一種小型化行波管高壓電源的設計

朱元江，王 磊

（船舶重工集團公司723所，揚州225001）

0 引 言

隨著技術的不斷進步，高壓電源已趨向于小體積、大功率、高效率和低紋波等方向發(fā)展［1－2］，其中小體積和高效率使得高壓電源的應用前景更加光明。在減小體積和重量的前提下，不斷提高高壓電源的效率從而提高可靠性是工程師們追求的目標，高壓電源因其特殊的應用背景，在設計時需要考慮的問題更趨復雜化。例如：交叉調整率、適應脈沖負載特性、抗短路特性等。本文介紹的小型化行波管高壓電源具備了上述特點，適用于航天、無人機平臺和彈載平臺等特殊應用領域。

1 變換器的原理及特點

1.1 變換器的理想特性

為實現(xiàn)高壓電源的高效率和小體積，應用于高壓電源的拓撲必須具備以下特征［3］：

（1）利用變壓器和功率開關管的寄生參數(shù)，實現(xiàn)主功率開關管以零電壓開關（ZVS）方式通斷，以減小開通損耗和提高效率，提升變換器的可靠性；

（2）為了便于優(yōu)化變換器諧振參數(shù)，應保證開關頻率的恒定，實現(xiàn)最優(yōu)的電路工作方式；

（3）輸入輸出應分別滿足電流源特性和電壓源特性，以適應高電壓場合的特殊應用；

（4）盡可能降低變壓器的變比，減小次級映射到初級的分布電容，以減輕由于分布電容帶來的不利影響；

（5）高壓電源應能適應脈沖負載特性和寬輸入電壓變化。

1.2 變換器的等效電路和工作原理

如圖1所示，該變換器為電流饋電型主動箝位推挽隔離DC－DC變換器，S1和S2為主開關管，CS1和CS2分別為S1和S2的輸出電容，DS1和DS2分別為S1和S2的體二極管，Sa1和Sa2為輔助開關管，Csa1和Csa2分別為Sa1和Sa2的輸出電容，Dsa1和Dsa2分別為Sa1和Sa2的體二極管，CT為箝位電容，Lin為輸入電感，圖中虛線標注的為功率變壓器T1，Ld1和Ld2為諧振電感，DR1和DR2為高壓整流二極管，CR1和CR2為倍壓電容，C0為儲能電容，R0為等效負載。

圖1 電流饋電型主動箝位推挽隔離DC－DC變換器

根據實際的工作過程，將變換器的工作過程分為5個階段：

（1）（t1～t2）S1和S2同時導通，此時流過開關管S1和S2的電流大小一致，方向相反，初級不向次級饋能，輸入電感Lin存儲能量。

（2）（t2～t3）S1以零壓方式關斷，此時由于電感Ld1的續(xù)流作用，對CS1和Csa1分別進行充放電，當Cs1的電壓充至箝位電壓UCT，Csa1上的電壓為零時，Sa1的體二極管Dsa1導通，此時存儲于電感Ld1的能量轉移至箝位電容CT中。這個過程中，當開關管S1和S2的電流大小不一樣時，初級向負載饋能。

（3）（t3～t4）Sa1導通，由于箝位電容電壓 UCT的作用，流過電感Ld1的電流逐漸減小，直至反向，此時箝位電容上的能量轉移至變換器。

（4）（t4～t5）Sa1關斷，由于電感Ld1的續(xù)流作用，對電容Csa1和CS1分別進行充放電，直至主開關管S1上的電壓為零，電流通過體二極管。

（5）（t4～t5）主開關管S1導通，流過電感Ld1的電流逐漸減小，直至反向，當流過Ld1的電流與流過Ld2的電流大小一致、方向相反時，此過程回到階段（1）。

1.3 變換器工作的理論波形

圖2給出了驅動和電路各狀態(tài)的電流和電壓波形，wS1和wS2為主開關管驅動控制波形，wSa1和wSa2為輔助開關管的驅動控制波形，IS2和VS2分別為主開關管S1上的電壓和電流波形，Vsa2和Isa2分別為輔助開關管上的電壓和電流波形，ILd1為流經電感Ld1的電流，ILin是流經電感Lin的電流。從圖中可以看出，該拓撲是以ZVS方式工作的。

2 高壓電源的設計

由于行波管為二級降壓收集極，行波管需要幾組電源，為了減小高壓電源的體積，高壓電源采用串聯(lián)供電的方法來實現(xiàn)行波管收集極和管體電源。

所謂的串聯(lián)供電，指的是利用一個變換器同時產生行波管的陰極電壓和收集級電壓，通過對陰極電壓的取樣來實現(xiàn)穩(wěn)壓，收集級的電壓通過變換器的交叉調整能力和變壓器的繞制來實現(xiàn)。

圖2 變換器工作的理論波形

為了進一步優(yōu)化諧振參數(shù)，便于濾波電路設計［4］，高壓電源控制基于脈寬調制方式，開關頻率固定為100kHz左右。由于輸出電壓高，變壓器的初次級變比較高，為減少變壓器初次級變比高所帶來的寄生參數(shù)問題，采用倍壓和多組輸出串聯(lián)方式，如圖3所示。

圖3 高壓電源電路圖

3 電路參數(shù)的設計

在高壓電源設計中，高壓電源變壓器采用扁平結構，以減小體積。設定開關頻率f為90kHz，最大占空比D為0.68，變換器的增益q為2，陰極高壓輸出Vout為7.5kV，高壓電源變壓器的總變比確定為：

變壓器完成繞制后，參數(shù)如下：初級電感Lp為60μH，漏感Ld為在0.3μH，變壓器的分布電容Cp約為10pF。為滿足諧振和箝位要求，諧振電感選為5μH，箝位電容選為1μF。

4 實測波形

圖4～6分別給出了主開關管S1的電壓和電流波形，其中A路為電壓波形，B路為電流波形。圖4為輸出功率達到200W時主開關管S1的電壓和電流波形，圖5為輸出功率達到100W時主開關管S1的電壓和電流波形，圖6為空載時主開關管S1的電壓和電流波形。從圖中可以看出該高壓電源可以工作在不同負載條件下，并能保證開關管工作在ZVS狀態(tài)。

圖4 高壓輸出200W主開關管電壓、電流波形

5 結束語

本文介紹了一種小型化行波管高壓電源，該高壓電源采用電流饋電型主動箝位推挽隔離DC－DC變換器結構，并對其工作模式進行了詳細的分析。通過實驗表明：該拓撲有很好的ZVS特性，在不同負載條件下，得到了功率管的實測電壓和電流波形。最后進行了滿功率測試，該高壓電源輸入電壓30V，輸入電流7A，輸出功率為1 9 6W，效率為94%，陰極輸出電壓為－7 508V，收集級1輸出電壓為－3 215V，收集級2輸出電壓為－4 302V，收集級1和收集級2空滿載電壓變化率小于5‰。試驗證明該高壓電源效率高、體積小、重量輕、負載調整率好。該高壓電源在航空航天、彈載和星載等領域應用前景廣泛。

圖5 高壓輸出100W主開關管電壓、電流波形

圖6 高壓輸出空載主開關管電壓、電流波形

［1］沙文祥，李剛，張宗濂.機載行波管發(fā)射機電源系統(tǒng)［J］.電子工程師，2006，7（32）：32－35.

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［3］Ivo Barbi，Roger Gules.Isolated DC－DC converters with high－output voltage for TWTA telecommunication voltage for TWTA telecommunication satellite applications［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2003，18（4）：975－984.

［4］柏光東，徐曉榮，陳永浩.一種超寬帶中功率 MPM的設計［J］.雷達科學與技術，2009（7）：397－400.