陰調(diào)脈沖發(fā)射機中高壓電源的抗干擾設(shè)計

張 言，徐 偉

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所， 南京 211153)

陰調(diào)脈沖發(fā)射機中高壓電源的抗干擾設(shè)計

張 言，徐 偉

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所， 南京 211153)

陰極調(diào)制方式發(fā)射機直接控制發(fā)射管的陰極，是一種特大功率的調(diào)制方式，在調(diào)制器開通關(guān)斷瞬間可釋放大量電磁輻射，將干擾其他分機的正常工作。而作為發(fā)射機工作的能量源，高壓電源與調(diào)制器、發(fā)射管處于同一個高壓回路中，因此受到的電磁干擾也最為嚴重。本文以某型雷達為例，著重討論在陰極調(diào)制方式發(fā)射機中高壓電源的抗干擾設(shè)計。

高壓電源；抗干擾；電磁兼容

0 引 言

現(xiàn)代電子技術(shù)和信息技術(shù)的集成度越來越高、密度越來越大，電路模塊之間、設(shè)備之間的干擾問題日益突出，已經(jīng)到了嚴重影響設(shè)備功能的程度。另一方面，電子設(shè)備的迅速增加，也導致了電磁環(huán)境的進一步惡化。電磁干擾已成為電氣、電子設(shè)備及其構(gòu)成的系統(tǒng)正常工作的突出障礙，因而開展電磁兼容研究日顯重要。

發(fā)射機工作電壓高，輸入輸出功率大，在雷達系統(tǒng)中電磁輻射最為嚴重。陰極調(diào)制方式發(fā)射機直接控制發(fā)射管的陰極，是一種特大功率的調(diào)制方式，在調(diào)制器開通關(guān)斷瞬間將釋放大量電磁輻射，將干擾其他分機的正常工作。而作為發(fā)射機工作的能量源，高壓電源與調(diào)制器、發(fā)射管處于同一個高壓回路中(如圖1所示)，因此受到的電磁干擾也較為嚴重。本文以某型雷達為例，著重討論在陰極調(diào)制方式發(fā)射機中高壓電源的抗干擾設(shè)計。

圖1 高壓回路

1 發(fā)射機中的高壓電源干擾分析

發(fā)射機工作時，受定時信號的控制，脈沖調(diào)制器為發(fā)射管提供性能合乎要求的視頻調(diào)制脈沖，將直流高壓電源的能量轉(zhuǎn)換為脈沖能量[1]。這種工作狀態(tài)相當于一個電控電容放電式脈沖源，如圖2所示。

圖2 電容放電式脈沖源電原理圖

回路的等效電路如圖3所示，當開S在t=0時刻接通時，根據(jù)KCL及KVL原理，電路的方程為

經(jīng)過整理得

(1)

其中，L是回路電感，C2是寄存電容，C1為儲能電容，C1的值遠大于C2。因此，公式(1)可以等效為

圖3 電容放電式脈沖源等效電路

由式可知，寄存電容的電壓與回路電感L、電容C2、負載電阻R有關(guān)，L與C2的存在使發(fā)射機在導通瞬間產(chǎn)生放電過程。由于發(fā)射機工作在周期脈沖狀態(tài)，脈沖電壓高、電流大，在調(diào)制開關(guān)及發(fā)射管導通與關(guān)斷的瞬間會產(chǎn)生電磁脈沖，通過各種耦合途徑進入高壓電源的電磁脈沖能量，在元器件上或組件輸入端建立的電流、電壓一旦超過某一閥值，輕則使電路受到干擾，重則造成元器件或組件的損傷。

2 高壓電源的抗干擾設(shè)計

高壓電源是雷達發(fā)射機的主要功率源。為了獲得發(fā)射管工作時所需的高壓電源，必須將輸入的交流電源整流為直流電源，后變換成交流電源，再通過高壓變壓器升壓實現(xiàn)高壓輸出。在某型雷達發(fā)射中使用的高壓電源電壓調(diào)節(jié)范圍從0～27 kV ，最大輸出功率為10 kW。主回路交流輸入為三相380 V/50 Hz， DC/AC逆變器為半橋串聯(lián)諧振電路, 功率開關(guān)管用200 A/1200 V的IGBT，主回路原理圖如圖4所示。

圖4 主回路

控制電路包括PID調(diào)節(jié)器電路，壓控振蕩器，固定脈寬驅(qū)動形成電路，驅(qū)動隔離電路及輔助電源電路。PID調(diào)節(jié)器由基準電壓與采樣電壓決定輸出；壓控振蕩器VCO輸出頻率根據(jù)PID調(diào)節(jié)器的輸出電壓進行調(diào)節(jié)；固定脈寬驅(qū)動形成電路是由定時器、二分頻器及與門電路組成，前級VCO送來的頻率可變，占空比為50%的方波信號經(jīng)定寬驅(qū)動形成電路后，形成兩路頻率可變、脈沖寬度固定的交替脈寬信號送到后級驅(qū)動隔離電路。驅(qū)動隔離電路將上述脈沖放大隔離后形成二路驅(qū)動脈沖驅(qū)動橋臂開關(guān)管，實現(xiàn)功率逆變。如圖5所示。

2.1 逆變回路抗干擾設(shè)計

(1) 高壓電源采用半橋串聯(lián)諧振電路，相對于全橋電路，半橋電路電路簡單，控制方便，可靠性高。而通過串聯(lián)諧振實現(xiàn)高壓逆變的零電流開通關(guān)斷，從而減輕開關(guān)電源的對外電磁輻射，同時也提高了高壓電源的抗干擾能力。

(2) 發(fā)射機的高壓電源采用三相電源供電，電源濾波器采用如圖6所示的濾波電路。根據(jù)高壓開關(guān)電源的工作頻率從低頻諧波和高頻諧波兩方面同時考慮，通過電磁兼容試驗選用合適的電源濾波器。選擇了合適的電源濾波器后，選擇正確的電源濾波器安裝方法，才能使濾波器起到濾波效果。電源濾波器的安裝位置應選在設(shè)備的入口處，輸入線要短，以減少輻射干擾；電源濾波器的輸入輸出線在安裝時必須拉開一定的距離，切忌并行，以免濾波性能降低；把電源濾波器的接地端子和金屬外殼與機箱一起良好接地，這樣共模干擾信號才能被旁路掉，用一根長導線將濾波器外殼連接到設(shè)備機殼上，這時該接地線基本形同虛設(shè)，因為在高頻段長導線的阻抗很大，起不到對干擾有效旁路的作用。

圖5 控制電路

圖6 雙環(huán)三相三線制濾波電路

(3) 設(shè)備內(nèi)模擬地、數(shù)字地和機殼地三地分開接地，并采用并聯(lián)式單點接地。并聯(lián)式單點接地可以有效地避免各單元之間的地阻抗干擾，減少耦合噪聲同時使接地引線最短，使接地線的串聯(lián)電阻和駐波效應減到最小。

(4) 在高壓電源開關(guān)管兩端并聯(lián)RCD緩沖電路。由于高壓電源采用零電流技術(shù)，在正常工作時RCD緩沖電路是不起作用的，但當高壓電源受到干擾、驅(qū)動波形不正常且開關(guān)管工作不正常時，RCD緩沖電路能有效地保護開關(guān)管，避免干擾直接損壞開關(guān)管。

(5) 整流二極管應采用恢復電荷小且反向恢復時間短的。另外，在整流二極管兩端套磁珠和并聯(lián)RC吸收網(wǎng)絡(luò)均可減少干擾，電阻、電容的取值可為幾歐姆和數(shù)千皮法，電容引線應盡可能短，以減少引線電感。負載電流越大，續(xù)流結(jié)束時流經(jīng)整流二極管的電流也越大，二極管反向恢復的時間也越長，則尖峰電流的影響也越大。采用多個整流二極管并聯(lián)來分擔負載電流，可以降低短路尖峰電流的影響。

(6) 將高頻脈沖變壓器、高頻輸出整流濾波等元件放在油箱中，既可減小耐壓空間又可以將磁力線限制在磁阻小的屏蔽體內(nèi)。

2.2 控制電路抗干擾設(shè)計

實際使用中高壓電源控制電路是最易被干擾的電路。以定時器受干擾為例， 當在定時器輸入信號中有一個干擾信號而干擾信號的幅度超過某一門閥時，定時器將受到干擾，進行誤動作，從而產(chǎn)生錯誤的高壓電源驅(qū)動信號。定時器輸出信號已經(jīng)受到干擾而產(chǎn)生錯誤的驅(qū)動信號，驅(qū)動信號的時序已經(jīng)不受控制了，該干擾信號也將跟隨驅(qū)動信號一起控制包括主回路在內(nèi)的后續(xù)電路。

受干擾時高壓電源諧振波形如圖7所示。

圖7 受干擾的高壓電源諧振波形

如圖7可見，由于干擾產(chǎn)生的驅(qū)動信號使高壓電源半橋零電流諧振不能完成，諧振電流之間無死區(qū)，不能實現(xiàn)無損關(guān)斷。硬關(guān)斷將大大縮減元器件的使用壽命，同時形成新的干擾源。干擾嚴重時，甚至會導致上下橋臂直通，直接對主回路造成損壞。

具體抗干擾措施：

(1) 切斷干擾源的傳輸通道是行之有效的抗干擾手段。設(shè)備內(nèi)的交流供電線、主回路線、小信號線和驅(qū)動信號線分別走線。電源輸入電纜采用屏蔽線，信號線采用雙絞線。

(2) 為了避免空間傳播的干擾，將控制電路模塊用屏蔽盒屏蔽起來。

(3) 為了提高控制電路的抗干擾能力，可以在輸入輸出端加入濾波電路。對于驅(qū)動信號而言，主要是通過低通濾波器濾除高頻干擾成分。常用的濾波電路有R型、L型、C型、RC型、LC型、T型濾波器和π型濾波器[2]，如圖8所示。

圖8 各種濾波器

以定時器干擾為例，在定時器輸入端加入RC型濾波器。R型濾波器是產(chǎn)生一個高阻抗以發(fā)射干擾，C型濾波器是產(chǎn)生一個低阻抗來發(fā)射干擾，具有較大R值的RC型濾波器抗干擾能力比較理想，因為不會產(chǎn)生明顯的諧振。但是，當干擾比較強烈，需要用較大R值與C值時，濾波器會對驅(qū)動信號產(chǎn)出影響，取值不當時將無法形成驅(qū)動信號。因此，可以在RC型濾波器的基礎(chǔ)上對電源再上拉一個電阻，提高驅(qū)動信號的驅(qū)動能力，如圖9所示。

圖9 RRC型濾波器

通過R1、R2和C的取值，可以實現(xiàn)在不影響驅(qū)動信號的同時得到較好的濾波效果。

3 結(jié)束語

提高高壓電源的抗干擾能力是陰調(diào)脈沖發(fā)射機研制過程中的一個重要課題。只有高壓電源能平穩(wěn)運行才能保證發(fā)射機的正常工作。因此，有必要從設(shè)計階段開始就充分考慮到系統(tǒng)中存在的各種干擾隱患。本文從高壓電源的主回路和控制電路兩方面提出了多種抗干擾方法，并在實際工程運用中證實了這些方法的可行性。

[1] 廖復疆，孫振鵬，閆鐵昌.真空電子技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.6.

[2] 周志敏，紀愛華.電子兼容技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.9.

Design of ECCM of high-voltage power supply in cathode-modulated pulse transmitters

ZHANG Yan, XU Wei

(No. 724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

The cathode modulation mode in which the transmitter directly controls the cathodes of the transmitting tubes is a super high-power modulation mode. A large amount of electromagnetic radiation is released when the modulators are on and off, which affects other units' normal operation. The high-voltage power supply as the energy sources of the transmitter is in the same high-voltage loop with the modulators and the transmitting tubes. Therefore, it suffers the most serious electromagnetic jamming. The ECCM of the high-voltage power supply in the cathode-modulated transmitter of certain radar is designed and discussed.

high-voltage power supply; anti-jamming; electromagnetic compatibility

2013-12-10；

2014-02-02

張言(1983-)，男，工程師，碩士，研究方向：特種電源及雷達發(fā)射機技術(shù)；徐偉(1980-)，男，高級工程師，碩士，研究 方向：特種電源及雷達發(fā)射機技術(shù)。

TN832

A

1009-0401(2014)01-0033-04