一種小型化行波管高壓電源的設計

朱元江，王 磊

（船舶重工集團公司723所，揚州225001）

0 引 言

隨著技術的不斷進步，高壓電源已趨向于小體積、大功率、高效率和低紋波等方向發展［1－2］，其中小體積和高效率使得高壓電源的應用前景更加光明。在減小體積和重量的前提下，不斷提高高壓電源的效率從而提高可靠性是工程師們追求的目標，高壓電源因其特殊的應用背景，在設計時需要考慮的問題更趨復雜化。例如：交叉調整率、適應脈沖負載特性、抗短路特性等。本文介紹的小型化行波管高壓電源具備了上述特點，適用于航天、無人機平臺和彈載平臺等特殊應用領域。

1 變換器的原理及特點

1.1 變換器的理想特性

為實現高壓電源的高效率和小體積，應用于高壓電源的拓撲必須具備以下特征［3］：

（1）利用變壓器和功率開關管的寄生參數，實現主功率開關管以零電壓開關（ZVS）方式通斷，以減小開通損耗和提高效率，提升變換器的可靠性；

（2）為了便于優化變換器諧振參數，應保證開關頻率的恒定，實現最優的電路工作方式；

（3）輸入輸出應分別滿足電流源特性和電壓源特性，以適應高電壓場合的特殊應用；

（4）盡可能降低變壓器的變比，減小次級映射到初級的分布電容，以減輕由于分布電容帶來的不利影響；

（5）高壓電源應能適應脈沖負載特性和寬輸入電壓變化。

1.2 變換器的等效電路和工作原理

如圖1所示，該變換器為電流饋電型主動箝位推挽隔離DC－DC變換器，S1和S2為主開關管，CS1和CS2分別為S1和S2的輸出電容，DS1和DS2分別為S1和S2的體二極管，Sa1和Sa2為輔助開關管，Csa1和Csa2分別為Sa1和Sa2的輸出電容，Dsa1和Dsa2分別為Sa1和Sa2的體二極管，CT為箝位電容，Lin為輸入電感，圖中虛線標注的為功率變壓器T1，Ld1和Ld2為諧振電感，DR1和DR2為高壓整流二極管，CR1和CR2為倍壓電容，C0為儲能電容，R0為等效負載。

圖1 電流饋電型主動箝位推挽隔離DC－DC變換器

根據實際的工作過程，將變換器的工作過程分為5個階段：

（1）（t1～t2）S1和S2同時導通，此時流過開關管S1和S2的電流大小一致，方向相反，初級不向次級饋能，輸入電感Lin存儲能量。

（2）（t2～t3）S1以零壓方式關斷，此時由于電感Ld1的續流作用，對CS1和Csa1分別進行充放電，當Cs1的電壓充至箝位電壓UCT，Csa1上的電壓為零時，Sa1的體二極管Dsa1導通，此時存儲于電感Ld1的能量轉移至箝位電容CT中。這個過程中，當開關管S1和S2的電流大小不一樣時，初級向負載饋能。

（3）（t3～t4）Sa1導通，由于箝位電容電壓 UCT的作用，流過電感Ld1的電流逐漸減小，直至反向，此時箝位電容上的能量轉移至變換器。

（4）（t4～t5）Sa1關斷，由于電感Ld1的續流作用，對電容Csa1和CS1分別進行充放電，直至主開關管S1上的電壓為零，電流通過體二極管。

（5）（t4～t5）主開關管S1導通，流過電感Ld1的電流逐漸減小，直至反向，當流過Ld1的電流與流過Ld2的電流大小一致、方向相反時，此過程回到階段（1）。

1.3 變換器工作的理論波形

圖2給出了驅動和電路各狀態的電流和電壓波形，wS1和wS2為主開關管驅動控制波形，wSa1和wSa2為輔助開關管的驅動控制波形，IS2和VS2分別為主開關管S1上的電壓和電流波形，Vsa2和Isa2分別為輔助開關管上的電壓和電流波形，ILd1為流經電感Ld1的電流，ILin是流經電感Lin的電流。從圖中可以看出，該拓撲是以ZVS方式工作的。

2 高壓電源的設計

由于行波管為二級降壓收集極，行波管需要幾組電源，為了減小高壓電源的體積，高壓電源采用串聯供電的方法來實現行波管收集極和管體電源。

所謂的串聯供電，指的是利用一個變換器同時產生行波管的陰極電壓和收集級電壓，通過對陰極電壓的取樣來實現穩壓，收集級的電壓通過變換器的交叉調整能力和變壓器的繞制來實現。

圖2 變換器工作的理論波形

為了進一步優化諧振參數，便于濾波電路設計［4］，高壓電源控制基于脈寬調制方式，開關頻率固定為100kHz左右。由于輸出電壓高，變壓器的初次級變比較高，為減少變壓器初次級變比高所帶來的寄生參數問題，采用倍壓和多組輸出串聯方式，如圖3所示。

圖3 高壓電源電路圖

3 電路參數的設計

在高壓電源設計中，高壓電源變壓器采用扁平結構，以減小體積。設定開關頻率f為90kHz，最大占空比D為0.68，變換器的增益q為2，陰極高壓輸出Vout為7.5kV，高壓電源變壓器的總變比確定為：

變壓器完成繞制后，參數如下：初級電感Lp為60μH，漏感Ld為在0.3μH，變壓器的分布電容Cp約為10pF。為滿足諧振和箝位要求，諧振電感選為5μH，箝位電容選為1μF。

4 實測波形

圖4～6分別給出了主開關管S1的電壓和電流波形，其中A路為電壓波形，B路為電流波形。圖4為輸出功率達到200W時主開關管S1的電壓和電流波形，圖5為輸出功率達到100W時主開關管S1的電壓和電流波形，圖6為空載時主開關管S1的電壓和電流波形。從圖中可以看出該高壓電源可以工作在不同負載條件下，并能保證開關管工作在ZVS狀態。

圖4 高壓輸出200W主開關管電壓、電流波形

5 結束語

本文介紹了一種小型化行波管高壓電源，該高壓電源采用電流饋電型主動箝位推挽隔離DC－DC變換器結構，并對其工作模式進行了詳細的分析。通過實驗表明：該拓撲有很好的ZVS特性，在不同負載條件下，得到了功率管的實測電壓和電流波形。最后進行了滿功率測試，該高壓電源輸入電壓30V，輸入電流7A，輸出功率為1 9 6W，效率為94%，陰極輸出電壓為－7 508V，收集級1輸出電壓為－3 215V，收集級2輸出電壓為－4 302V，收集級1和收集級2空滿載電壓變化率小于5‰。試驗證明該高壓電源效率高、體積小、重量輕、負載調整率好。該高壓電源在航空航天、彈載和星載等領域應用前景廣泛。

圖5 高壓輸出100W主開關管電壓、電流波形

圖6 高壓輸出空載主開關管電壓、電流波形

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

［2］Tala－tghil B，Nyobe－Yome J M，Glaize C.High－voltage variable－frequency double－resonant dc－dc converters utilizing the transformer parasitic elements［A］.Proceeding of The European Space Power Conference［C］.Austria，1993：245－250.

［3］Ivo Barbi，Roger Gules.Isolated DC－DC converters with high－output voltage for TWTA telecommunication voltage for TWTA telecommunication satellite applications［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2003，18（4）：975－984.

［4］柏光東，徐曉榮，陳永浩.一種超寬帶中功率 MPM的設計［J］.雷達科學與技術，2009（7）：397－400.