一種陰控速調(diào)管恒流燈絲電源的設(shè)計

楊 亮，付寒瑜，張 俊

（船舶重工集團(tuán)公司723所，揚(yáng)州225001）

0 引 言

柵控行波管和速調(diào)管燈絲電源直接浮動工作在陰極穩(wěn)定的高壓電位上，大多采用穩(wěn)壓限流方式。對于陰控的速調(diào)管來說采用同樣的方式，使開關(guān)電源直接浮動工作在陰極18kV的高壓脈沖上。當(dāng)陰極高壓脈沖重復(fù)頻率較高時，開關(guān)電源控制部分易受高壓脈沖干擾，無法正常工作，AC 220V輸入低壓端控制的恒流燈絲電源能有效抑制高壓脈沖干擾穩(wěn)定工作。速調(diào)管燈絲在冷態(tài)時阻值接近短路，要求啟動沖擊電流不超過正常工作電流的1.5倍，該電源工作在恒流狀態(tài)，不會出現(xiàn)電流過沖，更符合燈絲的工作特性。本文介紹一種市電AC 220V輸入輸出浮動在高壓脈沖端恒流0～10A可調(diào)、最高輸出電壓10V的恒流燈絲電源。

1 系統(tǒng)設(shè)計及原理

陰控速調(diào)管恒流燈絲電源具有如下特點(diǎn)：（1）恒流燈絲電源抗干擾能力強(qiáng)，整個電源置于屏蔽盒內(nèi)，放在低壓端，實(shí)際試驗(yàn)工作在18kV、15A，最高重頻40kHz的陰極高壓脈沖上，具有很好的穩(wěn)定性；（2）恒流燈絲電源輸出電流穩(wěn)定度高，從燈絲冷態(tài)到正常工作電流恒定輸出；（3）恒流燈絲電源抗速調(diào)管打火能力強(qiáng)；（4）恒流燈絲電源通用性強(qiáng)，電流輸出可調(diào)范圍寬，功率和電流等級可滿足多種管型。陰控速調(diào)管恒流燈絲電源原理框圖見圖1。

圖1 恒流燈絲電源原理框圖

電源工作原理：AC 220V電壓經(jīng)整流濾波后輸出的直流300V輸入到單片開關(guān)電源TOP204Y，TOP204Y輸出＋15V輔助電源，＋15V給脈寬調(diào)制（PWM）控制器和運(yùn)放供電。兩路控制器分別控制半橋和推挽變換器，控制半橋變換器的控制器1輸出的PWM脈沖經(jīng)隔離后驅(qū)動半橋變換器的開關(guān)管，半橋變換器和TOP 2 0 4Y的輸入共用直流300V[1]?？刂仆仆熳儞Q器的控制器2沒有電壓和電流反饋輸出最大占空比脈沖，驅(qū)動推挽變換器把低壓端的直流電壓逆變后經(jīng)高壓隔離變壓器隔離輸出到高壓端，高壓端再對隔離后的交流脈沖電壓整流濾波輸出。推挽變換器取樣電流信號經(jīng)運(yùn)放放大后反饋到控制器1來穩(wěn)定負(fù)載電流，實(shí)現(xiàn)輸出恒流。放大后的取樣電流信號同時輸出到電流指示電路和欠流及過流保護(hù)電路，對電源實(shí)現(xiàn)聯(lián)保。

抗干擾性設(shè)計：采用普通開關(guān)電源直接浮動工作在陰極電位，由于陰極工作于高壓脈沖方式，電源輸出受高壓脈沖干擾造成不穩(wěn)壓，控制部分也易受干擾，造成開關(guān)管同時導(dǎo)通短路，燈絲電源無法工作。這里的低壓端控制恒流輸出燈絲電源的設(shè)計方法，把穩(wěn)流取樣放大和控制部分設(shè)計在低壓端，只有整流濾波浮動在陰極高壓脈沖電位上。除了隔離變壓器和整流濾波電路外，其它電路裝在屏蔽盒內(nèi)，能有效抑制高壓脈沖的干擾。整流濾波電路不易受干擾，浮動在高壓脈沖電位，能穩(wěn)定工作。整個電路系統(tǒng)工作在高壓脈沖條件下，通過低壓端取樣反饋控制實(shí)現(xiàn)高壓端燈絲電源恒流輸出，具有很好的穩(wěn)流穩(wěn)壓特性，整個電源工作穩(wěn)定可靠，抗干擾性很強(qiáng)。

2 電路設(shè)計

2.1 半橋變換器和推挽變換電路設(shè)計

2.1.1 電路原理設(shè)計

控制器1輸出互補(bǔ)脈寬調(diào)制信號PWM1＋和PWM1－，經(jīng)變壓器T1隔離后驅(qū)動 MOSFET，MOS開關(guān)管選用IRFP450，電容C1～C4串在變壓器T1和T2的初級，起隔直和防止變壓器發(fā)生磁偏時短路。次級采用全波整流，整流二極管選用肖特基共陰二極管。限壓取樣信號接到控制器的負(fù)反饋腳，來限制空載時的輸出電壓。整流后的直流電壓經(jīng)V5、V6組成的推挽變換器逆變，控制器2輸出的脈寬調(diào)制信號PWM2＋和PWM2－直接驅(qū)動V5和V6。逆變后經(jīng)變壓器T3隔離傳輸?shù)礁邏憾?，在高壓端整流濾波輸出到燈絲負(fù)載。電流取樣電阻R14原先采用線繞電阻，發(fā)現(xiàn)線繞電阻阻值隨溫度變化范圍比較大，從而導(dǎo)致負(fù)載電流漂移，后采用多股直徑0.3mm的錳銅絲繞制，有效解決溫漂問題。另外，變換器的所有開關(guān)管和整流管均焊接于印制板背面貼合屏蔽盒的底板散熱。變換器和整流濾波原理電路如圖2所示。

2.1.2 變壓器設(shè)計

變壓器T1、T2設(shè)計：T1主要用來隔離傳輸開關(guān)管的驅(qū)動信號，驅(qū)動信號的功率非常小，無需考慮T1的功率容量，選用鐵氧體EE25磁芯，磁芯截面積為：Ae＝0.36cm2，則：

計算變壓器初級匝數(shù)為41.6，最終選用50匝。初級電壓為15V，足以使開關(guān)管導(dǎo)通，所以變比選擇1∶1∶1。T2選用EC35磁芯，查《電子變壓器手冊》鐵氧體磁芯EC35工作在25kHz，溫升25℃時的功率容量為295W，滿足使用要求[3]。磁芯有效截面積為1.21cm2，根據(jù)上述公式計算出變壓器初級匝數(shù)為82.6匝，最終選用100匝。變比選8∶1，次級匝數(shù)選擇13匝。初次級匝數(shù)分別選用直徑為0.2mm和2mm的漆包線。

變壓器T3設(shè)計：選用鐵氧體Ф38環(huán)形磁芯，要實(shí)現(xiàn)高壓和低壓的隔離，初次級都采用耐壓30kV的高壓線繞制，高壓線較普通線粗很多，需要占用的窗口面積大，該磁芯繞線窗口面積較大，達(dá)到2.84cm2，適合在這樣的場合應(yīng)用。磁芯有效截面積為1.35cm2，根據(jù)公式：

圖2 變換器和整流濾波原理圖

計算出變壓器初級匝數(shù)為6.17匝，初次級選用1∶1變比，初級和次級分別繞雙股6匝、外徑4mm和內(nèi)徑1mm的高壓線。初級和次級的引出線需要留長一段，抑制高壓爬電，實(shí)際留長均超過15cm。將變壓器用硅橡膠灌封在尼龍盒內(nèi)固定，這能有效抑制高壓電暈并方便安裝。變壓器最終安裝在高壓端和低壓端之間的環(huán)氧板上，增加次級高壓到低壓端的爬電距離。變壓器初級電壓波形示意如圖3所示。

2.2 電流取樣放大和控制器電路設(shè)計

電阻R14取樣的小信號電壓經(jīng)運(yùn)算放大器放N1A放大2 0倍后的穩(wěn)流反饋信號接控制器SG3525的負(fù)反饋1腳。控制器內(nèi)部集成誤差放大器，放大比較后輸出PWM信號控制半橋變換器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流。調(diào)節(jié)SG3525的2腳輸入電壓可控制恒流輸出的電流值。其電路原理圖見圖4。

圖3 變壓器初級波形示意圖

圖4 取樣放大反饋和控制器原理圖

3 試驗(yàn)結(jié)果和所需改進(jìn)

基于上述方法設(shè)計的陰控速調(diào)管恒流燈絲電源，主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：AC 220V輸入，沒有浮動在高壓脈沖上工作時，Vo＝＋10V，Io＝10A，紋波≤5×10－3，電流穩(wěn)定度≤5×10－3。浮動在脈沖電壓18kV、脈沖電流15A、重頻40kHz陰極高壓脈沖上工作穩(wěn)定可靠，并經(jīng)多次模擬速調(diào)管陰極高壓短路打火試驗(yàn)和燈絲負(fù)載短路實(shí)驗(yàn)，電源均能正常工作和恒流輸出，表明該電源具有很強(qiáng)的抗干擾和抗打火能力及很好的恒流特性。電源的效率只有80%，有待于進(jìn)一步改善，提高電源效率。圖5為該電源低壓部分實(shí)物圖。

圖5 電源低壓部分實(shí)物圖

4 結(jié)束語

以上介紹的恒流燈絲電源，經(jīng)試驗(yàn)和實(shí)際帶速調(diào)管燈絲負(fù)載加高壓長期工作，表明其抗干擾能力和抗速調(diào)管打火能力強(qiáng)，輸出電流穩(wěn)定度高，可滿足速調(diào)管使用要求。

[1]沙占友.新型單片開關(guān)電源的設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001.

[2]劉勝利，李龍文.高頻開關(guān)電源新技術(shù)應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2008.

[3]王全保.電子變壓器手冊[M].沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2003.