一種高效率LC諧振式移相全橋行波管高壓電源的設計

高彧博，謝章貴，李 群, 王 鑫，劉文政

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

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一種高效率LC諧振式移相全橋行波管高壓電源的設計

高彧博，謝章貴，李 群, 王 鑫，劉文政

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

設計了一種高效率LC諧振式移相全橋高壓電源，從變換器拓撲、控制模式、功率器件、開關頻率等多個方面進行分析，最終設計了一種高穩定度(≤0.5‰)、高電壓(10 kV)、小紋波(≤0.2‰)、高效率(不計輸入整流濾波損耗滿載效率達96.1%)、小型化(高壓電源模塊尺寸為200 mm×200 mm×50 mm)、中等功率量級(滿載輸出450 W)的高壓電源。

行波管；高壓電源；小紋波；移相全橋

0 引 言

隨著行波管幅相一致性的逐漸提高，行波管組陣應用的場合也越來越多，對于行波管陣列功率放大模塊而言，行波管高壓電源有了新的要求：為了保證幅相一致性，對高壓電源的紋波有了較高的要求；為了保證分布式供電的體積重量，對高壓電源的小型化也有了新的要求。

本文介紹了一種應用于行波管陣列功率放大模塊的高壓電源技術，并應用LC諧振式移相全橋拓撲設計了一種小紋波、高效率的小型化高壓電源。

1 LC諧振式移相全橋變換器的設計

1.1 移相全橋變換器的優點

移相全橋變換器的優點包括:

(1) 移相控制可以使開關管零電壓開通、零電流關斷，大大降低了開關電源的開關損耗，提高了開關電源的效率，同時也使得高壓變壓器傳輸的電壓、電流波形趨于正弦化。這樣既降低了功率器件(初級開關管以及次級整流管)的電壓、電流應力，也提高了變壓器的傳輸效率。

(2) 全橋拓撲具有中大功率的輸出能力，本文中單個電源模塊輸出額定功率要求450 W，選用全橋拓撲可以使全橋4只開關管分擔電壓、電流應力，使得器件選擇范圍較寬，同時也提高了功率器件的可靠性。

(3) 移相控制模式可以有效避免高壓橋式開關電源的兩大設計難點：

(a) 可以通過完善設計避免橋式開關管的誤導通。普通橋式開關電源一般為脈寬調制控制(PWM)模式，當負載發生變化時，由于系統反饋的作用，驅動開關管的脈沖寬度會發生變化。而在高壓開關電源中使用的開關管一般均有較大的雜散參數(主要影響因素是寄生電容)，由于開關電源環路增益過高，如果負載變輕，這時脈寬會突然變得很窄。而由于開關管的寄生參數影響，開關管不一定會開通，從而在負載調整過程中處于混亂狀態，容易引發上下橋臂的開關管共通而炸機。而移相控制模式的4只開關管始終是處于全脈寬(除死區外)導通狀態，開關電源環路系統反饋調節的只是驅動的相位關系，并不改變開關管的驅動脈寬，從而不會引發此類問題。

(b) 可以避免高壓橋式開關電源空載間歇振蕩的問題。如圖1所示，驅動開關管開通時驅動脈沖先通過Rg給寄生電容Cgs充電，到Cgs兩端電壓(開關管V的柵極電壓Vo)超過閾值電壓Vth后開關管導通。所以,在理想驅動能力下開關管開通上升沿有一個固定的時間τ。Vo與驅動電壓Vg的關系為:

(1)

當Vo=Vth時，開關管導通，所以τ為:

(2)

圖1 開關管驅動電路寄生參數分析

因此，普通調寬式高壓橋式開關電源空載時，脈寬窄到小于τ時，則發生間歇振蕩現象。而移相式控制則確保了開關管驅動脈寬恒定，只是對其相位進行調整，因而可調節出相對較窄脈寬的開關電壓波形，從而避免了因此產生的空載間歇振蕩問題(由于環路調整能力不佳引起的間歇振蕩還需要調節環路參數，無法避免)，提高了電源的穩定性、可靠性。

1.2 LC諧振式變換器的優點

LC諧振式變換器如圖2所示。LC諧振式變換器的優點包括：

(1) 在開關電壓波形與變壓器之間串聯了一個電容Cr，可以起到隔直作用，避免了變壓器的飽和，提高了可靠性。

圖2 LC諧振式全橋變換器

(2) LC諧振式變換器增益可調，可以通過微調LC參數達到改變電壓增益的效果，完成較寬范圍電壓輸出的指標要求。

LC諧振式變換器增益曲線如圖3所示，圖3為LC拓撲增益G(n)與n及Q的關系曲線。

圖3 LC諧振式變換器增益曲線

G，n，Q關系如下:

(3)

(4)

LC諧振式變換器的傳遞函數為:

(5)

其增益為:

(6)

從圖3可以看出不同Q值的曲線在n=1處增益相同，也就是說n=1時，電路增益G與Q無關，即與負載無關。所以，當工作頻率點選擇在n=1時，電路增益不隨負載變化，理論上負載空滿載變化輸出電壓幅度不變?？梢钥闯?，通過調節Lr、Cr可以調節Q值以及n值，從而達到改變系統增益的目的(Lr、Cr不能任意調節，只能在一定范圍內調節，否則無法滿足軟開關條件)。(3) LC諧振式變換器軟開關狀態相比LLC諧振變換器簡單易調，可以在滿載情況下達到很高效率的電能轉換。因為本報告所使用行波管常態工作處于連續波狀態，所以只有2種負載狀態，即滿載和空載，因而可以使用LC諧振式變換器，將電路滿載狀態調節為最佳狀態，獲得最高的效率，空載電源自身損耗小，效率影響可忽略。

此外，LLC諧振變換器多了一個電感，浪費了一定空間，而且中大功率的高壓開關電源中變壓器以及功率器件的雜散參數較大，LLC諧振參數難以精確調節。本文所設計的LC諧振式移相全橋高壓電源原理框圖如圖4所示。

圖4 高壓電源原理框圖

2 PWM控制及開關驅動電路的設計

選擇了拓撲以及控制方式后，進行對控制驅動電路的選擇。

本文設計選用UCC1895作為控制芯片。但由于UCC1895的驅動能力較差，所以后級必須加驅動器，如圖5所示。UCC1895輸出到驅動電路(IR2110)，2路驅動電路的輸出接隔離驅動變壓器(為減小體積，選用EPC17磁芯，Φ0.21漆包線，初次級均為40匝)，驅動變壓器次級則懸浮于橋式變換器的上端和下端。驅動電路芯片IR2110驅動電流2 A，可以滿足后級驅動要求。

圖5 開關控制驅動電路

為了防止MOSFET誤導通，在MOSFET柵極和源極之間并聯430 Ω的電阻, MOSFET柵極接入8 Ω電阻，可以給柵極去耦，以防止干擾和產生振蕩。柵極驅動串入3個串聯的二極管，其目的是降低死區期間的電平，使其低于零電位[1]，這樣可以確保MOSFET在死區期間維持關斷。當然由于工作頻率高，這些二極管必須采用快速恢復二極管。

圖5所示的開關電路實際工作時的波形如圖6所示，B通道為變換器斬波輸出的電壓波形，A通道是通過自制電流互感器采樣的電流波形(100 V約2 A)。

圖6 變換器電壓電流波形

3 新型功率半導體器件的應用

為了提高電源模塊的效率，選擇相應小功耗的功率半導體器件顯得尤為重要。隨著Coolmos工藝的發展，高壓功率MOS管的發展有了巨大的變化，Infineon公司研制出了一種超級結功率器件，大幅度減小了柵極電荷Qg以及輸出電容Eoss，也使得導通電阻Rds大幅減小。上一代Coolmos工藝的高壓功率MOS管以ATP公司的ATP5020為代表在高頻高壓開關電源中應用最廣，而ATP5020的Rds為0.2 Ω，是IPW65R037C6(封裝形式均為TO247)的5倍多(如表1所示)，所以，使用IPW65R037C6可以大幅度降低開關電源的導通損耗，從而提高開關電源的效率[2]。

表1 IPW65R037C6的主要電參數

從圖7中可以看出該MOS管的安全工作范圍，根據單個電源模塊的功率容量以及電源設計可知，MOS管的漏源電壓最大約400 V，漏源電流有效值約2 A，可知MOS管工作于安全范圍內，且留有較大余量。

圖7 IPW65R037C6的安全工作范圍(ID=f(VDS)，TC=25 ℃，Vgs>7 V)

4 高壓開關電源的滿載效率

完成高壓電源的研制后進行加電測試，在接電阻負載時的測試數據如表2所示。

表2 高壓開關電源的滿載效率統計

可以看出高壓電源滿載時最大效率可達96.1%。

5 結束語

本文所設計的行波管高壓電源模塊用PQ40/40磁芯作為高壓變壓器[3]，整流濾波部分使用高壓貼裝元件并進行灌封。

本文設計了一種在滿載時具有高效率的小紋波小型化高壓開關電源，滿載效率(不計輸入整流濾波損耗)可達96.1%，紋波≤ 0.2‰。但是本文所設計的高壓開關電源采用的是LC諧振式移相變換器，該拓撲僅在某一工作點(如滿載情況)效率最高，難以達到全負載范圍均有高效率的要求(類似80PLUS標準[4])。

[1] 宮力.LLC串聯諧振全橋DC_DC變換器的研究[D].武漢：華中科技大學，2006.

[2] Infineon.650 V CoolMosC6 Power Transistor [EB/OL].http://www.infineon.com,2012-01-01.

[3] 高彧博.行波管高壓電源中變壓器的優化設計[J].艦船電子對抗，2014(1)：92-95.

[4] Minjae Joung.Dynamic analysis and optimal design of high efficiency full bridge LLC resonant converter for server power system[A].APEC[C].Orlando,FL,2012：1292-1297.

Design of A High Voltage Power Supply Based on High Efficiency LC Resonant Phase-shift Full-bridge TWT

GAO Yu-bo,XIE Zhang-gui,LI Qun,WANG Xin,LIU Wen-zheng

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

This paper designs a high voltage power supply based on high efficiency LC resonant phase-shift full-bridge,analyzes the convertor topology,control mode,power device,switch frequency,etc.,finally designs a high voltage with high stability(≤0.5‰),high voltage(10 kV),low ripple of voltage(≤0.2‰),high efficiency (fully loaded efficiency is 96.1% when input commute filtering loss is ignored),small size(200 mm×200 mm×50 mm) and midding power(fully loaded output is 450 W).

travelling wave tube;high voltage power supply;low ripple;phase-shift full-bridge

2014-05-15

TN86

B

CN32-1413(2015)01-0110-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.01.026