電源。該高壓電源采用預穩(wěn)壓+全橋串聯(lián)諧振二級變換結構。詳細分析了全橋串聯(lián)諧振的三種工作模式，并對該高壓電源的主要參數(shù)進行的計算分析，給出了實測結果及波形。

高壓電源; 串聯(lián)諧振; 零電流

Class Number TN83

1 引言

在雷達系統(tǒng)中，發(fā)射機作為重要的組成部分，主要完成信號的放大輸出。行波管具有頻帶寬、輸出功率大等特點，被廣泛應用在雷達系統(tǒng)中，是發(fā)射機的核心部件。而行波管電源是行波管的能量來源，電源的性能對發(fā)射機輸出信號的質量以及整個發(fā)射機的重量、體積、功耗、可靠性等起著重要的作用[1～2]。

2 電源系統(tǒng)的組成

行波管的工作電源主要包括：螺旋線電源、收集極電源、燈絲電源、正偏電源、負偏電源等，其中高壓電源為螺旋線、收集極電源。本設計中，行波管高壓電源需求如表1所示，所有電源電壓均指對陰極電壓。

表1 行波管高壓電源指標

由于發(fā)射機應用于機載工作環(huán)境，為確保行波管電源很好地適應這種工作環(huán)境并穩(wěn)定可靠地工作，遵循以下幾點設計思路。

1) 利用變壓器漏感參與諧振，從而減小甚至無需外加諧振電感，減小高壓電源體積、重量。

2) 主功率開關管工作于軟開關狀態(tài)，從而減小開關損耗和提高效率，提升高壓電源的可靠性。

3) 盡可能降低高壓變壓器變比，從而減小分布電容，以減輕由于分布電容帶來的不利影響。

本設計的行波管高壓電源框圖如圖1所示。

圖1 行波管高壓電源原理框圖

3 具體電源設計

3.1 預穩(wěn)電源設計

由于載機供電電源的范圍為25V～32V，輸入電壓低，而高壓電源輸出為14kV的電壓，其高頻變壓器的變比太高，導致分布電容很大，波形失真嚴重，使高壓電源的工作穩(wěn)定性(可靠性)和效率降低。因此，在飛機的供電輸出和高壓電源的供電輸入之間增加一級預穩(wěn)電源。

預穩(wěn)電源采用模塊化的DC/DC變換器作為核心器件，外圍采取共模、差模濾波電路以及監(jiān)控電路來構成。選擇模塊化的DC/DC變換器有明顯的優(yōu)點：第一，成熟的模塊化電源，內部器件高度集成，電路成熟，具有體積小，可靠性高等優(yōu)點；第二，DC/DC電源變換器具有隔離保護功能，使負載和飛機配電母線隔離，當負載出現(xiàn)過載和短路的時候，DC/DC電源變換器可以實施過流保護或短路保護；第三，當飛機供電母線電壓發(fā)生較大變化時，可以將輸入電壓調整至用電設備使用電壓的穩(wěn)定值。

根據(jù)行波管給定的參數(shù)中，可計算得高壓電源的輸出功率

POUT=14kV×1mA+4.3kV×11mA=61.3W

高壓電源的效率按85%計算，則輸入功率為

PIN=61.3W÷85%≈72W

考慮一定的余量，預穩(wěn)電源的輸出功率按100W設計。

選用2只VICOR公司的電源模塊VI-2WB-MX串聯(lián)，以達到提高輸出電壓的目的。VI-2WB-MX模塊的輸入電壓為18VDC～36VDC，輸出電壓為95VDC，輸出功率75W，故預穩(wěn)電源的輸出電壓為190V，功率為150W。

3.2 高壓電源設計

3.2.1 高壓電源拓撲的選擇

串聯(lián)諧振變換器有下列優(yōu)點：串聯(lián)電容隔斷直流分量，避免高頻變壓器飽和，適合設計成全橋拓撲電路；開關器件的電流隨負載的降低而減小，因而輕負載下效率高。缺點：輸出直流濾波電容必須承受大的脈動電流，因此只適合高壓小電流輸出[3～4]。為了降低高壓變壓器的變比，從而降低分布參數(shù)，高壓變壓器輸出分成三個繞組，經(jīng)倍壓整流串聯(lián)后給行波管提供螺旋線電壓和收集極電壓。

串聯(lián)諧振拓撲圖如圖2所示。

圖2 串聯(lián)諧振拓撲圖

其中，電感Lr和電容Cr組成諧振網(wǎng)絡，開關管S1和S4、S2和S3分別同時開通和關斷，S1和S4與S2和S3為180°互補導通。

3.2.2 全橋串聯(lián)諧振模式選擇

串聯(lián)諧振根據(jù)開關頻率fS和諧振頻率fr比較有三種不同的工作模式：

1)fS≤fr/2時，為電流斷續(xù)模式。開關器件工作在軟開關狀態(tài)，開通關斷均可實現(xiàn)零電流。

2)fr≤fs/2≤fr時，為電流連續(xù)模式。開關器件關斷時電流為零，開通時電流較大。

3)fS≥fr時，為電流連續(xù)模式。開關器件開通時電流為零，關斷時電流較大。

三種模式的電流波形分別如圖3所示。

圖3 串聯(lián)諧振三種工作模式電流波形圖

因此，采用電流斷續(xù)工作模式，開關管均工作在軟開關狀態(tài)，開通關斷均實現(xiàn)低損耗[5～9]。

3.2.3 高壓電源主要參數(shù)計算

由于變壓器次級高壓整流硅堆反向恢復時間的限制，諧振頻率fr取100KHz，因此開關頻率fS=0.5fr=50KHz，變換比M=V0/VB=0.9，電源效率η=0.85，輸入電壓VIN=190V。

其中：Z0為諧振阻抗，R′為負載等效電阻，POUT為輸出功率；η為效率；Vin為預穩(wěn)電源輸出電壓；fr為諧振頻率。

計算諧振電感：

≈450μH

諧振電容：

考慮到變壓器分布電容的影響，適當加大諧振電容，取C=0.01μF，則L≈254μH。

特征阻抗：

諧振回路有效值及峰值電流[10]：

變壓器變比：

高壓電源采用次級串聯(lián)供電模式，對總電壓(螺旋線電壓)進行采樣閉環(huán)，次極采用三繞組分開繞制,其中一組全橋整流輸出電壓為4.3KV,為收集極供電，變比：N1=V1/Vp=4.3KV/(190×0.8)≈29；另外兩個繞組經(jīng)二倍壓整流后串聯(lián)輸出，提供收集極對地電壓。變比：N2=N3=(14-4.3)KV/(2×2×190×0.8)≈16。

高壓儲能電容計算：

行波管最大工作比10%，最大脈寬為100μS，收集極脈內頂降小于50V，螺旋線脈內頂降小于100V，因此：

高壓電源電路簡圖如圖4所示。

3.3 實驗及結果

基于以上的設計步驟，研制一臺行波管高壓電源，輸入直流電壓Vin=28V，輸出電壓VK=-14kV，VC=-4.3kV，輸出功率POUT=65W，變換器工作頻率fs=50kHz。

實測電流波形如圖5所示。

圖4 高壓電源電路簡圖

圖5 實測諧振電流波形

4 結語

本文介紹了一種機載行波管高壓電源，該電源采用兩級電壓變換，高壓變換部分采用零電流全橋串聯(lián)諧振拓撲。該行波管電源具有體積小、重量輕、可靠性高等特點，目前已完成試飛試驗，滿足各項指標要求。該高壓電源在機載、艦載等領域應用前景廣泛。

[1] 鄭新,李文輝,潘厚忠.雷達發(fā)射機技術[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[2] 沙文祥,李剛,張宗濂.機載行波管發(fā)射機電源系統(tǒng)[J].電子工程師,2006,7(32):32-35.

[3] 張占松,蔡宣三.開關電源的原理與設計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.

[4] 劉勝利,嚴仰光.現(xiàn)代高頻開關電源實用技術[M].北京:電子工業(yè)出版社,2001.

[5] R I Ross, B Gunn. High Voltage Power Supply Particularly Adapted For a TWT[P]. United States Patent, Date of Patente: Oct.11,1988,Number:4,777,406.

[6] R J Heinrich, L J Bazin. TWT Power Supply With Improved Dynamic Range[P]. United States Patent,Date of Patente:Dec.17,2002,Number:6.495.961 B1.

[7] X Li, A K S Bhat.Analysis and Design of High-Frequency Isolated Dual-Bridge Series Resonant DC/DC Converter[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,2010,24(4):850-862.

[8] I Barbi, R Gules.Isolated DC-DC Converters with High-output Voltage for TWTA Telecommunication Satellite Applications[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2003,18(4):975-984.

[9] 謝小杰.一種串聯(lián)諧振高頻高壓電源設計[J].電力電子技術,2007,9(41):79-81.

[10] 司漢英,高文清.TEA CO2激光器串聯(lián)諧振式充電電源研究與設計[J].光電技術應用,2011,2(26):71-75.

Design of Small Power High-voltage Power Supply Used in an Airborne TWT

LI Ke

(East China Research Institute of Electronic Engineering, Hefei 230088)

The paper introduced a small power high-voltage power supply used in an airborne TWT(Traveling-wave tube).The high-voltage power supply adopted the combined structure of voltage pre-regulator and full-bridge series resonant circuit.The paper analyzed the three working modes of the full-bridge series resonant circuit,and calculated the main parameters of the high-voltage power supply.Finally,test results were given.

high-voltage power supply, series resonant, zero current

2016年7月13日,

2016年8月23日

李可,男,高級工程師,研究方向:真空管電源、星載供配電技術。

TN83

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.01.038