16 kW固態-前向波發射機高壓電源

范 鵬，劉星輝，鐘國儉

(華東電子工程研究所， 合肥230088)

0 引言

近二十年來，國內雷達領域固態發射機有了突飛猛進的發展［1］。雷達的發射機具備較高的可靠性、故障軟化等功能，但價格高，重量大，使其在機載領域應用受到了限制;而真空管以其體積、重量、價格優勢仍然在高頻段機載領域占據較大的優勢［2］，可見真空管和固態管各自都有優勢，且具備優勢互補特點，若將兩者優點相結合，必將大有前途。

固態-前向波發射機正是兩者結合的產物，前向波管是電真空管，具有頻帶寬、效率高、體積小、重量輕、相位穩定性好等優點，它的前級驅動是固態功率放大器，這樣組合的固態-前向波發射機能夠瞬時開機，具有低成本，高效率，高可靠性等優點。

本文將闡述用于S波段固態-前向波管的16 kW高壓電源的設計方法。

1 發射機系統組成

圖1為發射機系統組成的方框圖，其前向波管的輸出峰值功率為100 kW，平均輸出功率為6 kW，效率為45%，調制方式采用直流工作方式，負直流高壓電源直接加在管子的陰極上，電壓為-21 kV。前向波管要求高壓電源的功率為13.3 kW，考慮到應有的功率余量，設計電源的輸出電壓為22 kV，輸出功率為16 kW。

圖1 發射機方框圖

2 高壓電源

2.1 電源拓撲選擇［3-4］

因前向波管的輸出功率跟陰極電流成線性關系，故控制前向波的陰極電流大小，就能夠控制前向波管的輸出功率。選擇采用2DCM串聯諧振變換器拓撲形式，是由于不連續串聯諧振變換器的輸出電流具有恒流特性，并具備以下兩個優點:

(1)串聯諧振變換器具有較強的抗短路和耐打火特性，很適用于高壓電源;(2)串聯諧振電路具有零電流軟開關特性，開關損耗小，電源效率高。

2.2 電源構成

考慮到16 kW功率較大，將其分成2個8 kW電源分機，通過并聯合成來實現，不僅可以使電源分機減小，便于拆裝，而且在一路電源出現故障時，另一路電源能繼續工作，發射機的可靠性可以得到提高。

16 kW高壓電源由2個直整分機、2個變整分機和一個控保電路板構成。2個直整分機并排放置在上層，2個變整分機并排放置在下層，2個電源共用一個控保電路板，電源照片如圖2所示。電源原理圖，如圖3所示。

圖2 16 kW高壓電源照片

圖3 16 kW高壓電源原理圖

電源主開關管采用IGBT管GA200TD120K;IGBT驅動電路采用IGD515EI。根據文獻［5］，計算出電源的諧振參數，諧振電容采用高頻電容C48A-1 μF，諧振電感為20 μH自制電感，硅堆采用FDQL325高壓整流橋。

2.3 變壓器設計［6］

由于鐵氧體具有導磁率高、低損耗、價格便宜等優點，故采用鐵氧體鐵心，考慮到高壓絕緣和繞制方便等因素，決定采用C型鐵心，變壓器鐵心選擇如下。

變壓器的視在功率

式中:η為效率;K0為窗口系數;Kj為允許溫升25°;Bw為磁感應強度;fs為工作頻率。

考慮到給予3倍的余量，選擇鐵氧體鐵芯為DT-150，其 AP=574 cm2，截面積 Ae=16.4 mm2，尺寸是150 mm×130 mm×40 mm，初級匝數

為了減小漏感和繞組的集膚效應及鄰近效應，初級導線采用多股絲包線和初級并聯、次級串聯的方式，由于鐵氧體的溫度穩定性較差，故變壓器散熱就很重要。因此，將鐵心和高壓整流硅堆放在油箱里，這樣既解決了變壓器和硅堆的散熱問題，又解決了高壓絕緣問題。

2.4 電源儲能電容的設計［6］

高壓電源的儲能電容的選擇主要是根據射頻脈沖的頂降要求來決定，前向波管陰極脈沖電流

式中:Pout為前向波管的輸出峰值功率，Pout=100 kW;η=0.45為前向波管的效率;τ=60 μs，為前向波管的最大工作脈寬;ΔU=2% ×Uo為假設電容電壓有的2%的頂降。

2.5 電流閉環設計

由于前向波管的動態阻抗很低，陰極電壓變化1%，就會導致陰極電流變化5% ～10%，而電流跟管子的輸出功率又是線性關系，因此高壓電源實行穩流方式要好于穩壓方式。通過電流互感器對前向波管的陰極電流進行取樣，取樣后的電平跟基準電平進行負反饋閉環調整，實現電流閉環，從而提高了發射機的功率穩定度，減小了頻帶內功率起伏。

2.6 電源開關機設計

由于16 kW電源的功率很大，開關機將產生很大的電流電壓應力，不僅會損壞開關器件，而且會帶來很大的電磁干擾，影響電源自身及與發射機有著共同交流輸入電壓的其他用電設備的正常工作，因此，電源采用了2級軟起動開機方式。

頻率軟啟動是電源開機瞬間將電源的工作頻率下拉到最低值，隨著軟啟動電容電壓的逐漸升高，電源的工作頻率也逐漸提高，直到電流閉環電路自動起作用為止;采用的第二種軟啟動為電阻限流軟啟動，電源原理圖，如圖3所示。電阻R1和繼電器K1并聯，剛開機時，電容充電電流通過電阻限流，輸出電壓因電阻有壓降而降低，當繼電器動作后電阻被短路，輸出電壓很快上升到額定值。

2.7 實驗波形圖及效率統計表

本文所采用的不連續串聯諧振技術屬于零電流開啟，零電流關斷，所以電源的開關損耗較小，效率很高。圖4為該電源的諧振工作電流波形。

圖4 諧波電流波形

表1是實驗測得的逆變電路效率統計表，這里統計的效率為輸出功率和直流輸入功率的比值，即逆變電路效率，達到了90%以上，在包括交流輸入整流后電源效率降低到88%。

表1 逆變電路效率

3 結束語

本文著重介紹了高壓變壓器的設計方法，變壓器作為電源的關鍵器件，效率達到88%，各項指標滿足設計要求，目前電源仍穩定可靠地工作。證明串聯諧振變換器是一種較好的高壓電源拓撲電路，尤其適合用作前向波管等電真空管的高壓電源，具有較高的實用性和借鑒價值。

［1］ 鄭 新，李文輝，潘厚忠.雷達發射技術［M］.北京:電子工業出版社，2006.Zheng Xin，Li Wenhui，Pan Houzhong.Technology of radar transmitter［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2006.

［2］ 強伯涵，魏 智.現代雷達發射機理論設計和實踐［M］.北京:國防工業出版社，1985.Qiang Bohan，Weizhi.Theory design and practice of modern radar transmitters technology［M］.Beijing:National Defense Industry Press，1985.

［3］ 葉慧貞，楊興洲.開關穩壓電源［M］.北京:國防工業出版社，1990.Ye huizhen，Yang Xingzhou.Switching regulated power supply［M］.Beijing:National Defense Industry Press，1990.

［4］ 魏 智.用于雷達發射機的140 kW的高壓開關電源［J］. 現代雷達，2000，22(3):56-60.Wei Zhi.140 kW high voltage switching power supply for radar transmitter［J］.Modern Radar ，2000，22(3):56-60.

［5］ 范 鵬，劉星輝.10 kW高壓電源的研制［J］.現代雷達，2006，28(12):97-99.Fan Peng，Liu Xinghui.Developing of 10 kW high voltage power supply［J］.Modern Radar，2006，28(12):97-99.

［6］ 張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計［M］.北京:電子工業出版社，1998.Zhang Zhansong，Cai Xuansan.Principle and practice of switching power supply［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2006.