15kW雙收集極降壓行波管高壓電源設(shè)計

陳 耿 李 超 陳義懷

(西安電子工程研究所 西安 710100)

1 引言

高壓電源系統(tǒng)是發(fā)射機的重要組成部分，它往往決定了發(fā)射機的可靠性和體積、重量，其性能的好壞直接關(guān)系到發(fā)射機的射頻質(zhì)量和壽命，影響發(fā)射機的性能，其性能指標和可靠性對發(fā)射機系統(tǒng)具有重要意義。本文介紹的高壓電源是針對某波段柵控行波管進行設(shè)計，該行波管為雙收集極降壓柵控脈沖行波管，脈沖功率20～28kW，平均功率大于4kW，工作比15～20%，行波管放大效率高于30%，在該功率水平上，采用行波管的電真空發(fā)射機具有很高的性價比，該高壓電源的總功率大于15kW。

該高壓電源采用移相ZVS-ZCS全橋變換高頻開關(guān)電源，高壓輸出與地電位懸浮隔離，高壓器件采用干式密封絕緣。電源電壓由13kV、19kV、25kV三組電源聯(lián)合輸出。該高壓電源的特點為高頻變換器采用零電壓零電流軟開關(guān)變換技術(shù)，以提高電源的穩(wěn)定性、可靠性、效率和電磁兼容性;高壓組件采用密封干式結(jié)構(gòu)，摒棄傳統(tǒng)的笨重且不易維修的高壓油箱，以提高可維修性和高低溫性能;三路電源獨立調(diào)整，以保證發(fā)射機的最佳工作點和長期穩(wěn)定性;高壓電源的散熱采用水冷方式。

2 設(shè)計分析

某高壓電源要求輸出功率在15kW以上，輸出電壓分別為－25kV、19kV、13kV，19kV和13kV工作時負端懸浮于－25kV之上，耐壓均要求大于35kV以上，尤其－25kV由于提供行波管管提高壓，因而電壓穩(wěn)定度、紋波、抗打火能力均要求很高，為滿足行波管工作要求，三組電源要求單獨設(shè)計、電壓可調(diào)，三組電源均要具有打火保護、過流保護、缺相保護、溫度保護、輸出過壓保護、反饋失效保護、同步鎖定、以及故障上報等功能，同時要求各模塊之間能夠?qū)崿F(xiàn)互換。

2.1 電氣設(shè)計系統(tǒng)組成

由于該電源輸出為三組高壓，而且要求分別可調(diào)，所以該電源系統(tǒng)的設(shè)計采用三組獨立的高壓電源，從功能上該高壓電源由四部分組成，分別為供電輸入控制箱、管體高壓(25kV)電源箱、第一收集極高壓(19kV)電源箱、第二收集極高壓(13kV)電源箱4只機箱組成。供電輸入控制箱將輸入交流進過無源PFC再進行整流濾波，轉(zhuǎn)換為500V左右的直流電壓，分三路分別送到三組高壓電源;另外三個單元分別將500V直流母線電壓經(jīng)過高頻變換、升壓和倍壓整流濾波電路產(chǎn)生三組獨立的高壓，供給行波管工作。整個電源原理框圖如圖1所示。

圖1 高壓電源組成框圖

2.2 工作原理

主電路擬采用三路獨立調(diào)整的電路，分別產(chǎn)生13kV、19kV、25kV三路高壓，其中輸入控制箱包括供電控制、無源PFC、380V整流濾波等采用公共電路，輸入供電控制箱由空氣斷路器實現(xiàn)短路保護，由磁力啟動器完成輸入交流電的送電控制;由三相共模濾波器扼制高頻噪聲對其他設(shè)備的傳導干擾;由電抗器組成無源功率因數(shù)校正，減小輸入交流電的無功負荷，抑制工頻三、五等諧波分量;由三相整流橋濾波電容組成母線整流濾波電路，由控制電路協(xié)調(diào)三組電源的工作狀態(tài)。管體高壓(25kV)電源箱、第一收集極高壓(19kV)電源箱、第二收集極高壓(13kV)，分別產(chǎn)生三組獨立高壓，采用PWM工作方式，PWM器件采用UC公司的UC3875控制芯片。

2.2.1 開關(guān)變換電器設(shè)計

開關(guān)變換電路是該高壓電源設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，傳統(tǒng)的變換器多采用硬開關(guān)變換器，開關(guān)管承受的應力較大，尤其是在負載短路、打火、負載大范圍變化時，電源調(diào)整不過來，開關(guān)管承受的應力會成倍增加，從而損毀開關(guān)管。本次設(shè)計采用全橋移相零電壓零電流開關(guān)變換技術(shù)，通過硬件輔助電路和各開關(guān)管合理的開關(guān)時序時機，使功率管在開通和關(guān)閉時，基本處于零電壓和零電流狀態(tài)，大大減小了開關(guān)損耗，開關(guān)管采用富士公司的PM150RLA120。即IPM模塊150A/1200V大功率IGBT開關(guān)管，開關(guān)頻率為26～32kHz，功率容量超冗余設(shè)計，采用全橋移相零電壓零電流開關(guān)變換電路的損耗可以控制在2～3%。為減輕占空比減小造成的電流波形被壓縮，減小峰值電流從而減小導通損耗，采用了電流展寬措施。電路原理圖如圖2所示。

圖2 全橋變換器電路及波形

四只開關(guān)管的柵極觸發(fā)信號如圖2所示，Vbe1與Vbe2相位相差180°，中間留有一定死區(qū)時間;Vbe3與Vbe4之間相差亦為180°，中間設(shè)有適當?shù)乃绤^(qū)時間。通過調(diào)整這兩組觸發(fā)脈沖之間的相移H，就可以改變輸出功率。由于V4(V3)相對于V1(V2)先行關(guān)斷，所以稱V3、V4為超前臂，V1、V2為滯后臂。

在電路上，可以在濾波電容C1和C2之中點與V1、V2橋臂的中點之間接入輔助電感L2，以幫助滯后臂實現(xiàn)ZVS。工作原理見圖3。

圖3 輔助電感L2的接法與工作原理

在V1導通期間中電流線性上升，當V1受控關(guān)斷后，L2中的貯能也參與了向(C1+Coss)和(C2+Coss)的充放電提供能量的工作，彌補了變壓器初級回路電感L3貯能不足的缺陷。

2.2.2 高壓單元設(shè)計

高壓單元設(shè)計包括高壓變壓器設(shè)計、倍壓電路設(shè)計。高壓變壓器將變換器送來的高頻信號進行升壓，再經(jīng)過倍壓電路整流濾波輸出需要的高壓信號。

高壓變壓器采用超微晶硬結(jié)構(gòu)鐵心、硅膠絕緣高壓線，以及環(huán)氧樹脂封裝。為提高散熱能力，采取鐵心外露的結(jié)構(gòu)型式，并在環(huán)氧樹脂中大量摻入硅微粉。變壓器設(shè)計適當?shù)脑龃罅髓F心和導線截面積，降低了線圈圈數(shù)和銅損鐵損，以提高絕緣和效率。變壓器動態(tài)磁路B控制在0.3以下，初級線包電阻0.002Ω，次級電阻小于 1Ω，激磁電流小于350mA。變壓器整體損耗約1% ～1.5%。變壓器初次級及外殼絕緣，為應對大功率散熱以及絕緣，采用高導熱系數(shù)(0.8以上)高絕緣性環(huán)氧樹脂真空灌封，理論抗電強度達100kV。

三組高壓電源高壓變壓器輸出均采用對稱4倍壓整流電路，高壓整流器件采用進口快恢復二極管串聯(lián)組成，用純度0.999的陶瓷片進行器件的絕緣隔離，用高導熱環(huán)氧樹脂真空灌封。倍壓二極管和倍壓電容耐壓大于變壓器輸出電壓的兩倍，倍壓電路能夠抗電流沖擊能力達300A，對大地抗電強度理論值100kV。倍壓電路電路圖4所示。

圖4 典型四倍壓電路

倍壓電容的體積直接影響倍壓電路的體積，確定倍壓電容的最低容量和耐電流耐電壓要求，以必須減小倍壓電容體積。按照輸出電壓頂部降落要求，確定最低限度的輸出電容。為電容的小型化和提高耐電流能力以及高溫穩(wěn)定性，自行設(shè)計委托加工云母紙電容芯，再自行封裝。電容組的各級電容芯之間及外殼絕緣，采用高導熱系數(shù)(0.8以上)環(huán)氧樹脂真空灌封，可觸摸外殼理論抗電強度達100kV。為防止短路、打火造成高壓二極管過流損壞，采用大電感量輸出電感，抑制短路電流上升太快。

2.3 隔離反饋技術(shù)

將反饋電路采用高隔離變壓器，實現(xiàn)高頻供電和信號傳輸和隔離。供電是采用200kHz開關(guān)頻率的推挽電路，在高壓端整流濾波，供反饋電路用。反饋電路在高壓端將直流取樣電壓變換成高頻PWM脈沖，通過高隔離變壓器傳輸和隔離，在低壓端通過濾波，還原成直流量，用于電壓控制。

為防止電壓反饋回路失效造成電壓失控過壓，設(shè)置了反饋監(jiān)測電路，一旦反饋回路失效，立即關(guān)閉輸出。

2.4 干式密封絕緣技術(shù)

在高壓狀態(tài)下干式密封絕緣的主要材料是環(huán)氧樹脂和硅膠。高分子材料雖然絕緣強度高，但導熱系數(shù)低。絕緣與散熱成為干式密封的主要矛盾。

根據(jù)在灌封材料中大量加入硅微粉，可以在不降低絕緣能力的情況下將導熱系數(shù)提高，但環(huán)氧樹脂加入硅微粉后流動性很差，真空灌封中空氣無法排除。我們采用特殊材料和工藝，實現(xiàn)了大比例硅微粉摻入灌封，使灌封后抗電強度達20～30kV/mm，導熱系數(shù)達0.8.完全滿足絕緣封裝與散熱的需要。在絕緣灌封中我們采用不熱或微熱元件用環(huán)氧樹脂混合硅微粉封裝，高熱元件用高壓陶瓷板和環(huán)氧樹脂、硅微粉混合封裝。這樣解決了絕緣封裝與散熱的矛盾。

3 結(jié)束語

高壓電源的性能指標和可靠性與發(fā)射機的性能指標息息相關(guān)，特別是陰極電源更是和發(fā)射機的信號質(zhì)量有直接關(guān)系，所以高壓電源在發(fā)射機的設(shè)計中占有重要地位，應該給以足夠重視，本高壓電源的設(shè)計是針對新研制的大功率行波管工作需要而設(shè)計的，由于電真空器件工作時由于種種原因會引起電源工作異常，所以在設(shè)計時，在控制保護電路的設(shè)計上一定要迅速可靠，通過大量的試驗已經(jīng)完成了該高壓電源的設(shè)計，效率達到了90%以上，性能、體積、重量均可以滿足行波管工作要求。

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