基于ZVS 自激振蕩的小型鈦泵高壓電源設計

顧晉晉， 張永祥

（中國船舶集團有限公司 第七二三研究所， 江蘇 揚州 225001）

0 引言

行波管作為微波功率放大的核心器件， 廣泛應用于雷達、電子對抗、通信等領域，其工作電壓高達上萬伏，對電子腔內的真空度有著較高的要求， 鈦離子泵 （簡稱鈦泵）能提供超過10-6Pa 的真空度，所以一般都是通過鈦泵來維持行波管的真空度，以確保行波管正常工作。 鈦泵工作時需要外部提供高達幾千伏的直流電壓， 鈦泵電源的性能將直接影響行波管的真空度， 以至整個發射機的穩定性。 因此設計一種體積小、重量輕、功耗低、可靠性高的鈦泵高壓直流電源具有很高的應用價值[1]。

鈦泵電源在發射機的內部，其體積、重量和可靠性有著較高的要求， 所以在設計時需要充分考慮電路的拓撲及結構和各部件的絕緣與散熱， 由于高壓電源輸出電壓高，變壓器次級線圈匝數多，還要考慮到變壓器的分布電容和漏感問題。

本文基于零電壓開關自激振蕩電路設計鈦泵高壓電源，實現了供電系統的小型化和低成本，并從工作原理、電路設計及仿真等方面做了介紹。

1 電路原理

鈦泵電源的電路主要分成兩個部分，電路原理圖見圖1，左邊功率部分為ZVS 自激振蕩電路，右邊整流部分為四倍壓電路，兩部分通過變壓器初級和次級連接，變壓器初級線圈中心抽頭。

圖1 鈦泵電源原理圖

上電瞬間電感L1 通過的電流為零， 電源電流流經R1、R2， 經過D1、D2 穩壓二極管鉗位在12V 后分別送入Q1、Q2 的GS 極，此時兩個MOS 管同時開通。

電感L1 上電流逐漸增加， 由于元件參數的離散型，導致兩個MOS 管上DS 電流不相同，假設IQ1＞IQ2，變壓器產生3 為正，4 為負的感應電壓，通過變壓器T1 形成正反饋，使B 點電壓升高，D4 截止，此時電容C1 充電，C 點電壓保持12V，Q1 保持導通， 因為Q1 導通時VDS 很小，A點近似接地，D3 導通將D 點電位強行拉低至0.7V 左右，Q2 截止。

變壓器T1 初級線圈上電流逐漸增加，感應電壓逐漸減小，電容C1 在放電狀態，B 點電壓降低，直至D4 導通時，C 點電位受B 點影響也開始減小，直到Q1 截止，同時A 點電位升高，D 點電位跟隨A 點同時升高， 直至穩壓在12V，隨后D3 截止，此時Q2 導通，Q1 截止，變壓器初級線圈中電流達到最大值并開始減小， 同時電容C1 開始充電，A 點電位達到最大值時變壓器初級線圈中電流為零，然后電容C1 放電，變壓器初級線圈中出現反向的電流并慢慢變大，重復之前的過程，每次線圈中電流達到最大時Q1、Q2 切換開關狀態。

穩態時Q1、Q2 同時只有一只完全導通，另一只截止，占空比為50%。 此電路中電容C1 和變壓器T1 的初級線圈構成了并聯諧振回路，變壓器初級2、4 端電壓波形為正弦波。

2 實際工作電路的設計及主要元器件的選擇

根據設計要求，輸入直流電壓Vcc=12V±10%，額定輸出電壓為Vout=3.2kV， 額定輸出功率4W， 工作頻率為40kHz。

2.1 功率電路主要元器件的選擇

MOS 管上的最大電壓為初級的峰值電壓， 由于變壓器T1 初級的抽頭2 和抽頭4 每隔半個周期交替接地，抽頭3 的電壓就相當于正弦波經過全波整流， 周期為原來的一半，并且有效電壓等于Vcc，可以用公式表示為：

變壓器T1 初級抽頭2 和抽頭4 之間峰值電壓即LC振蕩回路的峰值電壓為：

為留有余量MOS 管選取IRFP250，耐壓200V。 D1、D2選擇1N4742，VZ=12V。 D3、D4 選擇快恢復二極管UF4007。

2.2 整流濾波電路主要元器件的選擇

電源的輸出部分采用對稱四倍壓電路， 此電路由兩個二倍壓電路疊加而成，結構簡單，對電容和二極管的耐壓要求較小，二極管選擇兩個1N4007 串聯使用，可以提供最高2000V 反向耐壓。 電容選擇10nF 的高頻瓷介電容。

2.3 高壓變壓器設計

前面已經計算出了變壓器T1 初級電壓V=37.68V

變壓器T1 次級電壓為Vs=3200/4=800V

此時變壓器的變比為：

式中，K0=0.4 為窗口使用系數，Kf=4 為波形系數，磁芯選擇Mn-Zn 鐵氧體磁芯，Bw=0.12T 為工作磁通密度，Kj=366 為電流密度比例系數，X=-0.12 為所用磁芯的常數。

經計算AP=0.03cm4，查閱磁芯手冊，選擇EE-13 型磁芯，其AP=0.057，此時磁芯的有效截面積Ae=0.171cm2。

變壓器初級匝數為：

繞制變壓器線圈時應該采取分段分組繞制的方式，減小每層匝數同時增加層數，這樣可以有效地減小分布電容。

3 電路仿真

根據以上數據的計算， 通過Multisim 軟件搭建電路進行仿真分析，仿真電路見圖2，其中R7 為負載。

圖2 仿真電路

由于本次設計的電路采用非反饋電路結構， 輸出電壓會隨著負載的變化而變化。當行波管內電子腔真空度正常時，負載相當于無窮大，輸出電壓達到最大值，此時取R7=200MΩ，輸出電壓波形圖見圖3，約為3.4kV。

圖3 空載時輸出電壓仿真波形

當鈦泵電源剛啟動時，行波管內電子腔真空度較低，此時電源處于滿載狀態，輸出功率達到最大值，取R7=2 MΩ，輸出電壓波形圖見圖4，約為2.86kV，輸出功率約為4.1W， 此時鈦泵能夠正常工作并快速使電子腔內達到要求的真空度，滿足設計要求。

圖4 滿載時輸出電壓仿真波形

4 結論

本文設計了一種小型鈦泵高壓電源， 介紹了其電路原理和高壓變壓器的設計方法， 并通過仿真軟件對該電源進行了驗證，該電源結構簡單，電子元器件較少，在實現小型化的同時，其性能滿足設計要求。