一種小型化行波管高壓電源的設(shè)計(jì)

朱元江，王 磊

（船舶重工集團(tuán)公司723所，揚(yáng)州225001）

0 引 言

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)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(fā)展［1－2］，其中小體積和高效率使得高壓電源的應(yīng)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(biāo)，高壓電源因其特殊的應(yīng)用背景，在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的問題更趨復(fù)雜化。例如：交叉調(diào)整率、適應(yīng)脈沖負(fù)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(diǎn)，適用于航天、無人機(jī)平臺和彈載平臺等特殊應(yīng)用領(lǐng)域。

1 變換器的原理及特點(diǎn)

1.1 變換器的理想特性

為實(shí)現(xiàn)高壓電源的高效率和小體積，應(yīng)用于高壓電源的拓?fù)浔仨毦邆湟韵绿卣鳎?］：

（1）利用變壓器和功率開關(guān)管的寄生參數(shù)，實(shí)現(xiàn)主功率開關(guān)管以零電壓開關(guān)（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(yōu)化變換器諧振參數(shù)，應(yīng)保證開關(guān)頻率的恒定，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的電路工作方式；

（3）輸入輸出應(yīng)分別滿足電流源特性和電壓源特性，以適應(yīng)高電壓場合的特殊應(yīng)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(yīng)能適應(yīng)脈沖負(fù)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(guān)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(guān)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(biāo)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(fù)載。

圖1 電流饋電型主動箝位推挽隔離DC－DC變換器

根據(jù)實(shí)際的工作過程，將變換器的工作過程分為5個(gè)階段：

（1）（t1～t2）S1和S2同時(shí)導(dǎo)通，此時(shí)流過開關(guān)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(guān)斷，此時(shí)由于電感Ld1的續(xù)流作用，對CS1和Csa1分別進(jìn)行充放電，當(dāng)Cs1的電壓充至箝位電壓UCT，Csa1上的電壓為零時(shí)，Sa1的體二極管Dsa1導(dǎo)通，此時(shí)存儲于電感Ld1的能量轉(zhuǎn)移至箝位電容CT中。這個(gè)過程中，當(dāng)開關(guān)管S1和S2的電流大小不一樣時(shí)，初級向負(fù)載饋能。

（3）（t3～t4）Sa1導(dǎo)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(shí)箝位電容上的能量轉(zhuǎn)移至變換器。

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

（5）（t4～t5）主開關(guān)管S1導(dǎo)通，流過電感Ld1的電流逐漸減小，直至反向，當(dāng)流過Ld1的電流與流過Ld2的電流大小一致、方向相反時(shí)，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(qū)動和電路各狀態(tài)的電流和電壓波形，wS1和wS2為主開關(guān)管驅(qū)動控制波形，wSa1和wSa2為輔助開關(guān)管的驅(qū)動控制波形，IS2和VS2分別為主開關(guān)管S1上的電壓和電流波形，Vsa2和Isa2分別為輔助開關(guān)管上的電壓和電流波形，ILd1為流經(jīng)電感Ld1的電流，ILin是流經(jīng)電感Lin的電流。從圖中可以看出，該拓?fù)涫且訸VS方式工作的。

2 高壓電源的設(shè)計(jì)

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(lián)供電的方法來實(shí)現(xiàn)行波管收集極和管體電源。

所謂的串聯(lián)供電，指的是利用一個(gè)變換器同時(shí)產(chǎn)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，收集級的電壓通過變換器的交叉調(diào)整能力和變壓器的繞制來實(shí)現(xiàn)。

圖2 變換器工作的理論波形

為了進(jìn)一步優(yōu)化諧振參數(shù)，便于濾波電路設(shè)計(jì)［4］，高壓電源控制基于脈寬調(diào)制方式，開關(guān)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(shù)問題，采用倍壓和多組輸出串聯(lián)方式，如圖3所示。

圖3 高壓電源電路圖

3 電路參數(shù)的設(shè)計(jì)

在高壓電源設(shè)計(jì)中，高壓電源變壓器采用扁平結(jié)構(gòu)，以減小體積。設(shè)定開關(guān)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(shù)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(shí)測波形

圖4～6分別給出了主開關(guān)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(dá)到200W時(shí)主開關(guān)管S1的電壓和電流波形，圖5為輸出功率達(dá)到100W時(shí)主開關(guān)管S1的電壓和電流波形，圖6為空載時(shí)主開關(guān)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(fù)載條件下，并能保證開關(guān)管工作在ZVS狀態(tài)。

圖4 高壓輸出200W主開關(guān)管電壓、電流波形

5 結(jié)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(jié)構(gòu)，并對其工作模式進(jìn)行了詳細(xì)的分析。通過實(shí)驗(yàn)表明：該拓?fù)溆泻芎玫腪VS特性，在不同負(fù)載條件下，得到了功率管的實(shí)測電壓和電流波形。最后進(jìn)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(yàn)證明該高壓電源效率高、體積小、重量輕、負(fù)載調(diào)整率好。該高壓電源在航空航天、彈載和星載等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛。

圖5 高壓輸出100W主開關(guān)管電壓、電流波形

圖6 高壓輸出空載主開關(guān)管電壓、電流波形

［1］沙文祥，李剛，張宗濂.機(jī)載行波管發(fā)射機(jī)電源系統(tǒng)［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(shè)計(jì)［J］.雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2009（7）：397－400.