15kW雙收集極降壓行波管高壓電源設(shè)計(jì)

陳 耿 李 超 陳義懷

(西安電子工程研究所 西安 710100)

1 引言

高壓電源系統(tǒng)是發(fā)射機(jī)的重要組成部分，它往往決定了發(fā)射機(jī)的可靠性和體積、重量，其性能的好壞直接關(guān)系到發(fā)射機(jī)的射頻質(zhì)量和壽命，影響發(fā)射機(jī)的性能，其性能指標(biāo)和可靠性對(duì)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)具有重要意義。本文介紹的高壓電源是針對(duì)某波段柵控行波管進(jìn)行設(shè)計(jì)，該行波管為雙收集極降壓柵控脈沖行波管，脈沖功率20～28kW，平均功率大于4kW，工作比15～20%，行波管放大效率高于30%，在該功率水平上，采用行波管的電真空發(fā)射機(jī)具有很高的性價(jià)比，該高壓電源的總功率大于15kW。

該高壓電源采用移相ZVS-ZCS全橋變換高頻開關(guān)電源，高壓輸出與地電位懸浮隔離，高壓器件采用干式密封絕緣。電源電壓由13kV、19kV、25kV三組電源聯(lián)合輸出。該高壓電源的特點(diǎn)為高頻變換器采用零電壓零電流軟開關(guān)變換技術(shù)，以提高電源的穩(wěn)定性、可靠性、效率和電磁兼容性;高壓組件采用密封干式結(jié)構(gòu)，摒棄傳統(tǒng)的笨重且不易維修的高壓油箱，以提高可維修性和高低溫性能;三路電源獨(dú)立調(diào)整，以保證發(fā)射機(jī)的最佳工作點(diǎn)和長(zhǎng)期穩(wěn)定性;高壓電源的散熱采用水冷方式。

2 設(shè)計(jì)分析

某高壓電源要求輸出功率在15kW以上，輸出電壓分別為－25kV、19kV、13kV，19kV和13kV工作時(shí)負(fù)端懸浮于－25kV之上，耐壓均要求大于35kV以上，尤其－25kV由于提供行波管管提高壓，因而電壓穩(wěn)定度、紋波、抗打火能力均要求很高，為滿足行波管工作要求，三組電源要求單獨(dú)設(shè)計(jì)、電壓可調(diào)，三組電源均要具有打火保護(hù)、過流保護(hù)、缺相保護(hù)、溫度保護(hù)、輸出過壓保護(hù)、反饋失效保護(hù)、同步鎖定、以及故障上報(bào)等功能，同時(shí)要求各模塊之間能夠?qū)崿F(xiàn)互換。

2.1 電氣設(shè)計(jì)系統(tǒng)組成

由于該電源輸出為三組高壓，而且要求分別可調(diào)，所以該電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用三組獨(dú)立的高壓電源，從功能上該高壓電源由四部分組成，分別為供電輸入控制箱、管體高壓(25kV)電源箱、第一收集極高壓(19kV)電源箱、第二收集極高壓(13kV)電源箱4只機(jī)箱組成。供電輸入控制箱將輸入交流進(jìn)過無(wú)源PFC再進(jìn)行整流濾波，轉(zhuǎn)換為500V左右的直流電壓，分三路分別送到三組高壓電源;另外三個(gè)單元分別將500V直流母線電壓經(jīng)過高頻變換、升壓和倍壓整流濾波電路產(chǎn)生三組獨(dú)立的高壓，供給行波管工作。整個(gè)電源原理框圖如圖1所示。

圖1 高壓電源組成框圖

2.2 工作原理

主電路擬采用三路獨(dú)立調(diào)整的電路，分別產(chǎn)生13kV、19kV、25kV三路高壓，其中輸入控制箱包括供電控制、無(wú)源PFC、380V整流濾波等采用公共電路，輸入供電控制箱由空氣斷路器實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)，由磁力啟動(dòng)器完成輸入交流電的送電控制;由三相共模濾波器扼制高頻噪聲對(duì)其他設(shè)備的傳導(dǎo)干擾;由電抗器組成無(wú)源功率因數(shù)校正，減小輸入交流電的無(wú)功負(fù)荷，抑制工頻三、五等諧波分量;由三相整流橋?yàn)V波電容組成母線整流濾波電路，由控制電路協(xié)調(diào)三組電源的工作狀態(tài)。管體高壓(25kV)電源箱、第一收集極高壓(19kV)電源箱、第二收集極高壓(13kV)，分別產(chǎn)生三組獨(dú)立高壓，采用PWM工作方式，PWM器件采用UC公司的UC3875控制芯片。

2.2.1 開關(guān)變換電器設(shè)計(jì)

開關(guān)變換電路是該高壓電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，傳統(tǒng)的變換器多采用硬開關(guān)變換器，開關(guān)管承受的應(yīng)力較大，尤其是在負(fù)載短路、打火、負(fù)載大范圍變化時(shí)，電源調(diào)整不過來，開關(guān)管承受的應(yīng)力會(huì)成倍增加，從而損毀開關(guān)管。本次設(shè)計(jì)采用全橋移相零電壓零電流開關(guān)變換技術(shù)，通過硬件輔助電路和各開關(guān)管合理的開關(guān)時(shí)序時(shí)機(jī)，使功率管在開通和關(guān)閉時(shí)，基本處于零電壓和零電流狀態(tài)，大大減小了開關(guān)損耗，開關(guān)管采用富士公司的PM150RLA120。即IPM模塊150A/1200V大功率IGBT開關(guān)管，開關(guān)頻率為26～32kHz，功率容量超冗余設(shè)計(jì)，采用全橋移相零電壓零電流開關(guān)變換電路的損耗可以控制在2～3%。為減輕占空比減小造成的電流波形被壓縮，減小峰值電流從而減小導(dǎo)通損耗，采用了電流展寬措施。電路原理圖如圖2所示。

圖2 全橋變換器電路及波形

四只開關(guān)管的柵極觸發(fā)信號(hào)如圖2所示，Vbe1與Vbe2相位相差180°，中間留有一定死區(qū)時(shí)間;Vbe3與Vbe4之間相差亦為180°，中間設(shè)有適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)時(shí)間。通過調(diào)整這兩組觸發(fā)脈沖之間的相移H，就可以改變輸出功率。由于V4(V3)相對(duì)于V1(V2)先行關(guān)斷，所以稱V3、V4為超前臂，V1、V2為滯后臂。

在電路上，可以在濾波電容C1和C2之中點(diǎn)與V1、V2橋臂的中點(diǎn)之間接入輔助電感L2，以幫助滯后臂實(shí)現(xiàn)ZVS。工作原理見圖3。

圖3 輔助電感L2的接法與工作原理

在V1導(dǎo)通期間中電流線性上升，當(dāng)V1受控關(guān)斷后，L2中的貯能也參與了向(C1+Coss)和(C2+Coss)的充放電提供能量的工作，彌補(bǔ)了變壓器初級(jí)回路電感L3貯能不足的缺陷。

2.2.2 高壓?jiǎn)卧O(shè)計(jì)

高壓?jiǎn)卧O(shè)計(jì)包括高壓變壓器設(shè)計(jì)、倍壓電路設(shè)計(jì)。高壓變壓器將變換器送來的高頻信號(hào)進(jìn)行升壓，再經(jīng)過倍壓電路整流濾波輸出需要的高壓信號(hào)。

高壓變壓器采用超微晶硬結(jié)構(gòu)鐵心、硅膠絕緣高壓線，以及環(huán)氧樹脂封裝。為提高散熱能力，采取鐵心外露的結(jié)構(gòu)型式，并在環(huán)氧樹脂中大量摻入硅微粉。變壓器設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)脑龃罅髓F心和導(dǎo)線截面積，降低了線圈圈數(shù)和銅損鐵損，以提高絕緣和效率。變壓器動(dòng)態(tài)磁路B控制在0.3以下，初級(jí)線包電阻0.002Ω，次級(jí)電阻小于 1Ω，激磁電流小于350mA。變壓器整體損耗約1% ～1.5%。變壓器初次級(jí)及外殼絕緣，為應(yīng)對(duì)大功率散熱以及絕緣，采用高導(dǎo)熱系數(shù)(0.8以上)高絕緣性環(huán)氧樹脂真空灌封，理論抗電強(qiáng)度達(dá)100kV。

三組高壓電源高壓變壓器輸出均采用對(duì)稱4倍壓整流電路，高壓整流器件采用進(jìn)口快恢復(fù)二極管串聯(lián)組成，用純度0.999的陶瓷片進(jìn)行器件的絕緣隔離，用高導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂真空灌封。倍壓二極管和倍壓電容耐壓大于變壓器輸出電壓的兩倍，倍壓電路能夠抗電流沖擊能力達(dá)300A，對(duì)大地抗電強(qiáng)度理論值100kV。倍壓電路電路圖4所示。

圖4 典型四倍壓電路

倍壓電容的體積直接影響倍壓電路的體積，確定倍壓電容的最低容量和耐電流耐電壓要求，以必須減小倍壓電容體積。按照輸出電壓頂部降落要求，確定最低限度的輸出電容。為電容的小型化和提高耐電流能力以及高溫穩(wěn)定性，自行設(shè)計(jì)委托加工云母紙電容芯，再自行封裝。電容組的各級(jí)電容芯之間及外殼絕緣，采用高導(dǎo)熱系數(shù)(0.8以上)環(huán)氧樹脂真空灌封，可觸摸外殼理論抗電強(qiáng)度達(dá)100kV。為防止短路、打火造成高壓二極管過流損壞，采用大電感量輸出電感，抑制短路電流上升太快。

2.3 隔離反饋技術(shù)

將反饋電路采用高隔離變壓器，實(shí)現(xiàn)高頻供電和信號(hào)傳輸和隔離。供電是采用200kHz開關(guān)頻率的推挽電路，在高壓端整流濾波，供反饋電路用。反饋電路在高壓端將直流取樣電壓變換成高頻PWM脈沖，通過高隔離變壓器傳輸和隔離，在低壓端通過濾波，還原成直流量，用于電壓控制。

為防止電壓反饋回路失效造成電壓失控過壓，設(shè)置了反饋監(jiān)測(cè)電路，一旦反饋回路失效，立即關(guān)閉輸出。

2.4 干式密封絕緣技術(shù)

在高壓狀態(tài)下干式密封絕緣的主要材料是環(huán)氧樹脂和硅膠。高分子材料雖然絕緣強(qiáng)度高，但導(dǎo)熱系數(shù)低。絕緣與散熱成為干式密封的主要矛盾。

根據(jù)在灌封材料中大量加入硅微粉，可以在不降低絕緣能力的情況下將導(dǎo)熱系數(shù)提高，但環(huán)氧樹脂加入硅微粉后流動(dòng)性很差，真空灌封中空氣無(wú)法排除。我們采用特殊材料和工藝，實(shí)現(xiàn)了大比例硅微粉摻入灌封，使灌封后抗電強(qiáng)度達(dá)20～30kV/mm，導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)0.8.完全滿足絕緣封裝與散熱的需要。在絕緣灌封中我們采用不熱或微熱元件用環(huán)氧樹脂混合硅微粉封裝，高熱元件用高壓陶瓷板和環(huán)氧樹脂、硅微粉混合封裝。這樣解決了絕緣封裝與散熱的矛盾。

3 結(jié)束語(yǔ)

高壓電源的性能指標(biāo)和可靠性與發(fā)射機(jī)的性能指標(biāo)息息相關(guān)，特別是陰極電源更是和發(fā)射機(jī)的信號(hào)質(zhì)量有直接關(guān)系，所以高壓電源在發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)中占有重要地位，應(yīng)該給以足夠重視，本高壓電源的設(shè)計(jì)是針對(duì)新研制的大功率行波管工作需要而設(shè)計(jì)的，由于電真空器件工作時(shí)由于種種原因會(huì)引起電源工作異常，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，在控制保護(hù)電路的設(shè)計(jì)上一定要迅速可靠，通過大量的試驗(yàn)已經(jīng)完成了該高壓電源的設(shè)計(jì)，效率達(dá)到了90%以上，性能、體積、重量均可以滿足行波管工作要求。

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