大功率軟開關燈絲電源的設計

韓 博

(南京電子技術研究所, 南京 210039)

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大功率軟開關燈絲電源的設計

韓 博

(南京電子技術研究所, 南京 210039)

為了提高大功率真空管設備燈絲電源的技術性能和功率密度，設計了一種軟開關零電流諧振式BUCK變換器為核心的燈絲電源。介紹了其基本工作原理，結合電路各個時段時序關系、電路拓撲、重要參數的設計公式，給出了電源的詳細設計方法，并闡述了電路的實現條件和工作特點。以工作中的具體電路為實例進行詳細分析，得出了電路在工作效率、可靠性實施、模塊化設計等方面的可行性論證，驗證了其高效率、小型化的技術創新特點。

燈絲電源；零電流；軟開關；準諧振變換器；真空管

0 引 言

電子管陰極燈絲加熱電源是電子管正常工作的前提，燈絲電源的質量將直接影響電子管尤其是大功率發射管的使用壽命和使用穩定性。早期簡單的燈絲電源采用無穩壓交流燈絲供電，燈絲工作精度較差；現在大多數燈絲電源采用穩壓直流燈絲供電，提高了燈絲工作的穩定性[1]。但是在電子管起動瞬間，穩定工作的燈絲電壓加在冷態的發射管燈絲上，會產生一個比正常工作電流大很多的浪涌電流，它的沖擊會對電子管的壽命造成很大的危害[2]。目前高端的燈絲電源采用穩流直流燈絲供電，它繼承了穩壓電源的優點，具有良好的工作穩定性，而且通過對燈絲電流進行實時的檢測運行消除浪涌電流對燈絲的沖擊，是一種良好的燈絲工作模式。

大功率真空管雷達發射機目前采用穩流模式燈絲電源給大功率真空發射管和調制管進行燈絲供電。它采用三級工作模式，如圖1所示，先是采用高頻開關式BUCK變換器將交流供電進行降壓穩流處理；然后，采用半橋振蕩器將直流電源變換為交流脈沖，通過燈絲隔離變壓器送至陰極燈絲高壓端；最后，經過整流濾波變換為直流電源送到電子管燈絲使其正常工作。

圖1 穩流燈絲電源電路簡圖

在燈絲電源中，高頻開關式BUCK變換器是燈絲電源的核心部分。為了提升燈絲電源的功率量級，減少體積質量和電磁干擾，增加效率和可靠性，設計了一種新型的軟開關諧振式BUCK變換器，并以此為基礎設計全新的大功率軟開關燈絲電源。

1 軟開關諧振式BUCK變換器原理簡介

零電流開關準諧振BUCK變換器，在原標準型變換器的基礎上，添加諧振電容、電感，并工作于固定脈寬調頻工作模式，實現高頻開關的零電流開啟、零電流零電壓關斷過程。工作原理[3-5]如圖2所示。

圖2 零電源開關準諧振BUCK變換器原理圖

圖2中，DC為直流電源，S為開關管，Lr、Cr為諧振電感、電容，Lf、Cf為濾波電感、電容，D為續流二極管，RL為負載。開關S閉合時，由于電感Lr的作用，S在零電流條件下導通。S導通后，電感Lr與電容Cr的諧振使通過開關S的電流呈近似正弦波形，從而又為開關S的斷開創造了條件。當電感電流諧振到零時，開關S可在零電流條件下關斷。

為了簡化分析過程，考慮到Lf?Lr，在一個諧振周期中，Lf中的電流可以看作近似不變，因此，濾波電路Lf/Cf及負載RL將用一個恒流源I0有效代替。圖3為電路在一個開關周期內的主要電量波形，圖4為電路的相應拓撲模式圖形，分為4個時間段來分別詳細描述。

圖3 電源主要電量波形圖

工作過程分析如下：假設在初始時刻t0之前，開關S處于斷開狀態，輸出電流I0通過二極管D續流，電容Cr上的電壓為0；在t=t0時，開關S在零電流條件下導通。

(1)t0～t1時間

開關S導通，電感電流ILr

(1)

初始條件為ILr(t0)=0，由此可得

(2)

在t1時刻，ILr上升到等于輸出電流I0，這個時間段結束，則

(3)

(2)t1～t2時間

在時刻t1，ILr等于I0，二極管D截止，電感Lr與電容Cr開始諧振，如圖4b)所示，這時有

(4)

(5)

初始條件ILr(t1)=I0，VCr(t1)=0，由此可得

(6)

VCr=Vin[1-cosωr(t-t1)]

(7)

電感電流ILr下降到零后，將通過開關S的反向并聯二極管繼續向反方向諧振，并將能量反饋回輸入電源。當ILr在時刻t2從反方向再次諧振回零時，這個時間段結束。在ILr電流反向的時間間隔內，開關S可以在零電壓零電流狀態下完成關斷過程。

這個反向諧振時間段長度為

(8)

式中：θ=ωrT2。

(3)t2～t3時間

開關S斷開，二極管D斷開，輸出電流I0通過電容Cr流通，電容電壓VCr處于線性放電狀態，如圖4c)所示。此時ILr=0，則

(9)

初始條件VCr(t2)=Vin(1-cosθ)，由此可得

(10)

(11)

當VCr在時刻t3重新諧振回零時，二極管D導通，t2～t3時間段結束。

(4)t3～t4時間

開關S斷開，二極管D導通，輸出電流通過二極管D續流，電容電壓被鉗為在0，直到下一開關周期到來時，開關S再次導通，整個開關周期結束。

T4=t4-t3=Ts-(T1+T2+T3)

(12)

2 零電流開關實現的條件

電路的工作狀態與輸入電壓和負載變化有很大關系，由式(8)可以看出，當ωr(t-t1)=3π/2時，ILr=-Vin/Zr+I0，此時ILr≤0，才能保證實現零電壓開關工作狀態。 即當電路輸入電壓和負載電阻確定后，只有滿足下面的條件，才能保證電路工作于諧振電路狀態。

I0≤ Vin/Zr

(13)

3 零電流開關電路特性

與常規BUCK電路相比，此電路增加了諧振元件，電路復雜性略有增加；開關電路采用調頻控制方式，精心選擇諧振電感電容的參數即可實現電路的穩定工作。電路的優點是軟開關保證了電路效率的提高，減少了開關的電壓應力，增加了電路的可靠性。缺點是由于電路的諧振特性，流過開關管的峰值電流增加為原來的2倍以上，需要選用額定電流較大的開關管，提高了器件的選擇難度。

4 電路設計簡例

根據零電流軟開關BUCK變換器原理，在工作中設計兩種大功率雷達發射機燈絲電源實例。一種是6.3 V/30 A的燈絲電源，一種是6.3 V/300 A的燈絲電源，均工作良好，現以6.3 V/300 A電源為例介紹具體應用。

大功率燈絲電源采用模塊化工作模式，分為開關模塊(軟開關BUCK變換器)、逆變模塊(全橋開關振蕩器)、整流模塊(高壓整流濾波器)。整流模塊放置于高壓油箱內部(在此不做介紹)，開關模塊和逆變模塊放置于燈絲電源分機內。二者既連接又獨立，便于調試和維修。

燈絲電源采用AC 380 V供電，直流輸入電壓510 V，斬波輸出電壓300 V/7A，軟開關變換器工作于100 kHz狀態。在整流橋后設置軟啟動電路，保證整流濾波電路的安全，軟啟動開關管和斬波開關管選用的大功率MOS管，續流二極管選用大功率二極管模塊，諧振電感和濾波電感選用小體積罐狀鐵氧體磁芯材料，諧振電容選用高頻特性良好的聚丙烯膜介質電容器，電流取樣模塊采用LEM磁感應模塊，穩流精度可達1‰，如圖5所示。

圖5 軟開關BUCK變換器模塊

開關振蕩器采用全橋電路，輸入300 V直流，輸出300 V交變脈沖，頻率1 000 Hz，脈寬950 μs。開關管選用大功率MOS管，如圖6所示。

圖6 開關振蕩器模塊

軟開關BUCK變換器參數實測波形如下圖所示，圖7為開關管觸發脈沖和諧振電流的對比圖，圖8為諧振電容電壓和諧振電流的對比圖。

圖7 變換器諧振電流和觸發流程圖

圖8 變換器諧振電流和諧振電壓圖

燈絲負載功率約為2 000 W，總效率經測量約為90%，其中軟開關變換器效率為97%，開關振蕩器和高壓整流器以及燈絲隔離變壓器總效率為93%。其中，高壓整流器因為是低壓大電流工作，效率稍低，開關振蕩器工作于300V直流電源，且工作頻率只有1 000 Hz(開關損耗很小，主要是導通損耗)。因此，可以保持較高的效率。

5 結束語

軟開關斬波、硬開關逆變，這兩個模塊在此緊密相連，很好地完成了技術分配。軟開關斬波電路進行穩流負反饋設計，在低壓端實現穩流過程，排除了高壓隔離的復雜性；逆變電路直接工作于較低頻率，硬開關設計，省卻了諧振電路，減少了電路復雜性。

當然，如果燈絲工作于低電位，或者更好地解決了燈絲的高電位隔離問題，也可以采用 一級軟開關全橋穩流電路來實現燈絲電源的功能，或者采用交流逆變方式將交流電送至燈絲端再通過軟開關BUCK變換器直接在高壓端進行穩流設計，均可實現良好的燈絲電源設計要求。

綜上所述，軟開關技術的應用，使得大功率燈絲電源具有更高的效率、更高的功率密度、更高的可靠性，有效地減少電磁污染和環境噪聲，提高電子管的使用壽命[5]，為真空電子設備的性能提升提供了非常有利的競爭，具有非常良好的發展前景。

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韓 博 男，1972年生，高級工程師。研究方向為大功率雷達發射機。

Design of a High Power Soft Switching Filament Supply

HAN Bo

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039, China)

For the sake of improving the characteristics and power density of the filament power supply, which are used in the high power vacuum tube devices, the principle of the filament power supply based on soft-switch resonant BUCK converter is introduced in this paper. With temporal principle, circuit topology and formula for calculating key parameters, the particular design of the power supply are presented, the implementation conditions and working characteristics are also given. The efficiency, reliability, modular design of the circuits are demonstrated by the specific examples, the high efficiency, as well as the miniaturization of this power supply can be verified.

filament power supply; zero-current; soft switching; quasi-resonant converter; vacuum tube

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.03.016

韓博 Email：hanbo_nanjing@163.com

2015-10-19

2015-12-23

TN911.7

A

1004-7859(2016)03-0075-03