大功率連續(xù)波固態(tài)功率源系統(tǒng)設(shè)計分析

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

核能作為未來能源發(fā)展的重要方向,核廢料的處理是核能應(yīng)用面臨的一大技術(shù)難題。目前常用的處理核廢料的方法是深度掩埋,這對環(huán)境存在威脅。加速器驅(qū)動的次臨界系統(tǒng)(Accelerator Driven sub-critical System,ADS)通過強流直線加速器加速的強流質(zhì)子束,打靶產(chǎn)生高通量的中子[1],使長半衰期的放射性核廢料反應(yīng)生成短半衰期或穩(wěn)定的元素,以從根本上解決核廢料處理問題。大功率、連續(xù)波固態(tài)功率源是加速器驅(qū)動的次臨界系統(tǒng)的重要組成單元。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

按照系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)要求,本放大單元要完成0～10 dBm的信號輸入到1～20 k W輸出的功率放大,其功率增益達(dá)63 dB,屬于高增益、大功率放大系統(tǒng),要使這樣的高增益的連續(xù)波系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠地工作,合理的增益分配、合成網(wǎng)絡(luò)選擇及器件散熱是設(shè)計的關(guān)鍵[2]。根據(jù)目前的功率放大管水平,實現(xiàn)該頻段功率的高增益放大,其首選為LDMOS器件,該類器件具有可高增益、連續(xù)波工作特點[3],且工作效率可高達(dá)75%,給系統(tǒng)的熱設(shè)計帶來了方便,同時為系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠工作提供了可能。根據(jù)LDMOS目前的水平,該系統(tǒng)采用兩級(驅(qū)動放大、末級放大)放大單元,以功率合成的方式實現(xiàn)。具體實現(xiàn)架構(gòu)如圖1所示。

固態(tài)功率源系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)要求:

工作頻率:f0±1 MHz

輸入功率:0～10 dBm

輸出功率:1～20 k W(連續(xù)波)

圖1 固態(tài)功率源系統(tǒng)實現(xiàn)架構(gòu)

功率源系統(tǒng)可以承受全反射。

合理的增益分配是建立在可選器件的基礎(chǔ)上的,從圖1的功率放大系統(tǒng)架構(gòu)可以看出,驅(qū)動組件的功率增益和末級放大組件的功率增益均在35 dB左右,這樣的增益選擇方便組件內(nèi)部采用兩級功率放大以實現(xiàn)。實現(xiàn)20 k W的合成輸出,在系統(tǒng)設(shè)計上考慮到連接器承受功率水平、環(huán)形隔離器最大負(fù)載容量以及本系統(tǒng)采用的徑向線合成器的特點,末級組件采用12個雙路1 k W的功率組件進(jìn)行功率合成[4],實現(xiàn)系統(tǒng)20 k W功率輸出。系統(tǒng)監(jiān)控單元完成系統(tǒng)內(nèi)各功能單元的工作狀態(tài)收集以及上位機通信。配電單元完成交流220 V輸入到系統(tǒng)工作所需的各種電源變換,同時將電源的工作狀態(tài)進(jìn)行收集,按照監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式要求,與監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。水冷系統(tǒng)是該功率源系統(tǒng)穩(wěn)定工作的必要保障,各個功能單元的熱仿真是實現(xiàn)水冷系統(tǒng)設(shè)計的必要手段。

20 k W固態(tài)功率源系統(tǒng),作為ADS能量注入系統(tǒng)的一個基本單元,在實際應(yīng)用中有可能會使用多個這樣的單元做系統(tǒng)組合,因此,在單元系統(tǒng)設(shè)計上對可擴展性要有充分的考慮。

1)接口設(shè)計。單元組件接口的合理設(shè)計是保證系統(tǒng)可擴展的首要條件,包括接口電平的選擇,如果電平選擇太高,將會給多系統(tǒng)擴展帶來驅(qū)動的限制,因此,本系統(tǒng)要求驅(qū)動組件、末級功放組件的輸入驅(qū)動功率分別為10 d Bm和20 d Bm,這樣對于后面的系統(tǒng)擴展,不需要太高的驅(qū)動功率,有利于擴展的實現(xiàn);

2)監(jiān)控單元?？梢酝ㄟ^程序設(shè)計指定在線系統(tǒng)中的任一臺監(jiān)控單元為上位機,這樣會給擴展后的系統(tǒng)監(jiān)控、通信帶來實現(xiàn)的方便;

3)相位、衰減可控。多個功率源系統(tǒng)對粒子進(jìn)行加速,最首要的條件是保證各加速口的加速場相位的一致,因此,本功率源在設(shè)計中需要在驅(qū)動放大組件內(nèi)部設(shè)置數(shù)控移相、衰減單元,以保證擴展后的功率源系統(tǒng)滿足對粒子同相加速的要求;

4)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。本功率源系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的24英寸機柜實現(xiàn),在單元布局上充分考慮操作的方便性和外形的美觀,這樣便于功率源系統(tǒng)的擴展安裝和提前空間規(guī)劃。

2 驅(qū)動放大組件雙冗余設(shè)計

從圖1可以看出,驅(qū)動放大與后面的末級放大組件在電路原理上是串聯(lián)工作的,它的穩(wěn)定可靠工作是實現(xiàn)系統(tǒng)高可靠運行的關(guān)鍵,為此,在系統(tǒng)設(shè)計上要求驅(qū)動放大組件采用雙冗余的方式實現(xiàn)。

實現(xiàn)驅(qū)動組件雙冗余,在技術(shù)實現(xiàn)上有兩種方式,其一是采用開關(guān)切換的方式,采用這種方式其中一個組件處于待機狀態(tài),當(dāng)系統(tǒng)檢測到工作組件故障時可以通過開關(guān)切換,將處于熱備份狀態(tài)的驅(qū)動組件轉(zhuǎn)換成工作組件,但存在轉(zhuǎn)換時間及開關(guān)承受功率的問題,根據(jù)資料顯示,在10 W量級的轉(zhuǎn)換開關(guān),其開關(guān)轉(zhuǎn)換速度在20 ms左右,這樣不能滿足加速器系統(tǒng)的要求。其二是采用功率合成的方式,這種方式兩個組件均處于工作狀態(tài),但在其輸出端通過移相電纜將兩個組件的輸出相位偏移120°,以使合成功率滿足系統(tǒng)驅(qū)動要求,采用這種方式工作的驅(qū)動組件,要求其組件輸出功率為系統(tǒng)所需驅(qū)動功率的兩倍,所以驅(qū)動組件的設(shè)計功率不宜過大,以免對散熱及系統(tǒng)效率造成不利影響,本設(shè)計取前置放大組件的輸出功率為10 W。具體實現(xiàn)方式如圖2所示。

圖2 雙冗余實現(xiàn)方式

式中:P為合成輸出功率;P1,P2為兩個前置放大組件的輸出功率,設(shè)計上P1=P2;θ為兩個組件輸出的相位差,設(shè)計上θ=120°。

從式(1)可以看出,在兩個組件都正常工作的條件下P=0.5P1,在一個組件故障的條件下仍然存在P=0.5P1,滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。為了滿足一個驅(qū)動放大組件故障不停機的要求,給設(shè)計帶來的不利就是單個前置放大組件的輸出功率加倍,造成組件散熱壓力。鑒于此,在系統(tǒng)放大鏈參數(shù)選擇上給予了充分的考慮,可見系統(tǒng)參數(shù)的選擇與最后各個功能單元的實現(xiàn)是息息相關(guān)的。

3 雙輸出末級放大組件設(shè)計

按照系統(tǒng)實現(xiàn)總體方案考慮,末級放大組件的主要技術(shù)指標(biāo)要求為:

工作頻率:f0±2 MHz

輸入功率:20 dBm

兩路輸出:P-1≥1 k W(組件可直接插拔)

可承受全反射。

末級放大組件輸出的功率直接用來進(jìn)行20 k W功率合成,此固態(tài)功率源系統(tǒng)中設(shè)計了12個末級放大組件,每個末級放大組件有兩路功率輸出,每一路設(shè)計功率輸出大于1 k W,這樣在1個末級放大組件故障的情況下,系統(tǒng)仍然能夠正常工作,有較大的功率冗余,這時取下故障組件即可方便維修。具體實現(xiàn)方式如圖3所示。

圖3 末級放大組件的實現(xiàn)方式

末級功率管選擇:在該工作頻段,大功率的LDMOS器件已相當(dāng)成熟,且有較大的選擇空間,如表1所示。

表1 LDMOS器件特性

從上表3種器件的技術(shù)參數(shù)可以看到,3種器件均屬于寬帶、高效、高增益且可以連續(xù)波工作的器件。對比分析第二種器件的承受駐波能力與另外兩種器件相比較差,本方案放棄選擇。另外兩種器件在輸出功率上相差3 d B,如何選擇涉及多方面的因素,其一是散熱問題,盡管功率管的效率高達(dá)75%,在1 250 W功率輸出的情況下,仍然有超過400 W的熱量有待散發(fā),這給散熱設(shè)計帶來了難處,同時為功率管的可靠工作置下隱患,另外,組件設(shè)計要承受全反射工作,大的輸出功率必將導(dǎo)致其在全反射狀態(tài)下要承受大的反射功率,比較得失,該工程設(shè)計組件選用第一種功率管。

冗余度分析:每個功率組件有4只功率管進(jìn)行功率合成,系統(tǒng)有12個這樣的末級放大組件構(gòu)成,分析冗余度從兩個方面進(jìn)行,一種情況是系統(tǒng)有1只功率管失效,另一種是1個末級放大組件拔出維修,分析這兩種情況下對系統(tǒng)輸出功率的影響以及組件內(nèi)環(huán)形隔離器承受駐波功率的情況。

1)1只功率管失效對輸出功率的影響:系統(tǒng)12只末級功放組件共有48只功率管。

式中,Pout為系統(tǒng)1只功率管失效情況下的輸出功率;P0為系統(tǒng)正常工作時的輸出功率;N0為末級功率管數(shù)量,這里N0=48;N為失效功率管數(shù)量,這里N=1。

由式(2)可得

此時輸出功率為系統(tǒng)正常工作時輸出功率的96%。由于1只功率管失效,有4%的附加反射功率有環(huán)形隔離器負(fù)載承受,P反射=800 W,每只環(huán)形隔離器負(fù)載承受功率為16 W,不影響系統(tǒng)的可靠運行。

2)1只末級放大組件拔出維修,對輸出功率的影響:分析同上。

由于1只末級放大組件拔出維修,有16%的附加反射功率有環(huán)形隔離器負(fù)載承受,P反射=3 200 W,每只環(huán)形隔離器負(fù)載承受功率為70 W,不影響系統(tǒng)的可靠運行。

4 系統(tǒng)熱設(shè)計

對于大功率、連續(xù)波系統(tǒng),完善的熱設(shè)計是系統(tǒng)可靠運行的重要保證[5]。對于該功率源系統(tǒng),最關(guān)鍵的發(fā)熱單元是末級功率放大組件,并且在系統(tǒng)全反射的情況下,組件的發(fā)熱量為最大,如表2所示。

表2 全反射模式下末級組件熱耗分布

熱設(shè)計的依據(jù)是對發(fā)熱元件發(fā)熱量的精確計算、器件熱阻以及器件散熱面的物理尺寸[6]。根據(jù)所提供的資料,得到圖4～7的熱仿真結(jié)果。

圖4 發(fā)熱器件溫度分布云圖

圖5 液冷流道壓力分布云圖

圖6 液冷流道溫度分布云圖

圖7 液冷流道速度分布圖

優(yōu)化仿真結(jié)果,在全反射情況下功率管管殼的最高溫度約為65.3℃,環(huán)形隔離器負(fù)載最高溫度約為79.1℃。該結(jié)果能很好地滿足系統(tǒng)對熱設(shè)計的要求。

5 大功率合成網(wǎng)絡(luò)

24∶1大功率合成器將機柜內(nèi)12個雙路輸出末級組件的輸出功率進(jìn)行功率合成,作為射頻機柜的功率輸出。24∶1大功率合成器具有功率大、合成路數(shù)多等特點,經(jīng)分析采用徑向線結(jié)構(gòu)最為合理[7],其仿真模型如圖8所示。

圖8 徑向線功率合成器仿真結(jié)構(gòu)圖

仿真結(jié)果如圖9～11所示,其插入損耗為0.016 dB,輸出端口駐波為1.01,相鄰端口隔離度為27.5 d B,滿足設(shè)計要求。

圖9 插入損耗

圖10 輸出端駐波

圖11 相鄰端口隔離度

6 結(jié)束語

本文對系統(tǒng)架構(gòu)、放大鏈路中各放大單元的增益分配以及技術(shù)實現(xiàn)等方面進(jìn)行了充分的分析,對影響系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)及可靠性的關(guān)鍵功能單元進(jìn)行了仿真計算,同時,對實現(xiàn)系統(tǒng)的可擴展進(jìn)行了合理的規(guī)劃,對后續(xù)相關(guān)工程設(shè)計具有很好的參考價值。

[1]王志軍,何源,劉勇,等.中國ADS直線加速器中注入器Ⅱ的設(shè)計模擬[C]∥中國核科學(xué)技術(shù)進(jìn)展報告(第二卷):粒子加速器分卷.貴陽:中國核學(xué)會,2011:50-56.

[2]汪邦金,胡善祥.微波固態(tài)功率組件相位一致性分析[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2008,6(1):77-80.

[3]楊樹坤,李俊,唐劍平,等.LDMOS微波功放器設(shè)計[J].電子與封裝,2013,13(4):18-21.

[4]汪海洋.高功率微波功率合成技術(shù)研究[D].成都:電子科技大學(xué),2003.

[5]張劍.高功率S波段LDMOS FET功率放大器的研究[D].成都:電子科技大學(xué),2005.

[6]王健.大功率固態(tài)功率管熱設(shè)計優(yōu)化及驗證[J].電子機械工程,2012,28(4):15-17.

[7]白廣義.徑向功率分配/合成器的設(shè)計[J].微波學(xué)報,1999,15(2):189-192.